为什么集成电路大都采用硅材料来制作

今天，在计算机及其他绝大多数电子设备中所用到的集成电路芯片，大多是在硅的单晶片上制作的。硅材料在当今微电子工业（尤其是超大规模集成电路工业）中受到高度重视，获得了广泛应用，这是为什么呢？

硅是地壳中含量最高的元素之一，其含量仅次于氧，是构成矿物和岩石的主要成分。因此，硅单晶材料的价格与其他半导体材料（如砷化镓、磷化铟和锗）相比要便宜许多，有利于降低产品成本。不过，硅在自然界总是以化合物的形式存在，因此需要通过还原反应才能制得高纯度的硅。随着硅的提纯和硅单晶拉制技术的日趋成熟，硅的大量使用已成为可能。

硅具有良好的热稳定性和化学稳定性。集成电路在制作过程中，需要经历各种热处理过程，其温度常达到900℃或更高。砷化镓等化合物半导体在此过程中易发生分解，而硅单晶材料可以耐受1200℃甚至更高的温度而保持性能稳定。此外，硅材料还具有良好的掺杂特性。在使用半导体材料来制作集成电路及其他电子元器件时，必须通过加入不同种类和浓度的杂质来调节其电气性能。硅材料的掺杂可控性相当好，通过掺入一定量的磷原子或硼原子，可以在相当大范围内调节硅材料的电学性能，使其满足电路设计的要求。

硅材料在超大规模集成电路工业中唱主角的另一个重要的原因，是硅表面可以形成绝缘性能极高的二氧化硅介质层。通过将硅片放在氧气或水汽中加热的办法，可以在硅表面形成厚至数微米，薄至千分之几微米的二氧化硅层。这样形成的二氧化硅层非常致密，自身有着优异的电气性能，并且能和下面的硅单晶层有极好的匹配，基本不会在交界面上产生电活性。这层二氧化硅层在微电子工业中起着至关重要的作用，相比之下，在其他半导体材料中，还未找到一种相应的绝缘介质层，能达到二氧化硅/硅体系所具有的优异电气及界面特性指标。所以，尽管砷化镓等材料具有比硅更好的高频性能和光电性能，但在超大规模集成电路工业中，目前仍然是硅材料一统天下。

关键词：硅材料 集成电路