半导体材料论文范文第1篇
【摘 要】在现代技术飞速发展的大环境下，电子科学技术在人们生活中所占据的位置越发重要，同时也渗透到各领域，这对于现代化、新兴产业技术发展也起到较好的推动作用。而半导体材料作为电子科技发展的重要基石，对电子工业产业产业发展提供了较好的发展方向，对促进其可持续发展具有积极作用。为此，本文重点对对电子科学技术中半导体材料的发展趋势作如下分析。
【关键词】电子科学技术；半导体材料；发展趋势
1.引言
当前，随着半导体材料加工越来越精细化，在各个领域的应用也更加广泛，如晶体管、电子管、集成电路等，在计算机、通信领域中均得到广泛应用。基于国内经济飞速发展及社会需求的大环境下，国内很多半导体材料也得到了较好的发展。因此，为了进一步了解半导体材料在国内经济发展中起到的重要作用，应深入分析半导体材料在当前电子科学技术中的具体应用情况，以使其得到更好的应用及管理。
2.半导体材料在电子科学技术中的应用情况
2.1光子晶体在电子科学技术中的应用
光子晶体属于一种微结构且能进行人工加工的半导体材料。在微电子技术飞速发展的推动下，光子晶体在很多产品中均得到广泛应用。但很多电子产品当中针对芯片质量、芯片水平、芯片运用安全性等方面，均有较高的要求，再加之电子产品常常会受体积限制，很難在生产技术、生产工艺等方面有较好的突破，对此，不断促进光子晶体在电子科学技术中的有效应用，已成为目前半导体材料的重要发展趋势[1]。
2.2砷化镓单晶材料在电子科学技术中的应用
当前，砷化镓单晶材料在微型电子、电光材料中均得到较好的应用，且应用效果确切，这是因为子砷化镓单晶材料具有耐高温、抗辐射能力非常强等特征，而随着科技不断发展，砷化镓单晶材料在电路中的应用也越来越广。
2.3半导体硅材料在电子科学技术中的应用
半导体硅材料是应用较广的半导体材料之一，在很多领域均得到广泛应用，对促进社会经济可持续发展、社会进步等方面所起到的作用非常明显。例如，国内很多电子产业，尤其是一些规模较大的集成电路，所选用的材料均为半导体硅材料，并在此技术上作进一步研究及应用。
3.半导体材料在电子科学技术中的发展趋势
二十世纪九十年代前，半导体应用材料主要以半导体硅材料为主，而后随着现代化网络信息技术快速发展，对于新型材料的研发越来越深入，部分新型半导体材料慢慢显现出来，将其应用到电子科学技术发展中，可较好的促进经济快速发展及推动社会进步。例如，砷化镓材料属于比较典型的第二代半导体材料， 氮化合物属于比较典型的第三代半导体材料。在时代不断发展及科技进步的大背景下，具有完整性、多功能的半导体材料已成为一个主要发展趋势。例如，一些规模较大的半导体材料很有可能会得到较大的发展空间，且在微电子技术发展方面，具有集成特点的芯片也会慢慢出现，并在微电子产品中得到较好的应用。因此，应从以下方面进一步分析半导体材料的具体发展趋势。
3.1超晶管、一维微结构材料的发展趋势
随着电子产品不断发展及集成电路有效应用，对半导体材料的要求也变得越来越高，对此，在引入国外很多先进晶体提炼技术过程中，应该对所引入的现代化技术做进一步吸收、研发及创新，特别对一些传统的晶体管生产模式进行不断创新，以国内当前的经济发展水平，不断提高超晶管、一维微结构材料的研发及应用质量，尽管国内针对一维微结构半导体材料的研发还处在初期，但应充分明确半导体材料研发意义及研发价值[2]。例如，纳米晶体管技术研发重点是应用一维微结构半导体材料进行。也就是国内需要集中自己的财力、人力、物力资源 全面进行这些新型半导体材料的研发力度，使其对促进国内经济发展，满足人们生活发挥出重要的作用。
3.2新型硅材料的发展趋势
导体硅材料属于一种传统类型的半导体材料，在很多领域均得到较好的应用，且应用价值非常高。鉴于此，针对国内各种新型技术来说，需应用新技术进行半导体新型硅材料研发工作，缩小和发达国家间的差距。例如，加大对半导体研发的投入力度，经理论联系实际方式培养更多优秀研发人才，特别是能操作新型高技术硅材料提取设备的专业人才，不断提升国内电子科学技术质量、水平。
3.3碳化硅材料的发展趋势
由于碳化硅是自身所具有的导热性能相对于其它类型半导体材料来说稳定性是相对来说比较强的，因此，在某些对散热性要求 相对来说比较高的领域中得到了较为广泛的应用，现阶段碳化硅这种半导体材料在太阳能电池、发电传输以及卫星通信等各个领域中得到了比较深入应用[3]。除此之外，碳化硅这种半导体材料在军工行业中所得到的应用也是相对来说比较深入的，在某些国防建设相关工作进行的过程中都使用到的了大量的碳化硅。因为和碳化硅这种材料相关的 产业的数量是相对来说比较少的，当前国内碳化硅行业发展进程向前推进的速度是相对来说比较缓慢的，但是，该阶段国内经济发展进程由前推进的过程中，所重视的向着环境保护型的方向转变，碳化硅材料能够满足这一要求，为此，国内政府有关部门对碳化硅这一种创新型的半导体材料越发的重视了，且随着半导体行业整体发展进程持续向前推进，在未来国内碳化硅行业快速发展过程中，应用效果非常明显。
3.4氧化硅材料的发展趋势
这对目前国内已经研发出来的各种创新型半导体材料，氧化锌属于一种创新型的半导体材料，氧化锌在光学材料、传感器等不同领域当中均得到较好的应用，且具有较高的应用价值[4]。这是因这种创新型半导体材料的反应速度非常快，集成度相、灵敏程度相都非常高，与现阶段国内传感器行业持续发展进程向前推进期间应该遵循的各种微型化宗旨非常适应，由于氧化锌此种创新型的半导体材料的原材料较丰富，应用优势主要表现为：环保性非常强、价格较便宜，因此，氧化锌此种创新型半导体材料在未来半导体材料应用中，发展前景较广。
3.5氮化镓材料的发展趋势
氮化镓材料属于一种发热效果非常低、击穿效应非常强的半导体材料，氮化镓材料于高温大功率器件、高频微波器件中均有较好应用。而且氮化镓材料带隙非常宽，所以它在蓝光LED 中应用优势较显著，且当中LED衬底应用市场前景非常可观。对于此方面的应用，与国外相比较，国内在氮化镓材料产业发展过程，其起步非常晚，但随着应用范围不断扩大，在其他领域的应用也渐渐扩大，如新能源产业、光学探测、军工产业等领域当中，对于该方面的研发、投入力度均明显加大。
4.结语
综上阐述，本文经对电子科学技术发展中半导体材料的具体发展趋势展开上述分析，主要从超晶管、一维微结构材料，氮化镓材料，氧化硅材料，碳化硅材料，新型硅材料，超晶管、一维微结构材料等方面着手，便于国内应用当前的研究成果，积极引入新技术，并在应用、研究方面不断创新，从而提升国内半导体材料研发水平及质量，这对推动国内经济可持续发展、社会进步等方面具有重要参考意义。
参考文献：
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半导体材料论文范文第2篇
一、半导体材料在电子科学技术中的应用
硅、锗作为第一代的半导体材料对人类生产生活有着重要的影响, 第一代半导体的主要材料是硅元素和锗元素, 由于硅元素的储备量大的特点, 硅元素也成为了我国现阶段生产半导体所需要的主要材料, 锗是人们在研发半导体材料过程中最早被发现的元素, 它也在半导体设备应用中得到了的广泛的应用。在我国研发电子科学技术的初级阶段中, 因为锗元素具有活泼性得特点, 所以容易与半导体设备材料中用到的介电材料发生氧化还原反应, 从而生成GEO, 这种物质的产生一定程度上对半导体设备的使用性能产生了影响, 同时就会直接导致人们在使用半导体时出现各种各样的问题, 所以半导体设备在使过程中出现异常的机率就会随之增高, 并且锗元素的产量没有硅元素产生的数量多, 因此在我国电子科学技术发展的刚刚起步的阶段中对于锗元素在半导体材料中的研究和应用力度相对于硅元素来说就比较少。但是在20世纪末的时候, 锗元素被红外光学领域得到了较为广泛的应用, 此后锗元素被多次应用的频率也在不断增高, 最明显的例子就是太阳能这一新型能源的研发项目中使用到了锗被氧化还原后的材料。
二、半导体材料的发展现状
(一) 半导体硅材料
近年来, 不断有新型的半导体被研制出来, 而硅凭借其资源丰富、价格低廉以及性能优良等特点, 也使其在半导体市场中占据了主要的地位, 日常生活中人们生产的绝大部分电子产品中都是以硅为基础材料制作而成的。还有一些超大规模集成电路、大规模集成电路和集成电路也都是通过硅材料或者是硅晶体的衍生材料制作而成的, 由此可见, 硅材料在集成电路的发展中有着推进的作用。早在20世纪末硅材料就被研究和开发成为电子科学技术的主要材料, 并且应用到了各个领域, 其每年的需求量也都呈现急速增长的趋势。依照现在世界各国所消耗的硅材料的数量来看, 硅在未来极有可能成为电子通信领域以及计算机领域中的重要半导体材料。如果在科技发展的过程中没有硅材料的支持, 就不会使电子科技领域在短时间内得到迅速发展。由于半导体硅材料可以分为多种不同的类型, 像多晶体硅、单晶体硅、非晶体硅这些类型, 使得他们在半导体中的应用也能起到不同的用途。
(二) 半导体光子晶体材料
光子晶体是一种在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体, 它的介电常数周期被人为的调到与工波相似的尺度, 与半导体的电子能的间隙相比差距近似为零, 所以光子晶体是不能够传播禁带能量光波的。另外, 由于光子晶体是被人为的调整了它的特性, 所以它的周期性遭到了破坏, 在禁带中随之就会出现受主末和施主, 光子的密度就会受光子晶体的维度影响而产生不同的反应。如今微电子技术的不断发展使人们对电子产品中的芯片要求越来越严格, 但是电子产品的体积越来越小, 同时又受到生产技术的制约而无法实现人们对信息的高品质要求。因此, 发展全新的电子技术成为了新时代带新计划。
