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绪论 半导体材料研究的新进展_图文

绪论 半导体材料研究的新进展_图文

半导体材料与工艺
甘国友教授
昆明理工大学材料与冶金工程学院 OO七年七月 二OO七年七月

基本教材: 《半导体材料》 半导体材料》 邓志杰 郑安生编著 化学工业出版社 2004.10

主要参考资料: [1] 《半导体材料》 半导体材料》 杨树人著 科学出版社 2004年3月 2004年 [2] 《半导体物理》 半导体物理》 刘恩科著 国防工业出版社 1994年4月 1994年 [3] 《半导体器件》 半导体器件》 正田英介著 科学出版社 2001年月 2001年月

0.1 序
? 以集成电路(IC)技术(微电子技术)为 代表的半导体技术是近50多年来发展最迅 速的技术。 ? 半导体技术 生产生活、国防科技…… (Si、Ge、GaAs、InP、HgCdTe、 GaN、SiC……) ? 半导体技术是衡量一个国家科学技术发展 水平的一项重要标志。

半导体的导电特性
根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分 导体、绝缘体和半导体。 导体、绝缘体和半导体。 半导体: 半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的一大 类固体材料。 类固体材料。 贝格尔: Ω?cm cm; 贝格尔:10-5~1011Ω?cm; 林兰英、万群: Ω?cm 林兰英、万群: 10-3~109Ω?cm Ω?cm 师昌绪: 师昌绪: 10-3~107Ω?cm 邓志杰、郑安生: Ω?cm 邓志杰、郑安生:10-4~1010Ω?cm

常见的半导体材料有硅、 常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化 物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。 物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。

半导体材料的特性: 半导体材料的特性: 1. 纯净半导体的导电能力很差; 纯净半导体的导电能力很差; 2. 温度升高 温度升高——导电能力增强; 导电能力增强; 导电能力增强 3. 光照增强 光照增强——导电能力增强; 导电能力增强; 导电能力增强 4. 掺入少量杂质 掺入少量杂质——导电能力增强。 导电能力增强。 导电能力增强

半导体与金属、绝缘体之间的界限也不是绝 对的。 ? 重掺杂半导体的导电性能与金属类似(可 具有正的电阻温度系数); ? 在低于1K温度下,有些半导体(如GeTe、 SnTe、SrTiO3等)可显示出超导性; ? 纯净的半导体材料在较低温度下(低于其 本征激发温度)下就是绝缘体; ? 半导体材料并不仅限于固体,也有液态半 导体。

0.2半导体分类 半导体分类 一、本征半导体

半导体二极管和三极管

完全纯净、 完全纯净、具有一定晶体结构的半导体
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 四价元素,每个原子最外层电子数为 4 。 特征是四价元素 四价元素

+
Si

+

Ge

半导体二极管和三极管

提纯的硅材料可形成单晶 单晶——单晶硅 单晶 单晶硅 相邻原子由外层电子形成共价键 共价键
共价键

半导体二极管和三极管

价电子受到激发,形成自 激发, 价电子 激发 自 由电子并留下空穴。 空穴。 由电子 空穴 自由电子和空穴同时产生 自由电子和空穴同时产生 同时 半导体中的自由电子 空 自由电子和空 自由电子 穴都能参与导电——半导 体具有两种载流子。 载流子的产生 复合: 产生与复合 产生 复合:

价电子

硅原子

共价键

半导体二极管和三极管

? 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现, 同时又不断进行复合。在一定温度下,载流子 的产生与复合会达到动态平衡,即载流子浓度 与温度有关。温度愈高,载流子数目就愈多, 导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能 影响很大。 ? 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自 由电子并留下空穴。光强愈大,光子就愈多, 产生的载流子亦愈多,半导体导电能力增强。 故半导体器件对光照很敏感。 ? 杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。

