半导体材料与技术大全11篇

半导体材料与技术篇（1）

1 对现阶段我国电子科学技术发展进程向前推进的过程中所使用到的半导体材料进行分析

1.1 元素类半导体材料在我国电子科学技术发展初级阶段得到了较为广泛的应用

作为出现最早并且得到了最为广泛的应用的第一代半导体材料，锗、硅是其中典型性相对来说比较强的元素半导体材料，第一代半导体材料硅因为存储量相对来说比较大、工艺也相对来说比较成熟，成为了现阶段我国所生产出来的半导体设备中得到了最为广泛的应用，锗元素是发现时间最早的一种半导体材料。在我国电子科学技术发展初级阶段因其本身所具有的活泼，容易和半导体设备中所需要使用到的介电材料发生氧化还原反应从而形成GEO，使半导体设备的性能受到一定程度的影响，致使人们在使用半导体设备的过程中出现各个层面相关问题的几率是相对来说比较高的，并且锗这种元素的产量相对于硅元素来说是比较少的，因此在我国电子科学技术发展初级阶段对锗这种半导体材料的研究力度是相对来说比较小的。但是在上个世纪八十年代的时候，锗这种半导体材料在红外光学领域得到了较为广泛的应用，并且发展速度是相对来说比较快的，在此之后，GE这种半导体材料在太阳能电池这个领域中也得到了较为广泛的应用。

1.2 对现阶段我国电子科学技术发展进程向前推进的过程中所使用到大化合物半导体材料进行分析

现阶段我国电子科学技术发展进程向前推进的过程中所使用到的化合物半导体一般情况下是可以分为第III和第V族化合物（例如在那个时期半导体设备中所经常使用到的半导体材料GaAs Gap以及石墨烯等等），第II和第VI族化合物（例如在半导体设备中所经常使用到的硫化镉以及硫化锌等等）、经过了一定程度的氧化反应后的化合物（Mn、Cu等相关元素经过了一定程度的氧化反应后形成的化合物）。在上文中所叙述的一些材料一般情况下都是属于固态晶体半导体材料所包含的范畴之内的，现阶段我国电子科学技术发展进程向前推进的过程中研发出来的有机半导体与玻璃半导体等非晶体状态的材料也逐渐成为了半导体设备中所经常使用到的一种材料。

2 对现阶段我国电子科学技术发展进程向前推进的过程中半导体材料使用阶段发生变化的进行分析

在现阶段我国半导体设备中所经常使用到的半导体材料硅遵循着摩尔定律所提出的要求发展进程不断的向前推进，现阶段我国半导体设备中所使用到的硅的集成度已经逐渐接近了极限范围，现阶段我国所研发出来的晶体管逐步向着10nm甚至7nm的特征尺寸逼近。但是因为硅材料本身在禁带宽度、空穴迁移率等各个方面存在一定程度的问题，难以满足现阶段我国科学技术发展进程向前推进的过程中对半导体材料所提出的要求，在10nm这个节点范围之中，GE/SIGE材料或许是可以代替硅材料成为半导体设备所需要使用到的主要材料的。在2015年的时候，IBM实验室在和桑心以及纽约州立大学纳米理工学院进行一定程度的相互合作之后推出了实际范围内首个7nm原型芯片，这一款芯片中所使用到的材料都是被人们称作黑科技的“锗硅”材料，取代了原本高纯度硅元素在半导体材料中所占据的主导地位。

3 对现阶段新兴半导体材料的发展趋势进行分析

因为在经济发展进程向前推进的背景之下，人们对半导体设备的性能所提出的要求也在不断的提升，人们对半导体设备中所需要使用到的半导体材料在集成度、能耗水平以及成本等各个方面提出的要求到达了新的高度。现阶段，第三代半导体材料已经之间的成为了半导体设备中使用到的主要材料之一，作为在第三代半导体材料中典型性相对来说比较强的材料：GaN、SIC以及zno等各种类型的材料在现阶段发展进程向前推进的速度都是相对来说比较快的。

4 对现阶段碳化硅这种材料的发展和在各个领域中得到的应用进行分析

碳化硅是一种典型性相对来说比较高的在碳基化合物所包含的范围之内的半导体材料，其本身所具有的导热性能相对于其它类型的半导体材料来说稳定性是相对来说比较强的，所以在某些对散热性要求相对来说比较高的领域中得到了较为广泛的应用，现阶段碳化硅这种半导体材料在太阳能电池、发电传输以及卫星通信等各个领域中得到了比较深入的应用，在此之外，碳化硅这种半导体材料在军工行业中所得到的应用也是相对来说比较深入的，在某些国防建设相关工作进行的过程中都使用到的了大量的碳化硅。因为和碳化硅这种材料相关的产业的数量是相对来说比较少的，现阶段我国碳化硅行业发展进程向前推进的速度是相对来说比较缓慢的，但是现阶段我国经济发展进程向前推进的过程中所重视的向着环境保护型的方向转变，碳化硅材料能够满足这一要求，所以我国政府有关部门对碳化硅这一种创新型的半导体材料越发的重视了，随着半导体行业整体发展进程不断的向前推进，在不久的将来我国碳化硅行业的的发展一定会取得相对来说比较显著的成果的。

5 对现阶段我国所研发出来的创新型半导体材料氧化锌的发展趋势进行分析

作为一种创新型的半导体材料，氧化锌在光学材料以及传感器等各个领域中得到了较为广泛的应用，因为这种创新型的半导体材料具有反应速度相对来说比较快、集成度相对来说比较高以及灵敏程度相对来说比较高等一系列的特点，和当前我国传感器行业发展进程向前推进的过程中所遵循的微型化宗旨相适应，因为氧化锌这种创新型的半导体材料的原材料丰富程度是相对来说比较高的、环保性相对来说比较强、价格相对来说比较低，所以氧化锌这种创新型的半导体材料在未来的发展前景是相对来说比较广阔的。

6 结束语

现阶段我国经济发展进程向前推进的速度是相对来说比较稳定的，并且当今我国所处的时代是一个知识经济的时代，人们对半导体设备中所需要使用到的半导体材料提出了更高的要求，针对半导体设备中所需要使用到的半导体材料展开的相关研究工作的力度也得到了一定程度的提升，摩尔定律在现阶段电子科学技术发展进程向前推进的过程中仍然是适用的，随着人们针对半导体材料展开的研究相关工作得到了一定的成果，使用创新型半导体材料的半导体设备的性能得到了大幅度的提升，相信在不久的将来，半导体材料市场的变化是相对来说比较大的。

参考文献

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[4]张绍辉，张金梅.主要半导体材料的发展现状与趋势[J].科技致富向导，2013，12：72.