(三) 半导体砷化镓单晶材料
砷化镓是一个具有耐高温、抗辐射能力的特征, 主要应用于微型电子和光电子材料等领域中, 广泛应用在一些运行速度快的电路中。近年来, 人们对通信技术使用频率不断增加, 生产使用砷化镓的数量也在不断提高, 由于我国对砷化镓这种单晶材料的研发起步时间较晚, 随着我国一部分电子企业的兴起, 我国也有了更多的机会去开发研制半导体材料。
三、半导体材料的发展趋势
在二十世纪末之前, 由于国家发展起步晚, 所以在科学技术上和电子设备的生产能力相对落后的条件下, 半导体的主要材料就只有硅材料, 硅材料的应用也为电子技术的发展奠定了扎实的基础, 更是成为了第一代半导体制作材料的重要标志;随着国家科技的不断进步, 人们对信息的需求量也越来越多, 因此电子产业就要研发出能够适应社会需求的电子产品, 其中以砷化镓为代表的第二代半导体就被研发出来, 第二代半导体主要解决了人们对社会信息需求量大的问题, 主要应用于微型电子和光电子等领域。近年来, 社会又出现了第三代半导体材料, 其材料主要是以氮的化合物为主, 也在电子市场中占据着其特有的地位。
半导体材料正在以大尺寸、功能多样以及完整性强等方向发展。目前, 第三代半导体主要是一些以氮的氧化物、光电晶体管以及柔性晶体管作为电子产业生产的主要原料。随着电子产品逐渐向微型电子领域过渡, 半导体材料仍旧会成为未来研发科技的基础材料。微电子的主要目的是在一定程度上缩小电子器件的体积, 因此, 在增加芯片的面积来提高对信息的处理频率和速度上, 半导体材料要由传统的单片集成过渡到系统集成方面去发展。
四、发展我国半导体材料的一些思考
(一) 加大对硅材料的开发力度
硅是半导体的主要材料和制作电子产品的主要来源, 虽然世界上存在着丰富的硅资源, 但是根据目前社会发展趋势来看, 人们对电子产品的要求不断增高, 只有不断开发新型半导体才会解决人类对世界各地的需求问题, 但是我国对硅的开发程度较一些发达国家的开发程度相距甚远, 要想使国家科技能够更高一步的发展, 发展源源不断的科技原材料是必要前提, 因此, 为了缩小我国与发达国际间的差距, 国家要积极引进硅晶体提炼设备, 建立更多的硅晶体提炼基地, 培养一批优秀的硅晶体提取的专业人员, 然后才能够更好的发展我国电子科学技术, 进而提高我国的综合国力。
(二) 砷化镓有关化合物发展建议
在砷化镓以及其相关的化合物的晶体提炼方面与其他发达国家相比之下有着很大的差距, 由于我国对晶体加工和提取的工作较为落后, 所以就导致了我国生产砷化镓以及其相关的化合物半导体的能力也较为落后。这就需要国家的有关部门要增加对晶体的提取, 还要促进社会中的各个电子企业有效合作从而促进晶体提取成功的几率。
(三) 发展超晶体材料
超晶体就是光子晶体, 它是发展微电子技术以及光电子技术的目标。大力开展超晶体能够为国家在新时期发展提供力量, 开展和研发超晶体要依靠我国雄厚的经济实力进行进一步探索。国家要引进国外的先新进技术和设备, 不断提高光电子在我国的存储量。同时, 我国也要集中人力、物理和财力加大对光子晶体材料更深一步的开发和研制, 为推动我国经济发展和科技进步提供动力。
五、结束语
现阶段我国经济发展速度稳定, 并且当今我国正处于全国科技发展迅速的时代, 随着人们对半导体设备的要求也越来越高, 所以国家要提高半导体设备中所使用到的半导体材料的开发力度。通过近几年的社会发展来看, 人们对于硅材料的利用已经开发到了极限, 第二代半导体和第三代半导体俨然成为了社会发展的主题, 所以我们更要注重新型半导体材料在电子科学技术中的研发。政府有关部门应当正确认识半导体材料的发展现状和发展趋势, 注重对半导体材料的开发利用, 要鼓励社会人士积极投入到电子科学技术的事业中。
摘要：随着我国信息技术的高速发展和电子科学技术的不断进步, 各行各业使用电子科学技术的频率也在不断提高。其中半导体的使用在电子科学技术中起到了非常大的作用, 它的出现使我国电子工业在信息时代在世界科学技术不断发展的背景下上升了一个新的台阶, 也使电子科学技术事业在推进信息时代的发展中起到了决定性作用。从第一代的半导体材料硅元素、锗元素等到现在使用的第三代半导体材料氧化硅、氧化锌等, 可以看出现阶段我国电子科学技术研发的半导体材料正在向着低尺寸、禁带宽度更宽以及高集成度的方向快速发展。其中半导体材料在应用通讯、纳米制造以及电子等领域中的应用也给人类在生产生活中带来了极大的便利, 同时还对促进社会进步有着积极地作用。
关键词：电子科学技术,半导体材料,发展,趋势
参考文献
[1] 王欣.电子科学技术中的半导体材料发展趋势[J].通讯世界, 2016 (8) :237.
[2] 霍翔.探讨电子科学技术中的半导体材料发展趋势[J].科技创新与应用, 2016 (30) :33.
[3] 谭永麟.对电子科学技术中的半导体材料发展趋势浅析[J].大陆桥视野, 2017 (22) :45.
半导体材料论文范文第3篇
摘要：5G是引领未来科技发展的基础通信技术，更是经济和社会发展的基础保障。5G芯片技术及其行业发展将会是这场科技浪潮的重点。在5G和人工智能（AI）等技术促进设备连接数量和规模爆发式增长的同时，人工智能物联网（AIoT）、新型终端、新能源/无人驾驶汽车等新兴领域都对芯片技术提出了新的要求。 在传统摩尔定律下，尺寸微缩逼近物理与经济极限，新型器件、先进封装、第3代半导体等新技术和新材料将引领半导体产业走向新的产业格局。
关键词：5G；芯片；创新机遇
1 5G促进半导体产业升级
2020年4月，在中国国家发展和改革委员会的新闻发布会上，“新基建”的范围首次被明确。作为新基建七大领域之首，5G在拉动投资、促进产业升级、培育经济发展新动能等方面潜力巨大，未来将为新基建提供强大的智能引擎。
目前，5G正进入加速发展期。全球移动通信系统协会（GSMA）的最新报告显示，全球已有47个国家发布106张5G商用网络，有409家全球运营商投资5G网络。中国的5G网络建设位于全球前列。截至目前，中国累计建设的5G基站数量超过71.8万个，占全球基站总数的70%。权威机构预测，2025年中国将会有8.07亿个智能终端和80亿个物联网（IoT）连接，通信网络产业将迎来新一轮发展契机。
GSMA最新发布的《2021年全球移动经济报告》显示，到2025年底，5G连接数量将达到18亿个，约占移动连接总数的20%。
通信产业每10年发展一代。相比于2G、3G和4G，5G拥有三大业务应用场景，并且业务需求已发生重大变化[1]。5G将深入各行各业，进一步解决物与物的联接问题，促进产业的数字化转型。新需求带来端到端技术的变革，通信芯片将面临新的挑战。
（1）数据规模急剧增长
5G催生海量數据，需要提升计算力，释放数据价值。5G海量物联网的感知层、连接速率的提升和时延的降低，都将极大地驱动数据量增长。因此，通信芯片除了要具备通信功能外，还需要拥有强大的计算能力，以满足云网融合下网络架构深刻变革的需求。在“多系统、多场景、多业务”的云网业务需求和技术创新并行驱动下，云和网高度协同，互相支撑。在此背景下，云计算向着集中化和边缘计算两个方向发展，中心云向着通用化、更强的计算能力和人工智能（AI）训练能力方向发展，边缘云则向着领域定制、更高的能效和AI推理能力方向发展。网络能力架构需要以计算和联接为核心，这对通信芯片提出更高的智能化计算需求[2]。
（2）芯片设计复杂度不断增加
以基带芯片为例，5G通过复杂的编码来实现频谱利用率的提升。多通道、高频率和大带宽共同推动数据吞吐量的增加。基带芯片需要应对5G多样化的应用场景，兼顾低功耗诉求。这些都使得芯片设计变得非常复杂。
（3）上游芯片供应链面临挑战
受益于5G网络，射频前端模拟器件、面向边缘计算的高性能处理器和光器件都具有广阔的发展前景。然而，目前上游芯片供应链多样化的供应能力有待加强。部分中国厂家虽然已经具备一定的研发和生产能力，但是在产业规模商用和性能提升方面仍需要做进一步努力。
2 半导体技术创新发展趋势
由于摩尔定律效应正在放缓，为了延续指数级的进化，业界和学界都做出大量尝试。具体来看，架构设计更注重系统层面优化和单位面积效能提升。系统厂家注重垂直整合，并通过系统集成芯片来获取发展新动能，例如片上系统（SoC）和系统级封装（SIP）。晶体管微缩在未来5年内仍将持续。新材料、新封装技术的发展，为摩尔定律的延续开辟了另一条道路。
晶体管微缩接近极限，驱动业界寻找其他路径。目前，最先进的5 nm工艺制程已经实现规模量产。为持续发展先进制程并给产业发展增添信心，在进入3 nm工艺制程后，全新的全环绕栅极（GAA）晶体管将替代鳍式场效应晶体管（FinFET），以解决制造难题，推动晶体管持续微缩。同时，设计工艺协同优化（DTCO）、系统工艺协同优化（STCO）等协同技术的引入，使得摩尔定律效应在未来5年仍得以延续。
然而，有数据显示，先进工艺达到28 nm以后，将进入一个新的拐点：设计费用和单位芯片成本不降反升。一个5 nm工艺SoC芯片的设计费用，是16 nm工艺SoC芯片设计费用的5倍。高昂的设计费用和低良率问题，驱动着行业寻找其他路径。
高级封装技术将成为性能和成本持续优化的另一创新路径。灵活性和性价比也是芯片设计的重要考量因素，因此Chiplet方案获得广泛关注。Chiplet是将一块大的单芯片拆分为多个小芯片，再通过高级封装进行重组。它的优势是灵活性高、综合成本低。不同功能的Die可以选择不同的制造工艺。这种方案的Die良率更高，并且可以通过Die组合来满足不同市场需求。结合Chiplet方案，2.5D/3D高级封装技术的快速发展，将为芯片设计打开一扇新大门。