半导体二极管和三极管

型半导体和 型半导体 二. N型半导体和P型半导体 型半导体
1. 本征半导体 掺杂半导体 征半导体与掺杂半导体 征半导体 在常温下,本征半导体的两种载流子数量还是极少 的,其导电能力相当低。 如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素,将得到掺 掺 掺杂半导体的导电能力将大大提高。 杂半导体,而掺杂半导体的导电能力将大大提高 掺杂半导体的导电能力将大大提高 杂半导体 由于掺入杂质元素的不同,掺杂半导体 掺杂半导体可分为两大 掺杂半导体 两大 型半导体和 型半导体。 类——N型半导体 P型半导体

半导体二极管和三极管

2. N型半导体 型半导体
当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素) 时,磷原子与周围的四个硅原子形成共价键后,磷 原子的外层电子数将是 9 ,比稳定结构多一个价电 子。
Si Si Si P Si Si Si 多余 电子

+
P

半导体二极管和三极管

掺入磷杂质的硅半导体晶体中,自由电子的数目 磷 ,自由电子的数目 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式, 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式, 称之为电子半导体或N型半导体 型半导体。 称之为电子半导体或 型半导体。 在N型半导体 电子 多数载流子、空穴 少数 型半导体中电子 空穴是少 型半导体 电子是多 子 空穴 载流子。 子 室温情况下,本征硅中n0=p0~1.5×1010/cm3,当磷 掺杂量在10–6量级时,电子载流子数目将增加几 十万倍。

半导体二极管和三极管

3. P型半导体 型半导体
?当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素) 时,硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后,硼 原子的外层电子数将是 7 ,比稳定结构少一个价电 子。
Si Si Si B Si 空穴 Si Si

+
B

半导体二极管和三极管

掺硼半导体中,空穴的数目远大于自由电子的数 硼 的数目远大于自由电子 ,空穴的数目远大于自由电子的数 空穴为多数载流子 自由电子是少数载流子, 多数载流子, 目。空穴 多数载流子,自由电子是少数载流子, 这种半导体称为空穴型半导体 空穴型半导体或 型半导体 型半导体。 这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。 一般情况下,掺杂半导体中多数载流子的数量可 达到少数载流子的1010倍或更多,电子载流子数 目将增加几十万倍。 不论是N型半导体还是P型半导体,都只有一种多 数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。

三、半导体材料的应用简介 1.p1.p-n结和晶体管

半导体二极管和三极管

p-n结是构成各种半导体器件的基础, 其最重要 结是构成各种半导体器件的基础, 结是构成各种半导体器件的基础 的特性是单向导电性 P-n结的构造: 结的构造: 结的构造 型杂质 扩散 N型杂质 P型衬底 型衬底 P型半导体与 型半导型接触形成的偶电层结构 型半导体与n型半导型接触形成的偶电层结构 型半导体与 这种结构称为P-n结。 这种结构称为 结

v E
P型 型 N型 型

P - n 结整流特性

半导体二极管和三极管

U
i正
P型 型 N型 型 P型 型

U
i反
N型 型

晶体管: 晶体管:二极管和三极管

二极管单向导电, 二极管单向导电,三极管放大

2.集成电路:采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺 集成电路:采用氧化、光刻、 半导体二极管和三极管 把晶体管、电阻、 把晶体管、电阻、电容等元件集成于一块半导体芯 片上,封装成多脚的器件。主要优点: 片上,封装成多脚的器件。主要优点:小、轻、电 路性能好且可靠,成本低。 路性能好且可靠,成本低。电子产品的不断更新换 代,主要得益于集成电路技术的迅速发展
利用0.3微米线宽工艺在 利用 微米线宽工艺在10mm×20mm的芯片上 微米线宽工艺在 × 的芯片上 集成了1.4亿个元件 即集成密度达70万个元件 亿个元件, 万个元件/毫 集成了 亿个元件,即集成密度达 万个元件 毫 每个芯片可包含多至上百万个晶体管。 米。每个芯片可包含多至上百万个晶体管。 晶体管小型化的速度是非常惊人的。 晶体管小型化的速度是非常惊人的。从60年代 年代 线宽10微米 微米, 年代已达到线宽0.5微米或 线宽 微米 , 到 90年代已达到线宽 微米或 年代已达到线宽 更小。 更小。
0.18微米 微米———上海“汉芯一号” 上海“ 微米 上海 汉芯一号”

