1、半導體技術及其器件的發展應用120131326 劉玉光摘要：半導體技術是指半導體加工的各種技術，包括晶圓的生長技術、薄膜沉積、光刻、蝕刻、摻雜技術和工藝整合等技術，以半導體為材料，制作成組件及集成電路的技術。半導體材料已經有多年的發展歷史，自從有機半導體材料開始受到重視以后，有機半導體器件的制作水平就有了很大程度的提高，并且已經開始投入到市場上，來實現它的價值。本文簡要回顧了半導體技術多年的發展歷史,介紹了有機半導體的發展情況，各種器件的技術現狀；太陽電池、有機發光二極管等有機半導體器件的應用情況，闡述了有機半導體的優勢，探討了有機半導體技術的應用前景,并且介紹了晶體管、集成電路、功率半導體器

2、件以及半導體材料等的研究發展過程和當前的水平,并展望21世紀半導體技術的發展方向及其在信息社會中將起的作用。關鍵字：半導體技術；半導體器件；發展；應用；展望1、 歷史的回顧 早在晶體管發明之前,人們就將半導體用于電子學中,第一個無線電檢測器采用金屬絲與礦石或硅相接觸來工作的,但這種檢測器性能很不穩定,而且取決于操縱者找到最佳整流觸點的能力。三十年代初,其它半導體,諸如氧化亞銅和硒被用作整流器,在此期間,人們對半導體材料的體特性和表面特性在理論上有了進一步的認識,但是當時因缺少純而穩定的半導體樣品而無法通過實驗來證實。從三十年代后期,特別在第二次世界大戰期間,人們對微波頻率做了大量的工作,因此對

3、用于低噪音、小電容檢波器的點接觸二極管再次表現出極大興趣。美國貝爾電話實驗室的微波研究組將硅選為主要材料,此后對硅的性質作深入細致的研究,一直延續到六十年代。第二次世界大戰期間,半導體技術的發展受到重視。因為在通信、探測敵方目標、導航和火力控制系統中需要先進的電子技術和器件。尤其在武器系統中,對元器件的尺寸、重量、可靠性提出更高的要求,為此美國國家標準局為研制堅固耐用的小型器件提供資助,以促其發展。 與此同時,美國貝爾實驗室有一個固體物理研究組,這個研究組在研究半導體基礎特性方面差不多花了兩年半時間,直到1947年12月誕生了世界上第一只點接觸晶體管。晶體管的誕生標志一個新時代的開始,引起全球

4、科學界的極大興趣,從而對材料制備和工藝技術方面進行深入細致的研究,發展速度日新月異,例如, 1947年的點接觸晶體管, 1951年的結型晶體管, 1953年的表面勢壘晶體管, 1955年的擴散基區晶體管, 1959年的平面晶體管。由平面晶體管步入集成電路,這一發展趨勢是始料未及的。在半導體技術發展過程中,必須提及材料科學所取得的成就。第一代半導體材料為元素半導體,如鍺和硅。鍺是最早實現提純和完美晶體生長,并最早用來制造晶體管的半導體材料。但是,由于鍺的禁帶較窄,鍺器件的穩定工作溫度不如硅器件高,加之資源有限,其重要地位早在半導體工業發展初期就被硅所取代。到目前為止,二極管、晶體管和集成電路的制

5、造,仍然是半導體工業的核心內容,而硅是制造這些器件的最主要材料。第二代為化合物半導體?；衔锇雽w大多是由元素周期表中間部分的某兩種或兩種以上元素化合而成的,其中砷化鎵和磷化鎵是研究得最為深入、應用也最廣泛的化合物半導體。與硅相比,砷化鎵的禁帶稍寬一點,有利于制作需要在較高溫度下工作的器件,但其熱導率較低,不適于制作電力電子器件。砷化鎵的另一特長是其電子遷移率很高,為硅中電子遷移率的五倍。因此,砷化鎵晶體管和集成電路有較高的工作頻率。目前,砷化鎵集成電路已開始應用于軍事設施,激光器、探測器、高速器件、微波二極管和微波IC是砷化鎵在當前最成熟的一些應用。第三代為寬禁帶半導體材料,主要包括碳化硅(

