Aplicaciones y tendencias de desarrollo de materiales semiconductores
El material semiconductor (¿semiconductor? material) es un tipo de material con propiedades semiconductoras (conductividad entre conductores y aisladores, resistividad en el rango de aproximadamente 1mΩ·cm~1GΩ·cm), que se puede utilizar para fabricar Semiconductores Materiales electrónicos para dispositivos y circuitos integrados.
1. Principales tipos de materiales semiconductores
Los materiales semiconductores se pueden dividir según su composición química, y luego los semiconductores amorfos y líquidos con estructuras y propiedades especiales se clasifican en una categoría separada. Según este método de clasificación, los materiales semiconductores se pueden dividir en semiconductores elementales, semiconductores compuestos inorgánicos, semiconductores compuestos orgánicos y semiconductores amorfos y líquidos.
1. Semiconductores de elementos: hay 11 elementos con materiales semiconductores semiconductores distribuidos en el Grupo IIIA al Grupo VIIA de la tabla periódica de elementos. Estos 11 tipos de elementos semiconductores se encuentran en el cuadro negro de la siguiente tabla. entre los cuales C representa el diamante. C, P y Se tienen dos formas: aislante y semiconductor; B, Si, Ge y Te son semiconductores, Sn y Sb tienen dos formas: semiconductor y metal. El punto de fusión y el punto de ebullición del P son demasiado bajos y la presión de vapor del I es demasiado alta y fácil de descomponer, por lo que su valor práctico no es grande. Los estados estables de As, Sb y Sn son metales, mientras que los semiconductores son inestables. B, C y Te tampoco se han utilizado debido a dificultades en el proceso de preparación y limitaciones en el desempeño. Por lo tanto, entre estos 11 semiconductores elementales, sólo se han utilizado tres elementos: Ge, Si y Se. Ge y Si siguen siendo los dos materiales más utilizados entre todos los materiales semiconductores.
(Materiales semiconductores)
2. Semiconductores compuestos inorgánicos: divididos en sistema binario, sistema ternario, sistema cuaternario, etc. Los sistemas binarios incluyen: ① Grupo IV-IV: las aleaciones de SiC y Ge-Si tienen estructuras de esfalerita. ② Grupo III-V: compuesto por los elementos del Grupo III Al, Ga, In y los elementos del Grupo V P, As y Sb en la tabla periódica. El representante típico es GaAs. Todos ellos tienen una estructura de esfalerita, sólo superados por el Ge y el Si en términos de aplicación y tienen grandes perspectivas de desarrollo. ③ Grupo II-VI: Los compuestos formados por los elementos Zn, Cd y Hg del Grupo II y los elementos S, Se y Te del Grupo VI son algunos materiales optoelectrónicos importantes. ZnS, CdTe y HgTe tienen una estructura de esfalerita. ④ Grupos I-VII: Compuestos formados por los elementos del grupo I Cu, Ag, Au y los elementos del grupo VII Cl, Br, I, entre los que CuBr y CuI tienen estructura de esfalerita. ⑤ Grupo V-VI: Elementos del grupo V As, Sb, Bi y elementos del grupo VI. ¿Los compuestos formados por S, Se y Te tienen la forma, como Bi2Te3, Bi2Se3, Bi2S3, As2Te3, etc., que son materiales termoeléctricos importantes? . ⑥Los óxidos del grupo B y los elementos del grupo de transición Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni en el cuarto ciclo son los principales materiales del termistor. ⑦ ¿Compuestos formados por ciertos elementos de tierras raras Sc, Y, Sm, Eu, Yb, Tm y elementos del grupo V N, As o elementos del grupo VI S, Se, Te. ?Además de estos compuestos binarios, también existen semiconductores en solución sólida entre ellos y elementos o entre ellos, como Si-AlP, Ge-GaAs, InAs-InSb, AlSb-GaSb, InAs-InP, GaAs-GaP, etc. El estudio de estas soluciones sólidas puede contribuir en gran medida a mejorar determinadas propiedades de un solo material o abrir nuevas áreas de aplicación.
(Diagrama de estructura de elementos de materiales semiconductores)
Materiales semiconductores
El sistema ternario incluye: Grupo: Este se reemplaza por un átomo del Grupo II y un átomo del Grupo IV Está compuesto por dos átomos del grupo III en el grupo III-V. Por ejemplo, ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs2, CdSnSe2, etc. Grupo: Está compuesto por un átomo del grupo I y un átomo del grupo III reemplazando dos átomos del grupo II en el grupo II-VI, como CuGaSe2, AgInTe2, AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2, etc. : Está compuesto por un átomo del grupo I y un átomo del grupo V que reemplazan dos átomos del grupo III en el grupo, como Cu3AsSe4, Ag3AsTe4, Cu3SbS4, Ag3SbSe4, etc. Además, existen sistemas cuaternarios (como el Cu2FeSnS4) cuya estructura es básicamente esfalerita y compuestos inorgánicos más complejos.
