半導體技術發展過程中的基本分析

　　隨著科技的不斷創新和發展, 半導體技術也取得了顯著的發展成果, 特別是半導體晶體管得到了非常廣泛的運用, 已經有越來越多的人們投入到了半導體技術相關的工作中。自從半導體技術的出現到現在, 它已經逐漸滲透到人們日常的生產、生活各個方面。伴隨著半導體技術的開發和發展, 人們必將受益。在此主要探討了半導體技術的概念和開發發展過程, 以及我國目前半導體的發展現狀和未來的發展趨勢。

　　《半導體技術》以嚴謹風格，權威著述，在業內深孚眾望，享譽中外，對我國半導體事業的發展發揮了積極的作用。"向讀者提供更好資訊，為客戶開拓更大市場，提供技術成果展示、轉化和技術交流的平臺，達到了促進我國半導體技術不斷發展的目的"是《半導體技術》的追求，本刊一如既往地堅持客戶至上，服務第一，竭誠向讀者提供多元化的信息。

　　在硅技術領域, 對于芯片的尺寸正在逐漸的變小, 晶圓的尺寸在不斷的增大, 這兩種需求正在積極的推動著半導體技術快速的向前發展。隨著半導體技術的發展, 特別是在高速計算、通訊、可再生清潔能源、電子對抗以及智能化等這些對國家安全以及提高國民經濟方面的領域起到了巨大的推動作用, 受到了人們的普遍重視和歡迎。

　　1半導體以及半導體技術的含義

　　一般情況下絕緣體指的是一些導電性和導熱性都比較差的材料, 比如金剛石、陶瓷、玻璃、人工晶體等等, 而諸如一些金屬材料比如鐵、銅、金、銀等都是導熱性、導電性比較好的材料稱之為導體。而半導體的定義就是介于兩者之間的, 其發現的時間也比較晚, 大約在20世紀30年代才被學術界真正的認可半導體的存在。半導體的應用在我們日常生活中非常廣泛, 比如常見的電視、收音機等設備, 其內部的很多二極管都是采用半導體制成。半導體的價值非常可觀, 目前我們常用的手機、計算機等電子產品的核心部分都是半導體, 因為很多組件和集成電路的相關技術都是建立在半導體材料的基礎之上完成的[1]。

　　2半導體技術的發展現狀

　　在20世紀初期, 雖然人們對于半導體的認知還不是很豐富, 但是對于半導體材料的研究已經逐漸嶄露頭角。在20世紀20年代, 隨著量子力學以及固體物理的發展, 對于半導體材料的電子運輸狀態以及電子態都有了非常深入的研究和發展, 對于半導體材料的雜質、結構的性能以及缺陷等問題都有了充足的認知, 人們開始逐漸的轉入半導體晶體材料的純度以及完整性方面的研究。到了50年代, 為了提高晶體管的穩定性, 更好的完善晶體管的自身特性, 半導體材料的制備技術取得了飛速的發展。隨著化學束外延、金屬有機氣相外延等一些列先進外延生長技術的發展, 已經成功的出現了一些列非晶態薄層、超薄層等的材料, 這大大的推動了半導體器件和物理設計和制造, 為后期的量子效應時代的發展打下了堅實的基礎。

　　半導體技術在我國的發展還是處在一個初級的起步階段, 而且各個方面的配套技術還有待提高, 缺乏平衡。比如在設計方面以及制造方面已經取得了飛速的發展, 但是在封裝和測試的方面還有很多的短板之處。而且, 我國目前很多的企業存在設計規模較小、產值低下, 對于半導體技術的研發能力也比較差, 在自主知識產權方面還比較匱乏, 市場化的管理以及政策的相關配套等方面都有很多的不足[2]。相對于歐美等國家來說, 我國的半導體事業發展存在較大差距。由于經濟和技術等各個方面的積累不是很充分, 在一些利潤最高、規模最大的市場上, 比如FPGA、CPU等領域我國的公司還是有很長的一段路要走, 幾乎處于一種別人吃肉我喝湯的狀態。目前, 一些發達國家的半導體發展的趨勢就是逐漸的將芯片的生產和制造轉移到東南亞一些地區, 而在自己國家就只是負責設計方面的環節。這種根據市場經濟的利益來決定半導體的發展產業對我國的半導體產業發展有著積極的推動作用。

　　3半導體技術的開發和發展趨勢

　　微電子技術的發展趨勢主要體現在以下三個方面:首先就是不斷增長高密度嵌入的設計水平;然后就是不斷的擴展跨學科的橫向應用方面;最后就是不斷的尋求突破。經過大量的研究發現, 微電子技術的后期發展還是要以硅作為主流趨勢, 由于微電子技術和其他一些學科的融合, 這肯定會帶來更加客觀的經濟增長點以及新的技術突破。