[5]蒋荣华，肖顺珍.半导体硅材料的进展与发展趋势[J].四川有色金属，2000，03：1-7.

半导体材料与技术篇（2）

半导体材料这一概念第一次被提出是在二十世纪，被维斯和他的伙伴考尼白格首次提及并使用，半导体材料从那时起便不断的进步发展，伴随着现代化的生活方式对一些数字产品的应用需求，社会对半导体材料推出了更高的要求，这使得半导体材料得到了飞跃性的发展【1】。本篇论文就半导体材料的概念性理解，半导体材料的历史性发展，新一代半导体材料的举例以及发展应用现状等方面展开了基本论述，谈论我国在半导体材料这一领域的应用与发展的实际情形。

1.对半导体材料的概念性理解

对半导体材料的理解不能脱离当今二十一世纪这个有着高需求和高速度特点的时代，这个时代同时也是崇尚环保观念，倡导能源节约的时代，因此新的信息时代下半导体的发展要脱离以往传统的发展模式，向新的目标迈进。

首先，我们要了解什么是半导体材料，这将为接下来的论述打下概念性的基础。众所周知，气体，液体，固体等状态都可称之为物质的存在状态，还有一些绝缘体，绝缘体是指导热性或者导电性较差的物质，比如陶瓷和琥珀，通常把F，银，金，铜等导热性和导电性较好的一类物质成为导体，所以顾名思义，半导体既不属于绝缘体，也不属于导体，它是介于导体和绝缘体性质之间的一种物质【2】。半导体没有导体和绝缘体发现的时间早，大约在二十世纪三十年代左右才被发现，这也是由于技术原因，因为鉴定物质的导热性和导电性的技术到了一定的时期才得到发展，而且对半导体材料的鉴定需要利用到提纯技术，因此，当对物质材料的提纯技术得到升级到一定水平之后，半导体的存在才真正意义上在学术界和社会上被认可。

2.半导体材料的历史发展及早期应用

对半导体材料的现代化研究离不开对这一材料领域的历史性探究，只有知道半导体材料是怎样，如何从什么样的情形下发展至今的，才能对当今现代半导体材料形成完整的认识体系。对半导体材料的接触雏形是先认识到了半导体材料的四个特性。论文接下来将会具体介绍，并对半导体材料早期应用做出详细解释。

2.1半导体材料发现之初的特性

半导体材料第一个被发现的特性，在一般的情况之下，金属材料的电阻都是随着温度的升高而增加的，但是巴拉迪，这位英国的科学研究学者发现硫化银这一物质的电阻随着温度的升高出现了降低的情况，这就是对半导体材料特性的首次探索，也是第一个特性。

半导体材料的第二个特性是由贝克莱尔，一位伟大的法国科学技术研究者发现的，他发现电解质和半导体接触之后形成的结会在施加光照条件之下产生一个电压，这是后来人们熟知的光生伏特效应的前身，也是半导体材料最初被发现的第二个特性。

半导体材料的第三个特性是由德国的科学研究学者布劳恩发现的，他发现一些硫化物的电导和所加电场的方向有着紧密的联系，也就是说某些硫化物的导电是有方向性的，如果在两端同时施加正向的电压，就能够互相导通，如果极性倒置就不能实现这一过程，这也就是我们现在知道的整流效应，也是半导体材料的第三个特性。

半导体材料的第四个特性是由英国的史密斯提出的，硒晶体材料在光照环境下电导会增加，这被称作光电导效应，也是半导体材料在早期被发现的第四个特性【3】。

2.2半导体材料在早期的应用情况

半导体材料在早期被应用在一些检测性质的设备上，比如由于半导体材料的整流效应，半导体材料被应用在检波器领域。除此之外，大家熟知的光伏电池也应用了早期的半导体材料，还有一些红外探测仪器，总之，早期被发现的半导体材料的四个重要的特性都被应用在了社会中的各个领域，半导体材料得到初步的发展。

直到晶体管的发明，使得半导体材料在应用领域被提升到一个新的高度，不再仅仅是应用在简单的检测性质的设备中或者是电池上，晶体管的发明引起了电子工业革命，在当今来看，晶体管的发明并不仅仅只是带来了这一电子革命，最大的贡献在于它改变着我们的生活方式，细数我们现在使用的各种电器产品，都是有晶体管参与的。因此晶体管的发明在半导体材料的早期应用发展上有着举足轻重的位置，同时也为今后半导体材料的深入发展做足了准备，具有里程碑式的意义与贡献【4】。

3.现代半导体材料的发展情况

以上论文简单的介绍了半导体材料以及其早期的发现与应用，接下来就要具体探讨第三代半导体材料这一新时代背景下的产物。第三代半导体材料是在第一和第二代半导体材料的发展基础之上衍生出的更加适应时代要求和社会需要的微电子技术产物。本篇论文接下来将介绍我国半导体材料领域的发展情况，并介绍一些新型的半导体材料的应用与发展情况。

3.1我国半导体材料领域的发展情形

半导体材料的发展属于微电子行业，针对我国的国情和社会现状，我国微电子行业的发展不能急于求成，这将会是一个很复杂的过程，也必定是一个长期性的工程。从现在半导体材料发展的情况来看，想要使半导体材料更加满足受众的需求，关键要在技术层面上寻求突破。我国大陆目前拥有的有关半导体材料的技术，比如IC技术还只能达到0.5微米，6英寸的程度，相较于国际上的先进水平还有较大的差距。

虽然我国目前在半导体材料领域的发展水平与国际先进水平存在着较大的差距，但是这也同时意味着我国在半导体材料领域有着更大的发展空间和更好的前景，而且当今不论是国内环境还是国际环境，又或者是政治环境影响下的我国的综合性发展方面而言，对中国微电子行业半导体领域的发展还是十分有利的，相信我国在半导体材料这一领域一定会在未来有长足的发展。

3.2新型半导体材料的发展介绍

前文提到，第三代半导体材料如今已经成为半导体材料领域的主要发展潮流，论文接下来将会选取几种关键的三代半导体材料展开论述。

第一种是碳化硅材料。它属于一种硅基化合物半导体材料，这一类材料的优越性体现在其较其他种类半导体材料有着更强的热导性能。因此被应用在广泛的领域，比如军工领域，，也会被应用在太阳能电池，卫星通信等领域。

第二种是氧化锌材料。氧化锌材料被广泛的应用到了传感器和光学材料领域中，这是因为它具备一些关键性的特性，集成度高，灵敏度高，响应速度快等，这些特征恰恰是传感等应用范围广泛的领域中所看中的关键点，不仅如此，氧化锌半导体材料不仅性能好，而且这类材料的原料丰富，所以价格低廉，还具有较好的环保性能【5】。

4.结语

近年来，半导体照明产业得到了飞跃式的发展，被越来越广泛的应用到人们的日常生活中，而支撑这一产业的核心材料正是以碳化硅等半导体材料为主的某些微电子材料，半导体材料利用下的各项技术已经在全球范围内占领者新的战略高地。我国半导体材料领域虽然起步晚，发展水平较国际水平有差距，但是前景光明，尤其是第三代半导体材料的出现和应用，在人们的生活中有着更加广泛和有建设性的应用，改变着人们的生活方式，不断推动着半导体材料的发展。

参考文献：

[1]甘倩.浅谈LED路灯在城市道路照明中的应用[J].建筑工程技术与设计，2014，（12）：477-477.