SoC架构的创新对芯片性能的提升起到关键作用。在架构设计时，设计师们需要在灵活性（可编程）和高效性（专用）之间做权衡。在多个异构处理单元组成的SoC中，领域定制SoC（DSSoC）方法有助于提升系统的开发和运行效率。DSSoC架构设计的五大技术目标包括：（1）感知计算资源和应用程序指令，跟踪芯片间和芯片内数据的智能调度；（2）采用完整、统一的工具链，提升编程效率；（3）完成应用到计算单元、内存的最优映射；（4）在计算单元之间构建低功耗、低延时的通信网络；（5）快速集成异构的计算单元。
3 企业应对策略
创新是根本，并推动产业结构优化升级。受益于5G行业市场的迅速发展，如物联网和工业智能制造等，芯片的重要性日益凸显，相关领域对芯片的需求实现突破性增长。芯片技术是5G技术的核心。对此，中兴通讯坚持以产品为中心，聚焦核心技术创新，提升产业基础集成电路（IC）能力；聚焦产品应用，借助中国通信产业市场地位发挥高水平系统技术能力；以龙头企业在系统架构上进行创新驅动，构建开放式协同创新模式，联动上下游多路径发展。中兴通讯一方面积极参与国际科技合作，采用业界先进技术持续提升竞争力；另一方面把握半导体技术由先进工艺转向先进封装/架构的技术转折点，在成熟工艺上通过系统厂家的架构设计创新，构建产业发展新生态。
参考文献
[1] 严斌峰， 袁晓静， 胡博. 5G技术发展与行业应用探讨 [J]. 中兴通讯技术， 2019， 25（6）： 34-41. DOI： 10.12142/ZTETJ.201906006
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作者简介
刘新阳，深圳市中兴微电子技术有限公司副总经理、中国通信学会通信专用集成电路委员会副主任委员、中国半导体行业协会集成电路设计分会理事会理事、集成电路产业技术创新战略联盟理事会理事，曾任中兴通讯股份有限公司硬件研究所副所长、微电子研究院副院长、手机终端整体解决方案产品线产品总经理；主要从事战略和技术规划、公共事务工作；拥有20余年通信集成电路设计经验，曾主持多个重大产品的研发项目，并完成产品的商用和批量交付。
半导体材料论文范文第4篇
摘 要：塑料封装是功率半导体器件主要的封装形式，但塑料封装的非气密性会带来潜在的可靠性问题，封装分层就是其中最常见的一种失效模式。封装分层一般是在水汽和热应力的协同作用下发生的，工作温度很高的功率器件极易发生分层。封装分层会导致键合引线脱落、芯片表面金属层或钝化层损伤、爆米花效应、金属的腐蚀，使塑封器件的性能极大降低甚至失效。功率器件的广泛应用对封装可靠性提出了更高的要求。本文主要对塑封功率器件分层进行解释，研究封装分层的具体机制，并提出工艺改进方案。
关键词：半导体功率电子器件；塑料封装；分层；粘接强度
Discussion on Delamination and Reliability Analysis of
Plastic-sealed Power Devices
YANG Jun
（China Zhenhua Group Yongguang Electronics Co.，Ltd.（State-owned 873），Guiyang
Guizhou 550018）
塑封器件受封裝材料和本身特性的限制，采用环氧树脂塑封料进行封装。塑封器件是非气密性封装，在封装方面就存在一些缺点，最主要的缺点就是对潮气比较敏感。湿气的侵入，会使电子封装中产生一些可靠性问题，特别是分层现象。对处于较高温度工作的塑封半导体功率电子器件来说，分层现象会更加严重。相较于塑封器件，在使用或是在可靠性试验时，分层相对于常温贮存的普通塑封器件更容易产生，且在较高的温度下，扩展和蔓延在分层现象中更容易形成，进而造成器件失效。
因此，面对湿和热时，塑封半导体功率电子器件会愈加敏感，受湿气影响，分层会给器件可靠性带来更大危害。界面分层的形成相对于塑封料与其他材料间的成因有多种，如受污染的注件表面，不良注塑工艺条件的存在，因失配的热膨胀系数而引起的剪切应力，水汽侵入及热应力形成的爆米花效应等[1]。
1 塑料器件失效模式及原因分析
1.1 塑料器件失效模式
从失效模式来说，早期失效和使用期失效是主要模式。
1.1.1 塑封早期失效。早期失效多是由封装工艺的不完善造成的，主要发生在芯片焊接、引线键合和模塑料注塑等封装工艺过程中，主要表现形式有以下4方面。①芯片上的焊接或粘接缺陷，如烧焊空洞、芯片位置偏移、同心度差、溢出焊盘的焊料导致短路、不牢固的焊接芯片和较弱的剪切强度等。②引线键合上的缺陷，如键合点的脱落、偏移、弹坑；线尾过长引、线间短路、引线形状异常等。③塑封料因流动性问题而形成的注塑缺陷，如冲丝导致的金线间短路或金丝断裂；塑封料层空洞、气孔或填充不完全；基板移动等。④热胀冷缩的收缩应力在塑封料固化中形成的封装缺陷，如损伤或断裂的引线、焊球或焊点；受损伤的芯片钝化层或表面金属化；焊接或粘接界面分层等。
1.1.2 塑封器件使用期失效。使用期失效是发生在器件服役过程中的失效。使用期失效机制可以分为因材料热膨胀系数差异所导致的热应力破坏与湿气渗透所导致的破坏2大类。
国外产品工作结温大多都能达到150℃，甚至更高，而在国内，产品工作结温只能勉强达到150℃，且受湿热的影响，产品可靠性极易出现较大的退化。使用期失效的主要表现形式有以下两种[2]。
1.1.2.1 热应力破坏。在温度循环及高温下，因热膨胀系数在塑封料、芯片和引线框架材料间存有一定差异，封装后，应力集中生成在器件体内局部。当热应力水平超过塑封材料的机械或断裂强度时，极易造成器件失效。一般情况下，环氧树脂玻璃的转变温度（Tg）较低，多在150℃以下。处于此温度范围，环氧树脂材料的热膨胀系数接近或超过环氧树脂的Tg，器件在较强的热应力作用下极易失效。最常见的失效现象即塑封分层，塑封料、芯片和引线框架的粘接面受热应力影响而造成剥离或分离的产生，这会导致水汽渗透加剧，甚至会使芯片表面金属化层或钝化层的损坏；在某些因散热不当芯片表面局部高温甚至会使塑封料碳化，造成金属条间短路；长期处在工作状态中的器件，尤其是高低温反复循环应力状态下，还可能会发生焊料的疲劳失效等。
1.1.2.2 湿气破坏。湿气可以通过粘接界面或环氧树脂本身渗透进入封装体内部。这里所说的“湿气”可能以单一的蒸汽状态存在，也可能以气、液混合状态存在。在实际工作中，“受潮”是诸多类型失效的根源所在。若湿气带有较多离子，就很容易造成芯片表面或引线框架被腐蚀，从而导致器件电性能的退化。附着有腐蚀效应的离子会促进粘接或焊接面上环氧树脂的加速离解，进而让湿气更容易渗透到塑料封装体的内部。此外，处于回流焊过程中的塑封器件，附着在封装外壳中的水分会快速汽化，造成塑封料膨胀，导致分层剥离和开裂现象，俗称“爆米花”现象[3]。
1.2 原因分析
从材料及工艺手段来说，塑料器件失效的原因主要包括以下5方面。
①材料易吸潮。塑封材料吸潮后会影响参数性能及可靠性，且器件封装前的潮气也会影响产品可靠性，因此，温度类筛选及试验考核是非常必要的。
②材料匹配问题。塑料封装的热膨胀系数过大，封装以后及后续产生内应力会导致发生分层。推荐机械应力筛选、热性能筛选及考核。
③塑封料的粘接性差。由于塑封料的粘接性差，导致粘接强度变差，后续工作易分层。推荐机械应力筛选、热性能筛选及考核。
④预处理不到位。引线框架和芯片未经彻底清洗，易有大量残留物质，这会降低粘接强度，导致分层。
⑤塑料固化时间短。塑封厂家缩短塑料的固化时间，导致粘接强度差，在进行后续工作时，芯片容易分层。
2 代表塑封半导体功率电子器件封装结构对分层的影响
以TO-252封装产品为例，主要的结构材料为芯片、环氧塑封料、引线框架和键合丝等。在封装过程中，产品分层多存在于不同界面的交接位置。在单一材质表面，其分层概率较低，产品封装质量一致性较高；环氧塑封料与铜基板、芯片表面的粘接均存在一个过渡层（边界层），该层内的塑封料与其他部位的塑封料相比性质发生了变化，而粘接过渡层往往是粘接界面的薄弱部位，分层裂纹容易在其中萌生及扩展。图1为封装时出现的产品分层（阴影区域SAM测试产品内部界面分层）。
应力集中和粘接缺陷处是分层裂纹产生的主要位置。正常工艺状况下的无分层样品粘接面上（Cu-EMC）已经存在微裂纹，这是分层裂纹扩展的“源”。当存在分层裂纹扩展的“源”的产品处于湿热应力作用下时，其分层面积扩展速度高于无分层裂纹扩展的“源”的产品，试验图见图2和图3。
对产品内部结构中主要的不同界面之间（框架与环氧塑封料和芯片与环氧塑封料）的粘接强度进行分析。在施加一个较强热应力后，对产品内部分层情况进行分析，试验结果见图4。芯片表面铝层与环氧塑封料的粘接效果非常好，远高于环氧塑封料与铜基板之间的粘接强度。提升铜框架与环氧塑封料之间的粘接强度，是提升产品可靠性的有效途径[4]。
3 铜框架特性
由于功率器件封装具有大电流、高功率的特点，功率器件的封装对引线框架材料提出了更高的要求。在实际生产中，采用中强高导型的Cu-Fe-P合金，该系列合金抗拉强度为362～568MPa，电导率在55%～65%CAS，其主要特性优势包括高导电性、高导热性、良好的热匹配、良好的耐热性和抗氧化性。
4 封装工艺改进研究
通常使用粘接强度作为评价胶黏剂性能的指标。对于EMC与铜合金的胶接接头，粘接强度一般采用EMC在铜合金上的剪切强度来表征。粘接的强度取决于许多因素，如胶黏剂的选择、被粘接材料表面处理方法、粘接操作工艺和固化工艺等。主要影响因素包括以下几方面。
4.1 表面浸润性与粗糙度
当胶黏剂良好地浸润被粘材料表面时，表面的粗糙化有利于提高胶黏剂液体对表面的浸润程度，增加胶黏剂与被粘材料的接触点密度，从而有利于提高粘接强度。
4.2 表面处理或改性