3. Semiconductores de compuestos orgánicos: Existen decenas de semiconductores orgánicos conocidos. Entre los más conocidos se encuentran el naftaleno, el antraceno, el poliacrilonitrilo, la ftalocianina y algunos compuestos aromáticos que aún no se han utilizado como semiconductores.
4. Semiconductores amorfos y líquidos: La mayor diferencia entre este tipo de semiconductor y el semiconductor cristalino es que no tiene una disposición estrictamente periódica de las estructuras cristalinas.
2. Aplicación práctica de materiales semiconductores
La preparación de diferentes dispositivos semiconductores tiene diferentes requisitos morfológicos para los materiales semiconductores, incluido el corte, esmerilado, pulido, películas delgadas, etc. Diferentes formas de materiales semiconductores requieren diferentes técnicas de procesamiento. Los procesos de preparación de materiales semiconductores comúnmente utilizados incluyen la purificación, la preparación de monocristales y el crecimiento epitaxial de película delgada.
Materiales semiconductores Todos los materiales semiconductores requieren purificación de las materias primas, y la pureza requerida es superior a 6"9", hasta 11"9" o superior.
Los métodos de purificación se dividen en dos categorías: uno es purificar sin cambiar la composición química del material, lo que se llama purificación física, el otro es purificar los elementos en compuestos primero y luego reducir los compuestos purificados en elementos, lo que se llama; purificación física. purificación química. Los métodos de purificación física incluyen la evaporación al vacío, el refinamiento regional, la purificación por extracción de cristales, etc. El método más utilizado es el refinamiento regional. Los principales métodos de purificación química incluyen electrólisis, complejación, extracción, destilación, etc. El método más utilizado es la destilación. Dado que cada método tiene ciertas limitaciones, a menudo se utiliza un proceso que combina varios métodos de purificación para obtener materiales calificados.
(Materiales semiconductores)
La mayoría de los dispositivos semiconductores se fabrican en obleas individuales o en obleas epitaxiales basadas en obleas individuales. Se producen cantidades por lotes de monocristales semiconductores mediante el método de crecimiento en estado fundido. El método Czochralski es el más utilizado. El 80% de los monocristales de silicio, la mayoría de los monocristales de germanio y los monocristales de antimonuro de indio se producen mediante este método. El diámetro máximo de los monocristales de silicio ha alcanzado los 300 mm. El método de Czochralski de introducir un campo magnético en la masa fundida se llama tracción con magnetrón. Este método ha producido monocristales de silicio con alta uniformidad. La adición de un agente de cobertura líquido a la superficie del crisol se denomina método Czochralski de sellado líquido. Este método se utiliza para extraer monocristales con grandes presiones de descomposición, como el arseniuro de galio, el fosfuro de galio y el fosfuro de indio. La masa fundida en el método de fusión de la zona suspendida no entra en contacto con el recipiente y mediante este método se cultivan monocristales de silicio de alta pureza. El método de fusión de zona horizontal se utiliza para producir monocristales de germanio. El método de cristalización orientado horizontalmente se utiliza principalmente para preparar monocristal de arseniuro de galio, mientras que el método de cristalización orientado verticalmente se utiliza para preparar telururo de cadmio y arseniuro de galio. Los monocristales a granel producidos mediante diversos métodos se someten luego a todos o parte de los procesos de orientación del cristal, laminado, fabricación de superficies de referencia, corte, rectificado, biselado, pulido, grabado, limpieza, prueba y envasado para proporcionar las obleas correspondientes.
El crecimiento de una fina película monocristalina sobre un sustrato monocristalino se denomina epitaxia. Los métodos de epitaxia incluyen fase gaseosa, fase líquida, fase sólida, epitaxia de haz molecular, etc. La producción industrial utiliza principalmente epitaxia química en fase de vapor, seguida de epitaxia en fase líquida. La epitaxia en fase de vapor de compuestos orgánicos metálicos y la epitaxia de haz molecular se utilizan para preparar microestructuras como pozos cuánticos y superredes. Las películas amorfas, microcristalinas y policristalinas se fabrican principalmente sobre vidrio, cerámica, metal y otros sustratos utilizando diferentes tipos de deposición química de vapor, pulverización catódica con magnetrón y otros métodos.