[2]黄裕贤.浅谈157nm激光微加工工艺及自动化编程[J].科学与财富，2015，（7）：560-560.

半导体材料与技术篇（3）

中国科学院王占国院士同半导体打了一辈子交道，他这样回答：半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。它有四个特点：热敏性，与金属不同，半导体的电阻与温度变化是相反的，电阻越小温度越高；光敏性，光一照，它的电导就发生变化；光伏效应，光照产生光电压；整流效应，从A端到B端是通的，从B端到A端就不通了。

半导体的特性为我们带来了无穷益处：“如发射一吨重的卫星，假如用晶体管代替电子管重量可减轻100千克，就可以节省9吨的燃料。它不仅广泛应用在航空航天、人造卫星等高科技领域，而且是我们生活中不可或缺的：医学上的核磁共振仪，日常用的收音机、电视机、洗衣机、微波炉、电冰箱、电子表、手机……里面核心控制的设备都是半导体。半导体应该说是无孔不入、无处不在。”

硅作为半导体材料的代表，现在已经成为微电子技术的基础材料，我们用的电子元器件和电路的90%都是硅材料。使用硅材料做集成电路，产值已达到每年约3000亿美元，由硅材料做成的器件和电路可以拉动几万亿美元的电子产业，半导体硅材料可以说是信息时代的基础。

追随一生的半导体

王占国1938年12月29日生于河南镇平。1962年毕业于南开大学物理系，同年到中科院半导体所工作。从那时起，他的人生脚步，就没有离开过半导体这个领域。

参加工作以后，王占国致力于半导体材料光电性质和硅太阳电池辐照效应研究。其中，硅太阳电池电子辐照效应研究成果为我国人造卫星用硅太阳电池定型（由PN改为NP）投产起了关键作用。

1971～1980年，他负责设计、建成了低温电学测量和光致发光实验系统，并对GaAs和其它III-V族化合物半导体材料的电学、光学性质进行了研究。其中，体GaAs热学和强场性质的实验结果以及与林兰英先生一起提出的“GaAs质量的杂质控制观点”，对我国70年代末纯度GaAs材料研制方向的战略转移和GaAs外延材料质量在80年代初达国际先进水平贡献了力量。

1980～1983年，经黄昆和林兰英两位所长推荐，他赴国际著名的深能级研究中心瑞典隆德大学固体物理系，从事半导体深能级物理和光谱物理研究。在该领域权威H.G.Grimmeiss教授等的支持和合作下，做出了多项有国际影响的工作：提出了识别两个深能级共存系统两者是否是同一缺陷不同能态新方法，解决了国际上对GaAs中A、B能级和硅中金受主及金施主能级本质的长期争论；提出了混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理新模型，解释了它们的物理实质；澄清和识别了一些长期被错误指派的GaAs中与铜等相关的发光中心等。

1984～1993年，在半导体材料生长及性质研究中，提出了GaAs电学补偿五能级模型和电学补偿新判据，为提高GaAs质量、器件与电路的成品率提供了依据。与人合作，提出了直拉硅中新施主微观结构新模型，摒弃了新施主微观结构直接与氧相关的传统观点，成功地解释了现有的实验事实，预示了它的新行为；与龚秀英等同事合作，在国内率先开展了超长波长锑化物材料生长和性质研究，并首先在国内研制成功InGaAsSb，AlGaAsSb材料及红外探测器和激光器原型器件。

他协助林兰英先生，开拓了我国微重力半导体材料科学研究新领域，首次在太空从熔体中生长出GaAs单晶并对其光、电性质作了系统研究，受到国内外同行的高度评价。

他于1986年任半导体所研究员，材料室主任；1990年任博士生导师，1991～1995年担任副所长；1995年当选为中国科学院院士。1991～2001年任国家高技术新材料领域专家委员会委员、常委、功能材料专家组组长，因对863计划做出突出贡献，2001年863计划实施十五周年时，被科技部授予先进个人称号；1996～2000年任国家S-863计划纲要建议软课题研究新材料技术领域专家组组长；2003年任国家材料中长期科技发展战略研究新材料专家组组长；1997～2002年和2006～2009年任国家自然科学基金信息学部半导体学科评审专家组组长等。此外，还有多种学术兼职。

任863专家委员会委员期间，他积极推动了我国全固态激光器的研发和半导体照明事业的发展。如今，我国的半导体白光照明已经处于国际先进水平，极大地促进了节能环保事业的发展。

从上世纪90年代起，他工作的重点已集中在半导体低维结构和量子器件这一国际前沿研究方面，先后主持和参与负责十多个国家863、973，国家重点科技攻关，国家自然科学基金重大、重点和面上项目以及中科院重点、重大等研究项目。

他和MBE组的同事一起，在成功地研制了国内领先、国际先进水平的电子迁移率（4.8K）高达百万的2DEG材料和高质量、器件级HEMT和P-HEMT结构材料的基础上，又发展了应变自组装In（Ga）As/GaAs，InAlAs/AlGaAs/GaAs， InAs/InAlAs/InP和InAs/InGaAs/InP等量子点、量子线和量子点（线）超晶格材料生长技术，并初步在纳米尺度上实现了对量子点（线）尺寸、形状和密度的可控生长；首次发现InP基InAs量子线空间斜对准的新现象；成功地制备了从可见光到近红外的量子点（线）材料，并研制成功室温连续工作输出光功率达4瓦（双面之和）的大功率量子点激光器，为当时国际上报道的最好结果之一；红光量子点激光器和 InGaAs/InAlAs、GaAs/AlGaAs量子级联激光器与探测器材料及其器件的研究水平也处在国际的前列；2001年，他作为国家重点基础研究发展计划973项目“信息功能材料相关基础问题”的首席科学家，又提出了柔性衬底的概念，为大失配异质结构材料体系研制开辟了一个可能的新方向。

