半导体材料的应用及发展趋势

半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

一、半导体材料主要种类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

1、元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性半导体材料的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。

（半导体材料）

2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。

（半导体材料元素结构图）

半导体材料

三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ-Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系(例如Cu2FeSnS4)和更复杂的无机化合物。

3、有机化合物半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

4、非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

二、半导体材料实际运用

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

（半导体材料）

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

三、半导体材料发展现状

相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算，

半导体材料日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。

（半导体材料）

美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。

日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。

芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。

半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。

与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。

四、半导体材料战略地位

20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式

韩国半导体的快速发展是按照循序渐进的方式，引进、合作、自主融合。内部技术与外部技术的整合，是韩国半导体能迅速崛起的一个捷径选择。

现在韩国半导体可谓是辉煌无比，可这辉煌背后又隐藏着什么？

生存现状

如今，韩国共有400多家半导体及相关产品制造企业，主要分为元件、设计、设备、材料四类。

大部分中小企业群由设备及材料企业组成，大约总数在100家左右，他们将生产设备或材料销售给元件企业，并与元件企业合作进行产品的开发。余下300多家主要是部件制造企业，生产相关产品。

构成不平称，存储为主导

韩国半导体产业已形成垄断局势，市场集中度极高，产业的产品构成非常不平衡。

世界半导体市场以非存储型为主，存储型和非存储型半导体的比重为35∶65。韩国半导体市场却是以存储型为主，存储型占到80%以上的比例；非存储型半导体占比，低国产化率也很低只有20%左右，其余80%依靠进口。

存储

三星和SK海力士各居存储器市场第一、二名，营收每年大幅成长。在DRAM、NAND Flash价格下跌的情况下，三星和SK海力士营收仍然维持成长。两企业的营收从2013年459亿美元、2014年541亿美元一路上扬，2015年更是突破600亿美元。

这样难免让人感觉韩国半导体是欣欣向荣，然而，特定少数企业占整体营收90%以上比重是一种很不健康的表现。

试想，若韩国存储行业被别国抢了风头，那韩国的半导体必将颓废下去。不免回想一下日本的发展，成于DRAM败于DRAM，我们可以从上两期《芯片世界地图——日本》清晰的看到这一点。

随着韩国在存储方面的异军突起，日本半导体在DRAM方面倒下了，所以曾经的霸主地位也易主韩国。而韩国存储业面临的最大的威胁就是中国，它指望在存储领域打造其领先位置，现在北京、武汉、晋江等多地开始斥巨资布局存储器芯片研发生产领域。大陆清华紫光集团也间接购并美国NAND Flash业者新帝（SanDisk），致力于进军三星主导的固态硬盘（SSD）市场。

下面看看三星和SK海力士的产品和应用领域。

三星电子（Samsung）

三星电子的半导体生产额位居世界第二位，内存生产额位居世界第一位，是领导全球的综合半导体企业。在内存， 系统半导体领域，三星拥有世界最顶级的生产设备，并在设计、制造、Foundry等各种半导体生产价值链拓展事业。