3.半导体激光器

半导体二极管和三极管

光纤通信是未来通信的发展方向, 光纤通信是未来通信的发展方向,用的主要是 半导体激光器。 半导体激光器。半导体激光器与发光二极管都是 靠材料中的电子和空穴退激使发光, 靠材料中的电子和空穴退激使发光,硅和锗等元 素半导体退激时只引起发热, 素半导体退激时只引起发热,砷化镓等化合物半 导体中退激时会发光。砷化镓发近红外光。 导体中退激时会发光。砷化镓发近红外光。 4.太阳能电池(光生伏特特性) 太阳能电池(光生伏特特性) 太阳能电池是利用P- 结的光生伏特效应 结的光生伏特效应, 太阳能电池是利用 -N结的光生伏特效应,最 重要的参数是电转换效率,非晶硅太阳电池, 重要的参数是电转换效率,非晶硅太阳电池,转 换效率约10%,成本低;砷化镓晶体太阳电池转 换效率约 ,成本低; 换效率可达20%以上,但成本高。太阳能电池广 以上, 换效率可达 以上 但成本高。 泛应用于人造卫星和航天器上。 泛应用于人造卫星和航天器上。

0.3 半导体材料的分类

半导体二极管和三极管

元素半导体有8种;二元无机化合物半导体有600多种;三元无机化合物有 400多种。(变组分、多元、有机等)

0.4 半导体材料的基本性质

半导体二极管和三极管

0.4.1 半导体的晶体结构 半导体的晶体结构一般指构成半导体单晶 材料的原子在空间的排列形式。(金刚石型、 闪锌矿型、纤锌矿型、NaCl型)

半导体二极管和三极管

面心立方

半导体二极管和三极管

金刚石、闪锌矿

半导体二极管和三极管

钙钛矿

半导体二极管和三极管

0.4.2 半导体的化学键 元素半导体——共价键(饱和性和方向性 109o28’); 化合物半导体——共价键为主,具有一定的离子键成分;

半导体二极管和三极管

0.4.3 半导体的能带 直接带隙; 间接带隙;

v 1 k=k =

λ

v h 2k 2 E ( k ) = E0 + 2m*

0.4.4 半导体的电导
在外电场E作用下,电子和空穴的漂移速度为:

半导体二极管和三极管

vn = ? n E vp = ? p E
半导体的电流密度J为:

J = (nvn + pv p )e J = (n? n E + p? p E )e = (n? n + p? p )e ? E
根据欧姆定律:

J = σE

所以, σ

= (n? n + p? p )e
1

1 ρ= = σ (n? n + p? p )e

0.4.5 半导体的霍尔效应
霍尔效应是测量半导体 材料导电类型、载流子浓度 和迁移率等基本性能和霍尔 效应器件应用的基础。

半导体二极管和三极管

J = pqv x qE y = qv x BZ E y = v x BZ = 令RH = 1 pq E y = RH J x BZ Jx BZ pq
RH = ? 1 nq

?? ? 1 RH = ? H ? × ? ? ? ? ? p pq ?? ? 1 RH = ? H ? × ? ? ? nq ? ?n

0.4.6 半导体的光学性质
(1).光吸收与光电导

半导体二极管和三极管

hν ≥ hν 0 = E g

本征吸收

1.24 λ0 = ( ?m) Eg
本征吸收使电子、空穴浓度分别增加△n、△p,则半导体电导率增量为:

?σ = (?n? n + ?p? p )e
(2).光生伏特效应

半导体光电导效应

适当波长的光照射非均匀半导体(如pn结),由于内建电场的作用(无外电 场),半导体内部产生电动势,这种由内建电场引进的光电效应就是光生伏 特效应。

0.5 半导体中的杂质和缺陷
0.5.1 杂质
N型掺杂 P型掺杂 浅能级杂质 深能级杂质 电活性杂质 电中性杂质 替位式杂质 间隙式杂质 (掺杂类型)

半导体二极管和三极管

(杂质能级)

(导电性能)

(掺杂方式)

0.5.2 缺陷
点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷

半导体二极管和三极管

? 弗仑克尔缺陷:一定温度下,格点原子在平衡位置附近振动, 弗仑克尔缺陷:
其中某些原子能够获得较大的热运动能量,克服周围原子化学 键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置,形成间隙原子,原先所 处的位置相应成为空位。这种间隙原子和空位成对出现的缺陷 称为弗仑克尔缺陷。

? 肖特基缺陷:由于原子挤入间隙位置需要较大的能量,所以 肖特基缺陷:
常常是表面附近的原子A和B依靠热运动能量运动到外面新的一 层格点位置上,而A和B处的空位由晶体内部原子逐次填充,从 而在晶体内部形成空位,而表面则产生新原子层,结果是晶体 内部产生空位但没有间隙原子,这种缺陷称为肖特基缺陷。

半导体二极管和三极管

? 肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷统称点缺陷 点缺陷。 点缺陷 ? 虽然这两种点缺陷同时存在,但由于在Si、Ge中形成间隙 原子一般需要较大的能量,所以肖特基缺陷存在的可能性 远比弗仑克尔缺陷大,因此Si、Ge中主要的点缺陷是空位

(a) 弗仑克尔缺陷 (b) 肖特基缺陷 图1.11 点缺陷

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? 化合物半导体GaAs中,如果成份偏离正常化学比,也会 出现间隙原子和空位。如果Ga成份偏多会造成Ga间隙原 子和As空位;As成份偏多会造成As间隙原子和Ga空位。 ? 化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷,如GaAs晶体中 As的成份偏多,不仅形成Ga空位,而且As原子还可占据 Ga空位,称为反结构缺陷。 ? 此外高能粒子轰击半导体时,也会使原子脱离正常格点位 置,形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。

半导体二极管和三极管

? 位错是晶体中的另一种缺陷,它是一种线缺陷。 ? 半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行,因而 在晶体中会产生一定应力。 ? 在应力作用下晶体的一部分原子相对于另一部分原子会沿着某 一晶面发生移动,如图1.12(a)所示。这种相对移动称为滑移, 在其上产生滑移的晶面称为滑移面,滑移的方向称为滑移向。

(a) (b) 图1.12 应力作用下晶体沿某一晶面的滑移

半导体二极管和三极管

? 实验表明滑移运动所需应力并不很大,因为参加滑移的所有原 子并非整体同时进行相对移动,而是左端原子先发生移动推动 相邻原子使其发生移动,然后再逐次推动右端的原子,最终是 上下两部分原子整体相对滑移了一个原子间距b,见图1.12(b)。 ? 这时虽然在晶体两侧表面产生小台阶,但由于内部原子都相对 移动了一个原子间距,因此晶体内部原子相互排列位置并没有 发生畸变。 ? 在上述逐级滑移中会因为应力变小而使滑移中途中止,就出现 了图1.13(a)所示的情况。 ? 如果中途应力变小使滑移中止,滑移的最前端原子面AEFD左 侧原子都完成了一个原子间距的移动,而右侧原子都没有移动, 其结果是好像有一个多余的半晶面AEFD插在晶体中,见图 1.13(b)。

半导体二极管和三极管

? 在AD线周围晶格产生畸变,而距AD线较远处似乎没有影响, 原子仍然规则排列,这种缺陷称为位错,它是一种发生在AD 线附近的线缺陷,AD线称为位错线。 ? 图1.13中滑移方向BA与位错线AD垂直,称为棱位错。因为它 有一个多余的半晶面AEFD像刀一样插入晶体,也称刃形位错