6、 SiC)、金剛石和氮化鎵( GaN)等。同第一、第二代材料相比,寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大( Eg> 2. 3eV )、電子漂移飽和速度高、介電常數小、熱導性能好等特點,非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件; 而利用其特有的禁帶寬度,還可以制作藍、綠光和紫外光器件和光探測器件。目前,采用SiC來制作功率半導體器件,其性能優于硅功率器件,例如, SiC pin二極管的反向恢復時間可達100ns以下,僅為硅pin二極管的三分之一左右。一種耐壓400V 的SiC肖特基整流器在電流密度為100A /cm2時壓降僅為1. 1V ,遠低于相應的pn結二極管,而且肖特基整流器

7、具有極短的反向恢復時間,約為10ns,而Si pin二極管的反向恢復時間約為250ns。GaN 已成為第三代半導體材料的曙光,尤其是進入90年代以后, GaN 基器件的發展十分迅速。1991年,研制成功摻Mg的GaN 同質結藍光LEDs, 1993年將藍光發光亮度提高到1cd, 1995年達到2cd,并于同年實現綠光LEDs的商品化,其亮度達到6cd。1998年APA光學公司推出世界上第一個商品化的GaN基UV 探測器系列,同傳統的Si探測器相比, GaN 探測器在可見光范圍內的工作要有效得多,而且可以在300的高溫環境中工作。2、 半導體技術發展趨勢 中國半導體行業協會顧問許居衍院士預測21

8、世紀徽電子技術的具體發展趨勢主要有以下三個方面:·不斷增長高密度嵌人設計水平；·不斷擴展跨學科橫向應用；·最終進人技術平臺期, 等待新的突破。（1）我國半導體技術的發展 我國半導體技術發展的總體水平還處于幼年期，產業鏈不配套、不完善，如制造與設計、封裝測試產業發展水平不平衡，規模相互不平衡等矛盾突出；技術水準低，如制造業70 以上的公司還停留在0.35微米及以上的制程工藝，設計業規模小、產值小，封裝測試還是低水平；研發能力差，缺乏自主知識產權；政策配套，市場化管理等方面也暴露出不少問題。 據當年參加半導體硅片科研攻關的有研硅股公司秦福教授介紹，到目前為止，我國還不

9、能大批量生產8 英寸硅片，6 英寸硅片的生產尚未普及，而小直徑硅片在質量，特別是產品的穩定性方面與國外還有較大的差距。我國硅片的總體水平大約相于國外上世紀90年代初的水平，產量約占全球總產量的1% 。這與我國信息產業在世界市場上所占的比例很不相稱。以龍芯1 號，神威1 號，方舟1、2 號為代表的具有自主知識產權的C P U “中國芯”的研制成功打破國外的壟斷，有了一個良好開端，有人認為“產業化的難度，遠比研制國產C P U 的過程難！”復旦微電子公司市場部負責人并不掩飾“神威一號”出生后的苦惱。與“神威一號”一樣，北京的“龍芯一號”也正在尋找產業化突破。 半導體產業包括三大產業群：I C 設計

10、公司（Fabless）、加工廠（Foundry）和封裝測試廠。其中IC 設計以人為主，是腦力密集型的產業；加工廠是資金、技術密集、高進入障礙的產業；下游的封裝測試廠相比之下是中等投資密集和風險的產業。而我國的半導體產業大都集中在中、下游的芯片制造階段。國內在集成電路生產方面差距不僅在工藝技術水平上，還在于難于獲得規模經濟帶來的成本優勢，以及缺乏大生產所需的管理能力和經驗。對于國際流行的晶圓代工（Foundry）這種商業模式，國內集成電路制造業所擁有的運作經驗就更少了。我國在“十五”期間仍將大規模硅生產線的建設列為半導體業發展的重要內容，具體目標如下：建設34 條6 英寸生產線，擴大市場試銷對路

