林翔云

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津 300220)

目前對于半導(dǎo)體材料范疇的劃分有2種：一種是廣義的，將制作半導(dǎo)體器件的材料統(tǒng)稱為半導(dǎo)體材料，它包含半導(dǎo)體芯片制造和芯片封裝材料；另一種是狹義的，特指處于絕緣體和導(dǎo)體之間的材料。

1 廣義半導(dǎo)體材料

廣義半導(dǎo)體材料的定義是半導(dǎo)體器件制造廠商給出的，它是基于半導(dǎo)體器件制作的流程(芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝與測試)來定義的。芯片設(shè)計(jì)，包含電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、光罩(掩模版)設(shè)計(jì)等；芯片制造，包含硅片、氧化、光刻、離子注入、金屬布線、刻蝕等；芯片封裝，包含晶圓減薄、切割、貼片、鍵合、塑封、電鍍、打標(biāo)等；器件測試，包含環(huán)境測試、成品檢驗(yàn)等。半導(dǎo)體器件制造廠商給出的半導(dǎo)體材料定義包含芯片制造和芯片封裝所使用的材料。全球主要廣義半導(dǎo)體材料廠商如表1所示。

半導(dǎo)體芯片制造材料主要包含：硅片、光刻膠、濕化學(xué)品、高純電子特氣、CMP材料、靶材、石英制品等[1]。各種材料受市場環(huán)境的影響，每年所占比例會有微小變動。從半導(dǎo)體材料產(chǎn)品占比來看，硅片是集成電路芯片制造中最為重要的原材料，在半導(dǎo)體材料總體中占比最大，其他材料都是隨硅片的反復(fù)加工而產(chǎn)生的。硅片一般包括拋光片、退火片、外延片及 SOI片等，其在整個(gè)半導(dǎo)體材料總費(fèi)用的占比為32%～40%。圖1顯示2018年集成電路芯片制造用材料及費(fèi)用占比情況。

從圖1可以看出，硅片在2018年占36%，這是近幾年來較高的比例，主要是由于硅片價(jià)格上漲。通過圖1中的費(fèi)用占比，可以計(jì)算出各主要材料的市場份額。2018年全球半導(dǎo)體材料市場規(guī)模為519億美元，我國占 85億美元。扣除封裝材料 197億(國際)和56.8億(國內(nèi))，剩余的芯片制造用材料分別為國際322億和國內(nèi)28.2億，其中硅片所占比例36%，得到硅片在全球和國內(nèi)所占的市場份額分別為115.9億美元和 10.6億美元。同理可計(jì)算其他材料。表2給出了我國集成電路芯片制造用材料的國產(chǎn)化率情況。從表2中看出，IC用大尺寸硅片、光刻膠、拋光墊、石英制品等材料的國產(chǎn)化率還很低。

表1 全球主要半導(dǎo)體材料廠商Tab.1 Major semiconductor material manufacturers at home and abroad

圖1 集成電路芯片制造用材料及費(fèi)用占比情況Fig.1 Materials and cost proportion for IC chip manufacturing

表2 集成電路芯片制造用材料國產(chǎn)化率情況Tab.2 Localization rate of materials used in IC chip manufacturing

2 狹義半導(dǎo)體材料

狹義半導(dǎo)體材料一般指電阻率為 10-5～1012Ω·cm，介于金屬和絕緣體之間的材料，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(chǔ)材料。按此定義，半導(dǎo)體材料的范圍也是十分廣泛的。首先，半導(dǎo)體材料可分為無機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)半導(dǎo)體材料2大類[2]。

有機(jī)半導(dǎo)體材料：指具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)化合物，如DAST晶體。

無機(jī)半導(dǎo)體材料：指由無機(jī)物構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，種類繁多，劃分方法也有多種。

①按組分劃分：可分為元素半導(dǎo)體材料和化合物半導(dǎo)體材料?；衔锇雽?dǎo)體材料又可劃分為二元、三元等多元化合物半導(dǎo)體材料。二元化合物半導(dǎo)體材料又可分為Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅵ族等化合物半導(dǎo)體材料[2]。

