半导体材料与技术精选(九篇)

第1篇：半导体材料与技术范文

关键词：半导体制冷 研究现状 制冷效率 应用与前景

引 言

随着经济的发展，全球能耗剧增，能源资源几近危机，想要降低能耗，实现可持续发展，研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷起源于20世纪50年代，由于它结构简单、通电制冷迅速，受到家电厂家的青睐。但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来，科学技术迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显现出来，广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。

1、半导体制冷国内外研究现状

从国内外文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随着半导体物理学的发展， 前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半导体材料 ， 有良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重视， 开启了半导体材料的新篇章， 各国的研究学者均致力于寻找新的半导体材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体材料系数2.4。宜向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细的分析。指出半导体材料的优值系数除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关， 不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸， 只有符合最优尺寸才能获得最大优值系数的半导体制冷器。

2、半导体制冷的工作原理

半导体制冷又称热电制冷，系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型半导体元件和N型半导体元件构成热电对，热电对两端均有金属片导流条。如图1所示：当电流流经热电对时，就会发射帕尔贴效应，电流在上端由N流向P，温度降低形成冷端，从外界吸热；电流在下端有P流向N，温度升高形成热端，向外界放热。

3、半导体制冷效率的影响因素

半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应， 还要考虑多种因素， 同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的， 不是独立的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点， 但也面临诸多难点，其中影响其制冷效率主要有两个基本因素：

（1） 半导体材料优值系数Z

半导体制冷的核心部件是热电堆，热电堆的半导体制冷材料热电转换效率不高，是半导体制冷空调器效率较低的主要原因。决定热电材料性能优劣的是优值系数Z 。若要半导体制冷效率达到机械制冷效率水平，制冷材料优值系数必须从3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如图2 给出了不同优值Z时，半导体制冷与机械式制冷制冷系数的比较结果。

（2） 半导体制冷装置热端散热效果的影响。

热电堆热端的散热效果是影响热电堆性能的重要因素。实际应用的半导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。而热端散热比冷端更为关键，如若设制冷器冷端散热量为Q1，热端散热量为Q2，系统工作消耗的电功为W0。

显然，Q2=Q1+W0

4、提高半导体制冷效率的途径

制冷效率低成为半导体制冷最大的不足，这限制了半导体制冷的推广和应用。为了提高半导体制冷的效率，就要从上文所介绍的两个影响因素入手，找出有效的解决方法。

（1）寻找高优值系数Z的半导体材料：研制功能性非均质材料、方钴矿的研究、带量子空穴的超晶格研究。

（2）优化设计半导体制冷热端散热系统，以保证热端的散热处于良好的状态。

5、半导体制冷应用与前景

随着低温电子学得到迅速的发展， 在多种元器件和设备冷却上， 半导体制冷有独特的作用。 采用半导体制冷技术， 对电子元件进行冷却， 能有效改善其参数的稳定性， 或使信噪比得到改善， 从而提高放大和测量装置的灵敏度和准确度。 半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷却电子器件和设备。

为了解决石油资源匮乏的问题，部分车辆使用天然气、乙醇作为燃料，但与使用汽油相比，汽车空调运行比较困难。半导体制冷空调冷热一体，独立运行，可直接利用车辆直流电源，因而系统简单，且与车辆具有很好的兼容性，因此半导体制冷在汽车领域内有较好的发展前景。

千瓦级以上的半导体制冷空调成本比压缩制冷空调成本要高的多。但百瓦级的小型空调装置的成本与压缩制冷空调的成本相差不大，且无制冷剂、调控方便、无噪音等特点，用于某些特殊的小型空间非常方便；而十瓦级的微型空调装置的成本则远低于压缩制冷装置，在电子设备冷却、局部微环境温度控制方面，具备压缩制冷装置无法替代的优势，使中小型半导体制冷空调器进入民用领域成为可能。

在半导体制冷技术的应用中，需要因地制宜，根据不用的使用要求，设计出不用的性能，以拓展该技术的应用领域，可以坚信，半导体制冷技术的未来会发展得越来越好，越来越广。■

参考文献

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[6]马乔矢。半导体制冷技术的应用和发展[J]。沈阳建筑工程学院学报，1999，01：83-87。

[7]陈振林，孙中泉。半导体制冷器原理与应用[J]。微电子技术，1999，05：63-65。

[8]李冰。半导体制冷技术及其发展[J]。山西科技，2009，04：95+101。

第2篇：半导体材料与技术范文

在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅和金刚石等称为第三代半导体材料。本文介绍了三代半导体的性质比较、应用领域、国内外产业化现状和进展情况等。

关键词

半导体材料;多晶硅;单晶硅;砷化镓;氮化镓

1前言

半导体材料是指电阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料[1]，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是美国和日本，其2002年的销售收入分别为3189亿美元和2320亿美元[2]。近几年来，我国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2002年销售收入以1.4亿人民币居全球第3位，比上年增长20，产业规模是1997年的2.5倍，居国内各工业部门首位[3]。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

半导体材料的种类繁多，按化学组成分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按组成元素分为一元、二元、三元、多元等;按晶态可分为多晶、单晶和非晶;按应用方式可分为体材料和薄膜材料。大部分半导体材料单晶制片后直接用于制造半导体材料，这些称为“体材料”;相对应的“薄膜材料”是在半导体材料或其它材料的衬底上生长的，具有显著减少“体材料”难以解决的固熔体偏析问题、提高纯度和晶体完整性、生长异质结，能用于制造三维电路等优点。许多新型半导体器件是在薄膜上制成的，制备薄膜的技术也在不断发展。薄膜材料有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料[4]。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。

2主要半导体材料性质及应用

材料的物理性质是产品应用的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况[5]。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短蓝光发射;禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。

硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95以上的半导体器件和99以上的集成电路ic是用硅材料制作的。在21世纪，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。

砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。

gan材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前面临的最主要挑战是发展适合gan薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的gan体单晶生长工艺。

主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见以硅材料为主体、gaas半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。

3半导体材料的产业现状

3.1半导体硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18000t25000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国memc公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求为22000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17900t，为产能的75左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。

