文章來源：半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備
作為百億美元級(jí)別的行業(yè)，半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模不算很大，但其內(nèi)部材料種類繁多，單一產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模小、技術(shù)要求高、子行業(yè)之間差異較大。其中硅片占比半導(dǎo)體材料市場(chǎng)銷售額高達(dá)36.6%，是晶圓廠采購(gòu)材料中最重要的環(huán)節(jié)。
硅材料因其具有單方向?qū)щ娞匦浴崦籼匦浴⒐怆娞匦浴诫s特性等優(yōu)良性能，可以生長(zhǎng)為大尺寸高純度晶體，且儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，故而成為全球應(yīng)用最廣泛、最重要的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料，并發(fā)揮著重要的行業(yè)支撐作用。
目前全球半導(dǎo)體市場(chǎng)中，90%以上的芯片和傳感器都是基于硅材料制造而成，廣泛應(yīng)用于IC、LED、MEMS、分立器件等領(lǐng)域，其中IC領(lǐng)域應(yīng)用占比和難度最大。今天的電腦、手機(jī)、汽車、高鐵和上網(wǎng)所需的5G寬帶技術(shù)等等,這些使現(xiàn)代社會(huì)區(qū)別于電氣時(shí)代的技術(shù),最底層都是以硅為核心的半導(dǎo)體技術(shù)。
硅片的原材料是石英，也就是通常所說的沙子，可以直接在自然界中開采。石英礦石的主要原料是二氧化硅，硅片制造廠需要從石英中提煉出多晶硅，然后通過直拉法或區(qū)熔法這兩種工藝制備出單晶硅棒（純度99.999999999%）。其中直拉法是最常用的制備工藝，目前85%以上的單晶硅都是用直拉法生長(zhǎng)出來，直拉法是在石英坩堝中進(jìn)行，優(yōu)勢(shì)在于更適合大尺寸單晶硅棒的拉制，生長(zhǎng)速率較快，單臺(tái)設(shè)備價(jià)值相對(duì)較低；區(qū)熔法不需要坩堝，而是在氣氛或真空爐中進(jìn)行，產(chǎn)品的純度更高，不易受氧、碳等雜質(zhì)影響，常用做IGBT功率半導(dǎo)體器件的原材料，然而受晶體生長(zhǎng)機(jī)制的限制，區(qū)熔法不適用于大尺寸的硅片制作。制備出單晶硅棒后還需要通過整型、切片、倒角、磨邊、刻蝕、拋光、清洗等一系列工藝制作成硅片。
半導(dǎo)體是這樣一類材料,它既不絕緣,又不是像金屬一樣的導(dǎo)體,它的導(dǎo)電性可以通過光、電、熱等外部條件的變化而改變,我們可以在一塊半導(dǎo)體的兩邊摻入不同元素,使半導(dǎo)體的一邊成為空穴濃度高的p型半導(dǎo)體,另一邊成為自由電子濃度高的n型半導(dǎo)體,空穴和電子都向?qū)Ψ綌U(kuò)散,在兩鍺的交匯處會(huì)形成一個(gè)特殊的界面,這個(gè)界面就是PN結(jié),PN結(jié)中會(huì)形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng),外部電場(chǎng)與它方向相反時(shí)半導(dǎo)體就導(dǎo)電,反過來就不能導(dǎo)通,就是利用半導(dǎo)體的這種特性,人們才造出了各種各樣的晶體管,但是不同種類的半導(dǎo)體,因?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)的不同,跟造晶體管的適配程度是有高低之分的,其中有兩個(gè)參數(shù)最重要——載流子遷移率和帶隙,載流子遷移率指的是半導(dǎo)體內(nèi)部載流子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)的快慢程度,包括了P、N型半導(dǎo)體中帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴,電子遷移率對(duì)晶體管來說,半導(dǎo)體的電子遷移力越高,晶體管能耗越低,開關(guān)速度也越快,這是因?yàn)殡娮釉谝苿?dòng)過程中會(huì)和原子相撞,將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)移給原子,使得原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,這部分能量就以熱量的形式浪費(fèi)了,電子遷移率高說明電子不容易與原子相撞,產(chǎn)生的熱量就少,能耗也越低,與此同時(shí),晶體管在做開關(guān)時(shí),電流并不會(huì)瞬間變?yōu)樽畲蠡蜃兂?,而是會(huì)存在一個(gè)延遲,電子遷移率越高,這個(gè)延遲就越短,開關(guān)速度也就越快。
