电子信息材料之半导体

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1、半导体信息功能材料与器件的研究新进展半导体信息功能材料与器件的研究新进展摘要：摘要：首先简要地介绍了作为现代信息社会基础的半导体材料和器件极其重要 的地位，进而回顾了近年来半导体光电信息功能材料，包括半导体微电子、光 电子材料，宽带隙半导体材料，自旋电子材料和有机光电子材料等的研究进展， 最后对半导体信息功能材料的发展趋势做了评述。 关键词：关键词：半导体微电子；光电子材料；宽带隙半导体材料；自旋电子材料历史 发展表明，半导体信息功能材料和器件是信息科学技术发展的物质基础和先导。 晶体管的发明、硅单晶材料和硅集成电路(ICs)的研制成功，导致了电子工业大 革命；光导纤维材料和以砷化镓为基础的半

2、导体激光器的发明，超晶格、量子 阱微结构材料和高速器件的研制成功，使人类进入到光纤通信、移动通信和高 速、宽带信息网络的时代。纳米科学技术的发展和应用，极有可能触发新的技 术革命，必将彻底地改变人类的生产和生活方式。信息技术涉及到信息的获取、 发射、传输、接收、存储、显示和处理等方方面面，本文主要介绍半导体信息 功能材料与器件的研究进展。 1 半导体信息功能材料与器件研究现状半导体信息功能材料与器件研究现状 11 半导体硅材料与集成电路半导体硅材料与集成电路 硅是当前微电子技术的基础材料，预计到本世纪中叶都不会改变。从提高硅 ICs 成品率、性能和降低成本来看，增大直拉硅单晶的直径，解决硅片直

3、径增 大导致的缺陷密度增加和均匀性变差等问题，仍是今后硅单晶发展的大趋势。 预计由 8 英寸向 12 英寸过渡的硅 ICs 工艺将在近年内完成，到 2015 年后，l2 英寸硅片将成为主流产品；随着极大规模硅 ICs 向更小线宽发展，是否需要研 制更大直径的硅单晶材料，虽存争议，但更大直径的硅单晶(如 18 英寸等)研制 也在筹划中。从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅 ICs 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将会成为硅材料发 展的另一个主要方向。根据 2007 年版“国际半导体技术发展路线图”的预测， 集成电路的特征线宽，2013 年将进入 32 纳米技

4、术代，晶体管物理栅长将是 13nm，并于 2016 年进入到 22 纳米技术代，晶体管物理栅长将是 9am；到 2022 年，那时的晶体管物理栅长将是 45am。这时硅 CMOS 技术将接近或达到它 的“极限” ，摩尔定律将受到物理(短沟场效应、绝缘氧化物量子隧穿效应、沟 道掺杂原子统计涨落、功耗等)、技术(寄生电阻和电容、互连延迟、光刻技术 等)和经济三方面(制造成本昂贵)的挑战。为克服上述器件物理和互连技术限制， 人们一方面正在开发诸如高 K 栅介质、金属栅、双栅多栅器件、应变沟道和 高迁移率材料、铜互连技术(扩散阻挡层)、低介电常数材料、多壁纳米碳管通 孔和三维铜互连等；另一方面，在电路

5、设计与制造方面，采用硅基微纳器件 混合电路、光电混合集成和系统集成芯片(SOC)技术等，来进一步提高硅 ICs 的 速度和功能。然而，虽然采取上述措施可以延长摩尔定律的寿命，但硅微电子 技术最终难以满足人类对信息量需求的日益增长。为此，人们正在积极探索基 于全新原理的材料、器件和电路技术，如基于量子力学效应的纳米电子(光电子)技 术、量子信息技术、光计算技术和分子电子学技术等。 “十五”以来，我国极大 规模集成电路关键制造装备(8 英寸注入机和刻蚀机等)取得突破，光刻机也有长 足进步；以中芯国际有限责任公司等为代表的 8，l2 英寸晶圆代工大型企业的 成功建设，已将我国极大规模集成电路的制造水

