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半导体材料研究的新进展(1)


半导体材料研究的新进展
摘要 本文重点对半导体硅材料,GaAs 和 InP 单晶材料,半导体超晶格、 量子阱材料,一维量子线、零维量子点半导体微结构材料,宽带隙半导体材料, 光子晶体材料, 量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展 趋势作了概述。最后,提出了发展我国半导体材料的建议。 关键词 半导体 材料 量子线 量子点 材料 光子晶体 1 半导体材料的战略地位 上世纪中叶, 单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功, 导致了电子工业革命; 上世纪 70 年代初石英光导纤维材料和 GaAs 激光器的发明, 促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业, 使人类进入了信息时 代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功,彻底改变了 光电器件的设计思想,使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带 工程”。纳米科学技术的发展和应用,将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平 上控制、 操纵和制造功能强大的新型器件与电路, 必将深刻地影响着世界的政治、 经济格局和军事对抗的形式,彻底改变人们的生活方式。 2 几种主要半导体材料的发展现状与趋势 2.1 硅材料 从提高硅集成电路成品率,降低成本看,增大直拉硅(CZ-Si)单晶的 直径和减小微缺陷的密度仍是今后 CZ-Si 发展的总趋势。目前直径为 8 英寸 (200mm)的 Si 单晶已实现大规模工业生产,基于直径为 12 英寸(300mm)硅片 的集成电路(IC‘s)技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前 300mm,0.18 μ m 工艺的硅 ULSI 生产线已经投入生产, 300mm, 0.13μ m 工艺生产线也将在 2003 年完成评估。18 英寸重达 414 公斤的硅单晶和 18 英寸的硅园片已在实验室研制 成功,直径 27 英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。 从进一步提高硅 IC ‘S 的速度和集成度看,研制适合于硅深亚微米乃至纳米 工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外,SOI 材料,包括智 能剥离(Smart cut)和 SIMOX 材料等也发展很快。目前,直径 8 英寸的硅外延 片和 SOI 材料已研制成功,更大尺寸的片材也在开发中。 理论分析指出 30nm 左右将是硅 MOS 集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅 是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问 题,更重要的是将受硅、SiO2 自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高 K 介 电绝缘材料(如用 Si3N4 等来替代 SiO2),低 K 介电互连材料,用 Cu 代替 Al

引线以及采用系统集成芯片技术等来提高 ULSI 的集成度、运算速度和功能,但 硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此,人们除寻求基于全新原 理的量子计算和 DNA 生物计算等之外,还把目光放在以 GaAs、 InP 为基的化合物 半导体材料,特别是二维超晶格、量子阱,一维量子线与零维量子点材料和可与 硅平面工艺兼容 GeSi 合金材料等,这也是目前半导体材料研发的重点。 2.2 GaAs 和 InP 单晶材料 GaAs 和 InP 与硅不同,它们都是直接带隙材料,具有电子饱和漂移速度 高,耐高温,抗辐照等特点;在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路, 特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。 目前,世界 GaAs 单晶的总年产量已超过 200 吨,其中以低位错密度的垂直 梯度凝固法(VGF)和水平(HB)方法生长的 2-3 英寸的导电 GaAs 衬底材料为 主;近年来,为满足高速移动通信的迫切需求,大直径(4,6 和 8 英寸)的 SI -GaAs 发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建 6 英寸的 SI-GaAs 集成电路生产 线。InP 具有比 GaAs 更优越的高频性能,发展的速度更快,但研制直径 3 英寸 以上大直径的 InP 单晶的关键技术尚未完全突破,价格居高不下。 GaAs 和 InP 单晶的发展趋势是: (1)。增大晶体直径,目前 4 英寸的 SI-GaAs 已用于生产,预计本世 纪初的头几年直径为 6 英寸的 SI-GaAs 也将投入工业应用。 (2)。提高材料的电学和光学微区均匀性。 (3)。降低单晶的缺陷密度,特别是位错。 (4) 。GaAs 和 InP 单晶的 VGF 生长技术发展很快,很有可能成为主流技 术。


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