粘接前的表面处理或改性是粘接成功的关键，其目的是获得高粘接强度及提高粘接面的抗介质腐蚀能力。在实际应用中，对被粘物表面进行表面处理或改性是普遍采用的措施。等离子清洗技术是现在最优秀、最有效的表面处理和改性技术，能对铜合金表面进行适当的氧化处理，提高表面的微观粗糙度，降低表面的接触角，增进EMC与铜合金表面的共价键键合，对于粘接是有利的。
4.3 压力的施加
在粘接时，向粘接面施以压力，使胶黏剂更容易充满被粘体表面上的坑洞，甚至流入深孔和毛细管中，减少粘接缺陷。对于黏度较小的胶黏剂，加压时会过度地流淌，造成缺胶。因此，应在黏度较大时再施加压力，也促使被粘体表面上的气体逸出，减少粘接区的气孔。对于较稠的或固体的胶黏剂，在粘接时施加压力是必不可少的手段。在这种情况下，常常需要适当地升高温度，以降低胶黏剂的稠度或使胶黏剂液化。为了获得较高的粘接强度，对不同的胶黏剂应考虑施以不同的压力。一般对固体或高黏度的胶黏剂施加较高的压力，而对低黏度的胶黏剂施加较低的压力。
4.4 内应力
内应力是影响塑封粘接强度和耐久性的重要因素。在塑料固化阶段中，粘接剂因收缩的塑封体积，而造成了收缩应力。使得其中的树脂在固化过程中普遍伴随着体积的收缩。聚合反应中的体积收缩率分布在一个较大的范围内，缩聚反应和加聚反应的体积收缩率比较大，开环聚合时的体积收缩较小，体积收缩率比较低，发生在环氧树脂固化过程中，这是其在电子封装中被广泛应用的原因之一。降低固化过程中的体积收缩率对热固性树脂的应用有十分重要的意义。降低收缩率通常可以采取下列办法：①降低反应体系中官能团的浓度；②加入高分子聚合物来增韧；③加入无机填料。
5 结论
本文对TO-252封装形式的功率器件的分层现象进行了失效分析，比较了铜基板表面分层与芯片表面分层的异同，分析分层发生位置及扩展机制。从表面粗糙度、浸润性、热匹配性和抗氧化性等多个角度分析铜材框架性能，并从粘接理论的角度进行了相关解释，提出了工艺改进方向。主要结论如下。
①EMC与铜基板、芯片表面的粘接均存在一个边界层，弱边界层的产生对粘接强度有较大的削弱作用。
②分层裂纹主要发生在应力集中及粘接缺陷处，在湿热应力作用下发生扩展。
③铜材合金框架在功率器件上使用存在性能优势。
④对封装工艺进行分析，指出封装质量可靠性提升方向。
鉴于塑料封装形式多样化，除了类似TO-252的小封装外，TO-220、TO-247和SOT-227B等大封裝，甚至是模块化的塑料封装形式也越来越多，如何改善塑封器件的结构弱点，也将成为今后研究的重点。
参考文献：
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[3]李新，周毅，孙承松.塑封微电子器件失效机理研究进展[J].半导体技术，2008（2）：98-101.
[4]李晓云，张之圣，曹俊峰.环氧树脂在电子封装中的应用及发展方向[J].电子元件与材料，2003（2）：36-37.
半导体材料论文范文第5篇
射频性能优异的化合物半导体
化合物半导体射频性能优异。硅单晶材料是制作普通集成电路芯片的主要原料，但受限于材料特性，很难适用于高频/高压/大电流芯片应用。化合物半导体材料因其优良的器件特性广泛适用于射频器件。常见的化合物半导体包括三五族化合物半导体和四族化合物半导体。其中，砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)作为其中应用领域最广、产业化程度最高的三五族化合物材料，具有优良的射频性能，天然具备禁带宽度宽、截止频率高、功率密度大等特点，作为射频功率器件的基础材料分别主宰主流民用和军用/高性能射频集成电路市场。
工艺独特，产业链自成体系
化合物半导体工艺独特，需要专门的制造产线。普通硅工艺集成电路和砷化镓/氮化镓等化合物集成电路芯片生产流程大致类似：先将衬底材料纯化、拉晶、切片后在某种衬底上形成外延层，由代工厂按照设计公司的设计进行一系列工艺步骤进行电路制造，制成的芯片交由相关厂商进行封装与测试，最终完成芯片制造。然而由于材料特性、外延方式和制作环境要求和普通硅CMOS工艺截然不同，化合物集成电路需要使用专门的生产工艺流程与产线设备，进而催生出专门针对化合物半导体集成电路生产的工厂(Fab)。
化合物半导体射频器件产业存在整合元件制造商(IDM)和(无晶圆设计公司+晶圆代工厂)两种商业模式。传统的国际设计厂商都采用IDM形式，各自配备私有产线，从设计到晶圆生产成品都自己完成。该模式的优点为有利于技术保密、产线工艺参数控制及设计精确度提升，缺点是重固定资产配置的产线容易闲置浪费，且规模扩张受限。新兴化合物集成电路设计公司往往采用无晶圆设计(Fabless Design House)模式，即设计公司本身不配备芯片制造产线，而将晶圆代工和封装测试都交由下游专业代工厂(Fab)配合进行。
射频核芯：GaAs占据主流，GaN利润战略双高地 PA：独立于主芯片的射频器件
射频功率放大器(Power Amplifier, 简称PA)是化合物半导体应用的主要器件，也是无线通信设备射频前端最核心的组成部分。射频前端(RF Front End)是用以实现射频信号发射与接收功能的芯片组，与基带芯片协同工作，共同实现无线通讯功能。射频前端包括功率放大器(Power Amplifier)、开关(Switch)、滤波器(Filter)、双工器(Duplexer)、低噪声放大器(Low Noise Amplifier)等功能构件，其中核心器件是决定发射信号能力的射频功率放大器芯片。PA芯片的性能直接决定了手机等无线终端的通讯距离、信号质量和待机时间，是整个通讯系统芯片组中除基带主芯片之外最重要的组成部分。
射频前端功能组件围绕PA芯片设计、集成和演化，形成独立于主芯片的前端芯片组。随着无线通讯协议的复杂化及射频前端芯片设计的不断演进，PA设计厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中，视系统需求形成多种功能组合。目前PA芯片除实现发射信号功率放大功能外，往往会集成开关器或双工器，进而演化出TxM(PA+Switch)、PAiD(PA+ Duplexer)、PAM(多PA模组)等多种复合功能的PA芯片类型。
砷化镓占据PA主流，氮化镓战略利润双高地
化合物PA芯片是射频前端市场的主流产品。PA主要有化合物工艺的砷化镓/氮化镓PA和硅工艺的CMOS PA。砷化镓 PA芯片相对于硅工艺CMOS芯片具备高频高效率等特点，目前广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，其射频性能虽略逊于氮化镓射频器件，但成本和良率方面存在相对优势，完全可以满足民用需求;GaN PA具有最高的功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度低于砷化镓芯片，目前主要用于远距离信号传送或高功率级别(例如雷达、基站收发台、卫星通信、电子战等)射频细分市场和军用电子领域。CMOS PA采用普通硅基集成电路工艺制造，由于与主流半导体(硅)制造工艺兼容，易于集成射频控制逻辑单元，近年来在2G手机和低端Wifi等消费电子领域出现爆发性增长，但始终受限于材料性能，只能应用于对线性度、频率和效率等方面要求较低的低端应用，无法满足复杂通讯系统的性能要求。随着无线网络频率范围不断向高频扩展及无线通讯系统频带分布的复杂化，化合物半导体射频芯片的优势地位未来仍将维持。
砷化镓PA占据市场主流，CMOS PA低端市场占比扩大。因性能远超硅基CMOS PA器件，产品良率和制造成本优于氮化镓PA器件，砷化镓PA目前在消费电子市场占据统治地位。根据IBS数据，2015年，全球PA市场规模为84.5亿美元，其中CMOS PA产值3.77亿美元，市场占比仅4.67%;化合物PA产值80.76亿美元，占比高达95.33%，其中绝大多数为应用于消费品电子射频前端的砷化镓PA。
氮化镓PA占据利润高地，且战略位置显著。Cree公司相关年报显示，其氮化镓相关的射频与功率器件部门2013/2014/2015年产值分别为0.89亿/1.08亿/1.24亿美元，毛利率分别为54%/56.5%/54.7%，受益于高端应用，维持较高毛利水平。氮化镓射频器件经过近十年的科技攻关已在2010年实现高可靠量产，产品性能在宽带、效率、高频等三个方面全面超越GaAs器件，主要用于军事雷达、电子战、民用基站等高端高性能应用场景，战略位置显著。此外，长期困扰GaN功率器件实用化技术推广的瓶颈如可靠性和稳定性问题随着材料、工艺和器件结构等水平的提高已大幅提升。以HRL公司生产的E-W波段GaN器件为例，其输出功率是其他材料器件的5倍，且性能仍有广阔的提升空间。处于军事目的考虑，国外高性能的氮化镓射频PA均实行对华禁运。因此完善和发展自主氮化镓射频半导体产业，对增强国防安全和促进高性能射频器件研制具有重要的意义。
通讯升级驱动市场稳健增长
核心驱动力：3G/4G/5G终端市场持续稳定增长
预计全球2018年移动终端出货总量为26.5亿部。据IDC数据，手持终端市场从2000年至2015年保持12%的复合增长率，2015年全球手持终端出货量为21.8亿部。据电子行业研究机构Navian 2015年统计，预计2018年全球手持终端出货量26.5亿部。手持终端出总量保持平稳增长将拉动对砷化镓PA芯片的需求，从而推动化合物半导体产业的持续稳定发展。