上述研究成果曾获国家自然科学二等奖和国家科技进步三等奖，中国科学院自然科学一等奖和中国科学院科技进步一、二和三等奖，何梁何利科学与技术进步奖，国家重点科技攻关奖以及优秀研究生导师奖等十多项；从1983年以来，先后在国外著名学术刊物180多篇，培养博士、硕士和博士后百余名。

新科技革命的起点

半导体材料与技术篇（4）

1965年Intel创始人Moore提出“随着芯片电路复杂度提升，芯片数目必将增加，每一芯片成本将每年减少一半”的规律之后，半导体微细化制程技术日新月异，结构尺寸从微米推向深亚微米，进而迈入纳米时代。半导体制程微细化趋势也改变了产业的成本结构，10年前IC设计产业投入线路设计与掩膜制程的费用，仅占总体成本的13％，半导体生产制造成本约占87％。自2003年进入深亚微米制程后，IC线路设计及掩膜成本便大幅提升到62％。

当芯片结构体尺寸小于100纳米时，光学光刻技术便面临技术关键：硅晶制程光刻技术的线宽已小于曝光的波长长度，而光刻技术所能制作的线宽，是与光源的波长成正比。在朝向45纳米制程的趋势下，必须要能够降低波长、增加数值孔径(NA，NumericalAperture)、提高光刻，才能制作 微细化芯片。所以能否研发出能满足微细化制程所需、且具市场竞争力的光刻曝光技术，对IDM、Foundry、以及Fabless半导体产业来说，非常重要。因此目前在晶圆制程技术上，各厂要面对的课题是：如何有效降低制程微细化电路之间的静态功耗，特别是漏电流；以及RC时间延迟的问题；并防止介质机械强度下滑；同时，增加晶体密度、降低电路耗用面积、提升运作时钟频率，并且节省电能。

举例来说，45纳米芯片在逻辑开关时的切换效率，比起65纳米远高出30％；再者45纳米芯片耗电量较低，在相同运作时钟下，静态功耗的漏电流能比过去减少5倍；动态功耗(亦即场效应管进行切换时)也比以往减少30％。此外，45纳米场效应管密度是65纳米制程的2倍。

不过在纳米制程时代，每芯片量产成本(die cost)的增加，几乎来自于昂贵的制造设备，制程也会更复杂。例如为了让45纳米制程技术更容易，与曝光相关的制造技术也必须同时升级，像曝光装置的影像景深DOF(Depthof Focus)存在技术极限，所以也需要提高芯片全域的化学性机械研磨(CMP)的均一性。还有抗阻剂的薄膜化虽有利于提高芯片整体的膜厚均等化，但由于耐蚀刻性较差，所以必须使用3层抗阻剂或硬掩膜(hard mask)，因此微细化制程技术会更复杂。

65与45纳米制程同时并进

因此各半导体厂在进入65纳米以下制程时代时，可能就要花费多达300万美元以上的IC设计成本来制造掩膜和试产(try out)，况且光刻技术的应用周期不断缩短，对于微细化制程的技术评估也要提早因应，因此各大厂对于微细化制程也已开始激烈的攻防战。例如UMC就预先针对32与22纳米制程作技术评估，这结技术内容包含绝缘体硅(SOI)、应变硅(strained-Si)、高介电常数门极绝缘层(high-K gate dielectric)、金属门极(metal gate)以及多门极场效应管(multi-gate FET)等。TSMC也提出浸润式光刻技术，被视为未来具备继续挑战65及45纳米、甚至32及22纳米的实力。2006年9月IBM、Chartered、Infineon以及SamsungElectronics，联合开发首款45纳米制程芯片，预计在2007年底前完成验证。Intel和Micron合资的IM Flash，也已宣布成功产出45纳米制程NAND Flash芯片。10月Applied Materi-als也在研发中心完成45纳米制程芯片试验制程机台。

Intel宣布的45纳米制程量产时程则为2007年上半年，TSMC 45纳米制程浸润式光刻技术倾向在2007年Q3量产，UMC在65纳米制程技术已开始量产，45纳米制程技术也已添置新机种，主要新技术已开发完成，正进行整合验证，预计在2007年Q3至Q4可进入量产。

提升浸润式光刻曝光技术

在0.13微米及90纳米制程阶段，要在晶圆(Wafer)上光刻光刻(1ithography)出电路(circuit)，就要制作相关的掩膜(Mask)光刻技术。在这个阶段，半导体光刻制程大多采用ArF激光光源(曝光波长为193纳米)进行曝光显影。一般而言，掩膜分辨率视不同技术时代及应用层(layer)，定有不同的掩膜等级(Maskgrade)，每种掩膜等级有其相对应的品质规格，其规范品质重要项目包括缺陷数(defects)、关键尺寸(CD，Critical Dimension)、或是在整片掩膜中的精准度(accuracy)及均匀度(uniformity)等等。

当进入纳米制程后，由于半导体芯片电路更为精细、电路集积度愈高，所使用的光源波长需求也更为缩短，原本157纳米光刻技术因无法克服二氟化钙透镜结构双折射的问题，多数厂商倾向用浸润式光刻技术(Immersion Li-thography)延伸至193纳米曝光设备，达到大量节省研发及导入成本的目的，这也使得ITRS(International Technlogy Roadmap for Semi-conductors)，顺应时势决定采用浸润式光刻技术，并使其成为65纳米技术节点的主流光刻技术。

湿浸式技术是以流体介质的穿透度与折射率的光学特性为基础，相关光刻技术便以水作为流体介质，应用在193纳米波长曝光机基础上，于光源与晶圆之间加入水，可使波长缩短到132纳米，比起干式光刻技术(drylithography)，还可支持65、45、甚至到32纳米制程。不过其间形成的微气泡可能损及晶圆成像，如何预先去除纯水(UPW)中的气体，是预防气泡生成的关键之一，再者水与光阻交互作用，会对不同光阻剂造成程度伤害，因此也必须改良相关技术。

虽然浸润式ArF曝光技术可以沿用现有的ArF曝光设备，但微细化制程趋势更严谨地要求解析度与DOF，因此在45纳米之后，如何找到比纯水还高折射率的液体材料来提高数值孔径(NA)，便是无可回避的挑战。

