几种半导体材料的现状与发展趋势
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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。
关键词：半导体材料 量子线 量子点材料
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。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。
一、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。
二、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。
三、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。
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。
作为一种新型的半导体材料，将对未来工业产业具有重要的作用，对半导体材料的需求正呈急剧上升的趋势。除了军用高温器件之外，在全彩色显示屏制造、高温器件、集成电路、石油钻探、汽车、飞机发动机监测、微波器件、抗辐射加固器件方面都有广阔的应用前景。
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