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半导体基础 之 半导体材料

作者:WaferChip 来源: 头条号 89904/01

什么是半导体半导体( Semiconductor),指常温下导电性能介于导体(Conductor)与绝缘体(Insulator)之间的材料。其导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料,可作为信息处理的元件材料。常见的半导体材料有硅、锗

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什么是半导体

半导体( Semiconductor),指常温下导电性能介于导体(Conductor)与绝缘体(Insulator)之间的材料。其导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料,可作为信息处理的元件材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最常见且最具有影响力的一种。从科技或是经济发展的角度来看,半导体非常重要,很多电子产品,如计算机、手机、智能终端,汽车等的核心控制单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。


绝缘体:电导率较低,约介于20-18S/cm~10-8S/cm, 如熔融石英及玻璃。

导 体: 电导率较高,介于104S/cm~106S/cm,如铝、银等金属。

半导体:电导率则介于绝缘体及导体之间。


最常见的半导体材料,就是地表含量最多的硅(Si),硅原子本身具有四个价电子,分别位在sp3的四个轨域中,由于每个轨域需拥有2个电子,以形成八隅体的稳定状态,正好在纯硅中,每个硅原子都与四个硅原子相邻,并且与这四个外围硅原子共享轨域,形成硅原子间的共价结构,如图所示,此种共价结果相当稳定,不存在自由电子,也因此纯硅的导电性极差。


硅原子结构

但是,如果我们在纯硅中掺入少许的砷(As)或磷(P),每个砷或磷原子会取代某个硅原子,仍与四个硅原子相邻,需要四个电子以形成四个共价键,由于砷或磷原子的最外层有五个电子,却只与硅共享四个电子,因而多出了一个可自由活动的电子,也就是自由电子,这种架构就是所谓的n型半导体,


掺砷或磷,多出自由电子

如下图所示。如果我们在纯硅中掺入少许的硼(B),就反而少了一个电子,而形成一个电洞,这样就形成p型半导体,此时若在硅晶两端加电压,就能使电子产生自由移动而显著地增加其导电性。

掺硼,形成电子空穴


分类:

半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。

锗(Ge)和硅(Si)是最常用的元素半导体;元素半导体材料是指由单体元素构成的半导体材料,包括锗、硅、硒、硼、碲、锑等。上世纪50年代,锗占主导地位,由于锗的开采成本高、储量低和性能不如硅,锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,到60年代后期逐渐被硅材料取代,目前主要以硅基和化合物材料共生共存的半导体材料格局。


化合物半导体材料主要是由两种或两种以上元素构成的,主要有砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。此类化合物半导体材料的优点有高电子迁移率、高频率、宽幅频宽、高线性度、高功率、材料多元性以及抗辐射等。

砷化镓(GaAs):主要运用于通讯领域,受益于通信射频中的功率放大器(PA),GaAs微波射频器件(射频芯片、基带芯片)越来越广泛应用于移动手机、无线局域网络、光纤通讯、卫星通讯、卫星定位、GPS 汽车导航等领域,市场占有率最高;

氮化镓(GaN):大功率、高频性能更加出色,主要运用于军事、汽车、新能源等领域;

碳化硅(SiC):则主要运用于汽车及工业电力电子领域,在大功率转换应用中优势明显。

随着现代科学与技术的发展,硅材料在半导体制作上逐渐趋向物理极限,已经无法满足一些超高规格电子产品对高功率,高频率和高压等苛刻条件。因此,可以通过以硅材料为衬底,化合物材料在硅材料外延生长制成单晶片,也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的需求,在一定程度上缓解了硅材料性质的劣势。

但是要满足90%以上基础需求,硅基半导体有着更大的应用领域。硅基半导体主要运用于逻辑器件、存储器、分立器件(功率二极管、三极管、晶闸管)等。主要用于AI、手机、IOT、5G通信领域。


半导体产品的类别应该怎么去区分呢?


按照国际通行的半导体产品标准方式进行分类,半导体可以分为四类:集成电路,分立器件,传感器和光电子器件,这四类可以统称为半导体元件


半导体的分类,按照其制造技术可以分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。

以应用领域、设计方法等进行分类,虽然不常用,但还是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。

按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

二、为什么硅材料会被用在芯片材料呢?

理论上来说,所有半导体都可以作为芯片材料,但是硅材料为什么最适合做芯片,主要原因有下:

(1)按地球元素含量排行,依次为:氧>硅>铝>铁>钙>钠>钾……可以看到硅排在了第二位,含量巨大,硅元素(石英砂)在地壳中占到27.7%,降低半导体的材料成本,这也让芯片有了几乎取之不尽用之不竭的原材料;

(2)硅元素化学性质和物质性质都十分稳定,最早的晶体管其实是使用半导体材料锗来制作的,但是因为温度超过75℃时,导电率会出现较大变化,做成PN结后锗的反向漏电流比硅大,因此选取硅元素作为芯片材料更加合适;

(3)硅材料本身无毒无害,对环境无害,算是清洁能源。其实提纯对环境污染也挺严重的,这也是其被选于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

(4)天然绝缘体,可通过加热形成二氧化硅绝缘层,防止半导体漏电现象,因此在晶圆制造时减去表面沉积多层绝缘体步骤,降低晶圆制造生产成本。

(5)制作工艺成熟,以硅材料制作的半导体硅片技术发展,从1970年的2英寸硅片进步至2020年的18英寸硅片。经过长时间的发展,与其他半导体材料相比较,硅材料的应用技术更加成熟且更具有规模效益,在这样的条件下,硅材料显得“物美价廉”,这样的特质给予了硅材料不可替代的行业地位。


二、晶圆制造原理:(参考书籍:《半导体故事》[英] 约翰·奥顿 著,姬扬 译)

第一步:粗炼Si,用焦炭和石英砂在高温电弧炉中反应,得到纯度不高的Si。

方程式:SiO2+C→Si+CO2

第二步:用HCl精炼Si,利用CuCl作为催化剂,把Si转化为SiHCl3(纯度7个9),再通入H2通过化学气相沉积法把SiHCl3转化回Si(纯度9个9)。

方程式:Si+HCl→SiHCl3+H2;SiHCl3+H2→Si+HCl

这里的Si是多晶硅,多晶硅存在晶格失配和位错,会导致原子未排列在正确的位置上,在晶界存在电荷,这就会产生能带弯曲。那么,自由电子和空穴在传输过程中就会被散射,大大降低了自由载流子的迁移率。这也是这一步中得到的Si不能投入使用的原因之一。

第三步:Si提纯是提拉法(如图),把熔化Si的放在石墨坩埚里面,使用感应法加热(热电偶),之后又放在石英容器里,通过纯氢气体作为清洁氛围。再把作为种子的籽晶放在垂直棒的前端,再放入熔化的Si里面。因为籽晶表面会吸附熔化物,在垂直棒不断缓慢旋转和提拉的过程中(大约是每个小时提拉10cm),可以长出直径比籽晶大得多的体材料晶体。这就是俗称的提拉法。提拉法的巧妙之处之一是,通过轴的旋转控制了温度和几何构性的不均匀性带来的影响,使得Si不仅有极高的纯度,还有良好的单晶性。


提拉法示意图


第四步:切割单晶硅圆柱能得到片状单晶硅晶圆。像集成电路需要的高纯Si就是Si晶圆,从而构成了制造芯片的地基。

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