我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年国内多晶硅年需求量约为756t，2010年为1302t。

峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。

3.1.2单晶硅

生产单晶硅的工艺主要采用直拉法cz、磁场直拉法mcz、区熔法fz以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。

目前国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国memc公司和日本三菱材料公司。这5家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位[8]。

集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求详见文献[8]，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平达到16英寸。

我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，我国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3英寸6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6，较2000年增长了5.3[7]。目前，国外8英寸ic生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的f8英寸ic生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和ic技术面临着巨大的机遇和挑战。

我国硅晶片生产企业主要有北京有研硅股、浙大海纳公司、洛阳单晶硅厂、上海晶华电子、浙江硅峰电子公司和河北宁晋单晶硅基地等。有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40。2000年建成国内第一条可满足0.25μm线宽集成电路要求的8英寸硅单晶抛光片生产线;在北京市林河工业开发区建设了区熔硅单晶生产基地，一期工程计划投资1.8亿元，年产25t区熔硅和40t重掺砷硅单晶，计划2003年6月底完工;同时承担了投资达1.25亿元的863项目重中之重课题“12英寸硅单晶抛光片的研制”。浙大海纳主要从事单晶硅、半导体器件的开发、制造及自动化控制系统和仪器仪表开发，近几年实现了高成长性的高速发展。

3.2砷化镓材料

用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的lec法液封直拉法和hb法水平舟生产法。国外开发了兼具以上2种方法优点的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸气压控制直拉法，成功制备出4英寸6英寸大直径gaas单晶。各种方法比较详见表3。

移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。日本是最大的生产国和输出国，占世界市场的7080;美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产gaas单晶30t。美国axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生产商[8]。世界gaas单晶主要生产商情况见表4。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。

我国gaas材料单晶以2英寸3英寸为主，

4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸。目前4英寸以上晶片及集成电路gaas晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料6n以下纯度，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7n，基本靠进口解决。

国内gaas材料主要生产单位为中科镓英、有研硅股、信息产业部46所、55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4英寸6英寸砷化镓单晶晶片5万片8万片，4英寸6英寸分子束外延砷化镓基材料2万片3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售gaas晶片8万片。我国在努力缩小gaas技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。

3.3氮化镓材料

gan半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于gan半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。

2000年9月美国kyma公司利用aln作衬底，开发出2英寸和4英寸gan新工艺;2001年1月美国nitronex公司在4英寸硅衬底上制造gan基晶体管获得成功;2001年8月台湾powdec公司宣布将规模生产4英寸gan外延晶片。gan基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用gan基led发光二极管产品。涉足gan基电子器件开发最为活跃的企业包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美国等国家纷纷进行应用于照明gan基白光led的产业开发，计划于2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司strstegiesunlimited分析数据，2001年世界gan器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界gan器件市场将达到48亿美元的销售额。

因gan材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。深圳方大集团在国家“超级863计划”项目支持下，2001年与中科院半导体等单位合作，首期投资8千万元进行gan基蓝光led产业化工作，率先在我国实现氮化镓基材料产业化并成功投放市场。方大公司已批量生产出高性能gan芯片，用于封装成蓝、绿、紫、白光led，成为我国第一家具有规模化研究、开发和生产氮化镓基半导体系列产品、并拥有自主知识产权的企业。中科院半导体所自主开发的gan激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸gan生长技术、器件及设备继续研究，争取在gan等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。

4结语

不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。我国政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。

参考文献

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[3]蓬勃发展的中国电子信息产业.信息产业部电子信息产品管理司司长张琪在“icchina2003”上的主题报告

[4]梁春广.gan-第三代半导体的曙光.新材料产业，2000，53136

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[7]中国电子工业年鉴编委会.中国电子工业年鉴2002[m].

第3篇：半导体材料与技术范文

关键词 半导体 材料 量子线 量子点 材料 光子晶体

1半导体材料的战略地位

    上世纪中叶，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；上世纪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、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地 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。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

    2.1硅材料

    从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（cz－si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后cz－si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（ic‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ulsi生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅ic‘s的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，soi材料，包括智能剥离（smart cut）和simox材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和soi材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论 分析 指出30nm左右将是硅mos集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制 问题 ，更重要的是将受硅、sio2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高k介电绝缘材料（如用si3n4等来替代sio2），低k介电互连材料，用cu代替al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ulsi的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子 计算 和dna生物计算等之外，还把目光放在以gaas、inp为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容gesi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2 gaas和inp单晶材料

    gaas和inp与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界gaas单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（vgf）和水平（hb） 方法 生长的2－3英寸的导电gaas衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的si－gaas发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的si－gaas集成电路生产线。inp具有比gaas更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的inp单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

gaas和inp单晶的发展趋势是：

    （1）。增大晶体直径，目前4英寸的si－gaas已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的si－gaas也将投入工业应用。

    （2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

    （3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

    （4）。gaas和inp单晶的vgf生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

    半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（mbe，mocvd）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）ⅲ－v族超晶格、量子阱材料。

    gaaias／gaas，gainas／gaas，aigainp／gaas；galnas／inp，alinas／inp，ingaasp／inp等gaas、inp基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（hemt），赝配高电子迁移率晶体管（p－hemt）器件最好水平已达fmax=600ghz，输出功率58mw，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（hbt）的最高频率fmax也已高达500ghz，hemt逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（dfb）激光器和电吸收（ea）调制器单片集成inp基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nm ingaas带间量子级联激光器，输出功率达5w以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器 研究 ，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服pn结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年ingaas／inaias／inp量子级联激光器（qcls）发明以来，bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，qcls在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的qcls的工作温度高达312k，连续输出功率3mw.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120k 5μm和250k 8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，ⅲ－v族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的mbe和m0cvd设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的mocvd中心，法国的picogiga mbe基地，美国的qed公司，motorola公司，日本的富士通，ntt，索尼等都有这种外延材料出售。生产型mbe和mocvd设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

    硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米si／sio2），硅基sigec体系的si1－ycy/si1－xgex低维结构，ge／si量子点和量子点超晶格材料，si／sic量子点材料，gan／bp／si以及gan／si材料。最近，在gan／si上成功地研制出led发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，gesi／si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。si/gesi modfet和mosfet的最高截止频率已达200ghz，hbt最高振荡频率为160ghz，噪音在10ghz下为0.9db，其性能可与gaas器件相媲美。

尽管gaas／si和inp／si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的gaas外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

    基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如gaalas／gaas，in（ga）as／gaas，ingaas／inalas／gaas，ingaas／inp，in（ga）as／inalas／inp，ingaasp／inalas／inp以及gesi／si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所mbe小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的mbe小组等研制成功的in（ga）as／gaas高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4w.特别应当指出的是我国上述的mbe小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1w时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单 电子 晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本ntt就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150k观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的 应用 方面迈出的关键一步。 目前 ，基于量子点的自适应 网络 计算 机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的 研究 也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料 科学 重点实验室的mbe小组，在继利用mbe技术和sk生长模式，成功地制备了高空间有序的inas／inai（ga）as／inp的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对inas／inalas量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如zno、sno2、in2o3和ga2o3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的lars samuelson教授领导的小组，分别在sio2／si和inas／inp半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的 方法 很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前 发展 的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

    宽带隙半导体材主要指的是金刚石，iii族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（zno等）及固溶体等，特别是sic、gan和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，iii族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（led）和紫、蓝、绿光激光器（ld）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年gan材料的p型掺杂突破，gan基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，gan基蓝绿光发光二极管己商品化，gan基ld也有商品出售，最大输出功率为0.5w.在微电子器件研制方面，gan基fet的最高工作频率（fmax）已达140ghz，ft=67 ghz，跨导为260ms／mm；hemt器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 gan基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本sumitomo电子 工业 有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸gan单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和gan基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带inasn，ingaasn，ganp和ganasp材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高t0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以cree公司为代表的体sic单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4h和6h sic单晶与外延片，以及3英寸的4h sic单晶己有商品出售；以sic为gan基材料衬低的蓝绿光led业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的gan基发光器件的竟争。其他sic相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要 问题 是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

ii－vi族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3m公司成功地解决了ii－vi族的p型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3m公司利用mbe技术率先宣布了电注入（zn，cd）se／znse兰光激光器在77k（495nm）脉冲输出功率100mw的消息，开始了ii－vi族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前znse基ii－vi族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之gan基材料的迅速发展和应用，使ii－vi族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如gan／蓝宝石（sapphire），sic／si和gan／si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地 影响 着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除sic单晶衬低材料，gan基蓝光led材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如gan衬底，zno单晶簿膜制备，p型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与n型掺杂，ii－vi族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

    光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（fib）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如ag/mno多层膜，再用fib注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒fe2o3，发光纳米颗粒cds和介电纳米颗粒tio2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

    随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥rivest，shamir和adlman（rsa）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置， 理论 上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mk的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29si）的硅单晶；减小sio2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

    鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供 参考 。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

    至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2 gaas及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

    gaas、inp等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取 企业 介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的si－gaas和3－5吨／年掺杂gaas、inp单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸gaas生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

    （1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强mbe和mocvd两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型mbe和mocvd设备并着重致力于gaalas／gaas，ingaalp／ingap， gan基蓝绿光材料，ingaas／inp和ingaasp／inp等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸gaas生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸mbe和mocvd微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如sic，gan基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及zno等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的 经济 和国防实力。

第4篇：半导体材料与技术范文

关键词：微电子半导体制造封装技术

中图分类号：TN405文献标识码：A文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0070-02

微电子技术作为当今工业信息社会发展最快、最重要的技术之一，是电子信息产业的“心脏”。而微电子技术的重要标志，正是半导体集成电路技术的飞速进步和发展。多年来，随着我国对微电子技术的重视和积极布局投入，结合社会良好的创新发展氛围，我国的微电子技术得到了迅速的发展和进步。目前我国自主制造的集成芯片在射频通信、雷达电子、数字多媒体处理器中已经得到了广泛应用。但总体来看，我国的核心集成电路基础元器件的研发水平、制造能力等还和发展较早的发达国家存在一定差距，唯有继续积极布局，完善创新体系，才能逐渐与世界先进水平接轨。集成电路技术，主要包括电路设计、制造工艺、封装检测几大技术体系，随着集成电路产业的深入发展，制造和封装技术已经成为微电子产业的重要支柱。本文将对微电子技术的制造和封装技术的发展和应用进行简要说明与研究。

1微电子制造技术

集成电路制造工艺主要可以分为材料工艺和半导体工艺。材料工艺包括各种圆片的制备，包括从单晶拉制到外延的多个工艺，传统Si晶圆制造的主要工艺包括单晶拉制、切片、研磨抛光、外延生长等工序，而GaAs的全离子注入工艺所需要的是抛光好的单晶片（衬底片），不需要外延。半导体工艺总体可以概括为图形制备、图形转移和扩散形成特征区等三大步。图形制备是以光刻工艺为主，目前最具代表性的光刻工艺制程是28nm。图形转移是将光刻形成的图形转移到电路载体，如介质、半导体和金属中，以实现集成电路的电气功能。注入或扩散是通过引入外来杂质，在半导体某些区域实现有效掺杂，形成不同载流子类型或不同浓度分布的结构和功能。

从历史进程来看，硅和锗是最早被应用于集成电路制造的半导体材料。随着半导体材料和微电子制造技术的发展，以GaAs为代表的第二代半导体材料逐渐被广泛应用。直到现在第三代半导体材料GaN和SiC已经凭借其大功率、宽禁带等特性在迅速占据市场。在这三代半导体材料的迭展中，其特征尺寸逐渐由毫米缩小到当前的14纳米、7纳米水平，而在当前微电子制造技术的持续发展中，材料和设备正在成为制造能力提升的决定性因素，包括光刻设备、掩模制造技术设备和光刻胶材料技术等。材料的研发能力、设备制造和应用能力的提升直接决定着当下和未来微电子制造水平的提升。

