半导体衬底材料分类、应用领域与生产工艺有哪些？

常见的半导体衬底材料包括三大类：

1）第一代半导体材料即单元素半导体材料， 单一元素构成的半导体材料，主要包括硅（Si）、锗（Ge），其中硅基半导体材料 是目前产量最大、成本最低、应用最广的半导体材料；2）第二代半导体材料即 IIIV 族化合物半导体材料，主要包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），具有电子迁移 率高、光电性能好等特点，是当前仅次于硅之外最成熟的半导体材料，在 5G 通 信、数据中心、光纤通信、新一代显示、人工智能、无人驾驶、可穿戴设备、航 天方面有广阔的应用前景；3）第三代半导体材料即宽禁带半导体，以氮化镓（GaN） 和碳化硅（SiC）等为代表，具有高禁带宽度、耐高压和大功率等特点，在通信、 新能源汽车等领域前景广阔，但目前成本较高。 以上的分类主要是产业界根据材料出现的时间先后进行区分，而不同代际半导体 衬底材料无绝对的替代关系，而是在特定的应用场景中存在各自的优势。在高频、 高功耗、高压、高温等特殊应用领域，III-V 族化合物半导体材料以及宽禁带化合 物半导体材料作为衬底有独特的优势，而硅、锗材料主要用于低功耗环境，发展 主要依靠制程节点技术的提升，在光电子、射频、电力电子等领域，以硅基衬底 材料为基础的先进制程难以保障集成电路的线性度及稳定性。

单元素半导体硅是当前应用场景最广的半导体材料，由于硅元素储量丰富、技术 和产业配套成熟、成本相对较低，当前超过 90%的芯片及器件均由硅材料制成， 包括最常见的 CPU、GPU、其他逻辑及存储芯片等。硅基芯片受摩尔定律的影响，不断向更加先进的制程发展，表现为更小的工艺节点，如 14nm、7nm、3nm 等， 以及更加复杂的结构，如 128 层、192 层 3D NAND 等。在硅基芯片性能可以满足 的通用场景中，其他材料一般难以实现对硅材料的替代。 然而，在硅基半导体性能难以满足的特殊场景，如高频、发光、高功率、高电压 等应用场景，需要使用 III-V 族化合物半导体材料、宽禁带半导体材料等其他半导 体材料，上述半导体材料的市场需求随其现有下游应用市场的增长及新应用场景 出现而增长，主要来源于增量市场，而非对硅材料及其他半导体材料的替代市场。 近年来，宽禁带半导体材料的市场热度和投资热度较高，主要原因是随着新能源 汽车行业的快速发展，电动车功率器件、充电桩功率器件等增量市场广阔。虽然 宽禁带半导体材料较 III-V 族化合物半导体材料出现晚，但该等半导体材料被应 用于工业界历史均已超过三十年，并非对 III-V 族化合物半导体材料的升级和迭 代。5G、新一代显示、数据中心、无人驾驶、手机面部识别、可穿戴设备等市场 需求的增长为 III-V 族化合物半导体材料带来了广阔的需求空间，III-V 族化合物 半导体材料未来也具备确定的市场增长空间。

本文主要介绍 III-V 族化合物半导体材料即磷化铟和砷化镓衬底材料，其中铟和 镓为元素周期表上的 III 族元素，磷和砷为 V 族元素。III-V 族化合物半导体衬底 材料在 5G 通信、数据中心、新一代显示、人工智能、可穿戴设备、无人驾驶等领 域具有广阔的应用前景，是半导体产业重要的发展方向之一。

III-V 族化合物半导体材料生产需要经过多晶合成、单晶生长后再经过切割、磨边、 研磨、抛光、清洗等多道工艺后真空封装成品，其中多晶合成、单晶晶体生长是 核心工艺。

多晶合成是指化合物半导体材料是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成 的化合物，由于自然界中不存在天然的磷化铟、砷化镓多晶，因此首先需要通过 人工合成制备该等化合物多晶，将两种高纯度的单质元素按一定比例装入 PBN 坩 埚中，在高温高压环境下合成化合物多晶。 化合物半导体单晶生长的制备方法有水平布里奇曼法（HB）、垂直布里奇曼法 （VB）、液封切克劳斯基法（LEC）、垂直梯度冷凝法（VGF）。目前主流应用使用 的 III-V 族化合物半导体衬底一般为 2-6 英寸，因此 VGF 法生产单晶是主流且最 为高效的方法之一。相较其他方法而言 VGF 法的先进之处体现在三个方面：第 一，在单晶直径上，目前 HB 法生长的单晶直径最大一般是 3 英寸，LEC 法生长 的单晶直径最大可以到12英寸，但是使用 LEC 法生长单晶晶体设备投入成本高， 且生长的晶体不均匀且位错密度大。目前 VGF 法和 VB 法生长的单晶直径最大可 达 8 英寸，生长的晶体较为均匀且位错密度较低；第二，在单晶质量上，相较其 他方法 VGF 法生长的晶体位错密度低且生产效率稳定；第三在生产成本上，HB 法的成本最低，LEC 法的成本最高，VB 法和 VGF 法生产的产品性能类似，但是 VGF 法取消了机械传动结构，能以更低成本稳定生产单晶。

具体到磷化铟单晶生长中，北京通美和 Sumitomo 分别使用 VGF 和 VB 技术可以 生长出直径 6 英寸磷化铟单晶，日本 JX 使用 LEC 技术可以生长出直径 4 英寸的 磷化铟单晶。而在砷化镓单晶生长中，Sumitomo 以 VB 法为主，Freiberger 以 VGF 和 LEC 法为主，而北京通美则以 VGF 法为主。