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半导体信息功能材料与器件的研究新进展图文精样稿

来源:保捱科技网



28卷第1

中国材料v1.28N.11MATERIALSCHINA Jan.

体信息功效材料和器件研究新

王占国

(中国科学院半体研究所半体材料科学关键试验,北京100083

摘要:首先明地介了作为现代信息社会基体材料和器件极其关地位,而同了多年来半体光信息功效材料,包含半体微子、光子材料,宽带隙半体材料,自旋子材料和有机光子材料等研究,终对体信息功效材料趋势做了述。

键词:体微;子材料;宽带隙半体材料;自旋子材料;有机光子材料

法分:TN304:TB34文件标识码:A文章:1674—3962(Ol-002605

RecentProgress of Semiconductor Information

FunctionalMaterials

WANGZhanguo

(InstituteofSemiconductors,Chinese Academy ofSciences,Beijing100083,ChinaAbstract:The extreme importance of semiconductor materials anddevices as a foundation of the modern informational society jsbriefly introduced first in this paper,Then the recent progress ofsemiconductor microelectronic and optoeleetroniCmateriMs



includingsilicon,GaAs and InP crystals and itS mierostructures,wide band gap
semiconductorsmaterials, spintronic materisis and organic semiconductoroptoelectronic materials as well for national inside and outside arereviewed respectively.Finally developmentai trend of semiconductorinformation functional materials are summarized.

Keywords:semiconductormicroelectronic materials;optoelectronic materials;wide band gapmaterials;spintronic materials;organic semiconductor optoelectronicmaterials

展表明,体信息功效材料和器件是信息科学技术发展物和先。晶体管明、硅晶材料和硅集成(ICs研制成功,造成了子工;导纤维材料和以砷化镓为体激光器,超晶格、量子阱微构材料和高速器件研制成功,使人类进入到光通信、移通信和高速、宽带信息网络时代。米科学技术发展和,极有可能触新技,必将根当地改和生活方法。信息技包含到信息取、射、传输、接收、存放、示和理等方方面面,本文关体信息功效材料和器件研究展。

1体信息功效材料和器件研究现实状况¨’4J

1.1体硅材料和集成

硅是目前微子技材料,到本世

收稿日期:—12—18

基金:国家关研究(CB604904

作者介:王占国,,1938年生,中国科学院院士叶全部不会改。从提升硅ICs成品率、性能和降低成原来看,增大直拉硅晶直径,理硅片直径增大造成缺点密



度增加和均匀性差等问题,仍是以后硅展大趋势。估8英寸向12英寸渡硅ICs将在多年内完成,到后,12英寸硅片将成主流;伴随极大模硅ICs向更小线宽发,是否需要研制更大直径硅晶材料,存争,但更大直径硅(18英寸等研制也在划中。从深入小器件特征尺寸,提升硅ICs速度和集成度看,研制适合于硅深微米乃至米工所需大直径硅外延片将会成硅材料展另一个关方向。

依据体技术发展路线图,集成路特征线宽,32米技,晶体管物理栅长将是13nm,并于入到22米技,晶体管物理栅长将是9nln;2022,晶体管物理栅长将是4.5nln这时CMOS
将靠近或达成它极限,定律将受到物理(短沟绝缘氧化物量子隧穿效、沟道掺杂原子统计涨落、功耗等、技(寄生阻和容、互

万方数据

1期王占国:体信息功效材料和器件研究新

、光刻技等和经济三方面(制造成本昂克服上述器件物理和互,大家首先正在开发诸如高K、金属、双/器件、应变沟道和高迁移率材料、(散阻挡层、低介常数材料、多壁米碳管通孔和三维铜;其次,设计和制造方面,采取硅基微/器件混合路、光混合集成和系集成芯片(SOC,来深入提升硅ICs速度和功效。然而,即使采取上述方法能定律寿命,但硅微子技终难足人类对信息量需求日益增加。,大家正在主探索基于全新原理材料、器件和路技。如基于量子力学效应纳(子技、量子信息技、光算技和分子子学技等。