11、產品的生產能力；建設45 條8 英寸芯片生產線，形成0.350.18 微米技術產品的生產加工能力；建設12 條12 英寸芯片生產線，形成0.180.13微米技術產品的生產能力。（2）國際半導體的發展 IBM半導體研發中心技術開發副總裁Percy Gilbert 2月8日在“世界半導體東京峰會2012”發表了演講，他說，半導體技術的進步為社會帶來了互聯網的普及等變革，今后還要繼續推進該技術的發展。不過，除了傳統技術之外，器件、制造及材料的技術革新變得不可或缺。同時，業務模式也要革新，IBM作為研發型半導體公司稱“合作”尤其重要，IBM的“共生系統”戰略不僅要聯手半導體廠商，還要與設備廠商、裝置及

12、材料廠商合作，由此來分擔研發投資。臺積電代表也在會上表示，邏輯電路尖端工藝的發展將繼續受到市場歡迎。公司現行28nm工藝，計劃2012年下半年將使20nm工藝量產化，2014年則將推進到14nm工藝量產化。同時，對“更摩爾”(More Moore)微細化以外追求差異化的“超摩爾”(More thanMoore)的量產器件，也將推進微細化以降低成本。SIA(美國半導體工業協會)于去年底在韓國首次公布了2011ITRS(2011年國際半導體技術發展路線圖)，對半導體設計和制造技術到2026年的發展作了預測。SIA總裁Brian Toohey說，路線圖的宗旨之一是遵循摩爾定律的發展速度，不斷縮小工藝

13、尺寸、提高性能以滿足消費者的需求。ITRS特別指出，DRAM將加速發展以因應高端服務器、臺式游戲機復雜圖形的進步。廣泛用于數碼相機、平板電腦和手機的Flash閃存近幾年內也將快速發展，2016年將出現3D架構產品。此外，也詳細介紹了連接器、開關、有關器件、材料以及射頻和模擬混合信號技術的未來革新。3、 半導體技術發展的特點（1）高投入、高技術、技術更新周期短 如硅材料工業，是一個資金、技術密集、支撐能力強而自身效益不甚高的產業。對此上海晶華的技術顧問李積和教授指出它目前呈現出，硅片生產廠商所承受的價格壓力大，硅片工業在生產與市場方面已經形成壟斷以及IC用主流硅片制造正從8英寸向12 英寸過渡等

14、幾大特點。半導體技術的發展速度快，按照摩爾定律的規律，技術更新迅速， “一代產品，一代設備，一代工藝，一代材料”節奏加快，往往形成一代技術剛開始普及就有新一代產品誕生，新一代技術更新舊技術被淘汰，特別是舊設備的巨額投資還未收回，就變成一堆廢鐵。（ 2 ） 綜合性強 半導體技術涉及到基礎學科到技術層次的廣泛領域，不僅前道微細加工技術是核心技術，就是其周邊的支撐技術包括超凈，超純，超微細，超精度等內容亦涉及到廣泛的技術領域，而且就技術層面上也是互相交錯、互相倚賴的。隨著現代微電子技術的飛速發展，各種光電子器件的微型化，對材料的納米化要求愈加強烈，納米材料學必將成為最活躍的學科之一。前端制造進入12

15、吋晶圓0.13微米以下制程，強調高傳輸速率、低功率、高腳數時，傳統封裝與測試技術，都必須分別往不同的領域突破，需要不同的技術，因為晶體管數目越多，I O 的腳數越多，傳輸速度越快，封裝走向覆晶（Flip Chip；F C ）、系統封裝（S I P ），測試則是朝向系統芯片（S o C ）測試、晶圓級測試。由于芯片傳輸速率越快，測試設備的等級就要越高，單位時間所花的測試成本就越高，使得測試成本居高不下，在封裝與測試分別在降低成本上接受不同的考驗，過去不被重視的后段封裝與測試，目前反而成為半導體制程技術發展的瓶頸。測試不再是半導體產業鏈最末端，半導體產業結構必須將測試部分移至與IC 設計端同步，I

