电子信息材料发展趋势课件

电子信息材料发展趋势电子信息材料发展趋势1一、电子信息材料发展趋势

随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。一、电子信息材料发展趋势21集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展

微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。（1）Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。φ8英吋硅芯片是目前国际的主流产品，φ12英吋芯片已开始上市，GaAs芯片φ4英吋已进入大批量生产阶段，并且正在向φ6英吋生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。1集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展3（2）在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料——宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe/Si、SOI(Silicon-On-Insulator

)等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。（3）继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学汽相外延（MOCVD）技术将得到进一步发展和更加广泛地应用。（2）在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继4（4）高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到1ppb～0.1ppb和6N级以上，0.5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个/毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。

（4）高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到1pp52光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展

光电集成将是21世纪光电子技术发展的一个重要方向。光电子材料是发展光电信息技术的先导和基础。材料尺度逐步低维化——由体材料向薄层、超薄层和纳米结构材料的方向发展，材料系统由均质到非均质、工作特性由线性向非线性，由平衡态向非平衡态发展是其最明显的特征。发展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料。

2光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展6（1）激光晶体材料：向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐以及新波长、多功能应用方向发展。（2）红外探测器材料：大面积高均匀性HgCdTe外延薄膜及大尺寸ZnCdTe衬底材料仍是2010年前红外探测器所用的主要材料。（3）液晶材料：研究发展超扭曲向列型（STN）和薄膜晶体管型（TFT）显示器所用混合液晶，提高性能，降低成本。（1）激光晶体材料：向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调7（4）高亮度发光二极管材料：继规模生产发红、橙、黄色的GaAs基、GaP基外延材料之后，拓宽发光波段，开发发蓝光的GaN基、ZnSe基外延材料将成为研究热点。（5）光纤材料：光纤材料总体发展趋势是向着不断扩展通信容量，降低损耗，增加传输距离，降低色散，提高带宽，抑制非线性效应，实现密集波分复用以及高灵敏度传感方向发展。光纤预制棒的生产制造由单一工艺（LCVD、PCVD、OVD和VAD）向着混合工艺方向发展，不断增大预制棒尺寸（单棒拉丝长度）。

（4）高亮度发光二极管材料：继规模生产发红、橙、黄色的Ga83新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展

磁性材料、电子陶瓷材料、压电晶体管材料、绿色电池和材料、信息传感材料和高性能封装材料等将成为发展的重点。3新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展9（1）磁性材料

从总体上说，永磁材料正在向着高磁能积、高矫顽力、高剩磁方向发展，NdFeB永磁合金最大磁能积已达52MGOe；软磁材料正在向着高饱和磁通密度、高磁导率、低磁损耗、低矫顽力、高截止频率方向发展，正在开发的纳米微晶软磁合金磁导率高达100,000H/m，饱和磁感应强度可达1.3T。磁记录器的高密度、低噪音、小型化，要求磁粉的颗粒尺寸由微米向亚微米、纳米方向发展，且颗粒尺寸分布要尽可能窄。（1）磁性材料10（2）电子陶瓷材料

世界各著名大公司加大了对新材料、新品种、新技术、新工艺、新装备的投资力度。日本TDK和京都陶瓷公司的研究开发费为2.93亿美元和2.3亿美元，分别占销售额的5%和3%；美国AMP公司开发费为5.79亿美元，占销售额的10.6%；大规模生产，正在迅速将传统的陶瓷组件和复合元器件全面推向片式化、小型化，大幅度提高了产品的性能，降低了制造成本。

（2）电子陶瓷材料11（3）绿色电池用材料

高比能、长寿命、小型化、轻型化、无毒污染的绿色电池的需要快速增长，需要大力发展高性能的镍氢电池、锂离子电池用的MH合金、Ni(OH)2以及LiCoO2、LiMn2O4和MCMB等电极材料。（4）信息传感材料信息传感材料是具有信息获取、转换功能的材料，包括多种半导体、功能陶瓷、功能高分子和光纤材料。与早期的机械结构和电气结构型传感器相比，体积小、生产成本低。设计、合成具有新的物理、化学敏感功能，特别是具有生物和复合功能的新材料，进一步提高材料的敏感度和反应滞后及恢复速度，是追求的主要目标。