总之，推动微电子制造技术发展的动力来自于应用设计需求和其自身的发展需要。从长远看，新材料的出现带来的优越特性，是帶动微电子器件及其制造技术的提升的重要表现形式。较为典型的例子是GaN半导体材料及其器件的技术突破直接推动了蓝光和白光LED的诞生，以及高频大功率器件的迅速发展。作为微电子器件服务媒介，信息技术的发展需求依然是微电子制造技术发展的重要动力。信号的生成、存储、传输和处理等在超高速、高频、大容量等技术要求下飞速发展，也会持续推动微电子制造技术在加工技术、制造能力等方面相应提升。微电子制造技术发展的第二个主要表现形式是自身能力的提升，其主要来自于制造设备技术、应用能力的迅速发展和相应配套服务材料技术的同步提升。

2微电子封装技术

微电子封装的技术种类很多，按照封装引脚结构不同可以分为通孔插装式和表面安装式。通常来说集成电路封装技术的发展可以分为三个阶段：第一阶段，20世纪70年代，当时微电子封装技术主要是以引脚插装型封装技术为主。第二阶段，20世纪80年代，SMT技术逐渐走向成熟，表面安装技术由于其可适应更短引脚节距和高密度电路的特点逐渐取代引脚直插技术。第三阶段，20世纪90年代，随着电子技术的不断发展以及集成电路技术的不断进步，对于微电子封装技术的要求越来越高，促使出现了BGA、CSP、MCM等多种封装技术。使引脚间距从过去的1.27mm、0.635mm到目前的0.5mm、0.4mm、0.3mm发展，封装密度也越来越大，CSP的芯片尺寸与封装尺寸之比已经小于1.2。

目前，元器件尺寸已日益逼近极限。由于受制于设备能力、PCB设计和加工能力等限制，元器件尺寸已经很难继续缩小。但是在當今信息时代，依然在持续对电子设备提出更轻薄、高性能的需求。在此动力下，依然推动着微电子封装继续向MCM、SIP、SOC封装继续发展，实现IC封装和板级电路组装这两个封装层次的技术深度融合将是目前发展的重点方向。

芯片级互联技术是电子封装技术的核心和关键。无论是芯片装连还是电子封装技术都是在基板上进行操作，因此这些都能够运用到互联的微技术，微互联技术是封装技术的核心，现在的微互联技术主要包含以下几个：引线键合技术，是把半导体芯片与电子封装的外部框架运用一定的手段连接起来的技术，工艺成熟，易于返工，依然是目前应用最广泛的芯片互连技术；载体自动焊技术，载体自动焊技术可通过带盘连续作业，用聚合物做成相应的引脚，将相应的晶片放入对应的键合区，最后通过热电极把全部的引线有序地键合到位置，载体自动焊技术的主要优点是组装密度高，可互连器件的引脚多，间距小，但设备投资大、生产线长、不易返工等特性限制了该技术的应用。倒装芯片技术是把芯片直接倒置放在相应的基片上，焊区能够放在芯片的任意地方，可大幅提高I/O数量，提高封装密度。但凸点制作技术要求高、不能返工等问题也依然有待继续研究，芯片倒装技术是目前和未来最值得研究和应用的芯片互连技术。

总之，微电子封装技术经历了从通孔插装式封装、表面安装式封装、窄间距表面安装焊球阵列封装、芯片级封装等发展阶段。目前最广泛使用的微电子封装技术是表面安装封装和芯片尺寸封装及其互连技术，随着电子器件体积继续缩小，I/O数量越来越多，引脚间距越来越密，安装难度越来越大，同时，在此基础上，以及高频高密度电路广泛应用于航天及其他军用电子，需要适应的环境越来越苛刻，封装技术的可靠性问题也被摆上了新的高度。

第5篇：半导体材料与技术范文

[关键词]半导体器件 封装技术

“半导体器件封装技术”是一种将芯片用绝缘的塑料、陶瓷、金属材料外壳打包的技术。以大功率晶体三极管为例,实际看到的体积和外观并不是真正的三极管内核的大小和面貌,而是三极管芯片经过封装后的产品。封装技术对于芯片来说是必须的,也是非常重要的。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要。

封装也可以说是指安装半导体芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁――芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于大功率器件产品而言,封装技术是非常关键的一环。

半导体器件有许多封装形式,按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技术指标一代比一代先进。总体说来,半导体封装经历了三次重大革新:第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,它极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在上世纪90年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能;芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装面积减到最小。高级封装实现封装面积最小化。

一、封装材料

封装的基材有陶瓷、金属和塑料三种。从数量上看,塑料封装占绝大部分,半导体塑料封装用的材料是环氧塑封料,七十年代起源于美国,后发扬光大于日本,现在我国是快速掘起的世界环氧塑封料制造大国。塑料封装多是用绝缘的环氧塑封料包装起来,能起着密封和提高芯片电热性能的作用。

二、封装类型

1.金属封装。由于该种封装尺寸严格、精度高、金属零件便于大量生产,故其价格低、性能优良、封装工艺容易灵活,被广泛应用于晶体管和混合集成电路如振荡器、放大器、交直流转换器、滤波器、继电器等产品上。

2.陶瓷封装。陶瓷封装的许多用途具有不可替代的功能,特别是集成电路组件工作频率的提高,信号传送速度的加快和芯片功耗的增加,需要选择低电阻率的布线导体材料及低介电常数、高导电率的绝缘材料等。

3.金属-陶瓷封装。它是以传统多层陶瓷工艺为基础,以金属和陶瓷材料为框架而发展起来的。最大特征是高频特性好、噪音低而被用于微波功率器件。

4.塑料封装。塑料封装由于其成本低廉、工艺简单,并适于大批量生产,因而具有极强的生命力,自诞生起发展得越来越快,在封装中所占的份额越来越大。目前我国环氧塑料封料年产9万吨以上。

三、封装时主要考虑的因素

1.芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:1。

2.引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能。

3.基于散热的要求,封装越薄越好。作为设备或整机的重要组成部分,器件的性能直接影响整机的整体性能。而器件制造工艺的最后一步也是最关键一步就是它的封装技术,采用不同封装技术的器件,在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的产品。

