半导体材料研究的新进展*王占国(中国科学院半导体研究所,半导体材料科学实验室,北京100083摘要:首先对作为现代信息社会的核心和基础的半导体材料在国民经济建设、社会可持续发展以及国家安全中的战略地位和作用进行了分析,进而介绍几种重要半导体材料如,硅材料、GaAs和InP单晶材料、半导体超晶格和量子阱材料、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、光学微腔和光子晶体材料、量子比特构造和量子计算机用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。
本文未涉及II-VI族宽禁带与II-VI族窄禁带红外半导体材料、高效太阳电池材料Cu(In,GaSe2、CuIn(Se,S等以及发展迅速的有机半导体材料等。
关键词:半导体材料;量子线;量子点材料;光子晶体中图分类号:TN304.01文献标识码:A文章编号:1003-353X(200203-0008-05 New progress of studies on semiconductor materialsWANG Zhan-guo(Lab.of Semiconductor Materials Science,Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences,Beijing100083,ChinaAbstract:The strategic position and important role of semiconductor materials,as a core and foundation of the information society,for development of national economic,national safety and society progressare analyzed first in this paper.Then the present status and future prospects of studies on semiconductor materials such as silicon crystals, III-V compound semiconductor materials and GaAs,InP and silicon based superlattice and quantum well materials,quantum wires and quantum dots materials,microcavity and photonic crystals,materi-als for quantum computation and wide band gap materials as well are briefly discussed.Finally the suggestions for the development of semiconductor materials in our country are proposed.II-VI narrow and wide band gap materials,solar cell materials and organic materials for optoelectronic devices etc.are not included in this article.K e y w o r d s:semiconductor materials;quantum wire;quantum dot materials;photonic materials1半导体材料的战略地位本世纪中叶,半导体单晶硅材料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,深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式,彻底改变了人们的生活方式。
70年代初,石英光导纤维材料和GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料及其G a A s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过去的“杂质工程”发展到“能带工程”,出现了以“电学特性和光学特性可剪裁”为特征的新范筹,使人类跨入到量子效应*国家基础研究发展规划项目(G20000683008和低维结构特性的新一代半导体器件和电路时代。
半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会高技术产业的基础材料。
它的发展将会使通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗以及武器装备的微型化、智能化等这些对于国民经济和国家安全都至关重要的领域产生巨大的技术进步,受到了各国政府极大的重视。
下面就几种主要的半导体材料研究进展作一简单地介绍。
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单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。
目前直径为8英寸(200m m的S i 单晶已实现大规模工业生产,基于直径为12英寸(300m m硅片的集成电路(I C技术正处在由实验室向工业生产转变中。
目前已有一个300mm硅片的超达规模集成电路(U L S I试生产线正在运转,另外几个试生产线和一个生产线业已建成。
预计2001年300mm,0.18µm工艺的硅ULSI生产线将投入规模生产,300mm,0.13µm工艺生产线也将在2003年完成评估。
直径18英寸硅片预计2007年可投入生产,直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
日本1999年,国内生产6~12英寸的硅单晶为7000吨(8000亿日元。
18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片也已研制成功。
从进一步提高硅IC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。
目前,直径8英寸的硅外延片已研制成功,更大尺寸的外延片也在开发中。
理论分析指出,30n m左右将是硅M O S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、S i O2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C u代替A l引线以及采用系统集成芯片(system on a chip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,人们正在寻求发展新材料、新技术,如,纳米材料与纳米电子、光电子器件、分子计算机、D N A生物计算机、光子计算机和量子计算机等。
其中,以G a A s、I n P 为基的化合物半导体材料,特别是纳米半导体结构材料(二维超晶格、量子阱,一维量子线与零维量子点材料以及可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等是最有希望的替补材料之一。
2.1GaAs和InP单晶材料G a A s和I n P是微电子和光电子的基础材料,为直接带隙,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(日本1999年的GaAs单晶的生产量为94吨, G a P为27吨,其中以低位错密度的V G F和H B 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,4英寸70cm长,6英寸35cm长和8英寸的半绝缘砷化钾(S I-G a A s也在日本研制成功。
美国摩托罗拉公司正在筹建6英寸的SI-GaAs 集成电路生产线。
预计1998~2003年,GaAs外延片市场以每年30%的速度增长(SI-GaAs片材1998年销售为1.24亿美元。
InP具有比GaAs更优越的高频性能,发展的速度更快;但不幸的是,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3~4英寸的SI-GaAs已用于大生产,预计21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。
(4GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展2.3半导体超晶格、量子阱材料半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术(M B E,M O C V D的新一代人工构造材料。
它Semiconductor T echnology Vol. 27 No. 3March 20029以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想,即从过去的所谓“杂质工程”发展到“能带工程”,出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴,是新一代固态量子器件的基础材料。
2.3.1III-V族超晶格、量子阱材料GaAlAs/GaAs,GaInAs/GaAs,AlGaInP/ GaAs;GaInAs/InP,AlInAs/InP, InGaAsP/InP 等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟,已成功地用来制造超高速,超高频微电子器件和单片集成电路。
高电子迁移率晶体管(H E M T,赝高电子迁移率晶体管(P-HEMT器件最好水平已达fmax=600GHz,输出功率58m W,功率增益6.4d B;双异质结晶体管(H B T的最高频率fmax也已高达500G H z,H E M T 逻辑大规模集成电路研制也达很高水平。
基于上述材料体系的光通信用1.3µm和1.5µm的量子阱激光器和探测器,红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化;表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。
目前,研制高质量的1.5µm 分布反馈(DFB激光器和电吸收(EA调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键,在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km 的实验。
另外,用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件,但由于其有源区极薄(约0.01µm端面光电灾变损伤,大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。
采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。