16、C 在設計階段就必須把測試問題考慮在內，由此，就產生了可測試化設計（Design For Test，DFT）內建自我測試（Build in Self-test，BIST）來輔助測試作業。DFT BIST 的功能就是在IC 設計端將測試問題考慮進去，才能解決IC 制作完成后的測試驗證，顯示測試在SoC 的時代，不是傳統制造為導向單純簡單的測試而已，測試含有豐富的知識技術為基礎。（ 3 ）高集成、重復使用 大規模硅晶圓生產線的數量和質量，是當今衡量一個國家或地區半導體業發展水平高低的重要指標。盡管目前業內普遍認為，fabless（無生產線）公司的興起業已成為推動半導體業發展的強勁動力，但我們仍然不

17、能否認大規模生產線的建設對一個國家或地區半導體業整體素質的提升有不可替代的作用。許居衍院士認為，高密度嵌入設計是IC設計的追求，“在盡可能小的空間、集成盡可能大規模功能”的理想是微電子技術無止境的追逐目標，由此帶動了設計、測試、封裝的進步，并在工藝協同下，促進了設備、材料、甚至工廠模式的變遷。他說，從晶體管到IC 的轉變是個觀念上的突破，把電子系統集成到一個芯片上，把IC 的單純硬件設計提升到電子系統的軟件與硬件合理分配的決策上來的IS，是觀念上又一個突破。IS 不僅是微電子技術的下一個發展熱點，而且還推動著上述一系列相關技術的發展，又是微電子技術的下一個發展重點。4、 半導體器件的發展 隨著

18、信息社會的不斷發展, 單一功能的材料與器件越來越難以滿足應用領域的各種需求, 因此一批具有半導體特性的有機功能材料如塑料和高分子聚合物等陸續被開發出來, 并且正在嘗試應用于由Si 和GaAs 等傳統半導體材料所占領的領域。有機半導體材料具有原料易得、廉價、重量輕、制備工藝簡單、環境穩定性好以及可制作成大面積柔性器件等優點 。而且這類器件即使報廢了也可以回收再利用, 非常符合當前大力倡導的節能環保理念 。長久以來人們普遍認為有機物是不導電的, 因此被廣泛用作絕緣材料, 直到20 世紀70 年代, 美國物理學家A1 J1Heeger、化學家M1MacDiarmid和日本化學家H1 Shirakaw

19、 a 共同發現對聚乙炔分子進行摻雜可以使其變成良導體, 從而拉開了有機半導體技術研究的序幕, 這三位科學家憑借該項重大發現成為2000 年諾貝爾化學獎得主 。 自上世紀80 年代以來, 有機半導體研究領域云集了眾多世界知名公司、大學與研究機構, 如美國的IBM、柯達、通用顯示公司、固態顯示實驗室、普林斯頓大學、英國劍橋大學、日本索尼公司、NEC 公司、豐田公司、韓國三星和LG 以及印度科學院等 , 不斷開發出能改善有機半導體特性和穩定性的新材料和制造技術, 而新材料和新技術的應用又極大地促進了有機場效應晶體管( OFET) 、有機發光二極管( OLED) 和有機光伏電池( OPC) 以及有機傳

20、感器等有機電子器件和有機光電子器件性能的提高。當前有機半導體器件的應用正在不斷擴大, 市場份額也在逐年增長。在學術界與工業界的共同努力下, 有機半導體材料與技術研究不斷取得新的進展, 這一領域已成為一個匯集了物理、化學與材料科學等學科的多學科交叉研究領域, 工藝技術不斷取得新的突破, 預示著有機半導體革命的到來 。一些業內專家認為, 用有機半導體材料開發出各種新型導電聚合物器件的研究正在改變著高技術未來的發展方向。當前, 采用有機半導體已可制作各種類型的有源器件和無源器件, 如晶體管、二極管、OLED、傳感器、存儲器、顯示器、電池、電阻、電容、電感和天線等。下面簡要介紹幾種典型有機半導體器件的