四、主要封装技术

半导体器件的封装形式分为插入安装式(DIP)和表面安装式(SMD)两大类。插入安装式包括金属外壳封装、玻璃封装、陶瓷封装、塑料封装和树脂封装等,使用较多的是塑料封装和金属外壳封装。表面安装式包括塑料封装和树脂封装等,使用较多的是塑料封装。

1.DIP技术

(Dual In-line Package),也叫直插式封装技术,指采用直插形式封装的器件芯片,绝大多数器件采用这种封装形式,其引脚数一般为三条。可以直接插在有相同焊孔数的电路板上进行焊接。

DIP封装具有以下特点:

(1)适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。

(2)芯片面积与封装面积之间的比值较大,体积也较大。

典型的DIP封装晶体管形式有TO-92、TO-126、TO-220、TO-251、TO-263等,主要作用是信号放大和电源稳压。

2.SMD技术

SMD封装也叫表面安装技术,用这种形式封装的芯片必须采用SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一般在电路板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点,即可实现与电路板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

SMD封装具有以下特点:

(1)适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。

(2)适合高频使用。

(3)操作方便,可靠性高。

(4)芯片面积与封装面积之间的比值较小。

五、封装的作用

封装(Package)对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体器件芯片用的外壳,它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有:

(1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降,保护芯片表面以及连接引线等,使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响;同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配,这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力,从而可防止芯片损坏失效。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。

(2)电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距,调整到实装基板的尺寸间距,从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0.1 3μm以下)为特征尺寸的芯片,到以10μm为单位的芯片焊点,再到以100μm为单位的外部引脚,都是通过封装来实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的作用,从而可使操作费用及材料费用降低,而且能提高工作效率和可靠性,特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻,寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度。

(3)标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格,既便于加工,又便于与印刷电路板相配合,相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便。

六、半导体器件封装技术发展

半导体器件有许多封装形式,按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技术指标一代比一代先进。总体说来半导体技术经历了三次重大革新:第一次是在20世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,它极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在20世纪90年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能;芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装面积减到最小。

所谓封装是指安装半导体器件用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁―芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此,封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使 用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁,从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技术指标一代比一代先进,包括芯片面积与封装面积之比越来越 接近于1,适用频率越来越高,耐温性能越来越好,引脚数增多,引脚间距减小,重量减小,可靠性提高,使用更加方便等等。

七、塑封器件封装工艺简介

划片―粘片―压焊―包封―打印―电镀―切筋―测试―包装―入库

八、国内封装技术存在的问题与不足

1.封装技术人才严重短缺、急需封装技术人员的培训。

2.先进的封装设备、封装材料及其产业链滞后,配套不上且质量不稳定。

3.封装技术研发能力不足,生产工艺程序设计不周,可操作性差,执行能力弱。

4.封装设备维护保养能力差,缺少有经验的维修工程师,且可靠性实验设备不齐全,失效分析能力不足。

5.国内封装企业普遍还处于规模小,技术低,从事低端产品生产的居多,可持续发展能力低,缺乏向高档发展的技术和资金。

九、建议和对策

1.依靠技术创新占领高端市场,目前国内器件呈现两极化的发展趋势,即低端产品市场竞争激烈,高端市场增长迅速,产品供不应求。我们应积极进行技术研发,及时向市场推出新产品,占领高端市场。

2.依靠高等院校,科技攻关和自然基金以及产业化项目培养人才,封装目前已经成为一个支柱性的行业。封装是一个典型的交叉学科,要提高封装技术水平应从基础做起,培养各个层次的人才,掌握核心技术。

3.利用外来技术带动产业升级,目前跨国半导体企业纷纷加大在我国投资,扩大在国内的生产规模,这些国际企业制造水平处于世界领先水平,这对于提高国内器件行业整体技术水平,培养国内工程技术人员,进而带动国内器件产业升级都有积极作用。

十、结束语

我国半导体器件封装事业担负着振兴国内半导体行业的重任,面临艰巨的挑战和各种困难,半导体器件封装技术目前还存在不少问题和困难,我们还是要坚持在科学发展中寻找解决困难的途径,以积极的姿态、创新的工作,共同迎接中国半导体事业的美好明天。

参考文献:

第6篇：半导体材料与技术范文

关键词：单片机；半导体制冷；智能控制

中图分类号：TP316.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）01-0006-02

基于单片机的半导体制冷智能控制系统，融合了单片机控制技术和半导体制冷技术，实现制冷设备温度控制的智能化，具有体积小、重量轻、使用寿命长等优点。

1 基于单片机的半导体制冷智能控制系统的结构及原理

半导体制冷器是一种利用珀尔帖效应来进行制冷的器件，它具有体积小、重量轻、使用寿命长、没有噪音、无机械运动、加热制冷迅速、控制精度高、不需要制冷剂、无污染等优点。单片机具有系统结构简单，使用方便，实现模块化；可靠性高，处理功能强，速度快；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；控制功能强，环境适应能力强等优点，将单片机与半导体制冷技术结合起来，实现制冷设备的智能控制。

1.1 基于单片机的半导体制冷智能控制系统的结构

基于单片机的半导体制冷智能控制系统的主要结构包括处理器、温度传感器、数码管显示、按键调节电路、控制信号驱动电路、半导体制冷执行器连接电路，其结果图如下图1所示。

从系统结构图系统结构图中可以看出，当温度低于（或高于）设定温度时，通过温度传感器感受温度，形成反馈信号，经过单片机内部模糊控制算法处理，形成单片机I/O口输出的PWM信号，单片机根据设定的程序和反馈信号给驱动器发射启动信号，驱动器控制半导体制冷器运转制冷，使得密封箱体的温度升高（或降低），同时，在温度反馈电路中，及时反馈温度值，通过单片机的控制运算达到设定温度，从而实现单片机半导体制冷设备的智能控制。