4G终端市场占比扩大，载波聚合(CA)技术维持砷化镓PA优势地位。2012年2G/3G/4G移动通讯手持终端出货量占比分别约为44.7%、48.5%、6.8%;2014年分别为17.1%、51.7%、31.2%;2018年预计为6.2%、19.1%和74.7%。4G手持终端出货量和市场占比逐年增加，由2011年2100万台迅速增长至2015年的9.67亿台，预计2018年可达19.8亿台，2001年至2018年复合增速高达91.45%。LTE-A标准使用的载波聚合技术对PA线性度和能效的高标准要求将进一步强化砷化镓射频PA芯片在该领域的绝对市场份额。
多模多频终端单机所需的PA芯片增至5-7颗，Strategy Analytics 预测5G单机需16颗PA。手持终端单机所需PA个数取决于通讯标准的调制方式和频带数目，考虑到无线通讯设备对通讯制式的向下兼容，对单机射频前端数目更多且性能要求更高。一方面，3G/4G所需频带数目较2G系统大幅增加，尤其是4G频段众多，而单个终端内PA数目与需要支持的频段数目正向相关，不相邻频段间难以实现PA复用;另一方面，3G/4G的通讯信号调制方式与2G不同，对PA的特性要求不同(3G/4G要求使用线性PA)，基于性能考虑很难通用。加之各国各运营商频段和制式(FDD/TDD)分配情况复杂，单个手持终端为满足用户多模多频的实际应用需求，需要集成的PA个数和实现复杂度都随之提升，进而导致单机PA成本提升。统计结果显示，2G时代手机单机PA芯片成本仅0.3美元/部，3G手机则提升至约1.25美元/部，而4G时代则增至2美元～3.25美元/部，高端手机成本甚至更高，仅iPhone6射频部分就使用了6颗PA芯片。据Strategy Analytics，5G手机天线可能与信号收发器集成，需多颗PA组成发射通道，未来单机所需PA或达16颗。
移动通讯升级成为化合物射频半导体持续增长的主要动力。移动终端射频前端作为化合物集成电路的主要应用市场，其增长速度大于终端产品出货量增速，主要受益于3G/4G单机PA复杂度的上升和成本的增加。根据终端出货情况和对应射频前端成本，我们测算2014年全球手持终端市场PA芯片(部分含Switch)总产值约40.38亿美元，预计2018年，总产值将增长至86.57亿美元。
未来5G技术的发展将进一步拓展化合物PA芯片的市场空间。5G标准预计采用的高载频(6G～80GHz)，高数据吞吐率和宽频多天线系统，对PA性能指标和数目也提出更高的要求。Qorvo预测，8GHz以下砷化镓仍是主流，8GHz以上氮化镓替代趋势明显。砷化镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持宽带宽等特点，5G时代将被广泛应用于基站等基础设施，而氮化镓有望在更广阔的移动终端市场成为主力。目前CMOS工艺射频器件尚不能满足3G/4G通讯性能的需求。可以预计在未来载波频率更高、频段更多、频宽更宽的5G时代，氮化镓化合物PA芯片仍将占据主流，将进一步强化和拓展化合物半导体产业的市场空间。同时，PA应用数量将大幅提升，Strategy Analytics称5G时代单机所需PA或达16颗。
辅助驱动 ：物联网高性能互连需求和军工
无线网关领域对高数据率远距离传输的性能需求，将加速推动WiFi领域对化合物射频功放芯片的需求。目前无线局域网网关WiFi领域采用的802.11b/g/n标准对射频性能要求不高，功率发射单元多被集成到WIFI基带芯片中，只有中高端方案采用单独PA芯片供WIFI使用。从2016年开始，在无线局域网网关和物联网WiFi领域，支持双频(2GHz&5GHz)，MIMO(多进多出天线)和高发射功率性能需求的802.11ac标准的设备市占率将大幅增加。根据InfoneticsResearch预测结果，2018年802.11ac标准WiFi市场占比将超过80%。预计在手机WiFi模块应用上也将出现同样的趋势。支持802.11ac协议的旗舰手机目前已逐步增加，业界标杆企业苹果在iphone6/6plus中已配置支持该协议的WiFi模组。物联网对数据传输速率和多频运行环境支持将进一步拉动性能优势明显的GaAsPA增量快速发展。
军工领域对于高端通讯产品的需求也将促进化合物半导体射频芯片市场更快增长。未来雷达和电子战系统需要大功率的无线信号发射系统，器件的可靠性要求也更为严苛，其功放芯片通常采用GaN或GaAs制造。根据Strategy Analytics的预测，2018年军用GaAs器件市场规模将达到5亿美元，年复合增长率达13%，其中最大的应用领域为雷达，约占60%。军用领域的增长驱动以及军用产品国产化的迫切需求将给化合物半导体带来更大的市场空间。
化合物射频集成电路：百亿美金市场空间
砷化镓占据射频PA市场绝对市场份额，2020年可达百亿美元规模。2014年，全球PA市场规模为73.9亿美元，由于砷化镓PA由于相对Si基CMOS PA性能优势明显，砷化镓 PA产值占据绝对市场份额，合计71.49亿美元，市场占比高达94%。同时，受益于移动终端升级、物联网产业的持续发展，PA市场总量预计2020年将增至114.16亿美元，2014至2020年复合增长率为7.51%。
氮化镓射频器件市场预计2020年可达6.2亿美元。Yole Development数据显示，2010年全球氮化镓射频器件市场总体规模仅为6300万美元，2015年2.98亿美元，2020年预计约6.2亿美元。2015年至2022年复合增长率为13%。总体市场规模相对于砷化镓射频芯片小很多，但考虑到氮化镓PA器件在军事安全领域和高性能民用基站、高频功率转换器件等领域的诸多应用，其战略位置和发展前景不言而喻。
寡头格局，代工崛起 IDM主导寡头竞争格局
全球化合物射频芯片设计业呈现IDM三寡头格局。由于GaAs/GaN化合物集成电路工艺的独特性及射频电路设计高技术壁垒，化合物半导体市场总体呈现寡头竞争格局，且以IDM公司为主。2014年PA市场传统砷化镓IDM厂商Skyworks、Qorvo、Avago三寡头市场份额分别为37%、25%、24%。设计第四大厂Murata于 2012年3月收购Renesas旗下相关事业部，进军砷化镓PA市场，完成对射频行业全备产品线布局，2014年占据市场份额9%。以RDA为代表的国内Fabless设计厂商因目前主要产品集中于单颗售价低于0.3美元的2G PA领域，2014年合计市场份额小于5%。
优秀设计公司涌现，产业持续整合
产业链呈现多模式整合态势。一方面，随着行业发展和技术演进，传统的砷化镓/氮化镓化合物射频IDM厂商为保持自身技术优势，选择强强联手或持续整合新兴的Fabless设计公司;另一方面，高通、联发科等基带芯片平台为增强平台自身的竞争力，选择参股或并购相应的射频化合物集成电路设计厂商。近年来PA行业并购不断：国际方面，RFMD收购TriQuint，PA龙头强强联手;Skyworks收购AXIOM和SiGe、RFMD收购Amalfi、Avago收购Javelin，传统GaAs PA大厂推进GaAs、CMOS、SiGe等工艺多元化战略;联发科收购络达科技(Airoha)31.55%股权、Qualcomm并购Black Sand，基带厂商涉足PA领域提平台案竞争力。国内方面，2014年7月紫光集团完成对锐迪科收购;2015年5月北京建广资产管理(JAC Capital)收购NXP功率放大器(RF Power)事业部门，在国家意志驱动及并购基金引导下，中国赴海外私有化PA厂商大幕开启。
预期未来行业整合仍将持续。主要集中在以下领域：(1)随着独立PA设计厂商生存空间缩小，占据资金和产业优势的基带芯片公司有望并购PA厂商，以补全平台设计链;(2)占主导地位的砷化镓/氮化镓 PA Fabless或IDM厂商并购采用CMOS工艺的Fabless设计等新技术厂商，以增强自身技术覆盖范围和保持持续竞争力;(3)考虑到高性能氮化镓半导体产业应用领域敏感性，出于军事安全/技术保密/产品性能深度优化的考虑，不排除设计公司通过收购方式建立化合物芯片产线，或代工厂反向收购设计公司打造垂直产业链的并购可能;(4)大陆扶持集成电路行业意志坚决，海外并购优秀的砷化镓厂商将持续加速;(5)国内消费电子产业链上下游公司出于拓展业务目的收购优质化合物半导体设计公司，如长盈精密收购苏州宜确股权布局物联网，未来利用自身的产业链优势向客户推广其射频功放产品。
化合物晶圆代工模式加速成长
砷化镓芯片产能滞后，增长需求强烈。据统计2015年全球PA行业总产值为84.5亿美元，砷化镓代工市场总产值为6.5亿美元，占比仅7.7%。2014年二季度由于中低端智能手机的增量爆发和4G市场占比的迅速拉升，大陆手机市场砷化镓PA产能供给严重不足，市场缺口一度高达20%以上。以Skyworks为代表的国外IDM大厂PA缺货严重，甚至迫使联发科等平台芯片厂商修改平台设计方案应对。
设计公司“去晶圆化”，IDM产能外包成未来必然趋势。与硅基集成电路发展趋势类似，化合物半导体公司也将逐步由垂直一体的IDM模式向“无晶圆Fabless设计+专业晶圆代工”模式发展。一方面，新成立的设计公司一般不购置重资产的芯片生产产线，采用Fabless的纯设计公司方式有助于保持公司的灵活性;另一方面，考虑到晶圆代工产业已然成规模及受到新兴Fabless设计公司挤压，IDM公司对自有产线扩展投资更为保守，因其自有产能必须要保证充分利用产线才不至于闲置。相比之下晶圆代工厂则可以通过掌握Fabless及IDM外发订单维持产能利用率。传统的IDM大厂越来越倾向于不再采用扩大自身产能，转而采用外包给专业的晶圆代工公司进行芯片生产，进而又推动晶圆代工模式的成长。
代工市场产值2018年预计增至百亿人民币规模。随着Fabless设计公司的涌现和IDM外包业务的发展，化合物集成电路代工业务将持续稳步增长。2015年全球砷化镓代工市场总量为6.5亿美元，其中龙头台湾稳懋月产能24k片(以6英寸片计)，产值3.78亿美元，占比58.2%。受益于PA芯片业务市场需求的迅猛增长和产业模式转变，预计全球化合物集成电路代工业务市场将实现增量扩张，2018年代工市场总容量将增至16.9亿美元，行业占比增至17.5%。