元素半導(dǎo)體材料：鍺、硅、硒、金剛石等。

二元化合物半導(dǎo)體材料：Ⅱ-Ⅵ族：硫化鋅、硒化隔、硫化鎘等；Ⅲ-Ⅴ族，砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、氮化鎵、銻化銦、氮化鋁等；Ⅳ-Ⅳ族，碳化硅、鍺化硅等；Ⅲ-Ⅵ族，氧化鎵等；Ⅴ-Ⅵ族，碲化鉍等。三元化合物半導(dǎo)體材料：磷鍺鋅、砷鍺隔、磷砷鎵等。四元化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料：AlGaInP、InGaAsP等。五元化合物材料：AlGaInAsN等。

②按結(jié)晶狀態(tài)劃分：可分為晶體、非晶、固溶體等半導(dǎo)體材料。

③按禁帶寬度劃分：可分為窄禁帶、寬禁帶、超寬禁帶等半導(dǎo)體材料。

④按光電子器件應(yīng)用劃分：可分為光電探測材料、發(fā)光材料、光電轉(zhuǎn)換材料及太赫茲材料等。

光電探測材料又可分為紅外探測、可見光探測及紫外探測。

紅外探測：短波(1～3μm)為 InSb、InAs；中波(3～5μm)為 PbTe、PbSe；長波(8～12μm)為HgCdTe?？梢姽馓綔y：Si等。紫外探測：CdS、ZnO、Ga2O3、AlGaN、AlN 等。發(fā)光材料(可發(fā)出紅黃、藍(lán)綠、激光等)：GaAs、GaN、CdSe等。光電轉(zhuǎn)換材料：Si、Ge、GaAs、InGaAs、InGaP 等。太赫茲材料發(fā)射與探測材料：DAST、CdSe、GaSe、GaP、InP 等。

⑤按微電子器件性能劃分：可分為第一代、第二代、第三代、第四代等半導(dǎo)體材料，這種劃分方法是目前使用頻率最高的。

第一代半導(dǎo)體材料(元素半導(dǎo)體材料)：鍺、硅為代表。第二代半導(dǎo)體材料：(Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料)砷化鎵、磷化銦為代表。第三代半導(dǎo)體材料(寬禁帶半導(dǎo)體材料)：碳化硅、氮化鎵為代表。第四代半導(dǎo)體材料：(超寬禁帶半導(dǎo)體材料)氮化鋁、氧化鎵、金剛石為代表。

還有二維半導(dǎo)體材料：石墨烯、MoS2、WS2等。

從表3可知，四代材料的優(yōu)值具有數(shù)量級的差距，這也是微電子器件用半導(dǎo)體材料代系劃分的主要依據(jù)，但它們有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，不完全是替代關(guān)系。其中一代的硅、鍺材料，二代的砷化鎵材料屬于成熟材料，已廣泛應(yīng)用，尤其是硅材料在可預(yù)見的未來是不可替代的；二代的磷化銦材料，三代的碳化硅、氮化鎵材料處于成長期，應(yīng)用前景廣闊；四代材料及二維材料處于培育期，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

表3 微電子器件用半導(dǎo)體材料的優(yōu)值比較[3]Tab.3 Comparison of optimal values of semiconductor materials used in microelectronic devices

3 結(jié) 論

綜上所述，半導(dǎo)體材料的范疇可劃分為廣義半導(dǎo)體材料和狹義半導(dǎo)體材料 2類。廣義半導(dǎo)體材料受市場環(huán)境的影響，其在集成電路芯片制造中的費(fèi)用占比每年會有微小變動；按材料組分、結(jié)晶狀態(tài)、禁帶寬度、光電子器件應(yīng)用及微電子器件應(yīng)用等列舉了狹義半導(dǎo)體材料的五種劃分方法，并指出狹義半導(dǎo)體材料以代系劃分僅限于微電子器件用，且它們有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，不完全是替代關(guān)系。建議使用半導(dǎo)體材料這個(gè)名詞時(shí)，應(yīng)在語境中表達(dá)清晰，明確表述是廣義還是狹義。