1.2 半导体制冷设备的原理

半导体制冷设备的原理固体材料所具有的珀尔帖效应。珀尔帖效应是指由于固体材料的原子能级都不相同，材料中的载流子所具有的势能也不同。在外加电场作用下，载流子开始流动，流动方向从低势能材料流向高势能材料，流动过程中吸收热量，从而导致两种不同材料的连结处出现致冷现象。

半导体制冷又叫热电制冷，主要利用了热电效应的原理。当直流电通过两种不同的材料组成的回路时，在两种材料的接触面会产生能量交换的现象。通过直流电的时候，由P型半导体材料和N型半导体材料组成的半导体，当PN接触就会产生电子由一种材料向另一种材料迁移的现象，在迁移的过程中，电子会把多余的能量释放出来，因此该接触面会产生热量。同时，在另一个接触面电子由一种材料进入到另一种材料的过程中，会吸收外界的能量，来保证它完成这种迁移，因此在该接触面会产生吸收热量的现象。

如图2所示为半导体制冷原理图，当线路通电流时，电子由上金属板通过结点a流向N型半导体，电子势能增大，并从上金属板吸热，使之变冷。当N型半导体中的电子通过结点d进入下金属板时，势能由大变小，于是放出热量（能量），使下金属板变热。同理，当电流由上金属板流向P型半导体时，空穴由上金属板通过结点b流入P型半导体，势能增大，并从金属吸收热量（能量），使之变冷；随之，空穴通过结点c到达下金属板时，势能由大变小，放出热量（能量），使下金属板变热。

2 基于单片机的半导体制冷智能控制系统

2.1 单片机

单片机简单点说就是芯片，具有集成电路的芯片，将中央处理器CPU、A/D转换器、只读存储器ROM、模拟多路转换器、定时器/计数器等功能，利用集成电路技术把这些功能集成到微小的硅片上，从而构成一个微型计算机系统。根据具体的控制系统情况，选择适当类型的单片机，一般采用STC12C5A16S2作为核心芯片，使用TEC1-12706半导体制冷片作为核心加热制冷与案件，采用DS18B20温度传感器采集温度，通过上位机和单片机通讯，上位机可以显示实时温度值，并且可以进行温度设置，半导体制冷片控制部分采用H桥驱动控制电路进行电压翻转H桥的导通和截止采用三极管开关电路进行控制，从而达到加热和制冷的自动控制目的。

2.2 半导体制冷片

半导体制冷片选用TEC12706，TEC即半导体制冷器，它的工作原理是基于珀尔贴效应，即当电流以不同方向通过双金属片所构成H桥的结构时能对与其接触的物体制冷或加热。其工作原理图如图1所示。

半导体制冷设备的优点如下：（1）半导体制冷器的规格尺寸非常小，最小的制冷器可以到达1cm；（2）半导体制冷设备重量也非常轻，微型制冷器的重量往往只有几克或几十克。（3）机械传动少甚至没有，环保性能好，工作过程中无噪音，无液、气工作介质，不存在污染环境，（4）制冷参数稳定，不受空间方向以及重力影响，即使机在械过载的条件下，也能够正常地工作；（5）调节方便，电路电流控制制冷效果，通过调节工作电流的大小来调节制冷速率；通过切换电流方向，来快速完成制冷、制热工作状态的转换；（6）作用速度快，使用寿命长，且易于控制。

2.3 数字温度传感器

数字温度传感器就是能把检测设备采集到的温度通过相应的转换设备将温度信号转换为数字信号并通过数字现实屏幕现实出来。数字温度传感器的组成部件有温、湿度敏感元件，信号转换计算机、PLC、智能仪表、LED数字显示器等等。起初，数字温度传感器处于关闭状态，当供电之后，数字温度传感器进入连续转换温度模式或者单一转换模式，用户根据自己的需要选择相应的工作模式，在连续转换模式下，数字温度传感器可以连续转换温度并将结果存于温度寄存器中，读温度寄存器中的内容不影响其温度转换；在单一转换模式，数字温度传感器执行一次温度转换，结果存于温度寄存器中，然后回到关闭模式，这种转换模式适用于对温度敏感的应用场合。在实际应用中，数字温度传感器有多种分辨率可供选择：8位、9位、10位、11位或12位，五种分辨率分别对应温度分辨率分别为1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，温度转换结果的默认分辨率为9位。

3 结语

本文主要研究基于单片C的半导体制冷智能控制系统，分析了基于单片机的半导体制冷智能控制系统的结构和工作原理，重点分析了半导体制冷设备的工作原理。就基于单片机的半导体制冷智能控制系统的主要组成部分单片机、半导体制冷片、数字温度传感器进行了研究，有利于制冷设备智能控制的研究。

参考文献

第7篇：半导体材料与技术范文

【关键词】高电子迁移率晶体管 二维电子气 技术路线

1 引言

GaN基HEMT具有大电流密度、高功率密度、低噪声、良好的频率特性决定了GaN在军用民用两个领域都有广泛的应用前景，GaN基HEMT的单位功率密度是GaAs基HEMT的10倍，可以减小系统尺寸并降低阻抗匹配的难度。GaN基功率器件具有较高的工作电压，一般民用通讯基站前端工作电压为28V，使用Si和GaAs需要降低工作电压，需要变压器，并可能产生失真。GaN基功率器件可以工作于42V，可以减小系统体积和系统复杂程度，并且GaN基功率器件可以工作在Ka波段以及300℃的高温环境，在武器应用方面有着重要的应用价值。其覆盖1-100GHz的工作频率可以广泛应用于3G＼4G通讯、卫星通讯、相控阵雷达、智能武器等方面。

2 专利技术发展路线

GaN是理想的耐高温、高频、大功率微波器件材料，1991年美国APA光学公司的Khan等人成功研制出世界上首支AlGaN/GaN HEMT，并在美国提出了专利申请（701，792； 26，528公开号分别为：US5192987A，US5296359A）分别为具有GaN/AlxGa1-xN异质结的HEMT器件[1]，以及制造方法的另一专利申请，上述两项专利申请还不能进行大规模的应用，处于实验室阶段，但是开启了GaN基功率器件的研究。