代工近期向稳懋、宏捷科集中，三安光电有望强势切入。目前全球专业砷化镓晶圆代工厂商以台企为主，代表企业为稳懋(Win)和宏捷科(AWSC)，2015年占化合物晶圆代工市场份额分别为58.2%、21.4%。稳懋、宏捷科主要客户分别为Avago、Skyworks。原IDM大厂TriQuint也提供代工服务，但因其兼具IDM和晶圆代工业务易与客户业务发生冲突，导致其在砷化镓晶圆代工市场市占率已从2010年的29%萎缩到18%。预期，中短期GaAs晶圆代工市场份额将不断向稳懋、宏捷科集中。大陆上市公司三安光电目前强势布局砷化镓及氮化镓晶圆代工(2018年底年产能砷化镓30万片、氮化镓6万片)，达产后产能将和稳懋现有产能比肩，有望抢占台厂代工市场。
国家意志驱动产业链崛起 内需拉动集成电路产业整体发展 集成电路巨额进口和国家安全战略引起国家高度重视。集成电路被喻为国家的“工业粮食”和国防现代化的“电子血液”，而中国集成电路产业基础薄弱，严重依赖进口，实际自给率仅有约10%，进几年进口金额接近甚至超过原油进口，因此，发展集成电路产业已经被提升为国家安全战略布局。
国家意志有望驱动行业战略性拐点。(1)5/10年成长周期，扶持政策明确。近年来集成电路扶持政策密集颁布，融资、税收、补贴等政策环境不断优化。尤其是2014年6月出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》，定调“设计为龙头、制造为基础、装备和材料为支撑”，以20
15、2020、2030为成长周期全力推进我国集成电路产业的发展。(2)庞大资本运作，撬动发展的主要手段。2014年10月，中国成立国家集成电路产业投资基金(简称“大基金”)，“大基金”首批规模将达到1200亿元，至2016年9月已投资37个项目，28个企业，加之超过6000亿元的地方基金以及私募股权投资基金，中国有望以千亿元基金撬动万亿元资金投入集成电路行业，加速行业重组、并购。
资源向龙头集中，“马太效应”凸显。全球集成电路产业寡头垄断特征日益显著，中国成长性不足企业也将逐步退出，优质资源向龙头集中。例如“大基金”已投项目及国开行融资项目涉及PA产业链公司的包括：(1)设计环节，“大基金”100亿元投资紫光集团，国开行为紫光集团提供200亿元融资贷款。(2)晶圆代工环节：“大基金”以48.4亿元收购三安光电9.07%股权、以不超过25亿美元推进与三安集团及三安光电合作;国开行以最优惠利率提供200亿人民币融资总量，用于支持三安集团及三安光电的业务发展。(3)封装测试环节：“大基金”3亿美元助力长电科技收购星科金朋。
内国产化趋势明朗：“芯片禁运”与需求缺口
化合物射频芯片大陆需求端市场全备，供给端受“芯片禁运”遏喉，本土化迫在眉睫。(1)需求端：终端应用市场全备，规模条件逐步成熟。随着全球移动终端产品产能向中国转移，中国已经成为全球PA终端产品制造基地，2015年中国汽车、平板电脑、PC、智能手机出货量占全球比重分别达28%、14%、30%、41%，终端应用市场全备，化合物PA芯片市场空间巨大。(2)供给端：中国尚无产值规模占比居前、技术领先的砷化镓/氮化镓集成电路设计、晶圆代工厂商，PA尤其是中高端3G/4G手机射频PA芯片严重依赖进口。美国对华“芯片禁运”政策，尤其是高性能、军用PA禁运政策非常严格，也将极大刺激氮化镓芯片产业本土化发展。
设计端基础扎实，技术突破在即
大陆优秀设计公司不断涌现，2G PA市场领域已占“半壁江山”。和其他集成电路细分行业发展轨迹类似，我国化合物集成电路设计公司较国外IDM大厂比起步较晚、规模相对较小，目前集中于低端消费类电子PA领域，普遍采用Fabless的纯设计公司模式，由台湾代工厂稳懋等专业代工厂商提供芯片制造服务。区别于基带数字电路芯片动辄上千人的“集团军”作战模式，化合物集成电路多为射频模拟电路，Fabless设计公司核心工程师团队往往只需数十人甚至数人。受益于国外人才回流和信息壁垒削弱，大陆化合物集成电路设计公司总体发展势头迅猛，涌现出如锐迪科/汉天下/唯捷创芯等一系列在业界占据一席之地的优秀射频功率放大器设计公司。2G 通讯终端领域，大陆PA厂商出货量已远超国外IDM大厂，合计份额超过75%，占据市场主流地位。2014年，锐迪科微电子 2G PA 2014年出货量1.41亿颗，3G PA出货量300万颗，PA事业部实现营收4300万美元;中科汉天下微电子2G PA出货量2.52亿颗，3G PA出货量4600万颗，实现营收9000万美元。唯捷创芯在3G PA领域起步较早，2013/2014/2015年分别实现营收3.40亿元、4.69亿元和4.1亿元。
技术突破在即，3G/4G市场国产化替代加速。目前4G PA市场仍被Skyworks、Qorvo、Avago和Murata等几家供应商垄断，其他各家研发进度也在提速，国产化趋势确定。预计2018年4G PA市场大陆PA市占率将大幅增加，占比达20%～40%。
晶圆代工强势导入，全产业链雏形初现
设计推动代工，大陆化合物晶圆代工龙头“呼之欲出”，PA类IDM产业链初现。目前我国化合物半导体领域，尤其是PA Fabless设计领域已经涌现出锐迪科(RDA)、唯捷创芯(Vanchip)、汉天下(Huntersun)、国民飞骧(2015年收购国民技术射频PA业业务)、苏州宜确(2015年被长盈精密收购20%股权)等厂商，及CETC13所、CETC55所等军用科研院所。国内化合物集成电路设计目前已占领2G/3G/WiFi等消费品电子市场中的低端应用。其中汉天下和唯捷创芯已分别在国内2G/3G PA市场占据较大市场份额，各家4G砷化镓射频模组芯片研发快速推进，2015年内均有望实现规模量产，国产化替代趋势明朗且持续加速。封测领域已经储备长电科技、晶方科技、华天科技等优质企业。未来代工环节有望由三安光电填补空白。2015年三安光电拟募投建设年产能30万片砷化镓和6万片氮化镓(6寸)生产线，2018年底达产产能有望超越台湾稳懋现有规模(2015年月产能24k片)，成为国内第一家规模量产GaAs/GaN化合物晶圆代工企业。在国家意志驱动下，未来大陆有望打造“设计+晶圆代工+封装测试PA类IDM全产业链。
投资策略：设计关注并购，制造追踪“龙头”
上游设计领域：重点关注化合物射频PA公司被并购机会。PA设计公司独立生存的空间逐步缩小。出于提升性能、降低成本、提升平台竞争力等因素考虑，占据资金和产业优势的基带芯片公司，具备收购射频设计公司补全平台设计链的强烈意愿。重点推荐国内上市公司信维通信，关注长盈精密。 下游代工领域：看好积极布局化合物半导体代工领域LED龙头企业三安光电。公司LED芯片龙头地位稳固，并强势进军化合物半导体代工领域，将受益于LED照明市场稳定发展和化合物半导体代工市场爆发性增长。重点关注国内上市公司三安光电。
上游设计公司：关注PA设计公司被并购机会
基带芯片设计公司并购PA Fabless设计公司趋势明显。化合物集成电路下游最大的消费类应用领域是射频功率放大器，在通讯领域必须与基带主芯片搭配使用，在地位上依附于主芯片。即便是国外的PA IDM大厂，在产业链中和平台芯片设计厂商相比也处于从属地位。目前全球集成电路产业明显呈现“持续融合，强者恒强”的高度集中化发展趋势。一方面，PA芯片是通讯领域仅次于基带芯片的重要组成器件，设计和优化上与基带芯片存在天然互补联系，销售业绩和产值预期与基带芯片也存在强烈依附关系，是基带芯片公司的必要有益补充;另一方面，硅基芯片与化合物半导体设计方法和工艺流程上都存在巨大差异，基带芯片设计公司通过自身组建研发团队从而具备PA设计能力并非易事。据此我们研判，在消费电子领域，本土PA设计公司独立生存的空间将逐步缩小。出于提升性能、降低成本、提升平台竞争力等因素考虑，占据资金和产业优势的基带芯片公司，具备收购相关本土PA设计公司，补全平台设计链的强烈意愿。基带芯片巨头高通收购Black Sand巩固PA产品、台湾联发科入资Airoha、大陆展讯与锐迪科合并形成紫光展锐，且与中科汉天下紧密合作，都是这一趋势的有力佐证。
重点推荐上市公司：信维通信，关注长盈精密。
重点关注非上市公司： 锐迪科，中科汉天下，唯捷创芯，苏州宜确，国民飞骧。
锐迪科：与展讯合并，紫光展锐“基带+射频”产业一体化协同效应明显。2013年7月至2015年6月展讯及锐迪科分别以18.7亿美元和9.07亿美元完成私有化，2015年整合初步完成紫光展锐本土IC设计巨头现身。展讯2015年已成为全球第三大基带芯片商，LTE芯片出货过千万颗，产品占三星出货量30%以上。锐迪科在合并前已为国内十大IC设计商之一，为国内领先射频及混合信号芯片供应商，2015年开发的RDA 3G/4G PA在WCDMA模式可达达到50%以上的效率(同期业界平均为40%)，LTE模式下工作可达到40%效率同期(业界平均水平为35%)。2016年紫光展锐手机芯片预计出货量将达6.5亿套，稳居全球前三。
唯捷创芯：目前国内唯一大规模量产2G、3G、4G所有标准射频前端产品的公司。2015年成功登陆新三板，2016年又14亿估值完成7000万元融资。2013/2014/2015年营业收入分别为3.40/4.67/4.06亿元，2015年1-4月2G/3G/4G芯片营收占比为38.94%/56.70%/3.16%。2015年6月推出射频前端产品包含2套组合，分别支持3模和5模的4G移动通信终端应用，符合MTK的4G通信平台定义的phase2射频前端标准。目前公司产品已成功应用到联想、华为、HTC等国内一线品牌。2016年与RFMD诉讼案达成和解，为公司未来发展又扫除一大隐患。