主要半导体大厂包括TSMC和UMC都已开始导入浸润式光刻技术，UMC预计在2007年下半年投入45纳米制程，采用浸润式光刻技术。TI在2006年6月已初步研发出浸润式光刻制造45纳米制程芯片的技术，其内存细胞(memory cell)仅占0.24平方微米，较1月Intel率先推出首批导入45纳米制程芯片内存细胞的0.346平方微米，还要缩小30％。另外， 9月Dupont宣布已开发出配合32纳米制程所需之浸润液的新式光刻技术。

先前Nikon于2005年7月各自宣布开发出NA值为1.30的湿浸式ArF曝光设备，已在2006年底使用。ASML在同月NA为1.35的湿浸式设备，被认为是使用纯水的湿浸式曝光设备中的实际最高值，预计在2007年中期问世。

研发无法见光的光刻技术

未来会接续193纳米ArF光刻技术，应该会是超紫外光(Extreme Ultraviolet；EUV)光刻技术，使光波长进入不可见光的极紫外线层次。由于半导体光刻制程往后需要采用高折射率材料来提高NA值，EUV光刻技术的光波长原本就只有13.5纳米，光会在空气中被吸收，所以只能在真空环境中才能透射；其所采用的掩膜透镜，是属于反射式的元件，因此足以应付纳米微细制程所需。Intel预计在2009年，正式采用紫外线(EUV)光刻这项技术来进行32纳米制程的量产作业。

不过目前EUV技术尚未成熟，未能接续193纳米光刻技术，半导体大厂还是会一面沿用浸润式光刻技术、一面寻找更为适合的湿浸式流体介质，以改善掩膜透镜材料。像是其他新时代技术(Next General Lithography；NGL)包括纳米转印光刻技术(Imprint Lithography)，也开始被业界期待可达到制程10纳米以下的结构境界，成本与市场潜力甚至可以取代EUV光刻技术。

发展可降低RC延迟的介电材料

为何要解决RC延迟因为到65及45纳米微细化制程阶段，半导体芯片电路的金属线宽愈来愈微小，导线层数越来越多。且由于电气与机械特性的关系，信号传输会因短路而产生延迟。逻辑芯片电路的信号传输，也因制程细微化使绕线距离缩短，绕线容量增加而导致绕线延迟。这些都必须以铜导线与低介电材料，取代先前的铝合金，来解决电容电阻时间延迟(RC Time De-lay)问题，因此低介电材料的开发与应用也变得愈来愈紧迫。

在0.13微米之前的晶圆制程中，SiOF是厂商最多采用的介电质材料，其介电常数K(Keff)值介于3.7～2.8之间。自0.13微米已降微细制程时代开始，降低RC-Delay的需求开始浮现，半导体厂多以采取降低后段制程的金属连接线电阻与金属线间电容的方法，基本上以铜作为材料的低介电常数(cu/low-k)制程技术为主。在降低电阻方面，以铜来取代传统铝导线，尔后持续对铜导线制程中使用扩散绝缘层(diffusion barrier)，并对其厚度做最适化(op-timization)处理，绝缘层之材料均采高阻值之钽(Ta)/氮化钽(TaN)等。

因此降低金属线间的电容值，必须应用低介电常数(LOW-k)材料，作为金属导线间的绝缘层(Inter metal dielectrics)，一般Low-k材料的K值，涵盖3.1、2.9、2.7，一路演进至目前的2.5。Low-k材料是90纳米技术最重要的关键，90纳米制程所使用Low-k材料的K值约在3.0～2.9之间，60纳米以下的制程，才会采用2.5和2.4K值的材料，以有效降低金属导线间的电容值。综合来说，在微细化制程整合过程中，降低RC延迟技术提升的方向，多以针对会影响电阻的金属连接线厚度、与影响电容值的金属导线间绝缘层厚度为主。

Low-k制程趋势：防止机械强度下滑

下一代Low-k材料的特性，不仅只因应45纳米微细制程的需求，也要有效解决Low-k本身因电路DOF制程所产生的铜阻抗增加以及机械强度下滑的问题。制程从65纳米朝向45纳米时，低介电膜硬度会急速下降，因此经过薄膜化后的Low-k材质，能够具备多小孔尺寸、且具高密度硬度的特性，就显得相当重要。

目前应用Low-k材料的最大问题点，在于如何防止机械强度下滑。因为期望能够降低Low-k材料的介电常数，与希望提高Low-k材料绝缘膜的机械强度，这两者之间是相互矛盾的。未来问题的困难度不在于让Low-k材料的K值达到2.0以下，而是如何让超低K值材料的机械强度提高。除了低K值材料的特性直接影响半导体量产效率外，另外如何让铜与低K值材料有效整合应用，不仅对65纳米和45纳米制程，从整个IC制程技术来看，也将充满关键性的挑战。

无止尽的追寻?

半导体材料与技术篇（5）

1课程特点及教学过程中存在的问题

《现代半导体材料的制备与表征技术》是江南大学微电子专业的一门专业基础课，涉及材料、化学、物理、光学和微电子学等多种学科，具有综合性、科学性和应用性等特点。课程内容主要通过仪器分析现代半导体材料的微观结构。通过本课程的学习，学生应掌握各种材料的制备方法，学会测试仪器的基本原理、制样方式和仪器主要的应用领域，知晓相关制备和测试技术，从而懂得如何在研究生课题中加以应用。学生学习结束后能够从本课程中选择合适和正确的制备方法及测试表征手段进行研究，为新型半導体器件的构筑课题积累基本的理论知识，成为未来社会所需要的人才。

教学过程中存在的问题有以下四个方面：（1）微电子专业研究生教育背景差异导致对课程的接受能力参差不齐。（2）教材涉及的制备和分析方法种类多，内容跨度较大，多学科交叉综合性内容较抽象，学生难以理解，致使教学效果不佳；（3）授课选用的经典教材存在和部分本科生专业课程内容相同，教授过程中过于偏重仪器的工作原理和构成部件的功能，而且内容更新速度较慢，已经远远落后于技术发展现状；（4）课程缺少实践教学，教材中的大型仪器价值昂贵，仪器测试和维护费用高，限制了动手操作仪器掌握其重要功能的途径，学生的实践能力得不到提高，学习的积极主动性较差，师生的课堂互动气氛不活跃。

2教学改革与实践

2.1结合微电子专业特点，调整教材内容

对于教学内容，除了基础性和完整性外，还需兼顾先进性和新颖性，但现有教材的更新较慢而且制备和测试方法落后。因此，针对微电子专业特点，应自编教材使教学内容具有学科前沿性，比如现有教材中涉及热分析、光谱分析、X射线衍射分析等，对于微电子专业学生热分析和红外分析技术使用频率不高，而常用XRD、紫外分析、拉曼和电镜分析等测试方法，所以教授内容上专注以上常用设备的操作及分析方法有利于研究生开展课题研究。

