半导体三代工艺概述

半导体工艺从20世纪50年代开始，经过近百年的发展，按材料分，主要经历了三代。

第一代是Ⅳ族单质材料，如锗（Ge）和硅（Si）等，工艺最成熟成本也最低，现在的大规模集成电路往往采用此类工艺。

第二代是Ⅲ-Ⅴ族化合物，如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等，工作频率高抗辐射，主要用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件。

第三代是宽禁带材料，如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等，具有击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高等特点，主要应用高温、高频、抗辐射及大功率器件。

第一代半导体-Ge

世界上第一个半导体晶体管就是由Ge制造的。Ge的禁带宽度小，有利于发展低电压器件；电子空穴迁移速率快，可以制作高速器件。但是Ge在工艺和器件性能上有一些问题：

（1）熔点较低，937°C的熔点限制了高温工艺；
（2）表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电；
（3）导电性好，容易过热；
（4）地球储量少，原材料稀缺。

这些都限制了Ge的大规模应用，因此基于Ge的半导体集成电路不太常见。
而Si基材料，相比Ge有如下几个绝对的优势：

（1）熔点高，1415°C的熔点允许更高温的工艺；
（2）解决了集成电路的漏电问题；
（3）电路表面形貌更平坦；
（4）地球储量非常丰富，土壤和沙子中含有大量 SiO2 和硅酸盐。

因此，如今世界上绝大多数集成电路都是基于Si的。

Si基材料中最成熟的工艺当属 CMOS（互补金属氧化物半导体）。CMOS工艺按衬底结构又可分为两大类：体硅（Bulk-Si）CMOS工艺和SOI（绝缘衬底硅）工艺。

Bulk-Si CMOS工艺可以将射频、基带与存储器等功能组件合而为一，提高集成度的同时降低成本。因此现在的大规模集成电路，特别是片上系统SOC，往往采用这种工艺设计制造。但是由于Bulk-Si CMOS工在源和漏至衬底间存在寄生二极管，引发闩锁效应，因此不太适合制作高功率高线性度产品。


SOI工艺最大的特点是在衬底和顶层硅之间加入了一层SiO2绝缘层。这种Si/SiO2/Si夹层结构实现了器件和衬底的有效隔离，相比Bulk-Si CMOS工艺，减小了寄生电容，运行速度大大提高，降低了漏电流，功耗减少约一半，并且消除了闩锁效应。多个管子级联可以承受高功率，因此业界一般采用SOI工艺来设计大功率射频开关以及天线调谐开关。

另一种性价比较高的材料是SiGe（锗硅）。

SiGe高频特性好，安全性好，导热性好，功耗较低，而且制程成熟、整合度高，成本较二代半导体略低。SiGe不但可以直接利用半导体现有8寸晶圆制程，达到高集成度，还有媲美GaAs的高速特性。低功耗的放大器产品以及数模混合的高速光电器件常常采用SiGe工艺设计。

第二代半导体最具代表性的就是GaAs（砷化镓）。

高载流子迁移率使得GaAs器件可以更快响应高频微波，通常GaAs器件比硅器件快两到三倍。尽管性能很好，但GaAs也不会取代硅成为最主流的材料。主要是性能和制造难度的权衡取舍。虽然GaAs电路非常快，但是绝大多数电子产品不需要那么快的速度。在性能方面，GaAs也没有天然的氧化物，为了补偿，必须在GaAs表面沉积多层绝缘体。这样就会导致更长的工艺周期和更低的产量。而且在GaAs中半数的原子是砷，而砷是有毒的。此外，在正常的工艺温度下砷会蒸发，这就需要额外的抑制层或者加压的工艺反应。这些步骤延长了工艺时间，增加了成本。在GaAs晶体生长时也会蒸发，导致晶体和晶圆形貌不平整。这种不均匀性导致晶圆在生产中容易折断，严重制约了GaAs晶圆从6寸往更大尺寸发展。

不同于上面的GaAs pHEMT工艺，GaAs HBT的电流方向垂直于器件表面，器件速度由外延层的厚度和掺杂水平决定。HBT的横向尺寸对速度的影响相对较小，并且可以通过合理的器件结构来优化，因此GaAs HBT工艺对线宽制程要求不高，特征尺寸一般1~3um左右。

第三代半导体的代表-GaN

GaN与现有技术相比，有更高的漏极效率、更大的带宽、更高的击穿电压和更高的结温操作。GaN器件的功率密度是GaAs器件的十倍，工作电压高五倍，电流高两倍，可以在1～110GHz 范围的高频波段应用，这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。

目前的GaN还无法像硅一样直接获得一个晶圆,只能通过外延技术获得一个厚的衬底，然后将其剥离获得一个所谓的GaN晶圆。

根据外延分为GaN－on－Si、GaN－on－SiC、GaN－on－sapphire、GaN－on－GaN 四种。
GaN－on－Si：目前行业生产良率较低，但是在降低成本方面有着巨大的潜力，主要用于制造电力电子器件，技术趋势是优化大尺寸外延技术。
GaN－on－SiC：结合了 SiC 优异的导热性和的GaN 高功率密度和低损耗的能力，是 RF 的合适材料，主要用于制造微波射频器件。
GaN－on－sapphire：主要应用在 LED 市场，蓝宝石衬底 GaN LED 芯片市场占有率达到 90％以上。
GaN－on－GaN：同质衬底主要应用市场是蓝／绿光激光器，应用于激光显示、激光存储、激光照明等领域。

GaN主要的晶圆加工厂有：美国环宇通讯半导体（GCS）、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司（UMS），中国三安集成、海威华芯等。

GaN器件工艺分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、Power FET电力电子工艺，特征尺寸在0.5um~0.1um。

回顾三代半导体的演进发展过程，从实验室研究走向市场商用，都需要克服良率和产能的阻碍。目前GaN也处于这一阶段，8英寸硅基GaN的商用量产可以大幅降低成本。越来越多的GaN充电器商用，将会加速大规模生产、工艺制程革新等，从而使GaN走向平民化。

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