3. Estado actual de desarrollo de los materiales semiconductores
En comparación con el mercado de equipos semiconductores, el mercado de materiales semiconductores ha desempeñado durante mucho tiempo un papel de apoyo. Sin embargo, a medida que aumentan los envíos de chips, los materiales. El mercado mantendrá un crecimiento continuo y comenzó a deshacerse de la sombra que trae el llamativo mercado de equipos. En términos de ingresos por ventas,
Semiconductor Materials Japan mantiene su posición como el mayor mercado de materiales semiconductores. Sin embargo, Taiwán, ROW y Corea del Sur también han comenzado a emerger como mercados importantes. El auge del mercado de materiales refleja el desarrollo de la fabricación de dispositivos en estas regiones. Tanto el mercado de materiales de fabricación de obleas como el mercado de materiales de embalaje han experimentado un crecimiento. El crecimiento futuro tenderá a moderarse, pero el impulso de crecimiento aún se mantendrá.
(Materiales semiconductores)
La Asociación de la Industria de Semiconductores de EE.UU. (SIA) predice que los ingresos del mercado de semiconductores se acercarán a los 267 mil millones de dólares en 2008, logrando un crecimiento por quinto año consecutivo . Casualmente, el mercado de materiales semiconductores también ha reescrito continuamente los registros de ingresos por ventas y envíos durante el mismo período. Tanto los materiales de fabricación de obleas como los materiales de embalaje han experimentado un crecimiento, y se espera que los ingresos del mercado alcancen los 26.800 millones de dólares y 19.900 millones de dólares respectivamente este año.
Japón continúa manteniendo su posición de liderazgo en el mercado de materiales semiconductores, con un consumo que representa el 22% del mercado total. En 2004, Taiwán superó a América del Norte y se convirtió en el segundo mercado más grande de materiales semiconductores. América del Norte ocupa el quinto lugar detrás del ROW (Resto del mundo) y Corea del Sur. ROW incluye Singapur, Malasia, Tailandia y otros países y regiones del sudeste asiático. Se están invirtiendo muchas fábricas nuevas en estas regiones, y cada región tiene una base de embalaje más sólida que América del Norte.
Los materiales de fabricación de chips representan el 60% del mercado de materiales semiconductores, la mayoría de los cuales proceden de obleas de silicio. Las obleas de silicio y las fotomáscaras combinadas representan el 62% de los materiales de fabricación de obleas. Todos los materiales de fabricación de obleas, excepto los productos químicos húmedos, las fotomáscaras y los objetivos de pulverización catódica, experimentaron un fuerte crecimiento en 2007, lo que dio como resultado un crecimiento general del mercado de materiales de fabricación de obleas del 16%. En 2008, el crecimiento del mercado de materiales para la fabricación de obleas fue relativamente estable, con un aumento del 7%. Se espera que en 2009 y 2010 las tasas de crecimiento sean del 9% y el 6% respectivamente.
Uno de los cambios más significativos en el mercado de materiales semiconductores es el auge del mercado de materiales de embalaje. En 1998, el mercado de materiales de embalaje representaba el 33% del mercado de materiales semiconductores y se espera que esta proporción aumente al 43% en 2008. Este cambio se debe al uso cada vez mayor de sustratos laminados y materiales poliméricos avanzados en conjuntos de rejillas de bolas, empaques a escala de chips y empaques de chips invertidos. Se espera que estos materiales experimenten un mayor crecimiento en los próximos años a medida que la portabilidad y funcionalidad del producto impongan mayores exigencias al embalaje. Además, el fuerte aumento de los precios del oro permitió que el segmento de unión por cables creciera un 36% en 2007.
Al igual que los materiales de fabricación de obleas, la tasa de crecimiento de los materiales de embalaje de semiconductores también se desacelerará en los próximos tres años, con tasas de crecimiento del 5% en 2009 y 2010, alcanzando los 20,9 mil millones de dólares y 22 mil millones de dólares respectivamente. . Excluyendo el factor precio del oro y los sustratos rodantes no incluidos en las estadísticas, la tasa de crecimiento real es del 2% al 3%.
4. Posición estratégica de los materiales semiconductores
A mediados del siglo XX, la invención del silicio monocristalino y los transistores semiconductores y el exitoso desarrollo de los circuitos integrados de silicio dieron lugar a la industria electrónica. revolución en la década de 1970 La invención de materiales de fibra óptica de cuarzo y láseres de GaAs a principios de la década de 1990 promovió el rápido desarrollo de la tecnología de comunicación por fibra óptica y formó gradualmente una industria de alta tecnología, llevando a la humanidad a la era de la información. La introducción del concepto de superred y el desarrollo exitoso de superredes semiconductoras y materiales de pozos cuánticos han cambiado completamente el pensamiento de diseño de dispositivos optoelectrónicos, haciendo que el diseño y la fabricación de dispositivos semiconductores pasen de la "ingeniería de impurezas" a la "ingeniería de bandas de energía".
El desarrollo y la aplicación de la nanociencia y la tecnología permitirán a los humanos controlar, manipular y fabricar nuevos y poderosos dispositivos y circuitos a nivel atómico, molecular o nanoescalar, afectando profundamente el panorama político y económico mundial y la forma de confrontación militar, cambiando completamente los estilos de vida de las personas.
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