为什么80%的芯片采用硅晶圆制造？

我们今天看到80%以上的芯片都是用硅片生产的，而不是用今天热门的碳化硅、砷化镓、氮化镓等材料生产。这是为什么？

1. 材料的选择标准

在选择用于生产芯片的材料时，需要考虑以下几个主要因素：

电子特性：材料必须具备良好的半导体特性，能有效控制电子的运动。

晶体结构：材料需要具有高质量的单晶结构，以减少缺陷和提高芯片的性能。

成本：材料的成本需要相对低廉，以便大规模生产。

加工性：材料需要易于加工和制备，能够适应现有的制造工艺。

热稳定性：材料必须能够承受制造过程中高温环境下的性能变化。

图：硅晶圆的SEMI标准

2. 硅作为首选材料的原因

2.1. 半导体特性

硅是一种非常优秀的半导体材料，其带隙为1.12 eV，适中且适合多数电子器件的工作需求。硅的电子迁移率和空穴迁移率也较为理想，适合制造高性能的芯片。

2.2. 晶体结构

硅能够通过直拉法（Czochralski法）和区熔法等工艺制备出高质量的大尺寸单晶。硅晶体结构完善，晶格缺陷少，有利于生产高性能的集成电路。

图：硅晶圆的生产过程

2.3. 成本

硅是地壳中含量第二丰富的元素（约占26.7%），其原材料（石英）非常丰富且廉价。相较于其他半导体材料如砷化镓（GaAs）和碳化硅（SiC），硅的提取和制备成本显著较低。

2.4. 加工性

硅具有良好的机械强度和化学稳定性，能够承受复杂的制造工艺。现有的半导体制造工艺（光刻、扩散、离子注入等）都是基于硅材料开发的，因此硅晶圆的加工工艺成熟且成本低。

2.5. 热稳定性

硅在高温下具有优异的稳定性，能够在高达1100°C的温度下保持其晶体结构和性能稳定。这使得硅能够适应现代芯片制造中高温工艺步骤的需求。

3. 其他材料的挑战

尽管有其他材料如砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等，它们也具备优良的半导体特性，但它们在成本、加工性、热稳定性等方面存在一些挑战：

砷化镓（GaAs）：电子迁移率高，但材料脆性大，制造成本高，且不易制备大尺寸单晶。

碳化硅（SiC）：带隙宽，适合高温高压应用，但晶体生长困难，成本高。

氮化镓（GaN）：具有优良的电子特性和热稳定性，但材料合成复杂，成本高。

其实，硅作为半导体材料具有多方面的优势，包括良好的半导体特性、高质量的晶体结构、低廉的成本、成熟的加工工艺和优异的热稳定性。这些因素使得硅成为制造芯片的首选材料，尽管在特定应用领域其他材料也有其独特的优势。