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【關(guān)鍵詞】寬帶半導(dǎo)體材料 電子機(jī)構(gòu) 性質(zhì)
Ⅱ-Ⅲ2-Ⅳ4型三元化合物，為具有缺陷黃銅礦結(jié)構(gòu)的寬帶半導(dǎo)體材料，材料電子機(jī)構(gòu)優(yōu)化性強(qiáng)，彈性以及光學(xué)性質(zhì)好，用于光學(xué)設(shè)備乃至電光器件等的制造中，在提高設(shè)備性能方面，價(jià)值顯著。本文以密度泛函理論為基礎(chǔ)，對(duì)缺陷黃銅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體CdAl2S4的電子機(jī)構(gòu)、彈性及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析：
1 寬帶半導(dǎo)體材料模擬計(jì)算方法
以密度泛函理論為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬計(jì)算。將CdAl2S4拆分開(kāi)來(lái)，分為Cd、Al以及S三個(gè)部分，三者的價(jià)電子組態(tài)存在一定差異，Cd電子組態(tài)為4d105s2、Al電子組態(tài)為3s23p2、S電子組態(tài)為3s23p4。電子與電子之間存在的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)，以PBE泛函作為基礎(chǔ)進(jìn)行描述。參數(shù)設(shè)計(jì)情況如表1。
從表1中可以看出，半導(dǎo)體材料參數(shù)如下：
（1）動(dòng)能截?cái)嘀担?00eV。
（2）布里淵區(qū)k點(diǎn)網(wǎng)格8×8×4。
（3）原子作用收斂標(biāo)準(zhǔn)：10-3eV/A。
（4）自洽精度：10-6eV/atom。
2 寬帶半導(dǎo)體材料的電子機(jī)構(gòu)與性質(zhì)
2.1 寬帶半導(dǎo)體材料的電子機(jī)構(gòu)
從晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)方面，對(duì)寬帶半體材料CdAl2S4的電子機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究：
2.1.1 晶格結(jié)構(gòu)
寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的原子中，不同原子的空間占位不同，具體如表2。
考慮不同原子在空間占位方面存在的差異，應(yīng)首先采用晶格優(yōu)化的方法，提高材料結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性，CdAl2S4的晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鍵長(zhǎng)如下：Cd-S鍵長(zhǎng)2.577、Al1-S鍵長(zhǎng)2.279、Al2-S鍵長(zhǎng)2.272。a實(shí)驗(yàn)值2.553，計(jì)算值5.648。
2.1.2 能帶結(jié)構(gòu)
寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的能帶結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1顯示，寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的價(jià)帶主要由三部分所構(gòu)成，分別為低價(jià)帶、高價(jià)帶與最高價(jià)帶：
（1）低價(jià)帶：低價(jià)帶即能量最低的價(jià)帶，包括S的s態(tài)以及Al的s態(tài)等部分，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料CdAl2S4的低價(jià)帶的觀察可以發(fā)現(xiàn)，S與Al兩者中所包含的原則，具有較高的結(jié)合性質(zhì)。
（2）高價(jià)帶：與低價(jià)帶相比，高價(jià)帶的能量相對(duì)較高，判斷與Cd原子有關(guān)。觀察圖1可以看出，半導(dǎo)體材料CdAl2S4高價(jià)帶Cd-d態(tài)的局域性較強(qiáng)。
（3）最高價(jià)帶：最高價(jià)帶的能量最高，一般在-5.4-0eV之間，該價(jià)帶包括上下兩部分，兩部分所包含的能態(tài)各不相同。以導(dǎo)帶部分為例，其能態(tài)一般在3.395eV-6.5eV之間。
2.2 寬帶半導(dǎo)體材料的性質(zhì)
從彈性性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)兩方面，對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的性質(zhì)進(jìn)行了分析：
2.2.1 彈性性質(zhì)
晶體相鄰原子的成鍵性質(zhì)等，與彈性性質(zhì)存在聯(lián)系。從寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的各向異性因子，該材料的彈性性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)。
寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的延展性與脆性，與彈性同樣存在聯(lián)系，簡(jiǎn)單的講，材料的延展性與彈性呈正相關(guān)，材料脆性與彈性，則呈負(fù)相關(guān)。通常情況下，材料的延展性與脆性如何，可以采用體模量與剪切模量之間的比值來(lái)確定，當(dāng)兩者之間的比值在1.75以下時(shí)，說(shuō)明材料的延展性較差，脆性較強(qiáng)，彈性性質(zhì)較差。相反，當(dāng)兩者之間的比值在1.75以上時(shí)，則說(shuō)明材料的延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)。
通過(guò)對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4體模量與剪切模量之間的比值的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，比值為1.876，較1.75大，可以認(rèn)為，該材料的延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)。
2.2.2 光學(xué)性質(zhì)
半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)，屬于其物理性質(zhì)中極其重要的一方面，在光學(xué)儀器等的研制過(guò)程中，對(duì)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)十分重視。寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的本質(zhì)來(lái)看，該材料晶體為四方晶系單光軸晶體，各向異性顯著。
將光譜能量確定為0-20eV，對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料CdAl2S4的光子能量在3.5eV以下以及12.5eV以上的區(qū)域，而不存在在兩者之間，可以認(rèn)為，該材料晶體的光學(xué)性質(zhì)具有各向異性。另外，研究顯示，該材料的反射系數(shù)可達(dá)到0.85，強(qiáng)放射峰在紫外區(qū)域，可以認(rèn)為，寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4具有紫外探測(cè)以及紫外屏蔽的光學(xué)性質(zhì)。
3 討論
寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4電子機(jī)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)，具有紫外探測(cè)以及紫外屏蔽的光學(xué)性質(zhì)。未來(lái)，應(yīng)對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料的性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以開(kāi)發(fā)出該材料的更多功能，確保其價(jià)值能夠得到更好的發(fā)揮。
4 結(jié)論
鑒于寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4在電子機(jī)構(gòu)以及彈性性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)方面存在的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，可以將其應(yīng)用到紫外探測(cè)以及紫外屏蔽等材料的研制過(guò)程中，使之優(yōu)勢(shì)能夠得到充分的發(fā)揮，為社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞半導(dǎo)體；材料；芯片；發(fā)展；應(yīng)用；技術(shù)；
中圖分類(lèi)號(hào)：O471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
引言
自然界中的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的差異可劃分為導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導(dǎo)電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導(dǎo)體（如鍺、硅、砷化鎵等）。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。它的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照及摻入雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類(lèi)型，這是其廣泛應(yīng)用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據(jù)。
一、半導(dǎo)體材料的概念與特性
當(dāng)今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品普遍進(jìn)入人們的生活，如電視機(jī)，電子計(jì)算機(jī)，電子表，半導(dǎo)體收音機(jī)等都已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｋ豢扇鄙俚募矣秒娖鳌?半導(dǎo)體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用， 這需要我們從了解半導(dǎo)體材料的概念和特性開(kāi)始。