6、平提高到 9065nm 水平，大大缩短了与国际水平的差距，预计在 2020 年左右，可实现与国际同步发展。虽 然我国多晶硅材料产业在过去几年里取得了很大进步，但多为 6 个9纯度的 太阳能级多晶硅而电子级多晶硅材料几乎全部依赖进口，严重制约我国集成电 路产业的发展。我国硅单晶材料以 5，6 英寸为主，其生产能力已达 3400t 以上， 8，12 英寸硅单晶及抛光片，虽已具有小批量生产能力，但尚未应用于集成电 路制造。硅外延材料产品主要是 4 和 5 英寸的，6 英寸外延片还未实现量产， 8，12 英寸硅外延片尚处起步阶段。8，12 英寸硅抛光片和外延片绝大部分依赖 进口。我国 SOI(主要是

7、SIMOX 圆片技术)研发虽有一定的基础，但在 8 英寸以 上 SO1 圆片制造方面仍是空白。在 SiGe 异质结外延材料生长和 SiGeHBT 等 器件与电路研发的技术水平，特别是生产水平与国外差距很大。 12 硅基异质结构材料硅基异质结构材料 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。2001 年英国科研人员将硼离 子注入到硅中，在硅中引入位错环。位错环形成的局域场调制硅的能带结构， 使荷电载流子空间受限，从而使硅发光二极管器件的量子效率提高到 01。2002 年意大利研究人员将稀土金属离子，如铒、铈等，注入到包含有

8、直径为 12nm 的硅纳米晶的富硅二氧化硅中，由于量子受限效应，抑制了非 辐射复合过程发生，创造了外量子效率高达 10的硅基发光管的世界纪录。然 而至今未见该方面进一步的研究成果报告。尽管 GaAsSi 和 InPSi 是实现光 电子混合集成的理想材料体系，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，使其难以实用化。2002 年 Motolora 声称，用钛酸锶作协变层(柔性层)，在 8 英寸的硅衬底上成功地生长了器件级 的 GaAs 外延薄膜；但是至今未见实用化的报道。大失配材料体系的异质外延 生长仍是需要解决的难题。2003 年哈佛大学研究人员研制成功硅

9、基 N CdSPSi 纳米线电注入激光器，使人们看到了硅基光电集成的曙光。2006 年 6 月 Intel 研制成功硅基混合锁模激光器，它是由 InP 和硅片构成，两者通过 等离子体工艺键合在一起。光发射来自 InP，硅片作为波导，起着对光的反射 和放大而产生激光发射作用；激光脉冲 4ps，重复频率 40GI-Iz，信号由一根光 纤输出，可用于 PC 机、服务器和数据中心等。近年来采用热压法，将 GaAs 和 InP 为代表的一 V 族材料通过范德瓦力无损伤地与硅片键合在一起，从而 使硅基光电混合集成的方案取得了进展，但集成效果尚有待评估。硅基有机 无机复合发光材料与器件研究近年来取得了进展，

10、外量子效率达到 20。 13一一 V 族化合物半导体材料族化合物半导体材料 与硅相比，一 V 族化合物材料以其优异的光电性质在高速、大功率、低功耗、 低噪音器件、电路、光纤通信、激光光源、太阳能电池和显示等方面得到了广 泛的应用。GaAs，InP 和 GaN 及其微结构材料是目前最重要、应用最广泛的 一 V 族化合物半导体材料。 131 GaAs 和和 InP 单晶材料单晶材料 GaAs 和 InP 单晶的发展趋势是增大晶体直径，提高电学和光学微区均匀性，降 低缺陷密度和成本。目前，直径为 6 英寸的 SIGaAs 和 4 英寸的 InP 已用于集 成电路的制造，但受到硅基 GeSi 和 Ga

11、N 基材的挑战，发展速度有所减缓。位 错密度低的 GaAs 和 InP 单晶的垂直梯度凝固生长技术发展很快，很有可能成 为单晶生长的主流技术。我国在砷化镓单晶研发方面有较好的基础，进入 21 世 纪后，产业有了较大发展，已拉制出 6 英寸的大直径砷化镓，形成了年产万片级以上的多条砷化镓单晶片抛光生产线和多条 4 英寸 GaAs 集成电路生产线。 34 英寸的 InP 单晶的研制也取得了重要进展。 132 GaAs 和和 InP 基超晶格、量子阱材料基超晶格、量子阱材料 以 GaAs 和 InP 为基的晶格匹配和应变补偿的超晶格、量子阱材料已发展得相 当成熟，并成功地用来制造超高速、超高频微电子

