Aplicaciones y tendencias de desarrollo de materiales semiconductores
1. Principales tipos de materiales semiconductores
Los materiales semiconductores se pueden clasificar según su composición química, y luego los semiconductores amorfos y líquidos con estructuras y propiedades especiales se clasifican en una categoría separada. Según este método de clasificación, los materiales semiconductores se pueden dividir en semiconductores elementales, semiconductores compuestos inorgánicos, semiconductores compuestos orgánicos y semiconductores amorfos y líquidos.
1. Elementos semiconductores: Existen 11 tipos de materiales semiconductores distribuidos en los grupos IIIA al VIIA de la tabla periódica de elementos. Los cuadros negros en la siguiente tabla son estos 11 semiconductores elementales, donde C representa diamante. El carbono, el fósforo y el selenio se presentan en dos formas: aislantes y semiconductores. b. El Si, el Ge y el Te son semiconductores; el estaño, el arsénico y el antimonio tienen dos formas: semiconductor y metal. El punto de fusión y el punto de ebullición del P son demasiado bajos y la presión de vapor del I es demasiado alta, lo que facilita su descomposición y tiene poco valor práctico. Los estados estables del arsénico, el antimonio y el estaño son metales, mientras que los semiconductores son inestables. Debido a dificultades en la preparación y limitaciones de rendimiento, b, C y Te aún no se han utilizado. Entonces, entre los semiconductores de 11 elementos, ¿solo hay Ge, Si y Se? Se utilizan tres elementos. El germanio y el silicio siguen siendo los dos materiales semiconductores más utilizados.
(Materiales semiconductores)
2. Semiconductores compuestos inorgánicos: divididos en sistema binario, sistema ternario y sistema cuaternario. ? Los sistemas binarios incluyen: Grupo ①ⅳ-ⅳ: las aleaciones de SiC y Ge-Si tienen una estructura de esfalerita. ② ⅲ-ⅴ: Está compuesto por ⅲ elementos Al, Ga, In y V elementos P, As y Sb en la tabla periódica, con GaAs como representante típico. Todos ellos tienen una estructura de esfalerita, ocupan el segundo lugar después del Ge y el Si en términos de aplicación y tienen grandes perspectivas de desarrollo. Grupo ③ⅱ-ⅵ: Compuestos formados por ⅱ elementos zinc, cadmio y mercurio y ⅵ elementos azufre, selenio y telurio. Son algunos materiales optoelectrónicos importantes. ZnS, CdTe y HgTe tienen estructura de esfalerita. ④ⅰ-ⅶ Grupo: Elemento cobre, plata, oro y? Compuestos formados a partir de los elementos Cl, Br e I del Grupo VII, en los que CuBr y CuI tienen estructura de esfalerita. ⑤-ⅵ: ¿Elementos del grupo VI As, Sb, Bi, elementos del grupo VI? Los compuestos formados a partir de azufre, selenio y telurio, como Bi2Te3, Bi2Se3, Bi2S3 y As2Te3, son materiales termoeléctricos importantes. ⑥Grupo B y elemento del grupo de transición Cu,? Los principales materiales de los termistores son óxidos de zinc, escandio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel. ⑦ ¿Algunos elementos de tierras raras? Compuestos formados a partir de elementos del grupo Sc, Y, Sm, Eu, Yb, Tm y V, N, As o elementos del grupo VI S, Se, Te. ? Además de estos compuestos binarios, también existen semiconductores interelementos o en solución sólida interelementos, como Si-AlP, Ge-GaAs, InAs-InSb, AlSb-GaSb, InAs-InP, GaAs-GaP, etc. El estudio de estas soluciones sólidas puede desempeñar un papel importante a la hora de mejorar determinadas propiedades de un solo material o abrir nuevos campos de aplicación.
(Diagrama de estructura de elementos de materiales semiconductores)
Materiales semiconductores
El sistema ternario incluye: Grupo: Este se reemplaza por un átomo del Grupo II y un átomo del Grupo IV Está compuesto por dos átomos del Grupo III en el Grupo III-V, como ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs2, CdSnSe2, etc. Grupo: Consta de un átomo del Grupo I y un átomo del Grupo III en lugar de los dos átomos del Grupo II en los Grupos II-VI. ¿Por ejemplo? CuGaSe2, AgInTe2, AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2, etc. Este está compuesto por un átomo del grupo I y un átomo del grupo V reemplazando dos átomos del grupo III en el grupo, como Cu3AsSe4, Ag3AsTe4, Cu 3 BSB 4, ag 3 BSB 4, etc. Además, existen sistemas cuaternarios cuyas estructuras son básicamente esfalerita (como Cu2FeSnS4) y compuestos inorgánicos más complejos.