　　3.1高密度的嵌入設計階段

　　微電子技術的發展的目標就是在盡可能的小的空間內, 集成盡可能大的規模功能, 這間接的帶動了一系列產業的進步, 包括設計、測試以及封裝等各個環節, 促進了材料、設備甚至是廠區的變遷。在這個過程中, IC的出現是一個非常重要的里程碑環節, 推動了晶體管物理到邏輯綜合以及電路模擬等方面的進步, 而且已經逐漸的過渡到了IS新的發展階段[3]。這就實現了把整個電子系統集成到了一個芯片上, 把IC的單純硬件設計也提高了一個檔次, 提升到電子系統硬件和軟件合理分配的階段, 這說明IS是微電子技術下一個重要的發展階段。IS在某種程度上來說是控制系統的一個組成部分, 也可以作為一個獨立的復雜系統, 這跟ASIC芯片是不一樣的。而且IS還有一定的存儲編程能力, 這極大的擴大了IS芯片的應用領域。但是由于IS涉及到了很多的軟硬件系統的集成, 而且是多個層次的基礎, 因此導致了其設計環節具有了更多的復雜性, 同時還要面對深亞微米寄生效應的問題, 這都給IS的生產制造帶來非常大的麻煩。在物理層面上來說由于存在深亞微米、百萬門級集成等問題導致了IS的設計非常困難, 主要是因為元器件和相互連接的部分沒有按照比例進行縮小。器件縮小, 但是導致了驅動的能力減弱了, 受到噪音的影響變得非常敏感, 但是互聯的縮小不能等同于電阻的增大, 而且隨著互連層數的增加, 層間的介質就會出現變薄的問題, 這都極大的增加了訊號的耦合問題[4]。基于此, IS的未來設計目標就是逐漸的從以往的注重版圖最小化和邏輯設計轉向以互連為中心, 支持布線的評估、規劃以及綜合驗證方面來。另外, 還應該提高測試的精度, 在IS的設計中充分考慮封裝的影響問題。

　　3.2跨學科的橫向發展運用階段

　　任何技術的發展都離不開經濟的大力支持, 半導體技術的飛速發展帶動了高密度嵌入電子系統技術的發展, 而且還橫向的擴展到了光學、機械、生物以及化學等相關領域, 這也促進了很多交叉學科比如機械學、微電子、微光電子學等的發展, 也由此引發了很多新興行業的興起和發展。微電子技術的橫向發展應用主要是有兩個主要方向:利用微細加工的手段形成單純的創新裝置或者逐漸的嵌入微電子控制電路形成一種新型的智能微裝置。利用微細加工等一系列手段形成創新型的微裝置。比如“芯片分析儀”這種微裝置就是硅片或者其他的一些襯底上的利用光刻的辦法形成曲線型的溝槽。然后在溝槽中進行液體的分析, 在電磁場的作用下產生電動效應可以讓液體以1ml/s的速度來抽送, 以便于其測量熒光譜。還有類似的比如“DNA芯片”, 用光刻的方式在襯底上制作互補DNA的陣列, 然后用兩種不同的顏色分布標記探針使之雜交, 然后可以根據每一段的基因片段強度檢測出基因在細胞中的活性等功能。利用精細加工等新型手段形成嵌入的微電子控制的微智能裝置。比如MEMS系統就是一個非常明顯的例子, 可以利用光刻刻蝕的方法形成馬達、微型齒輪、閥門等一些微機械以及微電子控制系統等, 這些都是涉及到一些新的材料、電子控制、機械制造、機器人等多門學科的集成。在初期階段, MEMS主要是用在汽車的加速表方面, 后期就逐漸的運用到各個方面, 小到一些昆蟲機器人再到大型的一些微型衛星等。該類智能微裝置最終將成為引起一種新的產業領域和技術的誕生[5]。

　　3.3突破極限的開發發展階段

　　由于半導體技術給社會帶來的巨大效益, 因此吸引了大量的企業家和科學家投入到半導體技術的開發和研究, 相繼投入了巨資進行研究, 這也是逼近于極限的研究氛圍。主要是研究一些目前來說尚且不夠明朗的光刻技術、或者是前期遇到有嚴重困難的工藝集成技術以及封裝技術, 以及GHZ信號的傳輸互連技術等等。在繼續發展的半導體技術深挖研究中能夠發現, 后期的發展主要可以歸納為三個方向:

　　(1) 進一步的將尺寸縮小, 降低電壓電壓, 在體硅器件結構的基礎上不斷的開發具有低電壓、低寄生電容等優點的結構。在碰到體硅器件頻率、速度等受到限制的時候, 人們不但能夠保持硅技術的長處, 還能夠提高器件的自身性能以及其他硅基半導體器件。

　　(2) 在追求硅技術高密度集成和橫向發展運用的階段, 人們同時又開展了關于材料、系統、器件等各個層次的技術研究, 開展了半導體機、光、電、熱磁效應等相互之間的耦合、調制等方面的研究, 目的就是為了能夠誕生新的系統和元器件, 因此有可能產生一種新型的復合功能電子學科。

　　(3) 在元器件逐漸的縮小到一定程度時, 人們還在逐漸的研究極力抑制, 而不是一味的利用小尺寸器件設計熱電子、摻雜漲落等環節, 而是逐漸的突破半導體技術的理論, 探索新的制造技術, 把“微米科技”不斷的推向“納米科技”, 爭取在生物器件、量子器件等領域進行一個非常大的突破。

　　綜上所述, 隨著半導體技術的不斷創新和發展, 特別是微細加工技術的深入發展, 半導體器件的尺寸正在逐漸的接近于量子尺寸。當器件尺寸達到了量子尺寸時那么建筑在粒子性物理上的半導體電子學也會逐漸的被波形半導體量子學而取代。半導體技術的自身發展趨勢和關聯技術的成熟發展是半導體技術的快速發展的推動力。另外, 先進的科學技術以及一些現實的高要求無疑成為了半導體技術發展的巨大牽引力。這些巨大的推動力和牽引力都對半導體技術特別是微電子學、光電子學等的發展起到了非常積極的作用。

　　參考文獻

　　[1].世界半導體技術的發展大趨勢[J].電子產品世界, 2012, 19 (04) :9.

　　[2]陳海明.美、日、歐寬帶隙半導體技術發展研究[J].半導體技術, 2010, 35 (08) :749-752+756.

　　[3]林杞澤, 陳松.三星電子公司半導體技術發展過程[J].中國科技論壇, 1999 (01) :58-61.

　　[4]金圣東.半導體技術的發展趨勢和研究重點[J].半導體情報, 1993 (01) :14-19.

　　[5]王峰瀛.泛半導體技術的發展[J].電子技術與軟件工程, 2018 (01) :85.