十五以来,中国极大模集成路关制造装(8英寸注入机和刻机等取得突破,光刻机也有;以中芯国有限任企代表8,12英寸晶代工大型企成功建,已将中国极大模集成路制造水平提升到9065nil]水平,大大短了和国水平差距,在左右,实现和国时发展。即使中国多晶硅材料产业去几年里取得了很大,但多69’度太阳能多晶硅,多晶硅材料几乎全部依靠,重制中国集成产业发展。中国硅晶材料以5,6英寸,其生能力已达3400t以上,8,12英寸硅晶及抛光片,已含有小批量生能力,用于集成路制造。硅外延材料品关45英寸,6英寸外延片实现,8,12英寸硅外延片尚起步段。8,12英寸硅抛光片和外延片大部分依靠口。中国S01(SIMOX片技发虽有一定基,但在8英寸以上S01片制造方面仍是空白。在SiGe质结外延材料生SiGe—
HBT等器件和路研水平,尤其是生水平和国外差距很大。

1.2硅基异质结构材料

硅基光、器件集成一直是大家所追求目。但因硅是,提升硅基材料光效率就成一个亟待问题。英国科研人将硼离子注入到硅中,在硅中引入位错环。位错环形成局域场调制硅能带结,使荷电载流子空受限,从而使硅光二极管器件量子效率提升到0.1%。意大利研究人将稀土金属离子,,注入到包含有直径l~2nm米晶富硅二氧化硅中,量子受限效,抑制了非射复合,明了外量子效率高达10%硅基光管世界纪录。然而至今未见该方面迸一步研究汇报



尽管GaAs/SilnP/Si实现子混合集成理想材料体系,但因晶格失配和系数等不一造成高密度失配位而造成器件性能退化和失效,使其用化。Motolora声称,协变层(柔性,8英寸硅底上成功地生了器件GaAs外延薄膜;至今未见实用化道。大失配材料体系异外延生仍是需要难题。哈佛大学研究人研制成功硅基N—CdS/P—
si线电注入激光器,使大家看到了硅基光集成曙光。6Intel研制成功硅基混合模激光器,它是由InP和硅片,二者经过等离子体工艺键合在一起。光射来自InP,硅片作,起着光反射和放大而生激光射作用;激光脉冲4ps,反复40GHz,信号由一根光纤输,可用于PC机、服器和数据中心等。多年来采取热压,GaAsInP代表V族材料经过范德瓦力无损伤地和硅片合在一起,从而使硅基光混合集成方案取得了,但集成效果有待定。硅基有机/无机复合光材料和器件研究多年来取得了,外量子效率达成20%

1.3ⅢV族化合物半体材料

和硅相比,ⅢV族化合物材料以其异光在高速、大功率、低功耗、低噪音器件、路、光通信、激光光源、太阳能池和示等方面得到了广泛用。GaAs,ImPGaN及其微构材料是在最关用最广泛V族化合物半体材料。

1.3.1GaAsInP晶材料

GaAsInP趋势是增大晶体直径,提升学和光学微区均匀性,降低缺点密度和成本。,直径6英寸SI—
GaAs4英寸InP已用于集成路制造,但受到硅基GeSiGaN基材挑,展速度有



所减。位密度低GaAsInP晶垂直梯度凝固生术发展很快,很有可能成为单晶生主流技。中国在砷化镓单晶研方面有很好基,2l,产业有了,已拉制出6英寸大直径砷化,形成了年万片以上多条砷化镓单晶片抛光生产线和多条4英寸GaAs集成路生产线3—
4英寸InP晶研制也取得了关键进展。

1.3.2GaAsInP基超晶格、量子阱材料

GaAsInP基晶格匹配和应变赔偿超晶格、量子阱材料已展得相当成熟,并成功地用来制造超高速、超高子器件和片集成路。,
InP基双异质结晶体管(HBT和高子迁移率晶体管(HEMT最高率全部已入太赫;GaAs基微波

万方数据

中国材料展第28

片集成(MMIC已从用高端展到民用,场规模已达30亿美元;4500HBT集成已研制成功。中国在InPHEMTHBT器件研究方面也取得可喜成,已研制出截止率大于200GHzImPHEMTHBT器件,可基础满W波段路需求。基于上述材料体系光通信用1.3
p,m1.5m量子阱激光器和探,、黄、橙光二极管和光激光器和大功率半体量子阱激光器源已商品化;表面光射器件已达成或靠近达成用化水平。

,研制可工作在40Gbs/s以上1.5
p,m分布反(DFB激光器和吸收(EA制器片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需低维结构材料是理光通信瓶颈问题之一。另外,研制准连续