半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)物質(zhì)，在某些情形下具有導(dǎo)體的性質(zhì)。 半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用源于它們獨(dú)特的性質(zhì)。 首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開(kāi)發(fā)就是利用了這個(gè)特性；其次，雜質(zhì)參入對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，它們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得 PN 結(jié)形成，進(jìn)而制作出各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)會(huì)因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷器等； 半導(dǎo)體基片可以實(shí)現(xiàn)元器件集中制作在一個(gè)芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路。 這種種特性使得半導(dǎo)體獲得各種各樣的用途， 在科技的發(fā)展和人們的生活中都起到十分重要的作用。
二、幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
（一）硅材料
硅材料是半導(dǎo)體中應(yīng)用廣泛的一類(lèi)材料，目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC's）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。
從進(jìn)一步提高硅IC'S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smart cut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開(kāi)發(fā)中。
（二）GaAs和InP單晶材料
GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
（三）半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料
半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)材料。GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開(kāi)展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來(lái)光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。
（四）一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料
基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。
目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμ蘭左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3．6～4W。1.5 寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車(chē)、航空、航天、石油開(kāi)采以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED)和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。
三、半導(dǎo)體材料發(fā)展的幾點(diǎn)建議
GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開(kāi)盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需求。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料。
（一）超晶格、量子阱材料
從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬(wàn)平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。
寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開(kāi)發(fā)工作。
（二）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想
基于低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地。可以預(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。
結(jié)束語(yǔ)