(a) 图1.13 刃型位错

(b)

半导体二极管和三极管

? 图1.14所示的称为螺旋位错的滑移是沿BC方向,而原子移 动沿BA方向传递,位错线AD和滑移方向平行。与刃型位 错不同的是,这时晶体中与位错线AD垂直的晶面族不再 是一个个平行面,而是相互连接、延续不断并形成一个整 体的螺旋面。

图1.14 螺旋位错

半导体二极管和三极管

? 半导体中往往包含很多彼此平行的位错线,它们一般从晶 体一端沿伸到另一端,与表面相交。 ? 半导体中还存在因原子排列次序的错乱而形成的一种面缺 陷,称为层错。 ? Si晶体中常见的层错有外延层错和热氧化层错。

0.5.3缺陷工程 缺陷工程
在深入理解缺陷的基础上,既要努力减少缺陷,也可利用某些缺陷去控 制或抵消另外一些难以消除的缺陷的有害影响,以提高器件的成品率和 可靠性。

0.6 半导体材料的性能检测

半导体二极管和三极管

半导体二极管和三极管

半导体材料性能检测技术

半导体二极管和三极管

? 材料生长过程中的原位检测技术 ? 高分辨率的快速、无损、自动化测试技术 高分辨率的快速、无损、 ? 极端条件(极低温、强磁场、超高压等) 极端条件(极低温、强磁场、超高压等) 下半导体材料检测技术

0.7 材料的应用发展趋势

半导体二极管和三极管

半导体二极管和三极管

半导体二极管和三极管

半导体材料研究的新进展

1 半导体材料的战略地位
上世纪中叶, 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, 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 电子工业革命;上世纪 年代初石英光导 纤维材料和GaAs激光器的发明,促进 了光 激光器的发明, 纤维材料和 激光器的发明 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。 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、 概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材 料的研制成功, 料的研制成功,彻底改变了光电器件的设 计思想, 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” “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、 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、 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, 能强大的新型器件与电路,必将深刻地影 响着世界的政治、 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。 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 2.1 硅材料
从提高硅集成电路成品率,降低成本看, 从提高硅集成电路成品率,降低成本看, 增大直拉硅( 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 发展的总趋势。 陷的密度仍是今后 发展的总趋势 直径为8英寸 英寸( 直径为 英寸(200mm)的Si单晶已实现大规 ) 单晶已实现大规 模工业生产,基于直径为12英寸 英寸( 模工业生产,基于直径为 英寸(300mm)硅 ) 片的集成电路( 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。 工业生产转变中。目前 300mm,0.18?m工艺 , 工艺 的硅ULSI生产线已经投入生产,300mm, 生产线已经投入生产, 的硅 生产线已经投入生产

0.13?m工艺生产线也在 工艺生产线也在2003年完成评估。18 年完成评估。 工艺生产线也在 年完成评估 英寸重达414公斤的 硅单晶和 英寸的硅园片 英寸重达 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 已在实验室研制成功,直径 英寸硅单晶研制 也正在积极筹划中。 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, 的速度和集成度看, 从进一步提高硅 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, 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 材料, 能剥离( 材料 ) SIMOX材料等也发展很快。目前,直径 英寸 材料等也发展很快。 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 材料已研制成功, 的硅外延片和 材料已研制成功 的片材也在开发中。 的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅 左右将是硅MOS集成电路 理论分析指出 左右将是硅 集成电路 线宽的“极限”尺寸。 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 更重要的是将受硅、 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 自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高 介电绝缘材料(如用Si 等来替代SiO2),低 ),低 介电绝缘材料(如用 3N4等来替代 K介电互连材料,用Cu代 替Al引线以及采用系 介电互连材料, 介电互连材料 代 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 的集成度、 统集成芯片技术等来提高 的集成度 速度和功能, 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, 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 生物计算等之外, 新原理的量子计算和 生物计算等之外

