半导体到底是什么?(上)

半导体产业是国家重点支持发展的行业,也是最关键的“卡脖子”行业之一,那到底什么是半导体呢?

如果从材料的角度来讲,半导体顾名思义,就是指材料在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。通过对半导体材料进行加工可以形成集成电路,将集成电路进行封装测试形成芯片。

通常大家所说的半导体产业是指将半导体材料加工成芯片的这条产业链,而非仅仅指半导体这种材料。

一、半导体材料

半导体材料是半导体产业的基础,按化学成分划分,半导体可以分为元素半导体和化合物半导体。

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,但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。

化合物半导体多指晶态无机化合物半导体,即是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质,包括砷化镓、氮化镓、碳化硅等。

图1:物体的导电性

半导体到底是什么?图片来源:Encyclopedia Britannica, inc.

二、用在芯片的硅是哪种呢?

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:

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,这也让芯片有了几乎取之不尽用之不竭的原材料;

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;

硅材料本身无毒无害,这也是其被选于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

图2:多晶硅

半导体到底是什么?图片来源:中经纵横

图3:单晶硅

半导体到底是什么?图片来源:全球半导体观察

按晶体类型来划分,硅具有晶态硅和无定形硅两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅,单晶硅和多晶硅的区别是,当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶硅,如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则形成多晶硅。多晶硅是生产单晶硅的直接原料,而单晶硅是生产芯片的主要原材料。

三、单晶硅的主要生产流程

根据生产方式不同,可分为区熔单晶硅和直拉单晶硅。区熔单晶硅是利用悬浮区域熔炼的方法来制备单晶硅。直拉单晶硅是利用切氏法制备单晶硅。

两种单晶硅具有不同的特性和应用领域:区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面,只占单晶硅市场很小一部分;直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路等芯片领域。我们接下来主要介绍的也是直拉单晶硅的主要制造流程:

图4:硅石

半导体到底是什么?图片来源:百度百科

图5:直拉单晶硅制作流程

半导体到底是什么?图片来源:John Wiley & Sons, Inc

通过镁还原二氧化硅或炭烧灼还原二氧化硅,得到多晶硅。将多晶硅熔化,按特定方法旋转提拉,就可以得到原子排列整齐的单晶硅。图5中的蓝色的圆棒就是单晶硅,在提拉的过程中一边旋转一边向上拔,提拉法长出来的晶锭就是大家常见的单晶硅圆柱体。

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