化合物半导体衬底材料研究报告(1)

化合物半导体衬底材料研究报告(1)

2021-10-18 11:31:11 0

在整个半导体产业链中,半导体材料处于上游,中游为各类半导体元件,下游应用包括消费电子、通信、新能源、电力、交通等行业。随着近年第二、三代化合物半导体借助其独特的物理特性实现更广泛的应用,其上游衬底材料砷化镓、碳化硅、氮化镓愈发得到国内重视,本篇研究报告将就这三类衬底材料进行重点介绍。

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一、化合物半导体材料概述


化合物半导体是指两种或两种以上元素形成的半导体材料,按照元素数量可以分为二元化合物、三元化合物、四元化合物等,二元化合物半导体按照组成元素在化学元素周期表中的位置还可分为 III-V 族、IV-IV 族、II-VI族等。目前,以砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的化合物半导体材料已经成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。

(一)发展阶段
半导体衬底材料领域共经历三个发展阶段:
第一阶段是20世纪50年代起,以硅Si为代表的第一代半导体材料制成的二极管和晶体管取代了电子管,主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中,如电脑 CPU、GPU、内存、手机的SoC等器件,引发以集成电路为核心的微电子产业的迅速发展。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用,如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率,且其带隙宽度较窄(1.12 eV)、饱和电子迁移率较低(1450 cm2/V·s),不利于研制高频和高功率电子器件。

第二阶段是20世纪90年代开始,随着半导体产业的发展,硅材料的物理瓶颈日益突出,以砷化镓GaAs、磷化铟InP为代表的第二代半导体材料崭露头角,相关器件制备技术逐渐成熟,使半导体材料进入光电子领域。GaAs良好的光学性能使得其在光学器件中广泛应用,也应用在需要高速器件的特殊场合,是4G时代的大部分通信设备的材料,如毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航等。但是禁带宽度(禁带宽度反映了价电子被束缚强弱程度,直接决定着器件的耐压和最高工作温度)不够大、击穿电场较低,限制了其在高温高频和高功率器件领域的应用,且砷有毒。

第三阶段是近年来,以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表的第三代半导体材料,在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势,进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求,作为5G时代的主要材料,用于高温、高频、抗辐射、大功率器件; 蓝、绿、紫光二极管、半导体激光器等。

(二)材料性能


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(三)主要应用


目前全球95%以上的芯片和器件是以硅作为基底材料,由于硅材料具有极大的成本优势,未来在各类分立器件和集成电路领域硅仍将占据主导地位,但是化合物半导体材料独特的物理特性优势,赋予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。

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图片来源:SEMI、国金证券研究所


二、砷化镓(GaAs)-第二代半导体材料
(一)材料种类
根据电阻的不同,砷化镓材料可以分为半导体型和半绝缘型。半绝缘型砷化镓衬底由于电阻率较高、高频性能好,可制作 MESFET、HEMT 和 HBT 结构的电路,主要用于雷达、卫星电视广播、微波及毫米波通信、无线通信(以手机为代表)及光纤通信等领域,主要用来制作手机中的 PA 元件,在高频功率放大器市场上占据 85%的市场份额。半导体型砷化镓单晶占整个 GaAs 市场的 60%左右,主要应用在 LED 和 VCSEL(垂直共振腔表面发射激光器)等光电子器件。

(二)生产流程
砷化镓单晶片生产过程可分为:
1、多晶清洗:砷化镓多晶放入氨水、双氧水及纯水配置的混合液中,在清洗槽内用水进行清洗;用超声波平振荡机振洗,去除表面的杂质,然后用甲醇脱水;PBN 坩埚清洗与多晶清洗过程相同。

2、单晶生长:清洗后的砷化镓多晶放入PBN坩埚内,将坩埚放入石英管内后用真空泵对石英管抽真空,密封后外部包裹石英棉(保温)装入单晶炉中,使晶体在单晶炉内完成生长,长成单晶晶棒。

3、脱模:单晶生长结束后,单晶炉进行降温,降至常温后用开管锯将石英管切开,将结为一体的 PBN 坩埚和砷化镓晶体分离后,取出砷化镓晶体。

4、晶体加工:取出的砷化镓晶棒利用带锯切除尾盖,外圆磨床磨外圆,利用内圆锯取测试样片,根据测试样片判断晶体的好坏。

5、晶体切片:砷化镓晶棒在多线切割机上切成一定厚度的晶片,切割时采用水基溶液和切割粉降温处理。切割完成后将晶片冲洗,浸泡酒精后风干。

6、晶片研磨:对清洗槽中晶片表面采用氨水、双氧水和纯水混合液进行预清洗,清洗晶片表面杂质颗粒,使表面更洁净;然后利用研磨机晶片进行研磨,去除晶片损伤层,保证厚度一致性。

7、晶片抛光:研磨后的晶片放入抛光机,在抛光液的作用下湿法抛光,使表面达到精细的镜面,随后在清洗槽中采用氨水、双氧水和纯水混合液进行表面清洗,后用甩干机进行脱水甩干。

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8、晶片清洗:用氨水、双氧水和纯水混合液对晶片进行清洗,去除前道工序加工后晶片表面残留的尘埃及化学残留物,干燥后的晶片检验合格后包装为成品。

(三)单晶生长工艺


从20世纪50年代开始,就已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括:液封直拉法(LEC)、水平布里奇曼法(HB)、垂直布里奇曼法(VB)以及垂直梯度凝固法(VGF)等。

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(四)全球竞争格局

化合物半导体因为行业整体规模较小,非标准化程度高,以代工模式为主。欧美主导砷化镓产业链,中国台湾厂商垄断代工。日本的住友、德国的Freiberger和美国的AXT三家合计约占全球半绝缘型衬底90%的市场份额。受衬底尺寸限制,目前的生产线以4 英寸和6英寸晶圆为主,部分企业也开始导入8英寸产线,但还没有形成主流。由于砷化镓是以 Emitterbase-Collector垂直结构为主,晶体管数量只在百颗数量级;而硅晶圆是 Source Gate Drain的平面设计,晶体管数量达到数千万数量级,所以砷化镓在制程研发上并没有像硅晶圆代工行业那样明显的优势。

住友是全球半绝缘型砷化镓单晶片水平最高的公司,以VB法生产砷化镓为主,能够量产4寸和6寸单晶片;德国Freiberger主要以VGF、LEC法生产2到6英寸砷化镓衬底,产品全部用于微电子领域;美国AXT产品中一半用于LED,一半用作微电子衬底。国内供应商砷化镓衬底主要用于LED芯片,少数公司如云南锗业用于射频的砷化镓衬底逐渐放量。
国内厂商

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