半导体集成电路,是指在一个半导体衬底上至少有一个电路块的半导体集成电路装置。半导体集成电路是将晶体管,二极管等等有源元件和电阻器,电容器等无源元件,按照一定的电路互联,集成在一块半导体单晶片上,从而完成特定的电路或者系统功能。半导体衬底上有设置在所述电路块边缘的多个焊盘和从所述电路块延伸至所述焊盘之间的多条布线;所述多个焊盘跟半导体集成电路装置的外部引线连接,且所述多条布线是在所述半导体衬底的主面上设有另一电路块时,用以跟来自该另一电路块的布线连接的布线,做成具有能够与来自该另一电路块的布线连接的形状。半导体集成电路是电子产品的核心器件,其产业技术的发展情 况直接关系着电力工业的发展水平。就总体情况来看,半导体产业 的技术进步在一定程度上推动了新兴产业的发展,包括光伏产业、 半导体照明产业以及平板显示产业等多种,促进了半导体集成电路 产业上下游产业供应链的完善,并在一定程度上优化了生态环境。 因此加强半导体集成电路产业技术的研究和探索,具有重要的现实意义。
三五族半导体为什么不用于集成电路
III-V族半导体器件性能高,主要还是说III-V族半导体材料用做发光器件、功率器件或微波射频器件时,发光效率高,反向耐压高或导通电阻低吧?而集成电路不需要发光,所以光效高用不上;集成电路比如CPU工作电压才1V,III-V族器件动辄几百伏上千伏的耐压不需要;而集成电路的基本单元是NMOS和PMOS构成的CMOS电路,在工作的时候只有电位改变,器件根本不导通,所以导通电阻低也没啥用。综上,III-V族半导体材料用到集成电路里和硅相比没啥特别优势吧?
其次,硅可以说是神赐予人类的材料,有非常多优良性质,也只有硅单晶的这些性质,才能够使大规模集成电路成为可能。
1.硅可使用熔融法拉单晶,单晶尺寸很容易做大,并且制备的硅晶圆纯度极高,位错密度极低。
硅单晶纯度99.999999999%(11个9,11N),GaN单晶纯度7N
硅单晶穿线位错是个位数量级,甚至有无位错硅单晶,而GaN单晶穿线位错密度在每平方厘米百万量级
硅可以做到12寸晶圆,GaN单晶只有4寸
并且因为GaN无法使用熔融法拉单晶,制造成本很高,6寸硅晶圆150元/片,2寸氮化镓晶圆1万元/片
2.硅可以通过热氧化制出厚度极均匀,密度极高的二氧化硅绝缘膜。
集成电路的基元是MOSFET,这种器件的栅极控制器件通断,金属和半导体之间需要一层氧化物形成特殊的能带结构,以便于用栅极电压控制源漏电路的通断
而集成电路规模越大,器件尺寸越小,需要的栅极氧化物也越薄,这个时候栅极氧化物的均匀性就非常重要
通过控制硅晶圆表面温度均匀性,可以在12寸硅晶圆表面通过高温热氧化形成厚度均匀性在纳米量级的二氧化硅层,使大规模集成电路成为可能。可以做一个类比,如果硅晶圆面积和地球表面积一样大,那么就相当于在地球表面形成一层厚度均匀性在1m以内的土墙,这样一想是不是觉得蛮不可思议的
当然现在有了原子层沉积技术,对于III-V族氮化物形成均匀膜层也并非不可能,但是膜层密度和制造成本相较硅还是高很多
3.在地球上硅储量及其丰富,价格及其便宜。
地壳中的元素含量依次是氧,硅,铝。。。
硅元素含量排第二位,比如沙子基本就是二氧化硅,而硅晶圆的原材料其实就是沙子
Ga这种元素就少多了,而且开采很不容易,一般都是铝矿的伴生矿,现在1kg大概3000元的样子,想想1kg沙子多少钱,就知道如果CPU变成GaN做的你还有没有可能用得起了。。
最后,我要说明一下,虽然有上述问题,让III-V族材料难以广泛应用于大规模集成电路,但是并不是说III-V族半导体材料就完全没机会。
III-V族半导体材料可以制备高性能光电、功率和微波射频器件,控制这些器件的电路如果用硅集成电路来做,需要用bonding做电链接,难以小型化,还会有其他一些问题
如果能直接使用III-V族半导体材料做逻辑电路,哪怕关键尺寸(CD)不像硅那么小(就是平时说的14nm制程,GaN一般在1μm,也就是说同样面积可以放100个硅MOS,只能放1个GaN器件),成本高一点,也不是不能接受,所以一直有人在往这个方向努力
为什么集成电路非得用半导体材料做?用铜和银可以吗?
这是因为半导体的特性而被选做集成电路的,因为他介于导体和绝缘体之间,结构组织赋予能随着温度升高而升高的特性,铜银是导体,与半导体恰恰相反,温度升高他就成绝缘体了,就是长说的烧了。
所以说集成电路选用半导体是有原因的哦,不然用导体会经常坏的。
是不是所有的电子元器件都可以做成集成电路
集成电路只是电子元器件的一种,但远远不是全部。
电子元器件种类多了,原则上说,半导体元器件、电阻都可以用集成方式实现,但电容实现难度比较大,电感就更大。所以电容、电感集成程度很低,特别是大数值电容和电感,都不可以做成集成的(其实大功率电阻也不可能做集成)。这也就是你至今都能在主板上看到电容的原因,其实CPU上也有外接电容。
其他的电子元器件就更不可能集成了,比如电声元件(简单的说就是音响喇叭,功率大,对频率响应有特殊要求),机电元件(开关、接口)等等,都不能集成。
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