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半導體器件分析范文1

>> 塑封半導體器件的質量與可靠性 貼片半導體器件可靠性工作研究 半導體分立器件制造工藝的可靠性研究 半導體器件塑封抽真空裝置 水汽對塑封集成電路\分立器件可靠性的影響 對軍品型號用塑封工業級元器件的可靠性控制分析 半導體可靠性方面的問題探討 機器視覺在半導體器件塑封缺陷檢測中的應用 半導體和半導體器件中的擊穿現象 半導體器件的發展趨勢 半導體功率器件的散熱設計 淺談提高電子元器件使用可靠性的措施 提高電子元器件使用可靠性的措施研究 微電子器件的可靠性研究 淺談電子元器件的使用可靠性 提高電子元器件使用可靠性的方法 強化煤礦供電系統可靠性的保證措施思考 半導體器件封裝技術 功率半導體器件直流參數測試系統的研發 塑封電子元器件防潮性研究 常見問題解答 當前所在位置：l, 2006-11-28.

[2]楊丹,恩云飛,黃云. 電子元器件的貯存可靠性及評價技術[C]//中國電子學會論文集.北京:中國電子學會可靠性分會,2004:287-292.

[3]張鵬,陳億裕. 塑封器件失效機理及其快速評估技術研究[J].半導體技術,2006,31(9): 676-679.

[4]丁繼善.塑封半導體器件的可靠性增長分析[J].電子產品可靠性與環境試驗,2000(6):40-44.

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[6][美]LALL P,PECHT M G,HAKIM E B.溫度對微電子和系統可靠性的影響[M].賈穎,譯.北京:國防工業出版社,2006.

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[8]丁芳芳, 賈穎. 塑封半導體器件加速壽命試驗方法及加速因子模型 [C]//中國電子學會可靠性分會第十二屆學術年會論文集.北京:中國電子學會,2004:229-237.

半導體器件分析范文2

關鍵詞：半導體平面工藝;實踐教學;教學方法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）40-0150-02

一、引言

半導體器件平面工藝技術是60年展起來的一種非常重要的半導體技術[1]。半導體器件平面工藝即：在半導體芯片上通過氧化、光刻、擴散、電極蒸發等一系列流程，制作出晶體管和集成電路;制作的器件和電路都是在芯片表面一層附近處，整個芯片基本上保持是平坦的（實際上，表面存在許多臺階）;制作出的晶體管稱為平面晶體管（相對于臺面晶體管而言），故稱相應的制作工藝為平面工藝[2]。迄今為止，平面工藝已經是制造各種半導體器件與集成電路的基本工藝技術。因此，讓相關專業的本科生了解平面工藝的基本制作工藝有著非常重要的現實意義。

二、平面工藝的發展史

同許多重要的工藝進展一樣，平面工藝也是從前幾代工藝中演變、發展來的。下面分別介紹這幾種半導體器件的制造方法及工藝[3]。

1.生長結方法。該方法是在摻有某種雜質的半導體熔液中生長半導體單晶。通過在生長過程中的某一時刻，突然改變熔液的導電類型來達到生長P-N結的目的。舉例說明如下：例如在含有P型雜質的溶液中生長了一段時間后，投入一顆含有施主雜質的小球，結果，單晶的其余部分長成N型。生長完成后，再把晶體切成含有P-N結的小條。在結型晶體管發明之后的頭幾年，這個方法是極其重要的，但從大批量生產的角度來看，生長結方法不如合金結方法更有效。

2.合金結方法。為了更好理解，我們將舉例說明。在一個N型的半導體片子上放入一個含有受主型雜質的小球，并將它們一起加熱到足夠高的溫度，使得小球以融解或合金的形式摻入到半導體片子中，晶體冷卻之后，小球下面會形成一個受主型雜質飽和的再分布結晶區，這樣就得到了一個P-N結。

這種方法不僅在發明之初是，而且現在仍然是二極管和晶體管（主要是鍺器件）大批量生產中廣為使用的一種方法。但是，隨著科技的發展，對半導體器件性能的要求越來越高，而合金結方法的局限性就暴露出來了，比如，其結的位置總是難以控制。

3.平面工藝。為了探索一種能夠精確控制P-N結位置的方法，擴散結方法就應運而生了。擴散結的形成方式與合金過程有相似之處，即片子的表面是暴露于高濃度雜質源之中的。但擴散結，在這種情況下不發生相變，雜質依靠固態擴散的方式進入半導體晶體內部，而固態擴散則是能夠非常精確地加以控制的。此外，由于二氧化硅薄層能夠有效地掩蔽大多數最重要的受主和施主雜質的擴散，因而半導體幾何圖形的控制精度也大大提高了;另外，二氧化硅薄層還具有能鈍化半導體器件表面的作用，因此，器件受周圍環境影響的弱點可以得到極大的克服，從而提高器件的重復性和穩定性得到了較大的提高。