大功率激光列用高量量子阱材料也因其含有极关键应用背景受到高度重

自从1994年美国贝尔试验明了基于量子阱子带跃迁和阱共振隧穿量子级联激光器(QCLs以来,
QCLs在向大功率、高温和膜工作等研究方面取得了展。,量子级联激光器工作波已覆盖近外到中、远红外波段(3.4—
145mm。中国在应变赔偿、短腔和光子晶体等量子级联激光器研制方面也取得了异成,并已成能研制这类量激光器材料和器件数不多多个国家之一。采取量子级联激光器构来实现THz波段激射是一个更前沿研究,已取得关键进展。

1.3.3量子线、零量子点材料

在半体量子线、量子点材料生和制集中在多个比成熟材料体系上,GaAs,InPIn
(GaAs量子线和量子点,GeSi/Si量子点等,并在量子点光器件、量子线场晶体管和单电子晶体管、存器研制方面,尤其是量子点激光器研制等方面取得了重大展。小功率量子点激光器阈值电流密度(几已降低到16A/cm2,低于量子阱激光器几,并已用化研发阶段。中科院半体所在大功率寿命量子点激光器、光量子点激光器和量子点超光管等研制方面取得了国际优异水平果。

基于量子点单电子晶体管、量子点原胞自机、光子光源等新型器件原型已研制成功,其在量子算、量子通信等量子信息技方面用打下了基应变装量子点很易被嵌入到适宜微腔中,够实现定向、高效,甚至纠缠双光子



,在研制光子光源方面含有优势求原子损伤加工方法和应变装可控生,取得无缺点、空高度有序和大小、形状均匀,密度可控量子线和量子点材料是展大趋势

1.4宽带隙半体材料

宽带隙半体材料是指禁带宽度大于2.7eV体材料,III族氮化物、碳化硅、氧化(ZnO和金石等,尤其是GaN,SiC和金石薄膜等,因含有高热导率、高和漂移速度和大穿电压等特点,研制高大功率、耐高温、抗照半体微子器件和路理想材料;在通信、汽、航空、航天、石油开采和国防等方面有着广泛用前景。另外,IIl族氮化物、ZnO基材料等也是良光子材料,在短波长发光器件、太阳能光伏池和紫外探器等用方面示了广泛用前景。

1.4.1GaN基异外延材料

,GaN绿LED实现规模生,已达数十亿美元。多年来,功率达瓦(最大5WGaN、紫光光二极管研制成功,使大家看到了固白光照明人前景;12NichiaGaN基白光LED试验室流明效率已高达150lm/W;7Cree已开出流明效率131lm/W白光LED;Lumileds1月也研制成功了GaN115lIn/W功率型白光LED

CaN基激光器研制也取得了,工作波400450nm,最大室温连续输出光功率已超出O.5wGaN基高温、高功率、高频电子器件研制取得了重大,GaNF'ET(功率管最高工作(丘。已达140GHz,=67GHz截止,导为260mS/mmGaN基高器件工作流坍曾成器件用瓶,美国CREE



经过在器件极外加1.1p,m片技,上克服了上述问题,研制出GaN
HEMT功率密度已达33W/ram,P^E=54.8%,外加两层场片器件达40W/nun,P。。=60%;们还指出采取F放大可制造P.。高达95%以上微波器件,示了美好潜在用前景。Fujitsu研制出GaNHEMT放大器出功率达174W,电压为63V

GaN代表族氮化物因缺乏同质衬底材料成族氮化物用一个瓶颈问题理措施有三,一是制备块GaN晶体;二是展自支撑GaN底技。三是展柔性底技经过多年努力,2英寸自支撑GaN底制已取得突破,并已有商品出售,但因价格昂等原因,至今未被广泛采取。最近得悉日本科学家利用,在研制大尺寸GaN晶方面取得了突破展。TDI(器件企4英寸SiC底上生出无裂

万方数据

1期王占国:体信息功效材料和器件研究新29

A1N晶薄膜。AIN和自支撑GaN底和GaN晶研制成功,GaN基激光器和高温微子器件和路研制将起到关作用。

另外,美国加州大学圣巴巴拉分校、日本科学和技代理合作在非极性和半极性面生GaNLED
(300×300mill2光效率分别为4l%30%,注入20mA,CW出分别为25mW18mW。她在非极性和半极性宝石面上制GaNLED取得重大,研制成功高达192lm/WLED,提升GaNLED光效率开辟了一个新路径,受到大家关注。