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和各種電子器件、 產(chǎn)品等要求不斷的提高， 半導(dǎo)體材料在未來(lái)的發(fā)展中依然起著重要的作用。 在經(jīng)過(guò)以 Si、GaAs 為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程后，第三代半導(dǎo)體材料的成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 我們應(yīng)當(dāng)在兼顧第一代和第二代半導(dǎo)體發(fā)展的同時(shí)， 加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料。 目前的半導(dǎo)體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進(jìn)。 隨著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代逐漸過(guò)渡， 我們需要進(jìn)一步提高半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的研究，開(kāi)創(chuàng)出半導(dǎo)體材料的新領(lǐng)域。 相信不久的將來(lái)，通過(guò)各種半導(dǎo)體材料的不斷探究和應(yīng)用，我們的科技、產(chǎn)品、生活等方面定能得到巨大的提高和發(fā)展！
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【關(guān)鍵詞】電子化工材料 半導(dǎo)體材料 晶體生長(zhǎng)技術(shù)
半導(dǎo)體材料的發(fā)展，是在器件需要的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但從另一個(gè)角度來(lái)看，隨著半導(dǎo)體新材料的出現(xiàn)，也推動(dòng)了半導(dǎo)體新器件的發(fā)展。近幾年，電子器件發(fā)展的多朝向體積小、頻率高、功率大、速度快等幾個(gè)方面[1]。除了這些之外，還要求新材料能夠耐輻射、耐高溫。想要滿足這些條件，就要對(duì)材料的物理性能加大要求，同時(shí)，也與材料的制備，也就是晶體生長(zhǎng)技術(shù)有關(guān)。因此，在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過(guò)程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，還要對(duì)晶體發(fā)展的新技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。
1 半導(dǎo)體電子器件需要的材料1.1 固體組件所需材料
目前，半導(dǎo)體電子所需要的材料依然是以鍺、硅為主要的材料，但是所用材料的制備方法卻不一樣，有的器件需要使用拉制的材料，還有的器件需要外延的材料，采用外延硅單晶薄膜制造的固體組件，有對(duì)制造微電路有著十分重要的作用。
1.2 快速器件所需材料
利用硅外延單晶薄膜或者外延鍺的同質(zhì)結(jié)，可以制造快速開(kāi)關(guān)管。外延薄膜單晶少數(shù)載流子只能存活幾個(gè)微秒[2]，在制造快速開(kāi)關(guān)管的時(shí)候，采用外延單晶薄膜來(lái)制造，就可以解決基區(qū)薄的問(wèn)題。
1.3 超高頻和大功率晶體管的材料
超高頻晶體管對(duì)材料的載流子有一定的要求，材料載流子的遷移率要大，在當(dāng)前看來(lái)，鍺就是一種不錯(cuò)的材料，砷化鎵也是一種較好的材料，不過(guò)要先將晶體管的設(shè)計(jì)以及制造工藝進(jìn)行改變。大功率的晶體管就對(duì)材料的禁帶寬度有了一定的要求，硅的禁帶寬度就要大于鍺的禁帶寬度，碳化硅、磷化鎵、砷化鎵等材料，也都具有一定的發(fā)展前途。如果想要制造超高頻的大功率晶體管，就會(huì)對(duì)材料的禁帶寬度以及載流子遷移率都有一定的要求。但是，目前所常用的化合物半導(dǎo)體以及元素半導(dǎo)體，都不能完全滿足要求，只有固溶體有一定的希望。例如，砷化鎵-磷化鎵固溶體中，磷化鎵的含量為5%，最高可以抵抗500℃以上的高溫，禁帶寬度為1.7eV，當(dāng)載流子的濃度到達(dá)大約1017/cm3的時(shí)候，載流子的遷移率可以達(dá)到5000cm3/ v.s[3]，能夠滿足超高頻大功率晶體的需要。
1.4 耐熱的半導(dǎo)體材料
目前比較常見(jiàn)的材料主要有：氧化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、碳化硅和磷化鎵等。但是只有碳化硅的整流器、碳化硅的二極管以及磷化鎵的二極管能夠真正做出器件。因?yàn)椴牧媳旧淼闹委熅捅容^差，所以做出的器件性能也不盡人意。所以，需要對(duì)耐高溫半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，滿足器件的要求。
1.5 耐輻射的半導(dǎo)體材料
在原子能方面以及星際航行方面所使用的半導(dǎo)體電子器件，要有很強(qiáng)的耐輻照性。想要使半導(dǎo)體電子器件具有耐輻照的性能，就要求半導(dǎo)體所用的材料是耐輻照的。近幾年來(lái)，有許多國(guó)家都對(duì)半導(dǎo)體材料與輻照之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究的材料通常都是硅和鍺，但是硅和鍺的耐輻射性能并不理想。據(jù)研究表明，碳化硅具有較好的耐輻照性，不過(guò)材料的摻雜元素不同，晶體生長(zhǎng)的方式也就不一樣，耐輻照的性能也就不盡相同[4]，這個(gè)問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。