12、器件和单片集成电路。目前， InP 基双异质结晶体管(HBT)和高电子迁移率晶体管(HEMT)的最高频率都已进 入太赫兹；GaAs 基的微波单片集成电路(MMIC)已从军用高端产品发展到民用 产品，2007 年市场规模已达 30 亿美元；4500 门 HBT 集成电路业已研制成功。 我国在 InP 基 HEMT 和 HBT 高频器件研究方面也取得可喜成绩，已研制出截 止频率大于 200GHz 的 InP 基 HEMT 和 HBT 器件，可基本满足 w 波段电路的 需求。基于上述材料体系的光通信用 13Ixm 和 15Ixm 的量子阱激光器和探 测器，红、黄、橙发光二极管和红光激光器以及大功率半

13、导体量子阱激光器泵 源已商品化；表面光发射器件已达到或接近达到实用化水平。目前，研制可工 作在 40Gbss 以上的 15m 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 瓶颈问题的关键之一。此外，研制准连续兆瓦级大功率激光阵列用高质量量子 阱材料也因其具有极重要的应用背景受到高度重视。自从 1994 年美国贝尔实验 窒发明了基于量子阱子带跃迁和阱问共振隧穿的量子级联激光器(QCLs)以来， QCLs 在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显著的进展。目前，量 子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到中、远红外

14、波段(34145mm)。我 国在应变补偿、短腔长和光子晶体等量子级联激光器研制方面也取得了优异成 绩，并已成为能研制这类高质量激光器材料与器件为数不多的几个国家之一。 采用量子级联激光器结构来实现 THz 波段的激射是一个更为前沿的研究领域， 现已取得重要进展。 133 一维量子线、零维量子点材料一维量子线、零维量子点材料 目前半导体量子线、量子点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 GaAs，InP 基 In(Ga)As 量子线和量子点，GeSiSi 量子点等，并在量 子点发光器件、量子线场效应晶体管和单电子晶体管、存贮器研制方面，特别 是量子点激光器研制等方面取得了重大进

15、展。小功率量子点激光器的阈值电流 密度()已降低到 16AVcm，已远低于量子阱激光器的 t，并已进入实用化的研发 阶段。中科院半导体所在大功率长寿命量子点激光器、红光量子点激光器和量 子点超辐射发光管等研制方面取得了国际先进水平的成果。基于量子点的单电 子晶体管、量子点原胞自动机、单光子光源等新型器件原型已研制成功，为其 在量子计算、量子通信等量子信息技术方面的应用打下了基础。应变自组装量 子点很容易被嵌入到合适的微腔中，可以实现定向、高效发射，甚至纠缠双光 子发射，在研制单光子光源方面具有优势。寻找原子级无损伤加工方法和应变 自组装可控生长技术，获得无缺陷的、空间高度有序和大小、形状均匀，

16、密度 可控的量子线和量子点材料是发展的大趋势。 14 宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料 宽带隙半导体材料是指禁带宽度大于 27eV 的半导体材料，如 III 族氮化物、 碳化硅、氧化锌(ZnO)和金刚石等，特别是 GaN，SiC 和金刚石薄膜等，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、ZnO 基材料等也是优良的光电子材料，在短波长发光器件、太阳能光伏电池和 紫外探测器等应用方面显示了广泛的应用前景。 141 GaN 基异质外延材料基异质外延材料 目前，GaN 基蓝、绿 LED 已实现规模生产，年销售额已达数十亿美元。近年来， 功率达瓦级(最大为 5W)的 GaN 基蓝、紫光发光二极管的研制成功，使人们看 到了固态白光照明的诱人前景；2006 年 12 月 Nichia 的 GaN 基白光 LE