半导体材料研究的新进展.doc

半导体材料研究的新进展作者简介　王占国，1938 年生，半导体材料物理学家，中科学院院士现任中科院半导体所研究员、半导体材料科学重点实验室学委会主任和多个国际会议顾问委员会委员主要从事半导体材料和材料物理研究，在半导体深能级物理和光谱物理研究，半导体低维结构生长、性质和量子器件研制等方面，取得多项成果先后获国家自然科学二等奖、国家科技进步三等奖，中科院自然科学一等奖和科技进步一、二和三等奖及何梁何利科技进步奖等多项，在国内外学术刊物和国际会议发表论文 180 多篇，被引用数百次摘　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几种主要半导体材料的发展现状与趋势硅材料从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅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 英寸的 Si 单晶已实现大规模工业生产，基于直径为 12 英寸硅片的集成电路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 xx 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，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和水平方法生长的 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：．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 ．降低单晶的缺陷密度，特别是位错 ．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.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器件最好水平已达 fmax=600GHz，输出功率 58mW,功率增益;双异质结双极晶体管的最高频率 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 μm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 分布反馈激光器和电吸收调制器单片集成 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，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 120Kμm和 250Kμm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，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，成功的生长了器件级的 GaAs 外延薄膜，取得了突破性的进展2.一维量子线、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 ，InAs／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，InAs／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 InAs／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。