半导体材料范畴的界定

林翔云

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津 300220)

目前对于半导体材料范畴的划分有2种：一种是广义的，将制作半导体器件的材料统称为半导体材料，它包含半导体芯片制造和芯片封装材料；另一种是狭义的，特指处于绝缘体和导体之间的材料。

1 广义半导体材料

广义半导体材料的定义是半导体器件制造厂商给出的，它是基于半导体器件制作的流程(芯片设计、制造、封装与测试)来定义的。芯片设计，包含电路设计、版图设计、光罩(掩模版)设计等；芯片制造，包含硅片、氧化、光刻、离子注入、金属布线、刻蚀等；芯片封装，包含晶圆减薄、切割、贴片、键合、塑封、电镀、打标等；器件测试，包含环境测试、成品检验等。半导体器件制造厂商给出的半导体材料定义包含芯片制造和芯片封装所使用的材料。全球主要广义半导体材料厂商如表1所示。

半导体芯片制造材料主要包含：硅片、光刻胶、湿化学品、高纯电子特气、CMP材料、靶材、石英制品等[1]。各种材料受市场环境的影响，每年所占比例会有微小变动。从半导体材料产品占比来看，硅片是集成电路芯片制造中最为重要的原材料，在半导体材料总体中占比最大，其他材料都是随硅片的反复加工而产生的。硅片一般包括抛光片、退火片、外延片及 SOI片等，其在整个半导体材料总费用的占比为32%～40%。图1显示2018年集成电路芯片制造用材料及费用占比情况。

从图1可以看出，硅片在2018年占36%，这是近几年来较高的比例，主要是由于硅片价格上涨。通过图1中的费用占比，可以计算出各主要材料的市场份额。2018年全球半导体材料市场规模为519亿美元，我国占 85亿美元。扣除封装材料 197亿(国际)和56.8亿(国内)，剩余的芯片制造用材料分别为国际322亿和国内28.2亿，其中硅片所占比例36%，得到硅片在全球和国内所占的市场份额分别为115.9亿美元和 10.6亿美元。同理可计算其他材料。表2给出了我国集成电路芯片制造用材料的国产化率情况。从表2中看出，IC用大尺寸硅片、光刻胶、抛光垫、石英制品等材料的国产化率还很低。

表1 全球主要半导体材料厂商Tab.1 Major semiconductor material manufacturers at home and abroad

图1 集成电路芯片制造用材料及费用占比情况Fig.1 Materials and cost proportion for IC chip manufacturing

表2 集成电路芯片制造用材料国产化率情况Tab.2 Localization rate of materials used in IC chip manufacturing

2 狭义半导体材料

狭义半导体材料一般指电阻率为 10-5～1012Ω·cm，介于金属和绝缘体之间的材料，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。按此定义，半导体材料的范围也是十分广泛的。首先，半导体材料可分为无机半导体材料和有机半导体材料2大类[2]。

有机半导体材料：指具有半导体特性的有机化合物，如DAST晶体。

无机半导体材料：指由无机物构成的半导体材料，种类繁多，划分方法也有多种。

①按组分划分：可分为元素半导体材料和化合物半导体材料。化合物半导体材料又可划分为二元、三元等多元化合物半导体材料。二元化合物半导体材料又可分为Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅵ族等化合物半导体材料[2]。

元素半导体材料：锗、硅、硒、金刚石等。

二元化合物半导体材料：Ⅱ-Ⅵ族：硫化锌、硒化隔、硫化镉等；Ⅲ-Ⅴ族，砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、锑化铟、氮化铝等；Ⅳ-Ⅳ族，碳化硅、锗化硅等；Ⅲ-Ⅵ族，氧化镓等；Ⅴ-Ⅵ族，碲化铋等。三元化合物半导体材料：磷锗锌、砷锗隔、磷砷镓等。四元化合物半导体半导体材料：AlGaInP、InGaAsP等。五元化合物材料：AlGaInAsN等。

②按结晶状态划分：可分为晶体、非晶、固溶体等半导体材料。

③按禁带宽度划分：可分为窄禁带、宽禁带、超宽禁带等半导体材料。

④按光电子器件应用划分：可分为光电探测材料、发光材料、光电转换材料及太赫兹材料等。

光电探测材料又可分为红外探测、可见光探测及紫外探测。

红外探测：短波(1～3μm)为 InSb、InAs；中波(3～5μm)为 PbTe、PbSe；长波(8～12μm)为HgCdTe。可见光探测：Si等。紫外探测：CdS、ZnO、Ga2O3、AlGaN、AlN 等。发光材料(可发出红黄、蓝绿、激光等)：GaAs、GaN、CdSe等。光电转换材料：Si、Ge、GaAs、InGaAs、InGaP 等。太赫兹材料发射与探测材料：DAST、CdSe、GaSe、GaP、InP 等。

⑤按微电子器件性能划分：可分为第一代、第二代、第三代、第四代等半导体材料，这种划分方法是目前使用频率最高的。

第一代半导体材料(元素半导体材料)：锗、硅为代表。第二代半导体材料：(Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料)砷化镓、磷化铟为代表。第三代半导体材料(宽禁带半导体材料)：碳化硅、氮化镓为代表。第四代半导体材料：(超宽禁带半导体材料)氮化铝、氧化镓、金刚石为代表。

还有二维半导体材料：石墨烯、MoS2、WS2等。

从表3可知，四代材料的优值具有数量级的差距，这也是微电子器件用半导体材料代系划分的主要依据，但它们有各自不同的应用领域，不完全是替代关系。其中一代的硅、锗材料，二代的砷化镓材料属于成熟材料，已广泛应用，尤其是硅材料在可预见的未来是不可替代的；二代的磷化铟材料，三代的碳化硅、氮化镓材料处于成长期，应用前景广阔；四代材料及二维材料处于培育期，具有重要应用价值。

表3 微电子器件用半导体材料的优值比较[3]Tab.3 Comparison of optimal values of semiconductor materials used in microelectronic devices

3 结 论

综上所述，半导体材料的范畴可划分为广义半导体材料和狭义半导体材料 2类。广义半导体材料受市场环境的影响，其在集成电路芯片制造中的费用占比每年会有微小变动；按材料组分、结晶状态、禁带宽度、光电子器件应用及微电子器件应用等列举了狭义半导体材料的五种划分方法，并指出狭义半导体材料以代系划分仅限于微电子器件用，且它们有各自不同的应用领域，不完全是替代关系。建议使用半导体材料这个名词时，应在语境中表达清晰，明确表述是广义还是狭义。