把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导 把目光放在以 、 为基的化合物半导 体材料,特别是二维超晶格、量子阱,一维 体材料,特别是二维超晶格、量子阱, 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 合金材料等, 兼容 合金材料等 料研发的重点。 料研发的重点。

GaAs和InP单晶材料 2.2 GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同,它们都是直接带 和 与硅不同, 与硅不同 隙材料,具有电子饱和漂移速度高,耐高温, 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、 抗辐照等特点;在超高速、超高频、低功耗、 低噪音器件和电路, 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。 电集成方面占有独特的优势。

目前,世界 目前,世界GaAs单晶的总年产量已超过 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 吨 法(VGF)和水平(HB)方法生长的 -3 )和水平( )方法生长的2- 英寸的导电GaAs衬 底材料为主;近年来, 英寸的导电 衬 底材料为主;近年来, 为满足高速移动通信的迫切需求, 为满足高速移动通信的迫切需求,大直径 英寸) 发展很快。 (4, 6和8英寸)的Si-GaAs发展很快。美国 和 英寸 发展很快 莫托罗拉公司正在筹建6英寸的 英寸的Si-GaAs集成 莫托罗拉公司正在筹建 英寸的 集成 电路生产线。 具有比GaAs更优越的高频 电路生产线。InP具有比 具有比 更优越的高频 性能,发展的速度更快,但研制直径3英寸 性能,发展的速度更快,但研制直径 英寸 以上大直径的 InP单晶的关键技术尚未完全 单晶的关键技术尚未完全 突破,价格居高不下。 突破,价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是: GaAs和InP单晶的发展趋势是: 单晶的发展趋势是 (1).增大晶体直径,目前4英寸的 增大晶体直径,目前 英寸的 英寸的Si增大晶体直径 GaAs已用于生产,预计直径为 英寸的 已用于生产, 英寸的Si已用于生产 预计直径为6英寸的 GaAs也将投入工业应用 也将投入工业应用; 也将投入工业应用 (2).提高材料的电学和光学微区均匀 性; 提高材料的电学和光学微区均匀 (3).降低单晶的缺陷密度 特别是位错 降低单晶的缺陷密度,特别是位错 降低单晶的缺陷密度 特别是位错; (4). GaAs和InP单晶的 单晶的VGF生 长技术 和 单晶的 生 发展很快,很有可能成为主流技术。 发展很快,很有可能成为主流技术。

半导体超晶格、 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( 技术(MBE,MOCVD)的新一代人工构造 , ) 材料。 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“ 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, 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。 量子器件的基础材料。 (1).Ⅲ-V 族超晶格、量子阱材料。 族超晶格、量子阱材料。 Ⅲ GaAIAs/GaAs,GaInAs/GaAs,AIGaInP/Ga As;GalnAs/InP,AlInAs/InP,InGaAsP/InP等 等

GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体 、 基晶格匹配和应变补偿材料体 系已发展得相当成熟, 系已发展得相当成熟,已成功地用来制造 超高速, 超高速,超高频微电子器件和单片集成电 高电子迁移率晶体管(HEMT),赝配 ),赝配 路。高电子迁移率晶体管 ), 高电子迁移率晶体管( 高电子迁移率晶体管(P-HEMT)器件最 ) 好水平已达f 好水平已达 max=600GHz,输出功率 ,输出功率58mW, 功率增益 6.4db;双异质结双极晶体管 双异质结双极晶体管 (HBT)的最高频率 max也已高达 )的最高频率f 500GHz,HEMT逻辑电路研制也发展很快。 逻辑电路研制也发展很快。 逻辑电路研制也发展很快 基于上述材料体系的光通信用1.3?m和 基于上述材料体系的光通信用 和 1.5?m的量子阱激光器和探测器,红、 的量子阱激光器和探测器, 的量子阱激光器和探测器