綜上所述，平面工藝就是利用掩蔽膜，通過光刻技術控制幾何圖形，進行選擇擴散形成P-N結，制造半導體器件的工藝。其具有用固態擴散方法形成結和利用二氧化硅掩膜精確控制器件幾何圖形的優點。

三、課程教學探討

1.課程內容設置。本實驗教學中心開設的半導體器件平面工藝實驗的主要目的是應用平面工藝技術制作半導體二極管，通過對最基本的半導體單元器件的制作來達到讓學生熟悉平面工藝流程，深刻理解平面工藝原理并掌握簡面工藝操作技能的目的。

本實驗教學中心開設的半導體器件平面工藝的具體實驗流程如圖2所示。

（1）首先在Si外延片的表面利用熱氧化的方法生長一層SiO2的氧化層，這層SiO2既起到對雜質的屏蔽作用，又能起到絕緣等保護作用。生長氧化層的時候采用干濕氧交替的方法來達到既保證氧化層厚度又保證氧化層致密性的目的。

（2）通過濕法刻蝕的方法在SiO2層表面刻蝕出擴散窗口，或者稱為P區窗口。

（3）以BN為源，向擴散窗口中進行B擴散。這里一般有兩個過程：一是B預沉積，即，在表面雜質濃度恒定的條件下，將雜質B沉積在Si表面的一無限薄層內，通過擴散時間的控制可以決定雜質總量的多少。這一過程之后，我們通過測量樣片方塊電阻的方法，以確定雜質總量是否合適。二是B再分布，即在雜質總量恒定的條件下，向Si深層進行B擴散，通過擴散時間的控制可以決定雜質擴散的深度。這一過程之后，進行擴散深度的測量，又叫結深測量。

（4）B擴散之后，含有B雜質的區域就成為P型Si，稱為P區。由于B再分布過程是在通氧氣的環境下進行的，因此會在P區表面形成一薄層SiO2，必須通過二次光刻，刻蝕出電極引線孔。

（5）二次光刻后，利用真空蒸發工藝，在器件表面沉積一層金屬Al作為電極。

（6）再進行三次光刻，去掉多余部分的Al，最終形成Al電極。這樣一個簡單的二極管就制作完成了。

（7）最后進行二極管正反向偏置條件下結特性的測量，以確定二極管的性能。

2.課堂教學方法探討。本實驗課的教學方法采用實驗前集中講解和實驗后答疑分析講解相結合的方法。

實驗前的集中講解：講解本實驗的實驗原理、實驗目的、實驗步驟，并提出一些實驗中要涉及到的相關知識，讓學生提早預習。答疑和分析講解：實驗完成后，每個小組要針對自己的實驗過程和結果進行小結，由老師解答學生還存在的疑問，并對實驗結果進行分析。由于本實驗是一個綜合性，研究型的實驗，所以我們在實驗報告的寫作上也進行了一些改革，要求學生以科技論文的方式來完成本課程實驗的實驗報告。這樣的教學方法和形式，能達到教與學的互動和融洽，使師生在教與學的過程中真正溝通，教師能動態地了解學生的實驗情況和要求，也讓教師動態地了解自己的教學效果。

本實驗課的目的是通過氧化、擴散、光刻這三個最基本的半導體平面工序制造出一個完整的半導體二極管，是一個典型的綜合性、研究型實驗。本實驗的功能主要鞏固相關專業的本科生所學的專業基礎知識，了解和掌握半導體器件制備工藝的主要過程，具有一定分析、解決實際工藝問題的能力，激發學生對微電子行業的興趣。因此，在完成本學院本科生必修實驗課程的基礎上，可以部分面向全校學生開放，為跨專業的學生提供與此技術相關的課外選修實驗項目，大學生創新創業項目和開放創新實驗項目等。學生可以根據自己的興趣愛好選修實驗中心提供的實驗項目，也可以根據自己的一些想法，提出完整的實驗方案，實驗中心可以為具有可行性的實驗方案提供場地與儀器設備。畢業班的學生則可以根據自己就業的需要，進行一些實用性的實驗項目或參與科研工作，在實驗教師的指導下，完成科研項目中的一些子項目或功能模塊。使得參與實驗項目學生的動手實踐能力得到較好的鍛煉，培養學生的創新意識，強化學生的動手能力，全面提高學生的綜合素質，為他們今后走向社會，迎接信息時代的挑戰作好充分準備。

四、結論

半導體器件平面工藝實驗課程的開設可以讓學生更加直觀的了解這個行業，加深對前面幾門課程的理解。該實踐課程主要是應用平面工藝技術制作半導體中最基本的器件二極管。學生通過氧化、光刻、擴散、蒸發、結特性測量等一系列實驗，掌握半導體器件的工藝流程。培養學生實際動手能力、獨立處理問題和解決問題的能力，提高學生就業競爭力。

參考文獻：

[1]阮剛.集成電路工藝和器件的計算機模擬――IC TCAD技術概論[M].上海：復旦大學出版社.