2.2教授方式多样化

《现代半导体材料的制备和表征技术》是多学科交叉并与时俱进的一门课程，为了取得良好的教学效果，在授课方式上应多样化，吸引学生的注意力，提高学生的主动性。首先，采用多媒体技术、动画资料等新方式和重要内容板书显示相结合的方法解决此课程教学内容多而课时较少的问题。其次，运用翻转课堂、讨论式和启发式等多种教授方法。教师选择当前热门的前沿课题和教学重点为讨论内容，如二维过渡金属材料的制备与表征、氧化锌复合材料的制备及光探测器器件的组装、氮化镓高功率器件的有效性分析等。

2.3教学与科研结合，培养学生创新能力

教学和科研结合，对于研究生日常进行的科研项目，如半导体材料的制备、表征测试、数据分析、器件组装、集成应用和仿真模拟等，都可以将实验过程中出现的问题、大型仪器的操作和维护、如何获取清晰的图片影像以及图谱中峰形位置的变化对结构的影响等等，带入到教学中，为学生答疑解惑从而验证课堂所讲基本理论，达到教学辅助科研，科研促进教学的目的，进而提高学生主动性和积极性，同时有利于课程的高效开展。

2.4鼓励研究生参与大型仪器管理

半导体材料与技术篇（6）

中图分类号：TB34

新材料研制和国家科学技术与生产力发展密切相关，同时也是国家经济发展根本保障之一。在世界范围内，新材料研制是国家计划中的重点研究内容。本世纪正处于光电子时代，而光电信息功能材料不但有电子材料稳定性特点，还有光子材料先进性特点，广泛应用于电子时代，发展前景极好。

1 概述光电信息功能材料

信息科学发展进程中，材料研究作为技术发展先导，是发现与完善现代化科学规律重要基础。人们从量子论发展中得到原子中电子物理运动规律，特别是最外层的电子运动规律，最先研究的功能材料是金属，例如：不锈钢、有色金属、黑色金属和特殊钢材等，并且电子层次微观物理逐渐应用量子论。

其次，半导体材料开发和利用，电力材料的技术科学发展地位有所提高，研究功能材料是科学发现的前提保障，同时也是技术开发的物质基础，在整个科学技术领域中都有所体现。并且由于新兴起来的光纤技术，将激光技术和光纤技术结合使用，为发展信息技术奠定坚实基础。正是由于光存储和光集成技术，光电信息功能材料研究范围越来越广，走入到微观物理层次，覆盖包括无机和有机、金属和非金属、静态和非静态科学技术，将计算机应用在信息高智能存储，传输与处理方面，使得信息技术发展迅速。

2 光电信息功能材料研究重点

2.1 半导体光电材料

半导体介于绝缘体和导体之间的一种材料，半导体光电材料可将电能转化为光，将光转化为电，也可处理和扩大光电信号。21世纪上半叶至今，半导体量子和异质结构材料仍然把光电信息功能材料作为研发主要内容。

2.1.1 硅微电子材料。微电子技术基础是集成电路为主要核心的半导体器件，是一种高新电子技术。半导体光伏太阳能电池和集成电路主原材料，是新能源与信息基础。随着半导体产业和光伏产业迅速发展，我国硅材料规模迅速壮大和发展。并且，硅微电子信息功能材料与现代化信息时代相联系，其具有质量轻、可靠性高和体积小等特点。半导体硅微光电信息功能材料，可提高硅集成电路使用性能成品率，但是从成本角度分析，解决硅片直径的增大问题形成了一系列缺陷密度与均匀性变差。并且，从半导体器件特征性尺寸角度；硅集成角度来看，硅材料是未来研制方向。在锗化硅材料生长应变硅材料技术基础上，其可提高器件驱动的电流和晶体管速度，其广泛应用性可能会替代65nm以下的互补性金属氧化物的半导体电路主流技术。在硅材料技术应用的同时，人们也在研制双栅-多栅器件、高K栅介质、铜互连技术和应变沟道技术。目前，硅微电子技术难以满足庞大市场需求和信息量，需要在全新原理材料、电路技术和器件技术深入研究，例如：纳米电子技术、光计算机技术和量子信息技术。

2.1.2 量子级联的激光器材料。在通信和移动通信领域，广泛使用超晶格和量子阱材料，量子阱材料集分子束外延和量子工程为一体，打破了半导体使用限制性，真正体现出了国家纳米级量子器件的核心技术。并且其发展到现在，QCL在远红光外源、红外对抗、遥控化学和自由空间内通信等较为突出。QCL高新技术研究面也更加广阔，其中，可调谐中红外激光器在国外步入工业化阶段。

2.1.3 光子带隙功能材料。光子带隙材料常称为光子晶体，其具有介电函数、周期性变化调制材料的光子状态运行模式。根据周期性的空间排列规则和特点，光子晶体分为一维、二维与三维形式。重点分析二维光子晶体，半导体薄片堆层其可以进一步制出硅基二维光子晶体和高品质因数光子微腔含单量子点砷化镓基二维光子晶体微腔，有较广阔的应用空间。例如：借助于圈内反射可限制光电在晶体内的反应，也就是光子晶体反应，以便控制光色散；其次，光子晶体可制作出计算机芯片，计算机的运行和运算速度均有所提高。对于三维光子晶体，特别是可见光的三维光子晶体和近红外波受到一定条件限制，因此，制备工艺较难。

2.2 纳米光电功能材料

所谓纳米材料，其是粒子尺寸介于1-100纳米材料。纳米光电功能材料是将光能转化成化学能或电能一种纳米行材料，其发展前景广阔，性能好，被广泛应用于光存储、光通信、光电探测器和全光网络等方面。

尺度位于宏观物体和原子簇交接区域，纳米材料有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应，产生点穴、光学、化学、热血和磁学特征等，其中，表面效应属于纳米光电材料重要特征之一，粒子性能决定性因素是表面原子，当表面原子数量增加到一定范围内，原子数量越多，缺陷程度就会越大，纳米光电材料活性就越高。正是由于量子尺寸影响电学性质，纳米材料才会比一般性的光电材料光催化活性高。

2.3 光折变功能材料

光折变功能材料光照条件下会吸收光子，使电荷发生转移，形成一定的空间电场，进而借助于电光效应改变折射率。这种光电材料需要低功率就可以在室温下进行光学信息处理和运算，因此有很好的发展前景。人们对光折变材料进行高密度数据的存储、空间光调制、光放大、光学图像处理和干涉测量等研究，并随着对光折变效应深入了解和发现新型材料，使得光折变材料应用范围更加广泛。