中科汉天下：2GCMOS PA全球市占率超50%，稳居全球第一。公司为国内领先无线射频芯片、智能手机功放芯片、双工器、滤波器芯片制造商，2016年公司RF-PA月出货量超过7000万颗，其中2G PA 超4000万/月，3GPA 超1100万套/月，4GPA已导入数家知名IDH方案商和品牌客户的BOM列表，并完成了首批产品的规模量产测试。2016年射频前端芯片通过了三星认证，将大规模量产4G三模八频和五模十七频射频前端套片。
下游制造企业：关注大陆化合物代工潜在龙头
重点公司推荐：看好积极布局化合物半导体代工领域的A股上市公司三安光电。公司主要从事Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的研究与应用，着重以碳化硅、砷化镓、氮化镓、蓝宝石等半导体新材料所涉及的核心主业做大做强，近两年一系列动作布局谋求化合物集成电路代工寡头。
从国家战略，产业发展，及军品民用化等角度考量，培养本土的化合物PA代工龙头企业势在必行，三安光电已积累丰富的化合物半导体制备关键技术，切入化合物芯片代工领域恰逢其时。
信维通信：深度受益5G爆发，由天线至射频前端，打开千亿市值空间
射频主业受益大客户份额持续提升。信维通信主营射频元器件，是全球领先天线厂商，提供产品包括射频隔离器、射频连接器、手机天线、WIFI天线、NFC天线、无线充电等，为国际A客户、三星电子、华为等知名厂商大量供货。随着在射频主业中竞争对手安费诺、Molex等的逐步下滑，公司在大客户的份额稳步提升，并由手机向单机价值量更大的pad，笔记本电脑领域快速扩张，预期今明年相关领域的拓展仍能够为射频主业带来40%以上的增长。此外，公司在国产安卓阵营的份额仍然较低，这部分也将贡献未来一两年公司成长的主要动力。
切入声学，打开中期成长空间。受益声学射频一体化趋势，公司切入声学领域，提供声学+射频的box一体化解决方案。声学领域单机价值量远大于天线，是更为广阔的成长领域。公司声学产品目前已为索尼出货，2017年将大概率在安卓阵营全面导入，迎来声学业务的全面爆发，包括华为和步步高系都是公司的潜在客户，我们认为公司2017年在声学领域的营收有望突破10亿元。
前瞻布局，迎接无线充电盛宴。公司当前是三星无线充电的主力供应商，并和国内科研院所合作，布局无线充电前端材料，打造无线充电核心竞争力。根据台湾媒体报道，2017年大客户有望在三款手机全部导入无线充电，从而使无线充电迎来爆发元年。当前，公司已经全面布局包括大客户和三星在内的不同无线充电解决方案，并致力于提供发射端平台，我们认为公司的无线充电业务将在2017年大幅放量，2018年全面爆发。
全面布局上游材料，发力5G射频前端，打造中国村田。5G技术，天线与射频是关键，射频前端模组价格预期可至50美元，市场空间超200亿美元。5G对手机天线集成度要求不断提高的同时，手机向下兼容的需求拉动单机射频器件使用量，同时射频器件向高频发展。4G时代，PA、SAW等射频核心元件市场被掌握射频材料的美日大厂所掌控。公司顺应5G要求，发展天线阵列与射频模组，进军射频新材料战略卡位，控股国内为数不多掌握射频电子材料、磁性材料、LTCC工艺的先进企业上海光线新材料。对标村田，由射频材料逐步向射频核心元件与模组进发，未来成长可期。
风险因素。射频元件技术风险;无线充电市场风险。
盈利预测、估值及投资评级。公司是全球领先天线厂商，原有业务经营良好，对国际大客户渗透不断加强，成长空间广阔。5G时代提前布局，依托大客户发展，射频前端新产品增长可期。根据近期产业调研及上下游验证，我们维持公司2016/17/18年EPS预测0.57/0.97/1.52元，按照2017年PE=37倍，对应的目标价35.89元，维持“买入”评级。
长盈精密：布局射频前端具备潜力，金属外观持续高增长
布局移动通讯终端零组件，2015年入股苏州宜确。公司2015年以4500万元入股苏州宜确，持股20%。苏州宜确成立于2015年，为射频前端集成电路设计商，业务覆盖2G/3G/4G/MMMB射频功率放大器及射频前端芯片等。2016年成功获审高频段5G基站用功率放大器国家科技重大专项课题，业务延伸布局未来5G通讯。长盈精密籍此拓展无线互联网络射频接入相关业务，奠基无线接入端提供整体方案芯片开发。
受益下游市场，金属CNC外观持续高增长。公司当前60%以上的营收和利润来自CNC，受益于公司主要客户VIVO及OPPO市场份额增长，CNC类产品持续高增长。2016 Q2 VIVO/OPPO国内市场份额由去年同期7.4%/6.9%增至11.9%/13.9%，出货1300/1520万部。若2017年玻璃外观成为趋势，中框大概率由铝变为不锈钢，加工时长将翻倍，刺激营收增长。长盈精密2016 H1金属外观营收18.4亿，同比增长约60%，未来可望继续保持高速增长。
增资入股广东方振，切入A客户产业链。公司2016年向A客户防水液态硅胶供应商广东方振增资4500万元，获得15%股权。A客户新品引智能手机防水热潮，假设未来每年20亿部移动通讯终端采用防水材料，仅消费电子类产品上防水材料市场可超百亿元规模。2016H1广东方振实现利润728万元，近2015 年全年2 倍，2016-2018 年预计营收3000/4000/6000 万元。长盈科技切入防水材料业务，外加其防水端子2016年达产在即，全面布局精密防水产业有望。 连接器业务多点开花。公司积极布局连接器业务，产能与技术均具优势。2015年公司精密连接器年产能达12亿件，超精密连接器达5亿件。2016 H1公司大电流BTB连接器及卡类快速充电连接器技术广受好评，出货增长明显;自主开发高自动化程度RF线缆组装线，效率较业界水平提高一倍以上;成功开发出Type-C端子，销量已过200万。2016 H1公司连接器营收3.8亿元，预计为公司业绩未来稳定增长点。
风险因素。5G射频前端开发受阻;下游手机市场风险。
盈利预测、估值及投资评级。公司主营业务增长强劲，2016H1金属CNC外观业务同比增长达60%;连接器业务进展顺利，新品多点开花，Type-C端子可望放量;入股苏州宜确布局移动射频前端，未来5G业务为潜在增长点。我们给予公司16/17/18三年EPS为0.6
4、1.0
3、1.32元的盈利预测，看好公司主营业务高增长，工业4.0下新业务潜力，按照2017年PE=24倍，给予24.72元目标价，首次覆盖，给予“增持”评级。
三安光电：打造国内化合物半导体代工龙头
LED芯片龙头地位稳固，全球市场提供广阔空间。LED照明产业平稳增长将成为拉动LED芯片产业的强劲动力。2017年国内照明市场LED渗透率有望增至80%。三安光电外延片生产核心设备MOVCD预计2018年底可达 380台，LED业务毛利率也显著高于国内同业，规模效应和成本优势明显，领先地位巩固。2015年全球LED照明市场规模高达299亿美元，市场渗透率27.2%，仍有较大提升空间。将充分受益于LED产业向中国大陆转移趋势，海外市场前景广阔。
IC国产化趋势明朗，大基金支持赶超全球代工龙头。三安光电将融资投产GaAs/GaN器件，深度布局化合物半导体代工市场。产业总体趋势性向亚洲转移，大陆产业链雏形初现，代工环节极有希望由三安填补空白。半导体项目获国家层面支持，大基金48亿元投资成为公司第二大股东，25亿美元规模产业基金、国开行200亿信贷额度将助力公司外延爆发式增长。项目达产后产能比肩业界巨头，有望占据全球27.3%的代工份额。
风险因素：半导体产线达产不及预期及与代工台企短期竞争加剧的风险;LED下游市场增速低于预期的风险。
盈利预测、估值及投资评级：达产稳定后可实现化合物半导体6寸片年产能36万片，规模大于目前代工龙头台湾稳懋。公司LED芯片龙头地位稳固，并强势进军化合物半导体代工领域，将受益于LED照明市场稳定发展和化合物半导体代工市场爆发性增长。我们预计公司2016-2018年全面摊薄EPS分别为0.52/0.63/0.71元(2015年考虑除权后为0.42元)。参考可比公司估值水平，兼顾并购预期、大基金注资，我们给予公司2017年23倍PE估值，对应目标价14.49元，上调至“买入”评级。
大港股份：稳增拓新，深化PA等新兴领域布局 并购切入PA模块，深化IC产业战略布局。公司全资并购了国内领先的独立集成电路测试服务商艾科半导体，并于2016年对其增资6.9亿元。艾科半导体作为国内领先的专业化独立第三方集成电路测试企业，具有通用射频测试设备研发与产业化能力，目前艾科半导体的Matrix测试系统已量产测试 GSM、EDGE、TD、UMTS(WCDMA)等主流移动设备射频前端器件，涵盖单频功放及多频多模发射模块等产品，并研发出基于通用自动测试设备(ATE)的射频测试方案。与此同时，公司与镇高新等7家公司签订《框架协议》，设立并购基金 50亿元，为发展公司集成电路等新兴产业培育优质标的。2016年该业务开始起量，上半年营收达3900万，增速良好。
激光产品研发稳步推进，进军航空航天军工业务。激光技术是未来制造技术的发展方向之一，激光测距机是中科大港的主要目标产品，我国激光测距机市场正处于腾飞期，2008 年我国产量为 1,885 台，2013 年则达到 181,180 台，市场空间广阔。公司与中科院半导体研究所等机构共同设立中科大港激光科技有限公司，从事高功率全固态激光器及其应用研究，已成功掌握30km激光测距技术。一方面，公司已签订三级保密协定，为进军军工市场做铺垫。另一方面，2015年与圌山旅文合资成立大路航空，拟通过收购投资等方式打造航天航空产业整合平台，有望成为来来新的营收增长点。