（3）绿色电池用材料12二我国的发展现状及与国外差距

经过30多年发展，我国电子信息材料已经建立起门类较齐全的科研开发体系，通过“八五”、“九五”科技攻关和技术改造，使一些用量大、用途广、用汇多的关键电子信息材料的研究、开发、生产方面取得了较大进展，形成了相应的研究、开发和生产中心，在个别领域还成为生产大国。

二我国的发展现状及与国外差距13半导体多晶硅

半导体多晶硅年产量约40吨，2000年初验收了年产100吨多晶硅的生产试制线；单晶硅生产能力为300吨/年，产量约260吨/年；单晶硅直径为2～8英吋，其中以φ4英吋为主，抛光片直径2～6英吋，产量合计为0.2亿平方英吋；国外多晶硅生产厂家的经济生产规模为1000吨/年，抛光片0.6亿平方英吋/年，全球抛光硅片的产量约40亿平方英吋，以直径6英吋和8英吋为主，我国抛光硅片产量仅占世界产量的千分之五，抛光片直径以φ4英吋为主，φ8英吋抛光片尚处于试制阶段；新型结构SOI材料，国内只开展了初步研究，距实用化尚有很大距离。半导体多晶硅14化合物半导体材料

GaAs单晶以φ2～3英吋为主，仅研制出了φ4英吋单晶样品，生产能力为600千克/年；国产GaAs单晶性能基本能满足器件、电路的需要，存在的主要问题是芯片表面加工质量差，达不到开盒即用的要求；InP单晶实用化水平为φ2英吋；用于红外焦平面器件的HgCdTe外延薄膜受衬底尺寸限制，目前最大尺寸为20mm×20mm。化合物半导体材料15低维和宽禁带半导体材料

我国用低维半导体材料已研制出HEMT、PHEMT、HBT等微电子器件和量子阱激光器、调制器、光学双稳态器件等。目前，GaAs基量子阱微结构材料已达到实用化水平。InP基量子阱微结构材料尚处于实验室研制阶段。GeSi/Si材料正在研制中，尚未实用化。对宽禁带半导体材料，开展了SiC/Si、GaN基、金刚石外延材料的初步研究，SiC和GaN衬底单晶的研制也刚开始起步。

低维和宽禁带半导体材料16固体激光晶体和非线性光学晶体

我国Nd∶YAG激光晶体直径最大尺寸达φ60mm，商品化尺寸为φ40～φ60mm，年产值约2000～4000万元。我国的YVO4、Nd∶YVO4激光晶体具有国际领先水平，产品占国际市场的1/3；另外，Ho∶Cr∶Tm∶YAG、Er∶YAG、Ho∶Cr∶Tm∶YLF、Ti∶Al2O3等也有小批量试制能力，但未形成批量产品。在非线性光学晶体研究生产方面，我国首创的BBO、LBO晶体在80年代末至90年代初独占世界市场。KTP、BGO、Fe∶KNbO3、BaTiO3、LAP等优质非线性光学晶体也已进入国际市场，占有较大份额。固体激光晶体和非线性光学晶体17国内光纤生产质量已达到国际一流水平，但制造光纤的核心材料——光纤预制棒80%～90%依靠进口。国内液晶材料研究和生产水平低，只能提供部分TN型显示用液晶材料，还不能生产宽温低粘度TN显示用液晶。国内压电材料除α-SiO2产量较大有部分出口外，多数产业化水平低、规模小，高性能材料仍需进口。电子陶瓷材料生产可满足国内需求，但产品质量，特别是电子陶瓷元器件片式化程度与国际水平差距较大。国内电池材料在均匀性、一致性、电/化学性能、比容量等方面与国外产品相比，存在一定的差距。国内光纤生产质量已达到国际一流水平，但制造18三发展重点及关键技术

1发展重点

1）微电子器件/电路用材料

①集成电路用φ8～φ16英吋硅抛光片及外延片满足<0.18μm技术用的正片。②φ4～6英吋GaAs单晶片和外延材料。③φ3英吋InP单芯片。④GaAs、InP基半导体超晶格、量子阱材料。三发展重点及关键技术19⑤<0.18μm技术集成电路用关键结构与工艺辅助材料（超高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等）。⑥SOI结构材料和GeSi/Si材料。⑦高温、抗辐射器件/电路用宽带隙SiC单晶及外延材料。