半導體器件分析范文3

美國半導體工業基礎存在的問題

過去5年，在半導體器件價格下調和海外制造商成本優勢增加等壓力下，美國半導體器件生產商面臨著嚴峻挑戰。

集成電路出口價高于進口價，價格差呈擴大趨勢

近年來美國國內的制造能力發展緩慢，給半導體工業基礎帶來不利影響。以200毫米晶圓為例，2007～2012年，北美地區200毫米晶圓月產能的復合年增長率為3.5%，只達到世界平均增長率的一半。

制造能力發展緩慢的原因是許多半導體制造商將制造工廠遷至海外，國內業務轉向發展利潤豐厚的半導體封裝和設計服務。未來若美國半導體工業產能增長率仍保持低位，則美國只從事設計或封裝的半導體生產商將不斷增多，加劇元器件制造在東亞等地區的外包，使美國半導體工業陷入惡性循環。

軍用電子元器件安全遭受威脅

隨著美國制造能力的外遷，美國國防部需對軍用平臺、彈藥和武器系統使用的進口元器件保持警惕，需要重點注意的問題包括：

（1）偽冒元器件問題，這些元器件成本低廉，通常以廢棄或有缺陷的元器件冒充正品；

（2）植入惡意功能的元器件，對武器裝備性能、可靠性和安全產生嚴重影響；

（3）“競爭對手”對元器件上游供應鏈進行控制，可能會對供應源安全造成威脅。

保障美國半導體供應鏈完整性的三項措施

文章給出的關于保障美國半導體供應鏈完整性的措施包括：

（1）美國政府需進一步制定有利于半導體工業發展的政策，并建立更有效的政策實施機制。盡管此前美國政府曾鼓勵國防承包商從可信供應商手中購買電子元器件，但卻未建立切實可行的實施機制，也未解決因使用可信供應服務帶來的成本上升等問題。

半導體器件分析范文4

【關鍵詞】塑封；器件；質量與可靠性

引言

塑封半導體器件特別是貼片塑封半導體器件以其體積小、重量輕的優勢，滿足了航天武器系統小型化的需求，逐漸被用來替代金屬或陶瓷封裝的分立半導體器件。受到封裝材料、禁運和進貨渠道的限制，裝機的塑封半導體器件（以下簡稱塑封器件）質量等級多為工業級。器件小型化和高集成度的飛速發展，受到質量保證能力的局限和滯后的影響，有許多器件在裝機之前還沒有手段進行相關的可靠性工作，其質量存在較大隱患。

近年來，國內元器件可靠性機構逐漸意識到塑封半導體器件的質量對整機的影響，開展了專題研究和試驗，結合試驗情況參考國際行業標準，對GJB4027-2000《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》進行了修訂，在GJB4027A-2006中增加了貼片塑封電路的DPA，重要武器型號的質量保證大綱中都明確了對不能進行補充篩選的低等級器件（包括塑封器件）要制定相應的質量保證方案，通過一些可行的試驗項目來考核器件的可靠性，考核合格的器件才允許裝機使用，避免有質量隱患的器件使用到武器系統上，提高了武器系統的質量與可靠性。

1 塑封器件的供應質量水平

塑封器件從價格、體積與金屬和陶瓷封裝相比都存在巨大的優勢，但塑封器件的供應質量水平不能完全按照常規的質量等級來進行衡量。

在IPC-M-109中定義了潮濕敏感性元件，規定了由潮濕可透材料所制造的非氣密性包裝的分類程序，塑料器件為潮濕敏感器件。在IPC/JEDEC J-STD-033標準中，潮濕敏感器件從低到高共分為8級，分級、儲存環境和壽命如下：