3 光电信息功能材料制备方法

光电信息功能材料根据性能与尺寸的不同要求，因此包括有很多制备方法。常见的制备方法有：高温固相反应、溅射法、Sol-gel、PCVD、CVD等。

3.1 微波反应烧结

我国通过微波辐射法合成物质有硅酸盐、氧化物、硫化物、磷酸盐、钨酸盐和硼酸盐等荧光体，利用各种物质选择光激励，从而实现了温室光谱烧孔。

3.2高温固相反应

高温固相反应是使用最广泛的制备新型固体功能材料方式，我国上海硅酸盐研究所使用提拉法技术生产出闪烁BGO晶体，欧洲核子研究所用晶体制造出正负电子撞机电磁量能器，出口总量高达千万美元，经济效益很好。

3.3 溅射法

溅射镀膜法通过直流或者是高频电场让惰性气体形成电离反应，此过程产生辉光放电离子体，其正离子与电子对靶材进行高速轰击，溅射出靶材分子和原子，从而将这两种物质沉积在基材上，形成薄膜。

3.4 CVD（热分解化学气相沉积技术）

CVD主工艺过程是借助于过载气输送反应物到反应器中，并在一定反应条件下，发生一定的化学反应，形成颗粒大小的纳米。随着反应基质粒子和纳米颗粒共同沉积到基片上，形成一层薄膜。薄膜形式有：反应气体和气体扩散吸附于生长、扩散和挥发沉底表面，这种方法可制备出氟化物、氧化物和碳化物等纳米复合型薄膜。

4 结束语

光电信息功能材料开发与研究需要通过量子物理支撑，目前其限定于光子、电子、电波和光波为主要信息载体，对研究量子物理，分析光电信息功能材料有重要作用。

参考文献：

[1]王藜蓓，陈芬，周亚训.集中光电信息功能材料的研究进展[J].新材料产业，2011（05）.

半导体材料与技术篇（7）

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，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm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（Smartcut）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。

2.2GaAs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。

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（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，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。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／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（HEMT），赝配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58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。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（～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。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

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半导体材料研究的新进展

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

半导体材料与技术篇（8）

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，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm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。

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（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，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。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／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（HEMT），赝配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58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。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（～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。我国早在1999年，就研制成功980nm InGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的Picogiga MBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的Lars Samuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67 GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6H SiC单晶与外延片，以及3英寸的4H SiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2 GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

半导体材料与技术篇（9）

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，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm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（Smartcut）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。

2.2GaAs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。

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（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，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。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／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（HEMT），赝配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58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。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（～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。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

半导体材料与技术篇（10）

1.国内外研究概况

就我国而言，对于半导体制冷技术的研究最早开始于上世纪50年代末60年代初，爱60年代中期，我国的半导体材料研究取得了一定程度的进步，所研究的半导体材料的性能已经能够与国际水平相符合。然后，从上世纪60年代末期开始到80年代初期，这段时间是我国半导体制冷片技术发展的关键时期，在这这一时期之内，我国的半导体制冷技术研究取得了关键性的突破，主要表现在两个方面：一方面，半导体制冷材料的优值系数得到了一定程度上的提高；另一方面，就半导体制冷技术的应用方面而言，其应用层次更深，应用范围也更为广泛。

2.工作原理分析

在半导体制冷技术当中，有一个核心材料，即半导体制冷片，它又被称作为热点制冷片。其优点主要表现为半导体制冷片之中不含有滑动部件，且无制冷剂污染的场合。但是也存在着一定程度上的缺陷，主要表现为应用在一些空间会受到相应的限制。一般情况下，半导体制冷片的工作运转主要是通过直流电流为其进行供电，因此，它可以达到制冷以及加热的双重效果，而这一效果的主要是通过对直流电流的极性进行一定程度上的改变来进行有效实现的。对于一个单片制冷片而言，它主要是由两片陶瓷片组成，在陶瓷片的中间存在着相应的N型与P型的半导体材料。半导体制冷片之所以能够有效的运行，主要是通过以下的原理实现的：将一块N型半导体材料与一块P型半导体材料进行一定程度上的联结，这样一来，就形成了电偶对，当有直流电在这一电路中进行流通时，就会发生一定程度上的能量转移，电流从N型半导体材料流入到P型半导体材料的接头，并对热量进行一定程度的吸收，成为冷端；而当电流从P型半导体材料流入到N型半导体材料的接头并释放能量，就形成了热端。

3.原理方案设计及工艺流程

半导体制冷不需要制冷剂，所以不需要考虑破话坏臭氧层问题；由于没有运动构件，噪音非常小而且体积也很小。由于这两方面的突出优点，我们这里利用了半导体芯片，热交换器、隔热箱、风扇安装了小型恒温箱。

①芯片安装：芯片安装对一块半导体芯片进行一定程度上的使用；为了对冷热端断路进行有效的防止，在芯片的通过运用隔热板来达到隔热效果；散热板的安装。

②电路接线：芯片接线与风机采用并联形式，由电源直接进行一定程度的供电。除此之外，对无级调节电压进行了有效运用，这样一来，就可以根据温度的变化来对电压的高低进行一定程度的调节。

③外壳安装：外壳主要使用泡沫封装，只留封口和引线位置。尺寸是200mmX150mmX150mm3、用保温棉保温，同时在机箱外壳之上对散热装置进行了有效的设置。

4.半导体制冷系统的功能及特点分析

将半导体制冷技术应用于小型恒温箱之中，形成了一种新型的空调系统，较之于传统的功能系统，这种新型空调系统表现出较大的优越性，其特点主要表现在如下几个方面：

（1）在这一制冷系统当中，不再需要任何制冷剂，且当系统处于运行状态之中，具有较强的连续性。同时，正是不需要任何制冷剂，使得这一系统没有污染源、没有相应的旋转部件，这样一来，就不会产生回转效应，进而对减震抗噪的效果起到一定的促进作用。除此之外，这种制冷系统使用寿命较长，且安装过程简单方便。

（2）这一新型制冷系统中有效运用了半导体制冷片，因此能够对制冷与加热两种效果进行有效的实现。根据相关实践表明，这一系统的制冷效率一般不高，但在制热方面，系统发挥出十分高的效率，永远大于1.因此，只需要对一个片件进行有效的使用，就能够对分立的加热系统以及制冷系统进行一定程度上的替代。