3. Semiconductores de compuestos orgánicos: Existen decenas de semiconductores orgánicos conocidos, como naftaleno, antraceno, poliacrilonitrilo, ftalocianina y algunos compuestos aromáticos, que aún no se han utilizado como semiconductores.
4. Semiconductores amorfos y líquidos: La mayor diferencia entre estos semiconductores y los semiconductores cristalinos es que no tienen una estructura cristalina periódica estricta.
2. Aplicaciones prácticas de los materiales semiconductores
La preparación de diferentes dispositivos semiconductores tiene diferentes requisitos morfológicos para los materiales semiconductores, incluido el corte, esmerilado, pulido, películas delgadas, etc. Diferentes formas de materiales semiconductores requieren diferentes técnicas de procesamiento. Los procesos de preparación de materiales semiconductores comúnmente utilizados incluyen la purificación, la preparación de monocristales y el crecimiento epitaxial de película delgada.
Materiales Semiconductores Todos los materiales semiconductores requieren purificación de las materias primas, y se requiere que la pureza sea superior a 6 "9s", y la más alta sea superior a 11 "9s". Los métodos de purificación se dividen en dos categorías. Una es la purificación que no cambia la composición química del material, que se llama purificación física. El otro es convertir elementos en compuestos para la purificación y luego reducir los compuestos purificados a elementos. Este método se llama purificación química. Los métodos de purificación física incluyen la evaporación al vacío, la purificación regional, la purificación por extracción de cristales, etc. , y el refinado regional es el más utilizado. Los principales métodos de purificación química incluyen electrólisis, complejación, extracción, destilación, etc.
, y la rectificación es la más utilizada. Dado que cada método tiene ciertas limitaciones, a menudo se utiliza una combinación de varios métodos de purificación para obtener materiales calificados.
(Materiales semiconductores)
La mayoría de los dispositivos semiconductores se fabrican en una sola oblea o en una oblea epitaxial utilizando una única oblea como sustrato. Se producen lotes de monocristales semiconductores mediante el método de crecimiento en estado fundido. El método de Czochralski es el método más utilizado. El 80% de los monocristales de silicio, la mayoría de los monocristales de germanio y los monocristales de antimonuro de indio se producen con este método. El diámetro máximo de los monocristales de silicio ha alcanzado los 300 mm. El método de Czochralski de introducir un campo magnético en la masa fundida se llama atracción por magnetrón, y con este método se han producido monocristales de silicio con alta uniformidad. La adición de un agente de cobertura líquido a la superficie del crisol fundido se denomina método de extracción del sello líquido. Este método se utiliza para producir arseniuro de galio, fosfuro de galio y fosfuro de indio. La masa fundida en el método de fusión de zona suspendida no entra en contacto con el recipiente y mediante este método se cultivan monocristales de silicio de alta pureza. El método de fusión de zona horizontal se utiliza para producir monocristales de germanio. El método de cristalización orientado horizontalmente se utiliza principalmente para preparar monocristal de arseniuro de galio, y el método de cristalización orientado verticalmente se utiliza para preparar telururo de cadmio y arseniuro de galio. Los monocristales a granel producidos mediante diversos métodos se someten a todo o parte del proceso, como orientación del cristal, volteo, datación, corte, esmerilado, biselado, pulido, grabado, limpieza, prueba y envasado para proporcionar las obleas correspondientes.
El crecimiento de una fina película monocristalina sobre un sustrato monocristalino se denomina crecimiento epitaxial. Los métodos de epitaxia incluyen epitaxia en fase gaseosa, fase líquida, fase sólida y haz molecular. La epitaxia química en fase de vapor se utiliza principalmente en la producción industrial, seguida de la epitaxia en fase líquida. La epitaxia en fase de vapor de compuestos organometálicos y la epitaxia de haz molecular se utilizan para preparar pozos cuánticos y superredes. Las películas delgadas amorfas, microcristalinas y policristalinas se preparan principalmente sobre vidrio, cerámica, metales y otros sustratos mediante diferentes métodos, como la deposición química de vapor y la pulverización catódica con magnetrón.
3. Estado actual de desarrollo de los materiales semiconductores
En comparación con el mercado de equipos semiconductores, el mercado de materiales semiconductores ha desempeñado durante mucho tiempo un papel de apoyo. Sin embargo, con el aumento de los envíos de chips, El mercado de materiales seguirá creciendo y comenzará a escapar de la sombra del llamativo mercado de equipos. Según los ingresos por ventas,
Semiconductor Materials Japan mantiene su posición como el mayor mercado de materiales semiconductores. Sin embargo, la provincia de Taiwán, ROW y Corea del Sur también se están convirtiendo en mercados importantes, y el aumento del mercado de materiales refleja el desarrollo de la fabricación de dispositivos en estas regiones. Tanto el mercado de materiales de fabricación de obleas como el mercado de materiales de embalaje han logrado un crecimiento. El crecimiento futuro tenderá a ser moderado, pero el impulso de crecimiento aún se mantendrá.