1級：溫度≤30℃、濕度85%，無限；

2級：溫度≤30℃、濕度60%，1年；

2a級：溫度≤30℃、濕度60%，4周；

3級：溫度≤30℃、濕度60%，168h；

4級：溫度≤30℃、濕度60%，72h；

5級：溫度≤30℃、濕度60%，48h；

5a級：溫度≤30℃、濕度60%，24h；

6級：溫度≤30℃、濕度60%，時間在標簽上。

在一定的儲存環境條件下，潮濕敏感器件的潮濕敏感等級越低，可靠性就越有保障，所以塑封器件的供應質量水平用潮濕敏感等級來衡量更貼切。

2 塑封器件的失效模式

2.1 失效部位和失效原因

2.1.1 芯片和內互聯

（1）水汽和離子導致的化學腐蝕；生產過程控制不良導致的沾污；水汽、偏壓和暴露的金屬導致的枝晶生長；鋁金屬化層中的電流密度導致的金屬遷移；不同金屬間的界面反應導致的金屬間化合物；引腳暴露在氧氣中化學反應導致氧化；

（2）因引線鍵合不良、引線不良，熱沖擊、機械沖擊或振動過應力引起的芯片裂紋、分層，鍵合點偏離、腐蝕或電遷移使內互聯不良和注塑使引線鍵合損傷導致的開路；

（3）工藝過程控制不良產生的顆粒、多余的內互連線以及金屬化遷移和枝晶生長導致的短路；

（4）因過電應力、ESD、輻照和高溫環境導致的功能喪失或退化。

2.1.2 封裝和引線

（1）鹽和惡劣氣氛導致的腐蝕；封裝廠工藝不良導致的多孔/針孔；劣質鍍層、惡劣氣氛導致的可焊性差；

（2）高溫環境、惡劣氣氛、使用清潔劑導致標志不清；在熱沖擊或貯存過程中，水分子沿微孔滲透到封裝材料中導致芯片與模塑化合物間任何可測量的分層、引出端引線鍵合區的任何分層、大于引腳內部長度2/3的分層；

（3）焊接期間吸收的潮氣膨脹（灌封的封裝）、工藝控制不良、熱沖擊導致分層、裂開或“爆米花”效應；

（4）引線/封裝密封工藝控制不良和振動、溫度循環造成機械疲勞。

2.2 篩選中的失效情況

對17種塑封器件可靠性試驗后進行統計發現：35批共1265只器件在經歷了外觀、溫度沖擊、聲學掃描電子顯微鏡（SEM）（以下簡稱聲掃）、結構分析等試驗項目之后，有738只器件聲掃不合格，淘汰率為58.34%。其中584只為引出端引線鍵合區存在分層，132只為芯片與封裝材料之間存在分層，22只篩選合格后進行結構分析發現引線從塑封材料完全剝離。

2.3 使用中的失效情況

對使用中塑封器件失效統計發現：引線框架和封裝材料界面在外鍵合點處分層、使得金絲外鍵合點拉脫占失效總數的42.9%；內壓焊絲與外引出管腳之間壓焊點脫落占失效總數的28.6%；封裝破裂占失效總數的28.6%。

2.4 塑封器件的主要失效模式

封裝與引線分層、裂開或“爆米花”效應導致的參數退化和功能失效，失效機理為水汽滲透和焊接期間吸收的潮氣膨脹。

3 塑封器件的質量保證措施

（1）盡量選用潮濕敏感等級低的塑封器件。

（2）制定合適的質量保證方案，在質量保證方案中考慮對器件承受潮氣能力的試驗項目及試驗后不合格情況的判別，如：溫度沖擊試驗、聲掃試驗；關鍵部位的器件建議增加結構分析；因高溫貯存試驗可能導致器件引腳氧化或引起過多的金屬間增生而降低引腳的可焊性，建議取消。

（3）開展塑封器件質量保證能力建設，提高塑封器件的試驗能力并逐步開展塑封器件的補充篩選工作。

（4）改善器件的儲存環境，盡量采用器件的原包裝或抽真空防潮包裝儲存器件，避免器件長期暴露在大氣中吸附潮氣從而降低使用壽命和可靠性，同時在器件裝袋儲存之前進行適當烘干。

（5）回收退庫的器件要先進行烘干處理，再密封后在規定的環境中儲存，記錄密封日期。塑封器件密封在干燥袋內的存儲時間（庫存壽命）是從密封之日起12個月。庫存元器件發放后，對剩余的器件應重新抽真空密封包裝，庫存環境至少應滿足標準規定的I類環境要求。

（6）監控塑封器件裝機前開袋后在大氣環境中的暴露時間，不要超過該器件潮濕敏感分類等級規定的最長暴露時間。器件從庫房到烘干設備，再到被裝入密封袋內，整個過程都要采用嚴格的防靜電措施；在周轉過程中應避免器件的引腳受到損傷。