⑤<0.18μm技术集成电路用关键结构与工艺辅助材料（超202)光电子材料

①高功率Nd∶YAG激光晶体、可调谐Ti∶Al2O3

激光晶体、LD泵浦和新波长激光晶体。②红外探测器用大面积、高均匀性HgCdTe外延材料及CdZnTe衬底材料。③超高亮度LED用GaAs、GaP、GaN基外延材料。④半导体激光器(LD)用GaAs、InP、GaN基外延材料。⑤STN、TFT显示器用液晶材料。⑥用于密集波分复用系统的G.655非零色散位移光纤及大尺寸光纤预制棒。⑦新型非线性光学晶体。2)光电子材料213）新型电子元器件用材料①磁性材料

重点发展高性能软磁铁氧体、永磁铁氧体、各向异性粘结永磁性、微波铁氧体、纳米晶磁性材料和天资记录材料（高性能微细金属磁粉、高性能金属磁头材料、磁阻效应与磁阻材料和巨磁阻材料等）。3）新型电子元器件用材料22②电子陶瓷材料

重点发展高性能介质陶瓷（交流高压瓷料、III型瓷料、MLC瓷料）、热敏陶瓷（NTC、PTC）、压敏陶瓷（ZnO的高压低能及SrTiO3双功能瓷料）、压电陶瓷、微波陶瓷材料，全面推进陶瓷元器件的片式化，同时发展多芯片组装用陶瓷基板材料。②电子陶瓷材料23③压电晶体管材料重点以手机国产化所需的900MHz/1800MHz高频SAW滤波器为需求目标，完成大尺寸、高均匀性、高完整性的石英(α-SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、四硼酸锂(Li2B4O7)等材料的产业化，同时开展铌酸钾(KNbO3)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)等。新一代性能优异的压晶体管及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速材料的研制工作，为新一代高频SAW及BAW器件的发展奠定基础。

③压电晶体管材料24④绿色电池用材料

重点发展镍氢电池正、负极材料(MH合金、Ni(OH)2)和锂离子电池正、负极材料（LiCoO2、LiMn2O4、MCMB碳材料）。⑤

信息传感材料

用于汽车等传感器的材料，主要有半导体材料和功能陶瓷材料等；用于医疗检查和生活舒适方面传感器的材料，主要有半导体材料、功能陶瓷材料、高分子传感材料和光纤材料等；用于办公和工农业生产自动化方面传感器的材料，主要有半导体材料和功能陶瓷材料等；用于通信广播领域传感器的材料，主要有半导体材料和功能陶瓷材料等。④绿色电池用材料252关键技术1）大尺寸、高均匀性、高完整性晶体生长技术2）高完整、高纯度、高精度芯片加工技术3）MOCVD、MBE超薄膜生产技术4）精确的成分和组分控制技术5）高纯和超高纯材料提纯制备技术

2关键技术266）低维材料的微细加工与制备技术7）高均匀、超细粉体制备技术8）电子陶瓷、磁性材料的烧结和成型技术9）材料的修饰或改性技术10）材料的物理、化学性能分析测试技术6）低维材料的微细加工与制备技术27电子信息材料发展趋势电子信息材料发展趋势28一、电子信息材料发展趋势

随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。一、电子信息材料发展趋势291集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展

微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。（1）Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。φ8英吋硅芯片是目前国际的主流产品，φ12英吋芯片已开始上市，GaAs芯片φ4英吋已进入大批量生产阶段，并且正在向φ6英吋生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。1集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展30（2）在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料——宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe/Si、SOI(Silicon-On-Insulator

)等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。（3）继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学汽相外延（MOCVD）技术将得到进一步发展和更加广泛地应用。（2）在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继31（4）高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到1ppb～0.1ppb和6N级以上，0.5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个/毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。

（4）高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到1pp322光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展