族氮化物含有很强压电,利用种效开展压电诱导工程研究和构建新型器件,是一个有待开展关研究方向。

1.4.2碳化硅(SiC和氧化(ZnO材料

,Cree业为代表体SiC晶研制已取得突破性,2英寸4H6HSiC晶和外延片,3英寸4H—SiC晶已有商品出售;SiC
GaN基材蓝绿LED已上市,参与以宝石为衬GaN光器件争。在存在关键问题是材料中缺点密度,价格昂为满SiC
相关高温、高功率子器件研制需求,将微管道(MP密度降低到小于0.5MP/cm2,子迁移率提升到100em2/Vs以上是很必需。

ZnO和其它宽带隙半体材料相比。含有高激子束(60meV,极好抗照性能,低外延生温度和大尺寸底材料等部分独特,有望用于uV光二极管和低阈值激光器、uV器和生物感器和抗照太空探器等新型ZnO基光器件研制,受到中国外广泛关注。ZnO基材和器件用存在关键问题是高品薄膜制,尤其是定、高P掺杂经过多年探索研究,,大家在ZnOP掺杂机理有了比深入了解基,已能取得定、空穴1017/cm3PZnO
薄膜材料,MgznOBeZnO等三元合金制取得,实现了室温ZnOLED、紫色,察到来自ZnO/BeZnOZnO/MgZnO质结构或量子阱构激射出。中国在ZnOP掺杂研究,MgMgzn0合金、ZnO/ZnMgO多量子阱异质结LED等方面也做出了国际优异水平果。大尺寸ZnO晶研制已取得很大,但晶体,尤其是晶体完整性尚深入提升;另外,高昂价格也是阻碍其广泛用关原因之一。



从整体来看,ZnO基材料和器件研究,但尚无重大突破。高ZnO底材料和高ZnO晶薄膜制和和其晶格匹配合金势垒层材料(BeZnOBeZnO等是ZnO基器件走向用之前必需要问题;真正ZnO基光器件研制任重道

1.4.3晶金石薄膜

上金石薄膜含有比其它宽带隙半体更为优越性能,展高温、大功率、高频电子器件最理想材料。然而,久以来大面积单晶金石薄膜制N一型掺杂难题未能突破,致使它器件步不前。多年来该领域研究有了,Koizumi等研制成功金石紫外PN结发光管后,,Isberg等在瑞典拉大学,利用微波等离子体CVD,研制成功了高晶金石薄膜。半体金晶薄膜研究即使已取得,如法国、以色列和美国科学家在同外延P型金石薄膜上,采取等离子体生和后退火工,成功制N型高电导率金石薄膜(室温7×1016/cm3,电导2(ftcm~,迁移率180cm2/Vs,高温、高和大功率半体金石器件研制打下了基9,日本电报电话(NTr嘉数和德国Ulm大学合作,研制成功最高工作81GHz毫米波金石器件,打破了金石器件国际统计。在化器件工,有期望将出功率提升到30W/ram,嘉数等又在英国Element
Six提供4英寸多晶金石上制作了表面沟道FET,取得了更异性能,流密度达成550mA/mm,流增益截止45GHz,功率增益最大120GHz,1GHz时输出功率密度达成2.1W/ramUlm
大学Kohn肖特基二极管在300℃下仍109整流比,而且在1000℃(真空中仍含有整流性能,且器件反向穿电场2.5MV/cm。日本研究人利用500nm



晶金石同外延薄膜,研制了深紫外光响度大于l
A/W,深紫外/太阳光抑制比达8个量深紫外探,并首次实现了金火焰探

而言之,大面积单晶金石薄膜生N掺杂仍是研究人员长斗目,伴随研究不停深入,尤其是新概念器件提出,相信很快未来,石有望在功率器件和深紫外探器件等方面得到实际应用。

1.5体自旋子学材料和器件

子自旋,如同它荷一,子另一个固有属性。探索流子自旋运动规,实现对其操控及其用科学称之自旋子学(Spintron.