（7）塑封器件在焊裝之前應進行烘干處理，去除器件內部的潮氣，避免因內部潮氣導致焊接過程中出現熱效應蒸汽膨脹。

（8）做好器件焊裝之后的防護工作，避免器件焊裝后暴露在空氣之中的時間太長而受潮失效。

4 結束語

塑封器件的質量與可靠性受到國內外可靠性保障行業機構和專家的重視，逐步開展了專項的研究和試驗工作，取得了可喜的成果，國內已具備了進行塑封器件補充篩選和進行結構分析的能力和手段。但在塑封器件的質量與可靠性控制方面還沒有形成一個統一共識，希望通過共同努力，使塑封器件的質量與可靠性工作取得突破性進展。

參考文獻：

[1]NASA/TP-2003-212244.《塑封微電路（PEM）選擇、篩選和鑒定指南》.

[2]IPC/JEDECJ-STD-020B.塑料集成電路（IC）SMD的潮濕/回流敏感分類.

[3]IPC/JEDECJ-STD-033.潮濕/回流敏感性SMD的處理、包裝、裝運和使用標準.

半導體器件分析范文5

在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅和金剛石等稱為第三代半導體材料。本文介紹了三代半導體的性質比較、應用領域、國內外產業化現狀和進展情況等。

關鍵詞

半導體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵

1前言

半導體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金屬和絕緣體之間的材料。半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎材料[1]，支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。電子信息產業規模最大的是美國和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來，我國電子信息產品以舉世矚目的速度發展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長20，產業規模是1997年的2.5倍，居國內各工業部門首位[3]。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標志。

半導體材料的種類繁多，按化學組成分為元素半導體、化合物半導體和固溶體半導體;按組成元素分為一元、二元、三元、多元等;按晶態可分為多晶、單晶和非晶;按應用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導體材料單晶制片后直接用于制造半導體材料，這些稱為“體材料”;相對應的“薄膜材料”是在半導體材料或其它材料的襯底上生長的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問題、提高純度和晶體完整性、生長異質結，能用于制造三維電路等優點。許多新型半導體器件是在薄膜上制成的，制備薄膜的技術也在不斷發展。薄膜材料有同質外延薄膜、異質外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、砷化銦、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導體材料[4]。上述材料是目前主要應用的半導體材料，三代半導體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進行介紹。

2主要半導體材料性質及應用

材料的物理性質是產品應用的基礎，表1列出了主要半導體材料的物理性質及應用情況[5]。表中禁帶寬度決定發射光的波長，禁帶寬度越大發射光波長越短藍光發射;禁帶寬度越小發射光波長越長。其它參數數值越高，半導體性能越好。電子遷移速率決定半導體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導體高壓條件下的高頻工作性能。

硅材料具有儲量豐富、價格低廉、熱性能與機械性能優良、易于生長大尺寸高純度晶體等優點，處在成熟的發展階段。目前，硅材料仍是電子信息產業最主要的基礎材料，95以上的半導體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀，可以預見它的主導和核心地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。

砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時處理光電信號，被公認是新一代的通信用材料。隨著高速信息產業的蓬勃發展，砷化鎵成為繼硅之后發展最快、應用最廣、產量最大的半導體材料。同時，其在軍事電子系統中的應用日益廣泛，并占據不可取代的重要地位。

gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應用方面具有遠比硅器件和砷化鎵器件更為優良的特性，可制成藍綠光、紫外光的發光器件和探測器件。近年來取得了很大進展，并開始進入市場。與制造技術非常成熟和制造成本相對較低的硅半導體材料相比，第三代半導體材料目前面臨的最主要挑戰是發展適合gan薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長工藝。

主要半導體材料的用途如表2所示。可以預見以硅材料為主體、gaas半導體材料及新一代寬禁帶半導體材料共同發展將成為集成電路及半導體器件產業發展的主流。

3半導體材料的產業現狀

3.1半導體硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料，主要生產方法為改良西門子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導體級多晶硅。2001年全球多晶硅產能為23900t，生產高度集中于美、日、德3國。美國先進硅公司和哈姆洛克公司產能均達6000t/a，德國瓦克化學公司和日本德山曹達公司產能超過3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國memc公司和三菱多晶硅公司產能超過1000t/a，絕大多數世界市場由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達到峰值，隨后全球半導體市場滑坡;2001年多晶硅實際產量為17900t，為產能的75左右。全球多晶硅市場供大于求，隨著半導體市場的恢復和太陽能用多晶硅的增長，多晶硅供需將逐步平衡。