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; 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1.5?m分 实用化水平。目前,研制高质量的 分 布反馈( 布反馈(DFB)激光器和电吸收(EA)调制 )激光器和电吸收( ) 器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动 器单片集成 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, 颈问题的关键,在实验室西门子公司已完成 传输40km的实验。另外,用 的实验。 了80×40Gbps传输 × 传输 的实验 另外, 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。 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, 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(~ 其有源区极薄 ~0.01?m)端面光电灾变损伤, )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。 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 我国早在1999年,就研制成功 980nm 一。我国早在 年 InGaAs带间量子级联激光器,输出功率达 带间量子级联激光器, 带间量子级联激光器 输出功率达5W 以上; 年初, 以上;2000年初,法国汤姆逊公司又报道了 年初 单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果 瓦好结果。 单个激光器准连续输出功率超过 瓦好结果。

最近,我国的科研工作者又提出并开展了多 最近, 有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究, 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、 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、 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。 前景。 为克服PN结半导体激光器的能隙对激光 为克服 结半导体激光器的能隙对激光 器波长范围的限制, 器波长范围的限制,1994年美国贝尔实验室 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, 穿的量子级联激光器,突破了半导体能隙对 波长的限制。2001年瑞士 波长的限制。 年瑞士Neuchatel大学 大学 年瑞士

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9.1?m的QCLs的工作温度 区结构使波长为 的 的工作温度 高达312K,连续输出功率 高达 ,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 波段(3~87?m),并在光通信、超高分辨 ),并在光通信、 光谱、超高灵敏气体传感器、 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。 前景。中科院上海微系统和信息技术研究 年研制成功120K 5?m和250K 所于 1999年研制成功 年研制成功 和 8?m的量子级联激光器;中科院半导体研 的量子级联激光器; 的量子级联激光器 究所于2000年又研制成功 年又研制成功3.7?m室温准 究所于 年又研制成功 室温准

连续应变补偿量子级联激光器, 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, 族超晶格、 个国家之一。目前,Ⅲ-V族超晶格、量子 族超晶格 阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方 正从直径3英寸向 英寸过渡; 英寸向4英寸过渡 向,正从直径 英寸向 英寸过渡;生产型的 MBE和M0CVD设备已研制成功并投 入使用, 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 每台年生产能力可高达 × 片 英寸或 1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的 英寸。 × 片 英寸 英国卡迪夫的MOCVD中 中 法国的Picogiga MBE基地,美国的 基地, 心,法国的 基地 QED公司,Motorola公司,日本的富士通, 公司, 公司, 公司 公司 日本的富士通, NTT,索尼等都有这种外延材料出售。 ,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, 和 设备的成熟与应用, 生产型 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。 发展。 (2)硅基应变异质结构材料。 硅基应变异质结构材料。 硅基应变异质结构材料 硅基光、 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, 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。 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( 目前正致力于探索硅基纳米材料(纳米 Si/SiO2),硅基 ),硅基 硅基SiGeC体系的 体系的Si1体系的 yCy/Si1-xGex低维结构, Ge/Si量子点和 低维结构, 低维结构 量子点和 量子点超晶格材料, 量子点材料, 量子点超晶格材料,Si/SiC量子点材料, 量子点材料

GaN/BP/Si以及 以及GaN/Si材料。最近,在 材料。 以及 材料 最近, GaN/Si上成功地研制出 上成功地研制出LED发光 器件和有 上成功地研制出 发光 关纳米硅的受激放大现象的报道, 关纳米硅的受激放大现象的报道,使人们 看到了一线希望。 看到了一线希望。 另一方面, 应变层超晶格材料, 另一方面,GeSi/Si应变层超晶格材料, 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, 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。 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 和 的最高截止频率已达 200GHz,HBT最高振荡频率为 最高振荡频率为160GHz, , 最高振荡频率为 , 噪音在10GHz下为 .9db,其性能可与 下为0. 噪音在 下为 , GaAs器 件相媲美。 器 件相媲美。