(Materiales semiconductores)
La Asociación de la Industria de Semiconductores de EE. UU. (SIA) predice que los ingresos del mercado de semiconductores se acercarán a los 267 mil millones de dólares estadounidenses en 2008, que es el quinto año consecutivo de crecimiento. Casualmente, el mercado de materiales semiconductores también reescribe constantemente los registros de ingresos y envíos. Tanto los materiales de fabricación de obleas como los materiales de embalaje han crecido. Se espera que los ingresos de mercado de estas dos partes este año sean de 26.800 millones de dólares y 654.38+0.990 millones de dólares respectivamente.
Japón continúa manteniendo su posición de liderazgo en el mercado de materiales semiconductores, representando el 22% del mercado total. En 2004, la provincia de Taiwán superó a América del Norte y se convirtió en el segundo mercado más grande de materiales semiconductores. América del Norte ocupa el quinto lugar después del ROW (Resto del mundo) y Corea del Sur. ROW incluye Singapur, Malasia, Tailandia y otros países y regiones del sudeste asiático. Muchas nuevas fábricas están invirtiendo en estas regiones, cada una con una base de embalaje más sólida que América del Norte.
Los materiales de fabricación de chips representan el 60% del mercado de materiales semiconductores, la mayoría de los cuales proceden de obleas de silicio. Las obleas de silicio y las fotomáscaras combinadas representan el 62% de los materiales de fabricación de obleas. En 2007, todos los materiales de fabricación de obleas, excepto los reactivos químicos húmedos, las fotomáscaras y los objetivos de pulverización catódica, lograron un fuerte crecimiento, lo que provocó que el mercado de materiales de fabricación de obleas creciera en un 65.438+06%. En 2008, el crecimiento del mercado de materiales para la fabricación de obleas fue relativamente estable, con una tasa de crecimiento del 7%. Se estima que en 2009 y 2010 las tasas de crecimiento serán del 9% y 6% respectivamente.
Uno de los cambios más significativos en el mercado de materiales semiconductores es el auge del mercado de materiales de embalaje. El mercado de materiales de embalaje representó el 33% del mercado de materiales semiconductores en 1998, y se espera que esta proporción aumente al 43% en 2008. Este cambio se debe al uso cada vez mayor de sustratos enrollados y materiales poliméricos avanzados en conjuntos de rejillas de bolas, empaques a escala de chips y empaques de chips invertidos. Se espera que estos materiales experimenten un mayor crecimiento en los próximos años a medida que la portabilidad y funcionalidad de los productos imponen mayores exigencias al embalaje. Además, el fuerte aumento de los precios del oro provocó que el segmento de unión por cables aumentara un 36% en 2007.
Al igual que los materiales de fabricación de obleas, la tasa de crecimiento de los materiales de embalaje de semiconductores también se desacelerará en los próximos tres años, creciendo un 5% en 2009 y 2010, alcanzando los 20.900 millones de dólares y 22.000 millones de dólares respectivamente. Excluyendo el factor precio del oro y los sustratos rodantes no incluidos en las estadísticas, la tasa de crecimiento real es del 2% al 3%.
En cuarto lugar, la posición estratégica de los materiales semiconductores
A mediados del siglo XX, la invención del silicio monocristalino y los transistores semiconductores y el exitoso desarrollo de los circuitos integrados de silicio desencadenaron una revolución en la industria electrónica. La invención de los materiales de fibra óptica de cuarzo y los láseres de GaAs a principios de la década de 1970 promovió el rápido desarrollo de la tecnología de comunicación por fibra óptica y formó gradualmente una industria de alta tecnología, llevando a la humanidad a la era de la información. El concepto de superred y el desarrollo exitoso de superredes semiconductoras y materiales de pozos cuánticos han cambiado por completo el pensamiento de diseño de dispositivos optoelectrónicos, haciendo que el diseño y la fabricación de dispositivos semiconductores pasen de la "ingeniería de impurezas" a la "ingeniería de bandas de energía".
El desarrollo y la aplicación de la nanotecnología permitirán a los humanos controlar, manipular y fabricar nuevos y poderosos dispositivos y circuitos a escala atómica, molecular o nanométrica, afectando profundamente la estructura política y económica del mundo y la forma de confrontación militar, y cambiando completamente la forma de vida de las personas. .
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