半导体技术发展过程中的基本分析
随着科技的不断创新和发展, 半导体技术也取得了显著的发展成果, 特别是半导体晶体管得到了非常广泛的运用, 已经有越来越多的人们投入到了半导体技术相关的工作中。自从半导体技术的出现到现在, 它已经逐渐渗透到人们日常的生产、生活各个方面。伴随着半导体技术的开发和发展, 人们必将受益。在此主要探讨了半导体技术的概念和开发发展过程, 以及我国目前半导体的发展现状和未来的发展趋势。
《半导体技术》以严谨风格，权威著述，在业内深孚众望，享誉中外，对我国半导体事业的发展发挥了积极的作用。"向读者提供更好资讯，为客户开拓更大市场，提供技术成果展示、转化和技术交流的平台，达到了促进我国半导体技术不断发展的目的"是《半导体技术》的追求，本刊一如既往地坚持客户至上，服务第一，竭诚向读者提供多元化的信息。
在硅技术领域, 对于芯片的尺寸正在逐渐的变小, 晶圆的尺寸在不断的增大, 这两种需求正在积极的推动着半导体技术快速的向前发展。随着半导体技术的发展, 特别是在高速计算、通讯、可再生清洁能源、电子对抗以及智能化等这些对国家安全以及提高国民经济方面的领域起到了巨大的推动作用, 受到了人们的普遍重视和欢迎。
1半导体以及半导体技术的含义
一般情况下绝缘体指的是一些导电性和导热性都比较差的材料, 比如金刚石、陶瓷、玻璃、人工晶体等等, 而诸如一些金属材料比如铁、铜、金、银等都是导热性、导电性比较好的材料称之为导体。而半导体的定义就是介于两者之间的, 其发现的时间也比较晚, 大约在20世纪30年代才被学术界真正的认可半导体的存在。半导体的应用在我们日常生活中非常广泛, 比如常见的电视、收音机等设备, 其内部的很多二极管都是采用半导体制成。半导体的价值非常可观, 目前我们常用的手机、计算机等电子产品的核心部分都是半导体, 因为很多组件和集成电路的相关技术都是建立在半导体材料的基础之上完成的[1]。
2半导体技术的发展现状
在20世纪初期, 虽然人们对于半导体的认知还不是很丰富, 但是对于半导体材料的研究已经逐渐崭露头角。在20世纪20年代, 随着量子力学以及固体物理的发展, 对于半导体材料的电子运输状态以及电子态都有了非常深入的研究和发展, 对于半导体材料的杂质、结构的性能以及缺陷等问题都有了充足的认知, 人们开始逐渐的转入半导体晶体材料的纯度以及完整性方面的研究。到了50年代, 为了提高晶体管的稳定性, 更好的完善晶体管的自身特性, 半导体材料的制备技术取得了飞速的发展。随着化学束外延、金属有机气相外延等一些列先进外延生长技术的发展, 已经成功的出现了一些列非晶态薄层、超薄层等的材料, 这大大的推动了半导体器件和物理设计和制造, 为后期的量子效应时代的发展打下了坚实的基础。
半导体技术在我国的发展还是处在一个初级的起步阶段, 而且各个方面的配套技术还有待提高, 缺乏平衡。比如在设计方面以及制造方面已经取得了飞速的发展, 但是在封装和测试的方面还有很多的短板之处。而且, 我国目前很多的企业存在设计规模较小、产值低下, 对于半导体技术的研发能力也比较差, 在自主知识产权方面还比较匮乏, 市场化的管理以及政策的相关配套等方面都有很多的不足[2]。相对于欧美等国家来说, 我国的半导体事业发展存在较大差距。由于经济和技术等各个方面的积累不是很充分, 在一些利润最高、规模最大的市场上, 比如FPGA、CPU等领域我国的公司还是有很长的一段路要走, 几乎处于一种别人吃肉我喝汤的状态。目前, 一些发达国家的半导体发展的趋势就是逐渐的将芯片的生产和制造转移到东南亚一些地区, 而在自己国家就只是负责设计方面的环节。这种根据市场经济的利益来决定半导体的发展产业对我国的半导体产业发展有着积极的推动作用。
3半导体技术的开发和发展趋势
微电子技术的发展趋势主要体现在以下三个方面:首先就是不断增长高密度嵌入的设计水平;然后就是不断的扩展跨学科的横向应用方面;最后就是不断的寻求突破。经过大量的研究发现, 微电子技术的后期发展还是要以硅作为主流趋势, 由于微电子技术和其他一些学科的融合, 这肯定会带来更加客观的经济增长点以及新的技术突破。
3.1高密度的嵌入设计阶段
微电子技术的发展的目标就是在尽可能的小的空间内, 集成尽可能大的规模功能, 这间接的带动了一系列产业的进步, 包括设计、测试以及封装等各个环节, 促进了材料、设备甚至是厂区的变迁。在这个过程中, IC的出现是一个非常重要的里程碑环节, 推动了晶体管物理到逻辑综合以及电路模拟等方面的进步, 而且已经逐渐的过渡到了IS新的发展阶段[3]。这就实现了把整个电子系统集成到了一个芯片上, 把IC的单纯硬件设计也提高了一个档次, 提升到电子系统硬件和软件合理分配的阶段, 这说明IS是微电子技术下一个重要的发展阶段。IS在某种程度上来说是控制系统的一个组成部分, 也可以作为一个独立的复杂系统, 这跟ASIC芯片是不一样的。而且IS还有一定的存储编程能力, 这极大的扩大了IS芯片的应用领域。