上世紀(jì)50年代半導(dǎo)體剛火那陣,行業(yè)熱門的半導(dǎo)體并不是硅,而是鍺。人類發(fā)明的第一個(gè)晶體管和第一塊集成電路都是鍺做的,其中一個(gè)重要原因就是鍺的電子遷移力遠(yuǎn)大于硅,當(dāng)時(shí)鍺晶體管制成的計(jì)算機(jī),運(yùn)算速度遠(yuǎn)大于硅晶體管制成的計(jì)算機(jī)。
但鍺并不是完美的,它的問題是性能在溫度超過75度時(shí)會(huì)大打折扣,而相比之下,硅能在170度的高溫下保持原樣,而這差別的根源就要說到另一個(gè)重要參數(shù)——帶隙。帶隙是什么？電子繞原子核運(yùn)動(dòng),從內(nèi)而外形成的多個(gè)軌道,越靠外的軌道電子能量越高,不同原子的外層電子之間可以形成共價(jià)鍵,這些電子被稱為價(jià)電子,他們的能量范圍也被稱為價(jià)帶,當(dāng)這些價(jià)電子從外部獲得,足夠大的能量,就能擺脫原子核束縛,成為自由電子,而這些自由電子的能量范圍,就被稱為導(dǎo)帶,導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能量差,就被稱為帶隙,帶隙越寬,價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差越大,價(jià)電子就越難變成自由電子,而高溫高壓等環(huán)境,從本質(zhì)上來說,都是從外部給電子1能量,所以一種材料的帶隙越寬,就能承受越高的電壓和溫度,而硅的帶隙遠(yuǎn)大于鍺,所以硅才比鍺更耐熱。
總的來說,鍺的電子遷移率更高,而硅的帶隙更寬,在化學(xué)性質(zhì)上可以說是各有千秋。那么為什么最終受歡迎的是硅呢？歸根結(jié)底的原因是在價(jià)格。50年代硅之所以被地殼含量遠(yuǎn)不如自己的鍺打敗,最大的原因就是不如鍺便宜。1959年硅晶體管的單價(jià)是14.53美元,而鍺晶體管只有1.96美元；但到了60年代,硅的制造工藝有了突破,成本下降,于是硅才最終翻身,之后硅就基本統(tǒng)治了半導(dǎo)體行業(yè),即便后來半導(dǎo)體的用途越來越多,像集成電路、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、大功率電源轉(zhuǎn)換等,不同的領(lǐng)域要求也都不一樣,但這些要求硅都能滿足,也因此硅成了半導(dǎo)體“常青樹”。
但是到了今天硅遇到了難以越過的瓶頸,尤其是在半導(dǎo)體中的兩大類——功率半導(dǎo)體和芯片半導(dǎo)體上。
功率半導(dǎo)體是電路中電流開關(guān)、變壓、整流等控制電路的核心器件的材料,一般用在通信、新能源汽車、高鐵這些地方,比如 5G基站,就大量用到了射頻功率半導(dǎo)體器件。幾十年前,硅還能滿足功率半導(dǎo)體的需求,然而隨著技術(shù)發(fā)展,功率半導(dǎo)體面對(duì)的工作環(huán)境,變得越來越苛刻,今天在高鐵,風(fēng)電的應(yīng)用場(chǎng)景中,功率半導(dǎo)體,往往需要承受數(shù)千伏的高壓,而硅基晶體管無法在這種環(huán)境中正常運(yùn)作；對(duì)芯片半導(dǎo)體來說,硅的問題是人的工藝好到硅的能力已經(jīng)快要被開發(fā)到極限了,現(xiàn)在,世界上最先進(jìn)的硅基晶體管制程已經(jīng)到了3納米，但是硅基晶體管的制程到3納米后就很難更小了,因?yàn)槌叽缱冃?huì)帶來一系列的問題,他們被稱為短溝道效應(yīng),簡(jiǎn)單來說,短溝道效應(yīng)就是因?yàn)闇系捞虒?dǎo)致溝道里面多個(gè)方向的電場(chǎng)相互干擾加劇從而使柵極關(guān)不嚴(yán),晶體管就會(huì)出現(xiàn)漏電發(fā)熱等等問題,這部分能耗有時(shí)甚至能占到芯片總能耗的一半,最近幾年某些手機(jī)芯片之所以翻車,跟短溝道效應(yīng)有很大關(guān)系。