全方位业务拓展，借力九鼎投资提升资本运营能力。九鼎投资和公司深度合作后，有助于推进公司资本运营能力的改善，为公司今后的资本运作提供有效支撑。此次与九鼎合作，一方面表明公司在外延方面进入实质性筹划阶段。另一方面向市场表明外延整合的方向在朝环保、科技等新兴产业领域拓展。
房产积极转型与固废业务起量，营收增长高速可期。公司固废处理业务盈利能力强，子公司镇江固废2015年公司实现 2386.56万元营业收入，规母净利润1222.9万元，预计2016年公司固废处理产能将充分释放，有望大幅提升公司固废处理业务业绩。此外，公司楚桥雅苑安臵房项目交付及商品房项目的预销售，标志着公司的地产业务已向商品房及商业地产开发建设转型，着手打造公司房地产自主品牌“2077”，预计房地产业务毛利率将持续提升。
风险因素。房地产行业景气程度;激光技术研发失败;IC市场不及预期。
半导体材料论文范文第6篇
1 异质结器件的发展过程
pn结是组成集成电路的主要细胞, 50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。
1947年12月, 肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献, 共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。
1949年肖克莱提出pn结理论, 以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用, 这就是著名的晶体管放大效应。由于技术条件的限制, 当时未能制成pn结型晶体管, 直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。
1957年, 克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结, 比同质结具有更高的注入效率。
1962年, Anderson提出了异质结的理论模型, 他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构, 晶格常数和热膨胀系数, 基本说明了电流输运过程。
1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。
在20世纪70年代里, 液向外延 (LPE) , 汽相外延 (VPE) , 金属有机化学气相沉积 (MO-CVD) 和分子束外延 (MBE) 等先进的材料成长方法相继出现, 使异质结的生长日趋完善。
2 异质结结构的物理性质
2.1 异质结的结构特征及其原理
在pn结之间有一很薄的半导体材料, 它与pn结的半导体材料相异, 这种结构称为异质结。中间一层半导体形成了一个有源区或层, 它与P型或N型半导体材料相比, 其禁带宽度较小, 而折射率较高。小的禁带宽度有利于将注入到有源区的少数载流子 (来自N型半导体的电子和P型半导体的空穴) 限制在有源区内, 高的折射率使这种结构构成了一个电介质波导, 在放大时有利于将光限制在有源区内。下面以典型的GaAlAs双异质结LED为例说明其结构特征。
双异质结生长在二极管顶部的N-GaAs衬底上, 如图1所示, P-GaAs有源层厚度仅为1μm~2μm, 与其两边的N-GaAlAs和P-GaAlAs构成两个异质结, 限制了有源层中的载流子及光场分布。有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤, 由于衬底材料的光吸收很大, 用选择腐蚀的办法在正对有源区的部位形成一个凹坑使光纤能直接靠近有源区。在P-GaAs一侧用SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极, 从而限定了有源层中有源区的面积, 其大小与光纤纤芯面积相当 (直径为40μm~5 0μm) 。流过有源区的电流密度约为2000A/cm2。这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。
由于限制层的带隙比有源层宽, 施加正向偏压后, P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽, 导带的能态比有源层高, 对注入电子形成了势垒, 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理, 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
P层带隙宽, 导带的能态比有源层高, 对注入电子形成了势垒, 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理, 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样, 注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1μm~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布这时只要很小的外加电流, 就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面, 如果有源层的折射率比限制层高, 就能产生激光, 并且产生的激光被限制在有源区内因而电/光转换效率很高, 输出激光的阈值电流很低, 很小的散热体就可以在室温连续工作。
2.2 想突变反型异质结的物理性质
在零偏压下, 接触界面上的费米能级要相等, 发生载流子扩散运动, 界面附近留下一个空间电荷区 (耗尽区或者势垒区) 。在热平衡下, 即载流子的扩散运动和漂移运动达到平衡时, 产生了一个内建电场, 电势差满足:q VD=EF2-EF1;
势场分布为:VD1÷VC2=ε1NA/ε2ND;
势垒电容为:
平衡时能带的两个特点如下。
(1) 能带发生了弯曲, 出现了尖峰和凹口。
3 当前的一些研究进展
3.1 目前异质结制备的一些常用方法
目前异质结制备的一些常用方法有分子束外延技术、MO-CVD技术、液相外延技术、化学池沉积技术、物理气相沉积法、辅助化学法和sol-gel技术。
以液相外延技术为例, 液相外延技术 (Liquid Phase Epitaxy) , 简称LPE, 1963年由Nelson等人提出, 其原理是:以低熔点的金属为溶剂, 以待生长材料和掺杂剂为溶质, 使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态通过降温冷却使石墨舟中的溶质从溶剂中析出, 在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与单晶衬底足够相似的晶体材料, 使晶体结构得以延续, 实现晶体的外延生长。这种技术可以生长Si、GaAs、GaAlAs、GaP等半导体材料以及石榴石等磁性材料的单晶层, 用以做成各种光电子器件、微波器件、磁泡器件和半导体激光器等。
3.2 目前的一些研究对象
3.2.1 制备电子器件
制备开关器件、整流器件 (SiC基异质材料) 、场效应晶体管、异质结双极晶体管 (H BT) (主要应用材料为G aA s、Al Ga As、GaInP, InGaAs、InP、InAlAs, Si、SiGe等) 和HEMT (High electron mobility transistor) 。
3.2.2 制备发光二极管
制备异质结发光二极管 (异质结构为CdTe、PS, ZnS、ps等) , 制备新型的发光设备取代传统光源 (白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源) , 主要集中在GaN基pn结研究上, 例如AlGaInN、GaN。
3.2.3 GaAs或InP基半导体激光器
Ga As或InP基半导体激光器, 这主要用于通信技术。在1.25μm~1.65μm范围内, 现在主要的异质结激光器是Ga In As Por AlGaInAs、InP, 而对于GaInNAs、GaAs, 发射频率已做到1.52μm, 用改进的GaInNAsSb、GaAs异质结激光器发射频率达到1.49μm, 发射功率为0.2mA/μm2。
3.2.4 制备太阳能电池
制备太阳能电池, 例如ZnO/n-Si, ps/c-Si等。
4 结语
目前, 半导体物理、半导体材料以及半导体器件的任何新发展, 诸如利用硒化物和氮化物制成的蓝、绿光短波长发射源都取得重大进展和可喜成果, 异质结的概念和生长技术都起到重要作用。可以预期, 异质结构及作为其延伸的量子阱、量子线和量子点的发展提供了一种合成新材料异质结半导体技术, 在未来的半导体物理、固体物理以至整个世界科技的发展中, 都会发挥越来越大的作用。
摘要：本文介绍了有关半导体异质结的技术及其研究进展, 首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程, 其次以典型的GaAlAs双异质结LED中的异质结结构为例, 介绍了异质结的主要物理性质, 最终以异质结新技术为出发点, 展望异质结技术发展的新方向。
关键词：液相外延,双异质结,同质结,有源区
参考文献
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