2 晶體生長(zhǎng)技術(shù)
2.1 外延單晶薄膜生長(zhǎng)的技術(shù)
近年來(lái)，固體組件發(fā)展非常迅速，材料外延的雜質(zhì)控制是非常嚴(yán)格的，由于器件制造用光刻技術(shù)之后，對(duì)外延片的平整度要求也較高，在技術(shù)上還存在著許多不足。除了硅和鍺的外延之外，單晶薄膜也逐漸開(kāi)展起來(lái)。使用外延單晶制造的激光器，可以在室內(nèi)的溫度下相干，這對(duì)軍用激光器的制造有著重要的意義。
2.2 片狀晶體的制備
在1964年的國(guó)際半導(dǎo)體會(huì)議中，展出了鍺的薄片單晶，這個(gè)單晶長(zhǎng)為2米，寬為8至9毫米，厚為0.3至0.5毫米，每一米長(zhǎng)內(nèi)厚度的波動(dòng)在100微米以內(nèi)，單晶的表面非常光滑并且平整，位錯(cuò)的密度為零[5]。如果在制造晶體管的時(shí)候，使用這種單晶薄片，就可以免去切割、拋光等步驟，不僅能夠減少材料的浪費(fèi)，還可以提升晶體表面的完整程度，從而提高晶體管的性能，增加單晶的利用率。對(duì)費(fèi)用的控制有重要的意義。
3 半導(dǎo)體材料的展望
3.1 元素半導(dǎo)體
到目前為止，硅、鍺單晶制備都得到了很大程度的發(fā)展，晶體的均勻性和完整性也都達(dá)到了比較高的水平，在今后的發(fā)展過(guò)程中，要注意以下幾點(diǎn)：①對(duì)晶體生長(zhǎng)條件的控制要更加嚴(yán)格；②注重晶體生長(zhǎng)的新形式；③對(duì)摻雜元素的種類(lèi)進(jìn)行擴(kuò)展。晶體非常重要的一方面就是其完整性，晶體的完整性對(duì)器件有著較大的影響，切割、研磨等步驟會(huì)破壞晶體的完整度，經(jīng)過(guò)腐蝕之后，平整度也會(huì)受到影響。片狀單晶的完整度和平整度都要優(yōu)于晶體，能夠避免晶體的缺陷。使用片狀單晶制造擴(kuò)散器件，不僅能夠改善器件的電學(xué)性能，還可以降低器件表面的漏電率，所以，要對(duì)片狀單晶制備的研究進(jìn)行加強(qiáng)。
3.2 化合物半導(dǎo)體
化合物半導(dǎo)體主要有砷化鎵單晶和碳化硅單晶。通過(guò)幾年的研究發(fā)展，砷化鎵單晶在各個(gè)方面都得到了顯著的提高，但是仍然與硅、鍺有很大的差距，因此，在今后要將砷化鎵質(zhì)量的提升作為研究中重要的一點(diǎn)，主要的工作內(nèi)容有：①改進(jìn)單晶制備的技術(shù)，提高單晶的完整度和均勻度；②提高砷化鎵的純度；③提高晶體制備容器的純度；④通過(guò)多種渠道對(duì)晶體生長(zhǎng)和引入的缺陷進(jìn)行研究；⑤分析雜質(zhì)在砷化鎵中的行為，對(duì)高阻砷化鎵的來(lái)源進(jìn)行研究[6]。對(duì)碳化硅單晶的研制則主要是在完整性、均勻性以及純度等三個(gè)方面進(jìn)行。
4 結(jié)論
半導(dǎo)體器件的性能直接受半導(dǎo)體材料的質(zhì)量的影響，半導(dǎo)體材料也對(duì)半導(dǎo)體的研究工作有著重要的意義。想要提高半導(dǎo)體材料的質(zhì)量，就要將工作的質(zhì)量提高，提高超微量分析的水平，有利于元素純度的提高，得到超純的元素。要提高單晶制備所使用容器的純度。還要對(duì)材料的性能以及制備方法加大研究，促進(jìn)新材料的發(fā)展。半導(dǎo)體材料的發(fā)展也與材料的制備，也就是晶體生長(zhǎng)技術(shù)有關(guān)。因此，在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過(guò)程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，也要對(duì)晶體發(fā)展的新技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。
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【關(guān)鍵詞】電子信息材料；低碳經(jīng)濟(jì)；發(fā)展應(yīng)用；集成電路和半導(dǎo)體材料
進(jìn)入新世紀(jì)以后，節(jié)能環(huán)保的概念開(kāi)始在全世界范圍內(nèi)普及，作為低碳環(huán)保的一項(xiàng)有效途徑，低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展可以有效地促進(jìn)整個(gè)社會(huì)的節(jié)能環(huán)保活動(dòng)。低碳經(jīng)濟(jì)指的就是依托于低能耗、低污染、低排放的“三低要求”來(lái)作為核心的節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)模式，這是人類(lèi)文明的又一偉大壯舉。目前，我國(guó)在“可持續(xù)發(fā)展”的理念的指導(dǎo)下，在社會(huì)中大力采用“低碳經(jīng)濟(jì)”的生產(chǎn)模式，成功的實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的雙豐收。眾所周知，二十一世紀(jì)是電子信息的時(shí)代，人類(lèi)社會(huì)對(duì)電子信息材料的需求量也是與日俱增，如何有效的實(shí)現(xiàn)電子信息材料的低碳經(jīng)濟(jì)，已經(jīng)成為了電子信息行業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重大課題。