我國多晶硅嚴重短缺。我國多晶硅工業起步于50年代，60年代實現工業化生產。由于技術水平低、生產規模太小、環境污染嚴重、生產成本高，目前只剩下峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠2個廠家生產多晶硅。2001年生產量為80t[7]，僅占世界產量的0.4，與當今信息產業的高速發展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協調。我國這種多晶硅供不應求的局面還將持續下去。據專家預測，2005年國內多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。

峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠1999年多晶硅生產能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導體材料廠1998年建成的100t/a規模的多晶硅工業性生產示范線，提高了各項經濟技術指標，使我國擁有了多晶硅生產的自主知識產權。該廠正在積極進行1000t/a多晶硅項目建設的前期工作。洛陽單晶硅廠擬將多晶硅產量擴建至300t/a，目前處在可行性研究階段。

3.1.2單晶硅

生產單晶硅的工藝主要采用直拉法cz、磁場直拉法mcz、區熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬于資金密集型和技術密集型行業，在國際市場上產業相對成熟，市場進入平穩發展期，生產集中在少數幾家大公司，小型公司已經很難插手其中。

目前國際市場單晶硅產量排名前5位的公司分別是日本信越化學公司、德瓦克化學公司、日本住友金屬公司、美國memc公司和日本三菱材料公司。這5家公司2000年硅晶片的銷售總額為51.47億元，占全球銷售額的70.9，其中的3家日本公司占據了市場份額的46.1，表明日本在全球硅晶片行業中占據了主導地位[8]。

集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對半導體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔凈度等提出了更加苛刻的要求詳見文獻[8]，晶片大尺寸和高質量成為必然趨勢。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過渡到12英寸晶片，研制水平達到16英寸。

我國單晶硅技術及產業與國外差距很大，主要產品為6英寸以下，8英寸少量生產，12英寸開始研制。隨著半導體分立元件和硅光電池用低檔和廉價硅材料需求的增加，我國單晶硅產量逐年增加。據統計，2001年我國半導體硅材料的銷售額達9.06億元，年均增長26.4。單晶硅產量為584t，拋光片產量5183萬平方英寸，主要規格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應集成電路企業，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長了5.3[7]。目前，國外8英寸ic生產線正向我國戰略性移動，我國新建和在建的f8英寸ic生產線有近10條之多，對大直徑高質量的硅晶片需求十分強勁，而國內供給明顯不足，基本依賴進口，我國硅晶片的技術差距和結構不合理可見一斑。在現有形勢和優勢面前發展我國的硅單晶和ic技術面臨著巨大的機遇和挑戰。

我國硅晶片生產企業主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峰電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國內領先地位，先后研制出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內市場占有率為40。2000年建成國內第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產線;在北京市林河工業開發區建設了區熔硅單晶生產基地，一期工程計劃投資1.8億元，年產25t區熔硅和40t重摻砷硅單晶，計劃2003年6月底完工;同時承擔了投資達1.25億元的863項目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導體器件的開發、制造及自動化控制系統和儀器儀表開發，近幾年實現了高成長性的高速發展。

3.2砷化鎵材料

用于大量生產砷化鎵晶體的方法是傳統的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產法。國外開發了兼具以上2種方法優點的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功制備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見表3。

移動電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30的年增長率迅速形成數十億美元的大市場，預計未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產國和輸出國，占世界市場的7080;美國在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產線，在砷化鎵生產技術上領先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產和銷售商，年產gaas單晶30t。美國axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生產商[8]。世界gaas單晶主要生產商情況見表4。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產量和市場需求快速增加，已占據35以上的市場份額。研制和小批量生產水平達到8英寸。

我國gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，

4英寸處在產業化前期，研制水平達6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路gaas晶片主要依賴進口。砷化鎵生產主要原材料為砷和鎵。雖然我國是砷和鎵的資源大國，但僅能生產品位較低的砷、鎵材料6n以下純度，主要用于生產光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達7n，基本靠進口解決。

國內gaas材料主要生產單位為中科鎵英、有研硅股、信息產業部46所、55所等。主要競爭對手來自國外。中科鎵英2001年起計劃投入近2億資金進行砷化鎵材料的產業化，初期計劃規模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬片8萬片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬片3萬片，目前該項目仍在建設期。目前國內砷化鎵材料主要由有研硅股供應，2002年銷售gaas晶片8萬片。我國在努力縮小gaas技術水平和生產規模的同時，應重視具有獨立知識產權的技術和產品開發，發展我國的砷化鎵產業。

3.3氮化鎵材料

gan半導體材料的商業應用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發藍光的特性一開始就吸引了半導體開發人員的極大興趣。但gan的生長技術和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業應用的實質進步和突破。由于gan半導體器件在光電子器件和光子器件領域廣闊的應用前景，其廣泛應用預示著光電信息乃至光子信息時代的來臨。