但是由于IS涉及到了很多的软硬件系统的集成, 而且是多个层次的基础, 因此导致了其设计环节具有了更多的复杂性, 同时还要面对深亚微米寄生效应的问题, 这都给IS的生产制造带来非常大的麻烦。在物理层面上来说由于存在深亚微米、百万门级集成等问题导致了IS的设计非常困难, 主要是因为元器件和相互连接的部分没有按照比例进行缩小。器件缩小, 但是导致了驱动的能力减弱了, 受到噪音的影响变得非常敏感, 但是互联的缩小不能等同于电阻的增大, 而且随着互连层数的增加, 层间的介质就会出现变薄的问题, 这都极大的增加了讯号的耦合问题[4]。基于此, IS的未来设计目标就是逐渐的从以往的注重版图最小化和逻辑设计转向以互连为中心, 支持布线的评估、规划以及综合验证方面来。另外, 还应该提高测试的精度, 在IS的设计中充分考虑封装的影响问题。
3.2跨学科的横向发展运用阶段
任何技术的发展都离不开经济的大力支持, 半导体技术的飞速发展带动了高密度嵌入电子系统技术的发展, 而且还横向的扩展到了光学、机械、生物以及化学等相关领域, 这也促进了很多交叉学科比如机械学、微电子、微光电子学等的发展, 也由此引发了很多新兴行业的兴起和发展。微电子技术的横向发展应用主要是有两个主要方向:利用微细加工的手段形成单纯的创新装置或者逐渐的嵌入微电子控制电路形成一种新型的智能微装置。利用微细加工等一系列手段形成创新型的微装置。比如“芯片分析仪”这种微装置就是硅片或者其他的一些衬底上的利用光刻的办法形成曲线型的沟槽。然后在沟槽中进行液体的分析, 在电磁场的作用下产生电动效应可以让液体以1ml/s的速度来抽送, 以便于其测量荧光谱。还有类似的比如“DNA芯片”, 用光刻的方式在衬底上制作互补DNA的阵列, 然后用两种不同的颜色分布标记探针使之杂交, 然后可以根据每一段的基因片段强度检测出基因在细胞中的活性等功能。利用精细加工等新型手段形成嵌入的微电子控制的微智能装置。比如MEMS系统就是一个非常明显的例子, 可以利用光刻刻蚀的方法形成马达、微型齿轮、阀门等一些微机械以及微电子控制系统等, 这些都是涉及到一些新的材料、电子控制、机械制造、机器人等多门学科的集成。在初期阶段, MEMS主要是用在汽车的加速表方面, 后期就逐渐的运用到各个方面, 小到一些昆虫机器人再到大型的一些微型卫星等。该类智能微装置最终将成为引起一种新的产业领域和技术的诞生[5]。
3.3突破极限的开发发展阶段
由于半导体技术给社会带来的巨大效益, 因此吸引了大量的企业家和科学家投入到半导体技术的开发和研究, 相继投入了巨资进行研究, 这也是逼近于极限的研究氛围。主要是研究一些目前来说尚且不够明朗的光刻技术、或者是前期遇到有严重困难的工艺集成技术以及封装技术, 以及GHZ信号的传输互连技术等等。在继续发展的半导体技术深挖研究中能够发现, 后期的发展主要可以归纳为三个方向:
(1) 进一步的将尺寸缩小, 降低电压电压, 在体硅器件结构的基础上不断的开发具有低电压、低寄生电容等优点的结构。在碰到体硅器件频率、速度等受到限制的时候, 人们不但能够保持硅技术的长处, 还能够提高器件的自身性能以及其他硅基半导体器件。
(2) 在追求硅技术高密度集成和横向发展运用的阶段, 人们同时又开展了关于材料、系统、器件等各个层次的技术研究, 开展了半导体机、光、电、热磁效应等相互之间的耦合、调制等方面的研究, 目的就是为了能够诞生新的系统和元器件, 因此有可能产生一种新型的复合功能电子学科。
(3) 在元器件逐渐的缩小到一定程度时, 人们还在逐渐的研究极力抑制, 而不是一味的利用小尺寸器件设计热电子、掺杂涨落等环节, 而是逐渐的突破半导体技术的理论, 探索新的制造技术, 把“微米科技”不断的推向“纳米科技”, 争取在生物器件、量子器件等领域进行一个非常大的突破。
综上所述, 随着半导体技术的不断创新和发展, 特别是微细加工技术的深入发展, 半导体器件的尺寸正在逐渐的接近于量子尺寸。当器件尺寸达到了量子尺寸时那么建筑在粒子性物理上的半导体电子学也会逐渐的被波形半导体量子学而取代。半导体技术的自身发展趋势和关联技术的成熟发展是半导体技术的快速发展的推动力。另外, 先进的科学技术以及一些现实的高要求无疑成为了半导体技术发展的巨大牵引力。这些巨大的推动力和牵引力都对半导体技术特别是微电子学、光电子学等的发展起到了非常积极的作用。
参考文献
[1].世界半导体技术的发展大趋势[J].电子产品世界, 2012, 19 (04) :9.
[2]陈海明.美、日、欧宽带隙半导体技术发展研究[J].半导体技术, 2010, 35 (08) :749-752+756.
[3]林杞泽, 陈松.三星电子公司半导体技术发展过程[J].中国科技论坛, 1999 (01) :58-61.
[4]金圣东.半导体技术的发展趋势和研究重点[J].半导体情报, 1993 (01) :14-19.
[5]王峰瀛.泛半导体技术的发展[J].电子技术与软件工程, 2018 (01) :85.