主营：DRAM、FLASH、eMMC、MCP、ARM CPU、显示驱动IC、CMOS 图像传感器等

1.美国英特尔（Intel）公司，以生产CPU芯片闻名于世！

2.三星(Samsung)电子公司成立于1969年，初期主要生产家用电子产品，如

电视机和录像机等。七十年代始进入国际市场，逐渐发展成为全球五大电

子公司之一，产品也由家电扩展到计算机、通讯等诸多方面。九十年代由

于经济方面的原因，三星公司进行了大规模的战略重组。1978年，三星半

导体从三星电子公司分立出来而成为独立的实体，1983年起随着成功发展

了64K DRAM超大规模集成电路，从此在单一家电类半导体产品基础上发展

了许多新的半导体产品，逐渐成为全球领先的半导体厂商。它的半导体产

品主要有DRAM、SRAM、闪速存储器、ASIC、CPU和TFF-LCD板等等。

3.德州仪器(TI)公司总部位于美国德克萨斯州达拉斯城，是一家全球性的

半导体公司，是世界领先的数字信号处理和模拟技术的设计商、供应商，

是推动电子数字化进程的引擎。主要IC产品有：数字信号处理器、模拟和

混合信号器件、数字逻辑、ASIC、微控制器、语音和图形处理器、可编程

逻辑、军用器件等。

4.东芝(Toshiba)在国际市场上盛名远扬，家喻户晓。在日本之外，东芝拥

有100多家子公司和协作公司的庞大全球网络，仅海外子公司便拥有40,000

多名雇员，他们遍及全球各地，从事着从科研到采购、生产、销售以及市

场调研等工作。分布在世界各地的39个厂家构成东芝的生产网络，制造品

种繁多的产品，包括最先进的半导体元件、显象管、彩色电视机、移动式

计算个人电脑、光?磁存储、消耗品及工业用发电机和变电装置。这些技术

和设备均处世界领先地位的东芝生产厂家,强有力地保障着公司技术和整体

能力的发展，推动着电子工业的进步；同时也提供了更多的就业机会，进

一步促进了当地经济的蓬勃发展。

5.台积电(TSMC)成立于1987年，是全球最大的专业集成电路制造服务公司

。身为专业集成电路制造服务业的创始者与领导者，TSMC在提供先进晶圆

制程技术与最佳的制造效率上已建立声誉。自创立开始，TSMC即持续提供

客户最先进的技术；2006年的总产能超过七百万片约当八吋晶圆，全年营

收约占专业集成电路制造服务领域的百分之五十。

6.意法半导体会(ST)是全球性的独立半导体制造商。公司设计、生产、销

售一系列半导体IC和分立器件，用于远程通讯系统、计算机系统、消费电

子产品、汽车和工业自动化控制系统。ST是全球MPEG-2解码IC、数字机顶

盒IC、Smartcard MCU、特殊汽车IC和EEPROM非易失存储器最大供应商，也

是第二大模拟/混合信号ASSP和ASIC、磁盘驱动IC及EEPROM存储器供应商。

公司的产品采用一系列专有制作工艺和设计方法设计生产，可提供3000多

种主要型号产品。

ST公司是1987年由法国Thomson Semiconductors和意大利SGS

Microelectronics合并而成。自从成立以来，ST公司不断扩大生产能力，

目前公司拥有雇员约34,000人，共有9个研发机构，35个设计和应用中心，

17个生产据点，并在24个国家建立了62个销售部门。公司总部一部分在法

国St Genis,另一部分在瑞士日内瓦，在美国、新加坡、日本设立了地区总

部。ST公司十分重视技术发展，1999年投入26.6%销售收入用于产品研发，

共完成了751项新专利应用。公司设计销售几乎每种型号半导体器件，从简

单的晶体管到世界上最复杂的IC产品，覆盖了所有主要的半导体器件。其

中包括：专用IC、微处理器、半定制IC、存储器、标准IC、分立元件等。

7.瑞萨科技(Renesas)在2003 年4 月1 日正式成立，以领先的科技实现人

类的梦想。结合了日立与三菱电机在半导体领域上的丰富经验和专业知识

，配合全球二万七千名员工的无限创意，我们将无处不在，超乎你的想像

。科技的价值在于让一切变得可能，身为一家具有领导性和值得信赖的智

能晶片解决方案供应商，我们对于拓展明日无处不在的网络世界，担当重

要的角色。我们的创造力具前瞻性，为人类创造出更舒适美好的生活。

瑞萨精密的AFE ，运用10/12/14-bit 高信号解析度，可达到极佳讯号/噪

音比率，并融合影像处理器的原创IP 技术，以提供高品质的数位摄影。同

时，瑞萨亦是DVD 录影科技先驱，晶片设计整合不同要求，产品包括了

MPEG LSIs 、AFE 类比、DVD DSPs 、ODD 信号处理器及嵌入式的MCU 。瑞

萨同时更掌握LCD 液晶体电视的新科技，除了生产LCD-TV 的核心系统，也

有各重要部份：影像数据晶片、LCD 时间控制器、LCD 驱动器、M16C 及

H8S 微控制器、驱动器解决方案、订制平台、ASSPs...等。

8.海力士(Hynix)1983年开始运作，目前已经发展成为世界级电子公司，拥

有员工约22,000人，1999年总资产达20万亿。在DRAM存储器领域，Hynix

Semiconductor产量居世界前列。目前，公司经改组之后，核心业务主要集

中于三个部分：半导体、通信和LCD。

9.索尼(Sony)半导体分部是索尼电子公司1995年3月在美国加州圣约瑟市建

立的一个分部，该分部使索尼公司能够对变幻莫测、竞争激烈的美国半导

体市场迅速做出反应，为索尼电子公司发展高附加值的通讯、音频/视频、

计算机应用产品提供后备支持。

10.高通(Qualcomm）公司开发、销售一系列高性能FPGA半导体产品和软件

开发工具。公司原名Peer Research

Inc.，1988年4月由John Birkner,

Andy Chan 和 H.T. Chua创建， 1991年2月改名为QuickLogic公司，同时

发布了它的第一个FPGA产品--

pASIC1系列，并随后开发了基于PC计的开发

工具-- QuickWorks，以其容易使用和有效实用被广泛接受。1995年和1997

年又分别发布了pASIC 2和 pASIC 3两个系列的产品。1998年，QuickLogic

公司发布了一种新的器件，被称为ESP（Embedded Standard Products），

该器件基于QuickLogic公司的核心FPGA技术，结合了标准产品的优点和可

编程器件的灵活机动的特点。目前已发布三个系列的ESP产品，即QuickRAM

系列、QuickPCI系列和 QuickDSP 系列。

QuickLogic公司总部在美国加州，它的半导体产品主要由代工服务商生产

，Cypress Semiconductor主要代为生产采用0.65微米CMOS工艺的pASIC器

件，台湾的TSMC1996年起成为QuickLogic公司的代工服务商。

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