光电集成将是21世纪光电子技术发展的一个重要方向。光电子材料是发展光电信息技术的先导和基础。材料尺度逐步低维化——由体材料向薄层、超薄层和纳米结构材料的方向发展，材料系统由均质到非均质、工作特性由线性向非线性，由平衡态向非平衡态发展是其最明显的特征。发展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料。

2光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展33（1）激光晶体材料：向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐以及新波长、多功能应用方向发展。（2）红外探测器材料：大面积高均匀性HgCdTe外延薄膜及大尺寸ZnCdTe衬底材料仍是2010年前红外探测器所用的主要材料。（3）液晶材料：研究发展超扭曲向列型（STN）和薄膜晶体管型（TFT）显示器所用混合液晶，提高性能，降低成本。（1）激光晶体材料：向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调34（4）高亮度发光二极管材料：继规模生产发红、橙、黄色的GaAs基、GaP基外延材料之后，拓宽发光波段，开发发蓝光的GaN基、ZnSe基外延材料将成为研究热点。（5）光纤材料：光纤材料总体发展趋势是向着不断扩展通信容量，降低损耗，增加传输距离，降低色散，提高带宽，抑制非线性效应，实现密集波分复用以及高灵敏度传感方向发展。光纤预制棒的生产制造由单一工艺（LCVD、PCVD、OVD和VAD）向着混合工艺方向发展，不断增大预制棒尺寸（单棒拉丝长度）。

（4）高亮度发光二极管材料：继规模生产发红、橙、黄色的Ga353新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展

磁性材料、电子陶瓷材料、压电晶体管材料、绿色电池和材料、信息传感材料和高性能封装材料等将成为发展的重点。3新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展36（1）磁性材料

从总体上说，永磁材料正在向着高磁能积、高矫顽力、高剩磁方向发展，NdFeB永磁合金最大磁能积已达52MGOe；软磁材料正在向着高饱和磁通密度、高磁导率、低磁损耗、低矫顽力、高截止频率方向发展，正在开发的纳米微晶软磁合金磁导率高达100,000H/m，饱和磁感应强度可达1.3T。磁记录器的高密度、低噪音、小型化，要求磁粉的颗粒尺寸由微米向亚微米、纳米方向发展，且颗粒尺寸分布要尽可能窄。（1）磁性材料37（2）电子陶瓷材料

世界各著名大公司加大了对新材料、新品种、新技术、新工艺、新装备的投资力度。日本TDK和京都陶瓷公司的研究开发费为2.93亿美元和2.3亿美元，分别占销售额的5%和3%；美国AMP公司开发费为5.79亿美元，占销售额的10.6%；大规模生产，正在迅速将传统的陶瓷组件和复合元器件全面推向片式化、小型化，大幅度提高了产品的性能，降低了制造成本。

（2）电子陶瓷材料38（3）绿色电池用材料

高比能、长寿命、小型化、轻型化、无毒污染的绿色电池的需要快速增长，需要大力发展高性能的镍氢电池、锂离子电池用的MH合金、Ni(OH)2以及LiCoO2、LiMn2O4和MCMB等电极材料。（4）信息传感材料信息传感材料是具有信息获取、转换功能的材料，包括多种半导体、功能陶瓷、功能高分子和光纤材料。与早期的机械结构和电气结构型传感器相比，体积小、生产成本低。设计、合成具有新的物理、化学敏感功能，特别是具有生物和复合功能的新材料，进一步提高材料的敏感度和反应滞后及恢复速度，是追求的主要目标。

（3）绿色电池用材料39二我国的发展现状及与国外差距

经过30多年发展，我国电子信息材料已经建立起门类较齐全的科研开发体系，通过“八五”、“九五”科技攻关和技术改造，使一些用量大、用途广、用汇多的关键电子信息材料的研究、开发、生产方面取得了较大进展，形成了相应的研究、开发和生产中心，在个别领域还成为生产大国。