對(duì)功率半導(dǎo)體來說,
新半導(dǎo)體的帶隙要比硅更寬,也就是要大于1.1eV,近幾年最火的是氮化鉀和碳化硅就都屬于寬帶隙半導(dǎo)體,在室溫下帶隙寬度大于2.2eV,氮化鎵的帶隙高達(dá)3.39eV,并且比硅的導(dǎo)熱性更好,在高壓下的電子遷移速度也更快,這讓氮化鎵器件的功率更大,能效也更高,現(xiàn)在氮化鎵在光電子、5G通信都有應(yīng)用,但要說最有名的還是在充電領(lǐng)域，手機(jī)各種閃充、秒充、極速充,基本上都是靠著氮化鎵實(shí)現(xiàn)的,而碳化硅呢,它的帶隙跟氮化鎵差不多,比氮化鎵的電子遷移速度更低,但導(dǎo)熱性更好,擊穿電壓更高,所以碳化硅器件主要用在電壓更高的場(chǎng)景,比如新能源汽車、風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域。雖然氮化鉀和碳化硅性能都很好,但要代替硅也必須回答那個(gè)終極拷問,你夠便宜嗎？目前來說是不夠的,相同規(guī)格的碳化硅器件,成本是硅基器件的3-5倍左右,而氮化鎵因?yàn)橹圃旃に嚨牟怀墒旄F，但有硅這個(gè)成功案例在前,想必這個(gè)難題也會(huì)隨著時(shí)間而得到解決。
對(duì)芯片半導(dǎo)體來說，
新半導(dǎo)體需要能解決短溝道效應(yīng),讓硅晶體管突破尺寸極限。短溝道效應(yīng)的根源在于溝道過短,導(dǎo)致柵極不牢,要在避開短溝道效應(yīng)的前提下,縮短?hào)艠O長(zhǎng)度,理論上要求溝道更薄,而硅的問題就在于它的晶體結(jié)構(gòu)是立體的,這就導(dǎo)致了硅溝道做不到極致薄，那什么樣的半導(dǎo)體才能讓溝道更薄呢,答案是二維半導(dǎo)體。“硅已經(jīng)達(dá)到極限，”斯坦福大學(xué)電氣工程教授Krishna Saraswat說。“人們聲稱摩爾定律已經(jīng)結(jié)束，但在我看來情況并非如此。摩爾定律可以通過進(jìn)入第三維來繼續(xù)。為此，你需要二維半導(dǎo)體或類似的東西，”Saraswat說。他與斯坦福大學(xué)教授Eric Pop和臺(tái)積電的H.-S.?Philip Wong在 3D 芯片上做研究，由于它們有可能縮小到小尺寸和相對(duì)較低的處理溫度，二維半導(dǎo)體可以構(gòu)建在多層中。二維半導(dǎo)體屬于一類稱為過渡金屬二硫?qū)倩锏牟牧稀Ｆ渲校瑢W(xué)界最熱的二維半導(dǎo)體是一種叫二硫化鉬的材料（molybdenumdisulfide），它的溝道能做到非常薄,從而避免短溝道效應(yīng),讓晶體管進(jìn)一步縮小。另一個(gè)這樣的2D材料是二硫化鎢（tungsten disulfide），它擁有比MoS2更快的速度。
在功率半導(dǎo)體中,碳化硅和氮化鎵已經(jīng)成為了國(guó)家戰(zhàn)略的一部分,被寫入了我國(guó)十四五的產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中,而在芯片半導(dǎo)體方面,由于硅的工藝已經(jīng)發(fā)展到極其精密的程度,其他半導(dǎo)體很難在短時(shí)間內(nèi)趕上,所以目前硅還是無可替代的,但人們依然能通過選取更薄的新型溝道材料,比如二硫化鉬、二硫化鎢、碳納米管等來進(jìn)一步縮小制程,總之,不管是未來可期的二維半導(dǎo)體、前途光明的氮化鎵和碳化硅，還是以后可能出現(xiàn)的、有能力完全替換掉硅的新半導(dǎo)體,想要替代硅成為下一代半導(dǎo)體材料繼承者就必須和當(dāng)初的硅一樣解決價(jià)格和制造工藝的問題。
參考資料：
1.《硅的替代者，新型半導(dǎo)體取得突破》，半導(dǎo)體行業(yè)觀察；
2.《硅快到極限了，哪種新材料能扛起半導(dǎo)體行業(yè)的大梁？》，量子位；
3.《硅片：半導(dǎo)體最重要基礎(chǔ)材料》，樂晴智庫(kù)精選；
4.《芯片的材料基石——半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)淺析》，華西證券股權(quán)專家