尽管GaAs/Si和InP/Si是实现光电子集成理想 和 尽管 是实现光电子集成理想 的材料体系, 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 防碍着它的使用化。最近, 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 英寸的硅衬 等公司宣称, 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 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 的生长了器件级的 外延薄 突破性的进展。 突破性的进展。

一维量子线、 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, 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( 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, 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。 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。 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, 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 以及 等 米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。 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 小组, 俄罗斯约飞技术物理所 小组 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 (Ga) 小组等研制成功的In( ) 学重点实验室的 小组等研制成功的 As/GaAs高功率量子点激光器,工作波长 高功率量子点激光器, 高功率量子点激光器 工作波长l?m 左右,单管室温连续输出功率高达3.6~ 。 左右,单管室温连续输出功率高达 ~4W。

特别应当指出的是我国的MBE小组,2001年通 小组, 特别应当指出的是我国的 小组 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, 引入应力缓解层,抑制了缺陷和位错的产生, 器的工作寿命, 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 时工作寿命超过5000小时,这是 小时, 输出功率为 时工作寿命超过 小时 大功率激光器的一个关键参数, 大功率激光器的一个关键参数,至今未见国外 报道。 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, 的研制方面也获得了重大进展,1994年日本 年日本 NTT就研制成功沟道长度为 就研制成功沟道长度为30nm纳米单电 就研制成功沟道长度为 纳米单电 子晶体管,并在150K观 察到栅控源-漏电 子晶体管,并在 观 察到栅控源- 流振荡;1997年美国又报道了可在室温工作 流振荡; 年美国又报道了可在室温工作 的单电子开关器件, 的单电子开关器件,1998年Yauo等人采用 年 等人采用 0.25微米工艺技术实现了 微米工艺技术实现了128Mb的单电 子 . 微米工艺技术实现了 的单电 存贮器原型样机的制造, 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 目前,基于量子点的自适应网络计算机, 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。 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, 备相比,高度有序的半导体量子线的制备 技术难度较大。 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 小组, 料科学重点实验室的 小组 MBE技术和 生长模式,成功地制备了高 技术和SK生长模式 技术和 生长模式, 空间有序的InAs/InAI(Ga)As/InP的量子 空间有序的 ( ) 的量子 线和量子线超晶格结构的基础上, 线和量子线超晶格结构的基础上,对 InAs 量子线超晶格的空间自对准( /InAlAs量子线超晶格的空间自对准(垂 量子线超晶格的空间自对准 直或斜对准) 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。 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, 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、 基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的 热蒸发技术, 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, 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, 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; 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 呈矩形截面,典型的宽度为 , 比为5-10,长度可达数毫米。这种半导体氧化 比为 ,长度可达数毫米。 是一个理想的材料体系, 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。 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 教授领导 的小组,分别在SiO2/Si和InAs/InP半导体量子 的小组,分别在 和 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: 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, 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, 应变自组装量子线、量子点材料生长技术,图 择生长技术, 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, 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、 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、 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。 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, 族 宽带隙半导体材主要指的是金刚石,III族 氮化物,碳化硅, 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 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、 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、 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、 微电子器件和电路的理想材料;在通信、汽车、 航空、 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, 族氮化物也是很好的 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( 光电子材料,在蓝、绿光发光二极管(LED)和 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。 等应用方面也显示了广泛的应用前景。 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, 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 SiC 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 数周期地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, 可形成适用于可见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35?m和1.5?m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 计算的装置,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 我国半导体材料的发展趋势

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 GaAs及其有关化合物半导体单晶
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。

发展超晶格、量子阱和一维、 5.3 发展超晶格、量子阱和一维、零维 半导体

(1)超晶格、量子阱材料 超晶格、 超晶格
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。基于低 一维和零维半导体材料。 一维和零维半导体材料
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。


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