2003年NEC公司通过引入场板技术增大器件的栅漏击穿电压，功率密度达到11.2W/mm@10GHz；克里（CREE）在具有InGaN背势垒上的SiC衬底上制备的AlGaN/GaN材料上研制了150nm栅长的HEMT，功率密度达到了13.7W/mm@30GHz；2008年HRL研制的AlGaN/GaN/Al0.04Ga0.96N的双异质结HEMT峰值频率高达200GHz。

2.1 全球专利状况分析

美国引用量最多，然后是中国和欧洲，日本引用的很少，这与日本的撰写习惯有关，日本申请人通常只引用自己本国的专利申请，从年代引用的情况来看，以美国的引用为例，其变化趋势与GaN基HEMT在全球申请随时间的变化一致。后继申请的技术方案均是以该申请文件中的披露的技术方案为基础，并没有对器件主要结构进行突破，均是改善行发明，在提高材料质量的大目标下，通过改进器件的局部结构，如：栅极和源漏极之间的隔离，栅极介质，栅极形状，限制沟道区2DEG的材料等方面改善器件的性能。下边以克里公司为例说明通过场板技术，提高器件性能。

克里公司在GaN基HEMT器件取得领先优势，得益于期生长的出其他公司不能比拟的高质量的GaN，其场板技术提高器件的性能，公开号为CN1950945A的专利文献[2]及其相应的同族，公开了一种晶体管，包含多个位于一基片上的有源半导体层，并且其源极与漏极与这些半导体层接触。在这些源极与漏极之间以及多个半导体层上形成一栅极。在这些半导体层上配置多个场板，每一场板从该栅极的边缘朝该漏极延伸，并且每一场板与这些半导体层、以及与这些场板的其它场板隔离。这些场板的最高场板电连接至该源极，并且这些场板的其它场板电连接至栅极或源极，能够解决场板至漏极电容的引起减小增益影响输出稳定性的技术问题。

2.2 国内专利状况分析

从我国主要的申请人可以看出，主要的参与者包括中科院、中国电子集团，其中，最为活跃的是中科院半导体研究所，中科院微电子研究所，中国电子集团13所，中国电子集团55所。高校研究者为西安电子科技大学。主要的研究的企业为西安能讯半导体。

中科院半导体研究所的特长在于提供高质量的GaN材料，其处于国内领先水平，并实现了小量供片，国内的西安电子科技大学的对GaN基微电子材料进行了深入的研究。由国家牵头，中科院半导体所和中国电子集团合作，2000年制作出了国内首支GaN基HEMT器件，并由半导体所提供材料，与中国电子集团的13所和55所合作，在2003年制造出C波段大尺寸GaN基HEMT器件，在2004制造出输出功率大于1W的国内第一支X波段GaN基HEMT器件，2008年制造出X波段GaN基HEMT器件脉冲输出功率为176W，连续输出功率为130.32W，功率密度为17.8W/mm。

3 结语

本文主要以中文专利摘要数据库、德温特世界专利索引数据库和世界专利文摘库数据库收录的专利为样本，通过分析了国内外大功率GaN基HEMT器件的专利技术路线，以及主要申请人做了进一步分析，总体上来说，GaN基HEMT器件结构和已经趋于稳定，如何进一步提高器件的性能成为主要的研究热点。

参考文献：

第8篇：半导体材料与技术范文

自主创新助推跨越发展

菲利华以“专注、诚信、创新、进取”为核心价值观，四十多年来专注于石英玻璃材料、石英纤维及制品的研发生产。特别是近十年来，公司通过持续的技术创新，积累了诸多具有自有知识产权的产品设计和制造技术，承担了国家和省级科研项目十多项。

目前，公司已经拥有了一个包括湖北省企业技术中心、湖北省高性能石英玻璃及石英纤维工程技术研究中心、武汉理工菲利华石英玻璃及石英纤维研发基地、湖北省博士后产业基地“四位一体”的自主创新平台。在此创新平台上，科研人员的智慧得到“集成”，各种新产品、新技术源源不断的推出，半导体用石英玻璃材料及制品的开发成功和东京电子材料认证的通过，使公司拉开了与国内竞争对手的差距，初步具备与国外主要石英玻璃材料企业竞争的能力。多年来，公司在核心业务――石英玻璃材料的技术开发方面投入了大量资金，形成了自动控制制锭成套设备的专有技术和熔制工艺，这些新技术正逐步应用到公司生产中，生产能力将大幅提升。除坚持不懈地进行产品和技术创新之外，公司还不断优化技术管理模式和流程，进行制度和流程的创新。

以自主创新为核心动力，公司实现了从国内到国际、从传统行业向高技术领域的市场跨越。2011年，湖北省人民政府向全省16家企业授予“科技型中小企业创新奖”，公司名列其中。2012年12月，公司被确定为第五批部级创新型试点企业，是荆州市首个入选的国家创新型试点企业，湖北省首家入选的中小成长型企业。

高品质产品获认可

目前高性能石英玻璃材料及制品、石英纤维及制品主要服务于光通讯、半导体、太阳能、航空航天等领域，下游客户对产品的品质可靠性及稳定性等要求较高。因此，产品质量的可靠及稳定性直接影响到公司品牌及声誉。

菲利华建立了产品设计、生产、验证、销售的全面完整质量控制体系。为确保产品符合国际和国内安全、可靠、环保的要求，公司已通过ISO9001、ISO14001和OHSAS18001体系认证，生产的FLH321天然石英锭材（一种半导体用高性能石英玻璃材料）于2011年上半年通过了东京电子的材料认证，成为目前国内首家获得国际主要半导体设备制造商认证的石英玻璃材料企业。

2011年6月，公司获得荆州市人民政府授予的首届“荆州市荆江质量奖”（唯一获奖单位）。同时，公司已获得3项国家重点新产品证书、8项湖北省重大科学技术成果证书及其他多个科研成果奖项。