2000年9月美國kyma公司利用aln作襯底，開發出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國nitronex公司在4英寸硅襯底上制造gan基晶體管獲得成功;2001年8月臺灣powdec公司宣布將規模生產4英寸gan外延晶片。gan基器件和產品開發方興未艾。目前進入藍光激光器開發的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業的跨國公司正積極開發白光照明和汽車用gan基led發光二極管產品。涉足gan基電子器件開發最為活躍的企業包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美國等國家紛紛進行應用于照明gan基白光led的產業開發，計劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據美國市場調研公司strstegiesunlimited分析數據，2001年世界gan器件市場接近7億美元，還處于發展初期。該公司預測即使最保守發展，2009年世界gan器件市場將達到48億美元的銷售額。

因gan材料尚處于產業初期，我國與世界先進水平差距相對較小。深圳方大集團在國家“超級863計劃”項目支持下，2001年與中科院半導體等單位合作，首期投資8千萬元進行gan基藍光led產業化工作，率先在我國實現氮化鎵基材料產業化并成功投放市場。方大公司已批量生產出高性能gan芯片，用于封裝成藍、綠、紫、白光led，成為我國第一家具有規模化研究、開發和生產氮化鎵基半導體系列產品、并擁有自主知識產權的企業。中科院半導體所自主開發的gan激光器2英寸外延片生產設備，打破了國外關鍵設備部件的封鎖。我國應對大尺寸gan生長技術、器件及設備繼續研究，爭取在gan等第三代半導體產業中占據一定市場份額和地位。

4結語

不可否認，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發展到光子時代。預計到2010年或2014年，硅材料的技術和產業發展將走向極限，第二代和第三代半導體技術和產業將成為研究和發展的重點。我國政府決策部門、半導體科研單位和企業在現有的技術、市場和發展趨勢面前應把握歷史機遇，迎接挑戰。

參考文獻

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[7]中國電子工業年鑒編委會.中國電子工業年鑒2002[m].

半導體器件分析范文6

電子具有電荷和自旋兩個重要屬性，傳統的半導體器件僅利用了電子的電荷屬性，稀磁半導體材料可以同時利用電子的電荷和自旋屬性，成為未來半導體自旋電子器件的關鍵材料之一。人們期望通過對稀磁半導體材料的研究獲得具有非易失、多功能、超高速和低功耗等特性的半導體自旋器件，這對材料和信息技術領域都將是一場質的革命。從上世紀80年代末90年代初，人們就開始關注Mn摻雜III—V族稀磁半導體材料，如（In，Mn）As和（Ga，Mn）As等，并設計出以其為基的半導體自旋相關概念型器件，如自旋發光二極管，自旋場效應晶體管等。然而在過去的幾十年中，稀磁半導體材料并沒有得到廣泛應用，其中一個主要原因是其居里溫度（TC）低于室溫。所以，探索TC高于室溫，且具有原子尺度均勻替代摻雜的本征稀磁半導體成為半導體自旋電子學領域的一個難點和熱點［5］。寬禁帶氧化物稀磁半導體由于具有高于室溫的TC和自旋與載流子分離調控的特性而受到人們廣泛關注［6―9］，但這些材料仍然存在一些科學問題需要解決，主要有如何獲得穩定的本征氧化物稀磁半導體，如何有效提高半導體自旋注入效率，室溫鐵磁性的來源和產生機制需要進一步探索，自旋在半導體結構中的輸運、壽命和光、電等方法對自旋的操控還不是很清楚，以及以氧化物稀磁半導體為基的自旋電子器件原型還有待于人們去設計和研制等。因此，開展氧化物稀磁半導體本征鐵磁性和自旋注入效率與輸運特性的研究、磁性產生機制的探索以及初步應用模型的設計等非常必要，這將為推動稀磁半導體器件化提供重要的實驗依據和單元雛形。

