為什么80%的芯片采用硅晶圓制造？

我們今天看到80%以上的芯片都是用硅片生產(chǎn)的，而不是用今天熱門的碳化硅、砷化鎵、氮化鎵等材料生產(chǎn)。這是為什么？

1. 材料的選擇標準

在選擇用于生產(chǎn)芯片的材料時，需要考慮以下幾個主要因素：

電子特性：材料必須具備良好的半導體特性，能有效控制電子的運動。

晶體結(jié)構(gòu)：材料需要具有高質(zhì)量的單晶結(jié)構(gòu)，以減少缺陷和提高芯片的性能。

成本：材料的成本需要相對低廉，以便大規(guī)模生產(chǎn)。

加工性：材料需要易于加工和制備，能夠適應現(xiàn)有的制造工藝。

熱穩(wěn)定性：材料必須能夠承受制造過程中高溫環(huán)境下的性能變化。

圖：硅晶圓的SEMI標準

2. 硅作為首選材料的原因

2.1. 半導體特性

硅是一種非常優(yōu)秀的半導體材料，其帶隙為1.12 eV，適中且適合多數(shù)電子器件的工作需求。硅的電子遷移率和空穴遷移率也較為理想，適合制造高性能的芯片。

2.2. 晶體結(jié)構(gòu)

硅能夠通過直拉法（Czochralski法）和區(qū)熔法等工藝制備出高質(zhì)量的大尺寸單晶。硅晶體結(jié)構(gòu)完善，晶格缺陷少，有利于生產(chǎn)高性能的集成電路。

圖：硅晶圓的生產(chǎn)過程

2.3. 成本

硅是地殼中含量第二豐富的元素（約占26.7%），其原材料（石英）非常豐富且廉價。相較于其他半導體材料如砷化鎵（GaAs）和碳化硅（SiC），硅的提取和制備成本顯著較低。

2.4. 加工性

硅具有良好的機械強度和化學穩(wěn)定性，能夠承受復雜的制造工藝。現(xiàn)有的半導體制造工藝（光刻、擴散、離子注入等）都是基于硅材料開發(fā)的，因此硅晶圓的加工工藝成熟且成本低。

2.5. 熱穩(wěn)定性

硅在高溫下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，能夠在高達1100°C的溫度下保持其晶體結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定。這使得硅能夠適應現(xiàn)代芯片制造中高溫工藝步驟的需求。

3. 其他材料的挑戰(zhàn)

盡管有其他材料如砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等，它們也具備優(yōu)良的半導體特性，但它們在成本、加工性、熱穩(wěn)定性等方面存在一些挑戰(zhàn)：

砷化鎵（GaAs）：電子遷移率高，但材料脆性大，制造成本高，且不易制備大尺寸單晶。

碳化硅（SiC）：帶隙寬，適合高溫高壓應用，但晶體生長困難，成本高。

氮化鎵（GaN）：具有優(yōu)良的電子特性和熱穩(wěn)定性，但材料合成復雜，成本高。

其實，硅作為半導體材料具有多方面的優(yōu)勢，包括良好的半導體特性、高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)、低廉的成本、成熟的加工工藝和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。這些因素使得硅成為制造芯片的首選材料，盡管在特定應用領(lǐng)域其他材料也有其獨特的優(yōu)勢。