21、研究與應用現狀。（1）有機太陽池傳統的太陽電池是化合物薄膜太陽電池，而新型的太陽電池要采用新型的技術，有機太陽電池將作為一種新型產物擺在大家的面前，有機太陽電池的生產流程很簡單，而且可以通過講解來減少對環境的污染，由于這些優點符合當代社會的需要，所以有機太陽電池越來越受到大家的關注。如此廉價的太陽電池會讓世界的能源發生巨大的改變。有機太陽電池比傳統的電池更薄，重量更輕，受光面積在不斷增加，所以可以大大提高光電的使用效率，在電腦等小型設備當中可以當作電源來用?？梢允褂糜袡C太陽電池作為OLED 屏幕的電源，可以大大減少重量。雖然太陽電池很薄、很輕，也很有柔性，但是它的效率不高，而且壽命也比較短，通

22、過研究，改變太陽電池的缺點，使得效率達到10%，壽命也可以超過5 年。（2）有機半導體晶體管 有機半導體材料的晶體管是有機電子器件當中很重要的一種器件，比如OFET。當前OFET 的技術主要有聚合物、小分子蒸發或者是小分子溶液鑄模等等。OFET 的優點是成本低、柔性大等等，有很好的發展前景。OFET 的發展很迅速，無論是材料還是制備工藝方面都有了突破，它可以使OLED 發光，形成邏輯電路，發光場效應晶體管以及單晶場效應晶體管等等器件都已經開發出來。世界各個國家都在研究有機半導體晶體管，2009 年，日本的專家使用液相外延工藝生產了并五苯單晶，幾乎是沒有任何缺陷的，之后使用這種單晶制成了OFET

23、，場效應的遷移率可以得到0.6cm2/（V.s）。2010 年法國研究人員研究出一種能夠模仿神經元突觸功能的有機存儲場效應晶體管，有機半導體晶體管會有希望成為新一代集成電子器件。（3）OLED 技術與LCD 技術比較，OLED 不僅可以做到折疊和隨身攜帶，還具有更好的可適度、更好的圖像質量以及更薄的顯示器?，F在OLED 已經開始應用到手機、以及數碼相機等小型設備當中。當前在OLED 顯示器開發的市場當中占有很大優勢的企業有三星、LG以及柯達等等。2010 年初，三星展出了OLED 筆記本電腦，還推出了帶有OLED 平面的MP3 播放器。預計未來五年智能手機會促使OLED 顯示器呈現出快速發展的

24、勢頭。隨著OLED 技術的快速發展，未來很可能會應用到顯示器、照明當中。由于OLED 的刷新速率很高，這使得視頻圖像更加逼真，還可以隨時進行圖像的更新。未來的報紙也有可能成為OLED 顯示器，能夠更新新聞，還能夠卷起來。有機半導體技術已經在很多領域都占有自己的重要位置，很多企業已經開始開發半導體技術的產品。使用OLED技術的玻璃窗在電源關閉的時候和普通的玻璃沒區別，但是在接通電源之后就會變成顯示器。使用OLED 技術的汽車擋風玻璃也不僅僅是擋風，還能夠提供其它的幫助。有機半導體材料作為一種新型材料，經過不斷開發和研究，已經進入商品化的階段，并且會有很好的發展。有機半導體器件成本低，操作流程簡單

25、，而且功耗小，這是很多無機半導體器件沒有的特點，所以有機半導體器件有很大的發展。但是有機半導體器件在壽命已經性能方面還需要改進。喲及半導體器件的速度比較慢，這使得它取代傳統的半導體的可能性不大，所以在這方面需要解決，但是有機半導體更加經濟，成本更低，值得推廣。（4）射頻識別標簽、有機傳感器及集成智能系統 除有機太陽電池、OLED 顯示和照明應用外,射頻識別( RFID) 標簽、大面積傳感器及集成智能系統的研究也有較大進展。RFID 被稱為本世紀的十大技術之一, RFID商品標簽也被認為是今后全球商品交易及物流中采用最廣的技術之一。如果每個標簽的價格以5 美分計算, RFID 標簽的潛在市場規模