第9篇：半导体材料与技术范文

【关键词】晶体硅太阳电池;应用;发展

随着煤、石油等传统能源的日益枯竭和环境污染的加剧，新型清洁能源受到了人们的重视，其中最受瞩目的当属太阳能电池。太阳能电池是可以直接将光转换为电能的装置，且转换过程中不产生任何污染。晶体硅（多晶和单晶）占据主流市场地位，未来10-15年将仍然以晶体硅为主。

一、太阳能电池结构简介

太阳能电池是一种把光能直接转变为电能的半导体器件，是光伏发电系统的核心器件，其发展水平直接决定了光伏发电的发展水平。对太阳能电池材料一般的要求有：

（1）半导体材料的禁带不能太宽。

（2）要有较高的光电转换效率。

（3）材料本身对环境不造成污染。

（4）材料便于工业化生产，且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

晶体硅太阳电池占太阳电池的87.4%，其优异特性已被广泛认同。目前，晶体硅太阳能电池制造工艺多基于P型硅晶片，经由硅片清洗、绒面织构、热扩散制p-n结、等离子增强型化学气相沉积（PECVD）制氮化硅减反射膜、正、背面厚膜浆料丝网印刷及烧结制金属化电极等一系列过程来实现。为了使硅太阳电池产生的电能可以输出，必须在电池上制作正、负两个电极。

近年来，尽管薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池均已取得许多重大技术突破，但也必须看到，大多数这类太阳能电池仍处于实验室研制阶段，其技术水平、效率水平和市场接受程度仍无法与晶硅电池相比。在已实用化的太阳能电池中，晶硅电池一直占据着太阳能电池市场的垄断地位。据EPIA预测：至少到2020年，晶硅光伏组件仍将占据光伏技术的主导地位（到那时其仍将占约50%的市场份额）。因此晶硅电池仍将是未来光伏市场的主流产品。

二、晶体硅太阳电池的种类

晶体硅电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和带状硅电池，成本较高，但工艺和材料技术成熟，且硅材料对环境和人体无害、光电转换效率较高、稳定性高、寿命长，硅基（多晶硅、单晶硅）太阳电池仍是光伏市场的重要产品，占市场的80%以上。单晶硅是集成电路硅片的重要材料，同时也是重要的光伏材料。

单晶硅太阳电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片、半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅以及专门为生产太阳电池制备的单晶硅。多晶硅太阳电池采用低等级的半导体多晶硅或专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。而带状硅电池制备不需要切片，可使材料利用率得到大幅提高，从而降低电池材料成本。带状硅生长的主要方法有条带法、蹼状法、定边喂膜生长法等。带状硅太阳电池转化效率约为15%，略低于单晶硅电池。

三、晶体硅太阳电池的应用及发展

1.在高效率低成本晶体硅电池研发方面中国走在了世界前列。从2009年开始，在全球排名前十的中国光伏制造企业都投入巨资开发高效率低成本的晶体硅太阳电池，取得了丰硕成果，有的已经开始大规模商业化生产。例如英利集团研发的“PANDA（熊猫）”太阳电池技术、尚德电力的“PLUTO（冥王星）”电池技术、天合光能的“HONEYULTRA”电池技术、晶澳太阳能的“PERCIUM（博赛）”电池技术、阿特斯电力的“ELPS”电池技术、海润光伏的ANDES技术、中电光伏公司的WARATAH和QSAR技术等高效率低成本的电池效率都已超过或接近20%，这些技术代表了高效率低成本晶体硅太阳电池的发展方向。

2.晶体硅太阳电池正朝更薄更高效率的方向发展，正向很多常规技术发起挑战。在未来的工业化生产中将需要高度的自动化来降低碎片率，以及良好的钝化和陷光技术来克服晶体硅光吸收系数小、硅片变薄的情况。而随着产业生产设备及产业技术的改进，将有越来越多的实验室技术走出实验室，走向产业化、低成本地实现晶体硅电池效率的改进，这是晶体硅电池的发展方向之一。

3.晶硅原材料的成本约占晶硅电池组件总成本的13%，其高昂的市场价格成为阻碍光伏产业发展的首要因素，因此，在不影响电池效率的前提下，降低晶硅原材料的成本是降低晶硅电池组件成本的关键。多晶硅原材料价格的降低主要依靠多晶硅原材料生产技术的进步来实现。目前生长多晶硅材料的主要方法为冶金法和西门子法。这两种方法中，冶金法比传统的西门子法及改良的西门子法的能耗低很多（约低25%的能耗），且西门子法产生的Cl2、Sicl4等会对环境造成严重污染，所以未来一段时间内冶金法会被更广泛地采用。另一方面，开发低成本、低污染的新型晶硅材料生长技术，将成为这一领域的主要挑战和首要任务。

4.太阳电池的效率与硅材料的电阻率及少子寿命有着极其密切的联系。理想的太阳电池基底应该是低电阻率和高少子寿命。然而在广泛使用的直拉（CZ）单晶硅中，由于存在掺杂元素与杂质元素的相互作用，以及一些杂质元素如铁的空穴捕获截面积远大于电子捕获截面积的情况下，少子寿命直接与掺杂浓度及电阻率相关。此外，在常规工业太阳能电池中起重要作用的铝背场，其效果也与基底电阻率有关。为了降低光致衰减，目前单晶有向高电阻率发展的趋势。

5.提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。

总之，近年来，太阳光伏产业发展迅速，很多国家开始逐渐实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。在众多材料的太阳能电池中，晶体硅电池工艺和材料发展日渐成熟，而且考虑到自然环境和对人体健康的影响，晶体硅太阳电池正向着更加环保的方向迈进，可以预料晶体硅太阳电池今后仍是太阳能电池研究的主流方向。开发太阳能电池的两大关键问题是提高转换效率和降低成本。随着对太阳能发电的深入研究和应用，必将使太阳能发电技术得到进一步发展。

参考文献

[1]王文静.晶体硅太阳电池制造技术[M].社机械工业出版社，2014，5.

[2]中国标准出版社.地面用晶体硅太阳电池总规范作[M].中国标准出版社，2013，5.

[3]席珍强，陈君，杨德仁.太阳能电池发展现状及展望[J].新能源，2000（12）.