万方数据

中国材料展第28

its。含有磁性材料半体要实现自旋极化,在于自旋有效注入、传输和探。自旋极化子注入到半体中,并被人操控,制成新型自旋子器件,用于数据存放和运算是该领域研究所追求目。因InMn,AsCaMn,As磁性半体中发觉了低温磁性,尤其是在Til.,
Co.02,GaI,MnN,GaI;Cr,N,TiI;Co02,ZnI.,
CoO,ZnCrTe等磁性半体中发觉了居里点高于室温磁性,了磁性半体材料研究,然而因为对磁性起源不明,研究慢。在关集中在对铁/体异质结界面能带结构、自旋子在异质结界面散射、自旋注入、自旋子在半体中运和注入自旋子探和新型自旋子器件设计等方面。自旋相关器件研



于探索段。多年来,间对称破缺(晶格或人T构空反演不称引Rashba自旋道耦合和逆自旋霍造成荷流研究受到关注,研究果有可能相关自旋器件研制明条件。

1.6有机光子材料

有机光材料以其低廉成本和良好柔性,在有机光二极管示器件(OLED/PLED,在白光照明,
OTFET器件、驱动及微子技,有机太阳能光伏,有机光电传感和有机激光等方面含相关键应用前景,而受到广泛重。有机半光材料是有机光功效器件关。多年来有机半光材料光效率及寿命已有了很大提升,并在手机和MP3示器等方面得到实际应用。Sony11英寸有机OLED电视机已在市上出售,27英寸有机OLED电视机已有展品。只要成本深入降低,可望很快推向市。多年来,有机白光照明也取得了关键进,有机光管光效率已达成100lm/W水平,距离用目1
lm/W更近了一步。有机太阳能光伏池是在国上研究另一个,电转换效率已达6%,并有大提升空。中国OLED、太阳能光伏池技研究和开和国上基,去几年里,中国在有机光机理研究、材料开、器件设计和生等方面取得了一批含有自主知识产权研究,部分果已达成国际优异水平。

2体信息功效材料趋势

伴随信息体从子向光子和光子转换步伐加,体光信息功效材料也已由体材料展到薄、超薄构材料,并正向集材料、器件、一体功



效系集成芯片材料和构材料方向展。材料生控制精度也将向原子、分子尺度展。从材料体系上看,除硅和硅基材料作为现代微子技2l中叶不会改,化合物半体微构材料以其异光在高速、低功耗、低噪音器件和,尤其是光子器件、光集成和光子集成等方面发挥着越来越关作用;和此同,多年来硅和GaAs,InPV族化合物混合集成技取得重大,使大家看到了硅基混合光集成曙光。有机半光材料以其低廉成本和良好柔性,已成全色高亮度光材料研另一个关键发展方向,会在新一代乎板示材料中占有一席之地。GaN基紫、绿质结光材料和器件研制成功,将使光存放密度成倍增加,而更关是它将会引照明光源,经济效益巨大。航空、航天和国防建要求推宽带隙、高温微子材料和中远红外激光材料展。探索低维结构材料量子效及其在未来子学和米光子学方面,尤其是基于光子光源量子通信技,基于固量子比特量子算和无机/有机/生命体复合功效构材料和器件,已成材料科学在最活研究,并极有可能触新技,从而根本改和生活方法。另外,从半体异质结构材料生术发展角度看,已由晶格匹配、小失配材料体系向应变赔偿和大失配异质结构材料体系展。怎避免和消除大失配异质结构材料体系在界面存在大量位和缺点,在材料制中迫切要理关键问题之一,理将材料科学工作者提供一个广新空

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万方数据

体信息功效材料和器件研究新展作者:作者:刊名:英文刊名:,(:引用次数:王占国,WANG Zhanguo
中国科学院半体研究所,体材料科学关键试验,北京,100083中国材料MATERIALSCHINA ,28(1 0次参考文件(41.王占国
信息功效材料研究现实状况和趋势[期刊]-化工(022.王占国硅微子技物理极限策探[期刊]-中国科学院院刊(063.王占国高技术发汇报:体材料和器件技 4.叶志.刘新宇.凯查



相同文件(11.期刊文高附加值产品助推信息产业发-中国新技,""(7子信息材料是指在微,子技和新型元器件基础产域中所用材料,包含晶硅代表半体微子材料;激光晶体代表
子材料;陶瓷和敏陶瓷代表子陶瓷材料;钕铁硼永磁材料代表磁性材料;通信材料;磁存放和光存放主数据存放材料;压电
晶体和薄膜材料;贮氢材料和离子嵌入材料代表绿池材料等.

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