26、可能達到每年數十億至數百億美元。但現有RFID 標簽的高成本一直制約著這項技術的普及和發展, 低成本有機RFID 標簽技術的研究和發展有望解決這一問題。據估計, 有機RFID 標簽的成本有望降至01 0101 02 美元, 甚至更低。作為一個低成本的選擇方案, 有機RFID 將在世界范圍內開辟一個新市場,與Si 片RFID 技術相互補充來滿足市場的需求 。世界各國都認為有機RFID 市場潛力巨大, 至于技術的發展, 目前全球都還處于探索階段, 但對其發展前景普遍看好, 多個國家和地區科的科研機構都紛紛加大研發力度, 如Or ganicID, IBM, Poly IC和IMEC 等。近年來, 微

27、芯片上的傳感系統也引起了較為廣泛的關注, 催生了/ 芯片實驗室0 這一新的概念。具有/ 芯片實驗室0 這一特征的器件是一些集成度較高的小型傳感器系統, 這類系統的主要應用領域包括醫療和環境監測等領域。通常這些領域使用的監測分析系統都十分復雜, 且價格很高。采用/ 芯片實驗室0 平臺可以將分析用的所有元器件制作在一個完整的集成系統中來簡化系統、降低成本。這些微系統可采用的襯底材料范圍很廣, 包括聚二甲基硅氧烷( PDMS ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 及其他塑料等。許多不同類型的有機傳感器系統已經問世, 如集成化學、溫度和壓力傳感器、電子鼻、電子舌、光掃描儀以及盲人專用的電子布萊葉傳感器

28、等。集成智能系統( ISS) 可以將多種完全不同的功能集成在一塊芯片上, 從而開辟了許多全新的價值領域。ISS 的應用領域包括診斷系統、大面積傳感器、智能光源與光系統和智能包裝等。歐洲、日本和美國在這一領域的科研水平比較領先,但以中國為代表的一些亞洲國家也具有一定的優勢。（5） 寬禁帶半導體 寬禁帶半導體設備技術是寬禁帶半導體器件發展的技術支撐和重要基礎。對SiC、GaN、AlN 等寬禁帶晶體材料而言，要求研制的晶體生長爐滿足寬禁帶晶體材料大尺寸、低缺陷、低成本的技術發展趨勢。同時，寬禁帶材料制備新工藝的發展也帶動了晶體生長設備的技術創新，如用于氮化物寬禁帶材料制備的HVPE 設備、氨熱法合成

29、設備、鈉鹽LPE 設備等。對寬禁帶器件制造而言，要求研制的外延設備、MOCVD 設備滿足襯底材料大尺寸，外延層低缺陷、高均勻性、高一致性，低成本的技術發展趨勢。同時，寬禁帶器件制造還要求離子注入特殊工藝，滿足碳化硅等材料的選擇性摻雜、歐姆接觸等，最終實現寬禁帶器件的高性能、低成本。目前，寬禁帶半導體技術理論體系日臻完善，寬禁帶半導體材料日趨成熟，寬禁帶半導體器件也已取得突破，為寬禁帶半導體設備技術的發展帶來了巨大機遇。隨著技術的進步。寬禁帶半導體器件在軍工電子、電力電子、半導體照明等應用領域將迅速擴大，具有巨大的市場發展潛力。我們必須科學分析、冷靜面對寬禁帶半導體技術帶來的歷史機遇，制訂科學的發展規劃，加大寬禁帶半導體設備技術的投入力度，抓住寬禁帶半導體發展的新機遇。5、 結束語 半導體技術已經歷了巨大的發展, 成為發展最快的技術。它對人類社會的發展產生了深刻影響。新行優惠政策的同時, 還將完善我國現行科技法律、法規與獎勵辦法, 努力提高我國高新技術專家、發明家和實踐革新家的地位和聲望。通過國家政