半导体材料研究的新进展(精)

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,GaSe

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、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 materials

WANG Zhan-guo

(Lab.of Semiconductor Materials Science,Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences,Beijing100083,China

Abstract: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 progress

are 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 materials

1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(G2000068300

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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 O

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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Si