1非補償p－n共摻氧化物稀磁半導體薄膜的本征鐵磁性

一般來說，過渡金屬元素在氧化物半導體中的溶解度較小，容易形成磁性金屬原子團簇或第二相雜質，因此制備本征氧化物稀磁半導體具有很大的挑戰性。人們嘗試不同的氧化物材料和摻雜方法來研究稀磁半導體的本征磁性，但都很難排除磁性原子團簇和第二相雜質的影響［10］。項目組采用非補償p－n共摻的方法研究了氧化物稀磁半導體，有效克服了磁性原子團簇和第二相雜質的形成，為制備具有本征鐵磁性的稀磁半導體材料開辟了新的途徑。根據熱力學理論，由于p－n離子對之間存在庫侖引力，這使摻雜離子在宿主半導體中形成能較低，從而有效增加了其在半導體中的熱力學溶解度和穩定性。從動力學角度分析，非平衡生長時，p－n對之間的庫侖引力有利于摻雜離子越過形成勢壘，也有利于其在宿主半導體中從間隙位置進入替代位置，從而增加了摻入離子在替代位的濃度。可見，利用非補償p－n共摻可以增大摻雜離子在宿主半導體中的熱力學和動力學溶解度，有效阻止過渡金屬離子的團聚和化合，形成均相稀磁半導體。以ZnO薄膜為例，以Mn為p型摻雜劑，Ga，Cr和Fe為n型摻雜劑對ZnO進行非補償p－n共摻，可以得到均勻單相結構的本征ZnO稀磁半導體。圖1（a）為Mn／Ga共摻ZnO薄膜的高分辨透射電鏡圖，沒有發現任何團簇和第二相雜質。由于摻雜均勻性和替代位離子濃度的提高使其鐵磁性得到明顯加強，如圖1（b）所示［13］。非補償p－n共摻的另一個優點是可以通過控制摻入p型和n型摻雜劑的摩爾比有效調控其載流子類型和濃度，在實現局域自旋的同時調節載流子濃度。所以，非補償p－n共摻的方法既可以降低體系能量，增加過渡金屬元素的摻雜濃度，實現氧化物稀磁半導體的本征鐵磁性，同時還可以調控體系的載流子濃度和磁性大小。

2氧化物稀磁半導體中缺陷和載流子對磁性的貢獻

自從2000年Dietl等預言ZnO基稀磁半導體的TC可以達到室溫以來，人們已經通過各種實驗方法在過渡金屬摻雜的氧化物稀磁半導體中實現了TC高于室溫的鐵磁性。然而，對于稀磁半導體的鐵磁性來源一直沒有形成統一的認識，存在較多的理論解釋，比如載流子誘導磁性理論、束縛磁極子理論［以及電荷轉移鐵磁性理論［17］等。在這些氧化物稀磁半導體磁性來源的理論解釋中，都分別涉及到材料的載流子濃度和缺陷。項目組在結合氧化物稀磁半導體實驗研究的基礎上，通過構建雙磁極子模型，計算了兩個束縛磁極子間隔距離不同時的鐵磁穩定化能，如圖2所示。氧空位缺陷是形成局域束縛磁極子必不可少的，而載流子則扮演著雙重作用，既能增強束縛磁極子的穩定性，又能調控磁極子間產生長程鐵磁相互作用。由此提出了載流子調控束縛磁極子間產生長程鐵磁性的模型，這個模型綜合了載流子誘導和束縛磁極子模型的優點，對進一步闡明氧化物稀磁半導體中磁性產生機制有一定貢獻。

3氧化物稀磁半導體的應用

自從發現具有室溫鐵磁性的氧化物稀磁半導體以來，人們并沒有僅停留在新材料的探索和磁性機制的理解上，還初步設計了氧化物稀磁半導體的器件模型，以促進其在自旋電子器件上的應用。隧道結是研究電子自旋極化、注入與輸運的理想模型，同時也可以在磁性隨機存儲器、磁性傳感器及邏輯器等器件上廣泛應用。人們已經在氧化物稀磁半導體基隧道結中實現了較大的低溫磁電阻效應，并且通過優化稀磁半導體／勢壘層界面以及提高勢壘層結晶質量，使隧道磁電阻效應一直保持到室溫，實現了室溫下電子自旋注入。但由于非彈性隧穿電導的增強，室溫時有效自旋注入效率非常低。項目組在氧化物稀磁半導體實驗和理論研究基礎上，設計并制備出一種特殊“金屬磁性納米粒子核”與“稀磁半導體殼”的核殼結構，這種核殼結構彌散在半導體基質中形成一種復合薄膜，如圖3（a）所示。在這種復合薄膜中獲得高達12．3％的室溫磁電阻率和37．5％的電子自旋極化率，在室溫下實現了有效的自旋注入和探測，如此大的室溫磁電阻效應可能與薄膜中“稀磁半導體殼”的自旋過濾效應有關。這不僅為研究金屬／半導體界面自旋注入指出了新的途徑，而且為新一代室溫半導體自旋器件的實現提供了可能［23，24］。與此同時，在這種復合結構中還可以通過改變薄膜的電阻率調節其室溫磁電阻率，實現自旋注入效率的宏觀調控，并且制備出的一種具有大室溫磁電阻率和高透光率的復合超薄磁性金屬／半導體復合薄膜有望在透明自旋電子器件中得到應用。

4小結