（3）半导体制冷片是电流换能型片件，通过对输入电流进行一定程度上的控制，就可以对温度进行有效的控制，且这种控制能够达到高精度的要求。除此之外，再加之温度的检测与控制手段，就能够进一步对遥控、程控以及计算机控制进行有效的实现。这样一来，这一系统的自动化程度也得到了较大程度上的提升。

（4）对于半导体制冷片而言，它具有相对较小的热惯性，因此制冷系统的制冷、制热时间相对较快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

（5）一般情况下，对于单个制冷元件而言，它难以发挥出很大的功率，但如果将之进行一定程度上的组合，使其成为一个电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，就可以对其系统进行有效的扩大。正是因为这一原因，制冷系统的功率的范围非常大，既能是几毫瓦，也能是上万瓦。

5.结束语

本文主要针对半导体制冷技术在小型恒温箱的应用进行研究与分析。首先对国内外的研究状况进行了一定程度上的介绍，然后在此基础之上阐述了制冷系统的工作原理。最后重点分析了半导体制冷系统的功能及特点。希望我们的研究能够给读者提供参考并带来帮助。

参考文献：

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半导体材料与技术篇（11）

进入新世纪以后，节能环保的概念开始在全世界范围内普及，作为低碳环保的一项有效途径，低碳经济的发展可以有效地促进整个社会的节能环保活动。低碳经济指的就是依托于低能耗、低污染、低排放的“三低要求”来作为核心的节能环保经济模式，这是人类文明的又一伟大壮举。目前，我国在“可持续发展”的理念的指导下，在社会中大力采用“低碳经济”的生产模式，成功的实现了经济效益和环保效益的双丰收。众所周知，二十一世纪是电子信息的时代，人类社会对电子信息材料的需求量也是与日俱增，如何有效的实现电子信息材料的低碳经济，已经成为了电子信息行业发展的一项重大课题。

一、简要介绍各种可以用于低碳经济发展模式的电子信息材料

目前，在世界的电子信息行业里面，可以用来作为电子信息材料的主要材料有以下几种：光电子材料、纳米材料、宽禁半导体材料等等。目前，为了响应电子信息材料的低碳经济发展，可以根据这些原料的特性研制出以下这些电子信息材料：

1、电子信息材料中的光电子材料

电子信息材料的光电子材料主要指的是液晶材料。目前，液晶材料已经在电子信息行业得到了广泛应用，在电子信息行业里面，液晶材料绝大部分被应用于电子显示屏等高新技术范围之内。液晶材料的特性之一便是“光线扭曲向列型”，这种特性可以使液晶材料在有电流经过的时候通过对电流的改变来实现对电子显示屏上面的液晶序列的排列顺序的改变。与此同时，再有电流经过电子显示屏的液晶材料的时候，外面的光线是不能够直接穿过电子显示屏的液晶材料的，这就使得液晶材料有成为低碳经济的特性。与传统的其他电子显示屏材料相比，液晶材料具有很多优良的特性，液晶材料的能耗低已经精确的准确性以及迅捷的反应，再加上柔和的调色功能。除此之外，液晶材料还是一种很有效的非线性光学材料，液晶材料的状态一般是维持在软凝聚的状态。因此，液晶材料可以有效地实现光折变效应，可以在电子仪器在很低的电流供应下，发挥出强劲的性能，具有很高的开发潜力。另外，根据光学原理之中的光的干涉效应，可以利用光线对液晶材料的干涉作用，使得液晶材料在反射类的光学器件里面得到广泛的应用。综上所述，一系列优良的特性使得液晶材料已经逐步成为应用最广泛的电子显示屏使用材料。

2、电子信息材料中的集成电路和半导体材料

目前，世界上的电子信息材料中的集成电路和半导体材料的最基础的原材料大部分都是多晶硅原料，目前最广泛采用的制作电子信息材料中的集成电路和半导体材料的技术则是经过改进的西门子法。经过改良的西门子法制作多晶硅材料的集成电路和半导体材料的原理如下所述：使用盐酸和工业使用的纯硅粉在一个规定的温度之下发生合成反应，最终生成三氯氢硅材料，然后再采用分离精馏的手段，对已经制得的三氯氢硅材料进行进一步的分离提纯工作，最后把提纯后的三氯氢硅放置进入氢还原仪器里面经行相关反应操作，最后制得高纯度的多晶硅，再进一步加工就成为了日常所使用的电子信息材料中的集成电路和半导体材料。

通过改良的西门子法提炼出来的电子信息材料中的集成电路和半导体可以有效地改进目前国际上的光伏零件问题。

二、简述电子信息材料在低碳经济中的发展应用思路

目前，根据节能环保和低碳经济的相关要求，电子信息材料在低碳经济中的发展应用的主体模式应当找寻出新型的发展趋势，其总体趋势应当是朝向电子信息材料的尺寸扩大化、电子零部件的智能化设计、电子材料的多功能作用趋势、电子材料功能的高度集中化的趋势发展。

1、发展集成电路类的电子信息材料

随着电子科学与技术的不断增长，目前的半导体材料和集成电路的主要材料已经成为了环氧模塑料，通过这样的原材料设计，可以有效地使得电子信息材料可以满足低碳经济的节能环保的要求。

2、发展光电子材料类的电子信息材料

随着电子科学与技术的不断增长，作为一种非常有效的信息传输类型的电子信息材料，光电子材料在近几年来得到了快速发展的机会，这将很有效使得电子信息材料可以满足低碳经济之中电子材料的多功能作用趋势、电子材料功能的高度集中化的要求。

3、发展新型元器件材料类的电子信息材料

随着电子科学与技术的不断增长，作为一种非常有效的降低环境污染，并可以有效的降低电子信息材料能量消耗的材料，新型元器件材料正在逐渐成为电子信息材料的重点研究项目之一，其可以有效的满足电子信息材料发展的电子信息材料的尺寸扩大化、电子零部件的智能化设计要求。

三、结语

目前，电子信息材料的低碳发展已经成为了电子信息行业要攻克的主要课题之一，随着科学技术的不断发展，越来越多的电子信息材料已经可以很好的完成节能环保的要求。在本文中，笔者将结合对低碳经济概念的解读，并简要的描述了几种新型的节能环保的电子信息材料，并通过这样的方式，具体的谈了谈研究了电子信息材料在低碳经济中的发展应用思路。但是，由于本人的知识水平有限，因此，本文如有不到之处，还望不吝指正。

参考文献：

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[2]谢广超，杜新宇，韩江龙.环氧模塑料在半导体封装中的应用[J]，中国集成电路，2013，（106）：64～69

[3]侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状[J]，电源技术，2012，32（10）：649～654