二我国的发展现状及与国外差距40半导体多晶硅

半导体多晶硅年产量约40吨，2000年初验收了年产100吨多晶硅的生产试制线；单晶硅生产能力为300吨/年，产量约260吨/年；单晶硅直径为2～8英吋，其中以φ4英吋为主，抛光片直径2～6英吋，产量合计为0.2亿平方英吋；国外多晶硅生产厂家的经济生产规模为1000吨/年，抛光片0.6亿平方英吋/年，全球抛光硅片的产量约40亿平方英吋，以直径6英吋和8英吋为主，我国抛光硅片产量仅占世界产量的千分之五，抛光片直径以φ4英吋为主，φ8英吋抛光片尚处于试制阶段；新型结构SOI材料，国内只开展了初步研究，距实用化尚有很大距离。半导体多晶硅41化合物半导体材料

GaAs单晶以φ2～3英吋为主，仅研制出了φ4英吋单晶样品，生产能力为600千克/年；国产GaAs单晶性能基本能满足器件、电路的需要，存在的主要问题是芯片表面加工质量差，达不到开盒即用的要求；InP单晶实用化水平为φ2英吋；用于红外焦平面器件的HgCdTe外延薄膜受衬底尺寸限制，目前最大尺寸为20mm×20mm。化合物半导体材料42低维和宽禁带半导体材料

我国用低维半导体材料已研制出HEMT、PHEMT、HBT等微电子器件和量子阱激光器、调制器、光学双稳态器件等。目前，GaAs基量子阱微结构材料已达到实用化水平。InP基量子阱微结构材料尚处于实验室研制阶段。GeSi/Si材料正在研制中，尚未实用化。对宽禁带半导体材料，开展了SiC/Si、GaN基、金刚石外延材料的初步研究，SiC和GaN衬底单晶的研制也刚开始起步。

低维和宽禁带半导体材料43固体激光晶体和非线性光学晶体

我国Nd∶YAG激光晶体直径最大尺寸达φ60mm，商品化尺寸为φ40～φ60mm，年产值约2000～4000万元。我国的YVO4、Nd∶YVO4激光晶体具有国际领先水平，产品占国际市场的1/3；另外，Ho∶Cr∶Tm∶YAG、Er∶YAG、Ho∶Cr∶Tm∶YLF、Ti∶Al2O3等也有小批量试制能力，但未形成批量产品。在非线性光学晶体研究生产方面，我国首创的BBO、LBO晶体在80年代末至90年代初独占世界市场。KTP、BGO、Fe∶KNbO3、BaTiO3、LAP等优质非线性光学晶体也已进入国际市场，占有较大份额。固体激光晶体和非线性光学晶体44国内光纤生产质量已达到国际一流水平，但制造光纤的核心材料——光纤预制棒80%～90%依靠进口。国内液晶材料研究和生产水平低，只能提供部分TN型显示用液晶材料，还不能生产宽温低粘度TN显示用液晶。国内压电材料除α-SiO2产量较大有部分出口外，多数产业化水平低、规模小，高性能材料仍需进口。电子陶瓷材料生产可满足国内需求，但产品质量，特别是电子陶瓷元器件片式化程度与国际水平差距较大。国内电池材料在均匀性、一致性、电/化学性能、比容量等方面与国外产品相比，存在一定的差距。国内光纤生产质量已达到国际一流水平，但制造45三发展重点及关键技术

1发展重点

1）微电子器件/电路用材料

①集成电路用φ8～φ16英吋硅抛光片及外延片满足<0.18μm技术用的正片。②φ4～6英吋GaAs单晶片和外延材料。③φ3英吋InP单芯片。④GaAs、InP基半导体超晶格、量子阱材料。三发展重点及关键技术46⑤<0.18μm技术集成电路用关键结构与工艺辅助材料（超高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等）。⑥SOI结构材料和GeSi/Si材料。⑦高温、抗辐射器件/电路用宽带隙SiC单晶及外延材料。

⑤<0.18μm技术集成电路用关键结构与工艺辅助材料（超472)光电子材料

①高功率Nd∶YAG激光晶体、可调谐Ti∶Al2O3

激光晶体、LD泵浦和新波长激光晶体。②红外探测器用大面积、高均匀性HgCdTe外延材料及CdZnTe衬底材料。③超高亮度LED用GaAs、GaP、GaN基外延材料。④半导体激光器(LD)用GaAs、InP、GaN基外延材料。⑤STN、TFT显示器用液晶材料。⑥用于密集波分复用系统的G.65