一、簡(jiǎn)要介紹各種可以用于低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的電子信息材料
目前，在世界的電子信息行業(yè)里面，可以用來(lái)作為電子信息材料的主要材料有以下幾種：光電子材料、納米材料、寬禁半導(dǎo)體材料等等。目前，為了響應(yīng)電子信息材料的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，可以根據(jù)這些原料的特性研制出以下這些電子信息材料：
1、電子信息材料中的光電子材料
電子信息材料的光電子材料主要指的是液晶材料。目前，液晶材料已經(jīng)在電子信息行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，在電子信息行業(yè)里面，液晶材料絕大部分被應(yīng)用于電子顯示屏等高新技術(shù)范圍之內(nèi)。液晶材料的特性之一便是“光線扭曲向列型”，這種特性可以使液晶材料在有電流經(jīng)過(guò)的時(shí)候通過(guò)對(duì)電流的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子顯示屏上面的液晶序列的排列順序的改變。與此同時(shí)，再有電流經(jīng)過(guò)電子顯示屏的液晶材料的時(shí)候，外面的光線是不能夠直接穿過(guò)電子顯示屏的液晶材料的，這就使得液晶材料有成為低碳經(jīng)濟(jì)的特性。與傳統(tǒng)的其他電子顯示屏材料相比，液晶材料具有很多優(yōu)良的特性，液晶材料的能耗低已經(jīng)精確的準(zhǔn)確性以及迅捷的反應(yīng)，再加上柔和的調(diào)色功能。除此之外，液晶材料還是一種很有效的非線性光學(xué)材料，液晶材料的狀態(tài)一般是維持在軟凝聚的狀態(tài)。因此，液晶材料可以有效地實(shí)現(xiàn)光折變效應(yīng)，可以在電子儀器在很低的電流供應(yīng)下，發(fā)揮出強(qiáng)勁的性能，具有很高的開(kāi)發(fā)潛力。另外，根據(jù)光學(xué)原理之中的光的干涉效應(yīng)，可以利用光線對(duì)液晶材料的干涉作用，使得液晶材料在反射類(lèi)的光學(xué)器件里面得到廣泛的應(yīng)用。綜上所述，一系列優(yōu)良的特性使得液晶材料已經(jīng)逐步成為應(yīng)用最廣泛的電子顯示屏使用材料。
2、電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料
目前，世界上的電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料的最基礎(chǔ)的原材料大部分都是多晶硅原料，目前最廣泛采用的制作電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料的技術(shù)則是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的西門(mén)子法。經(jīng)過(guò)改良的西門(mén)子法制作多晶硅材料的集成電路和半導(dǎo)體材料的原理如下所述：使用鹽酸和工業(yè)使用的純硅粉在一個(gè)規(guī)定的溫度之下發(fā)生合成反應(yīng)，最終生成三氯氫硅材料，然后再采用分離精餾的手段，對(duì)已經(jīng)制得的三氯氫硅材料進(jìn)行進(jìn)一步的分離提純工作，最后把提純后的三氯氫硅放置進(jìn)入氫還原儀器里面經(jīng)行相關(guān)反應(yīng)操作，最后制得高純度的多晶硅，再進(jìn)一步加工就成為了日常所使用的電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料。
通過(guò)改良的西門(mén)子法提煉出來(lái)的電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體可以有效地改進(jìn)目前國(guó)際上的光伏零件問(wèn)題。
二、簡(jiǎn)述電子信息材料在低碳經(jīng)濟(jì)中的發(fā)展應(yīng)用思路
目前，根據(jù)節(jié)能環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的相關(guān)要求，電子信息材料在低碳經(jīng)濟(jì)中的發(fā)展應(yīng)用的主體模式應(yīng)當(dāng)找尋出新型的發(fā)展趨勢(shì)，其總體趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)是朝向電子信息材料的尺寸擴(kuò)大化、電子零部件的智能化設(shè)計(jì)、電子材料的多功能作用趨勢(shì)、電子材料功能的高度集中化的趨勢(shì)發(fā)展。
1、發(fā)展集成電路類(lèi)的電子信息材料
隨著電子科學(xué)與技術(shù)的不斷增長(zhǎng)，目前的半導(dǎo)體材料和集成電路的主要材料已經(jīng)成為了環(huán)氧模塑料，通過(guò)這樣的原材料設(shè)計(jì)，可以有效地使得電子信息材料可以滿足低碳經(jīng)濟(jì)的節(jié)能環(huán)保的要求。
2、發(fā)展光電子材料類(lèi)的電子信息材料
隨著電子科學(xué)與技術(shù)的不斷增長(zhǎng)，作為一種非常有效的信息傳輸類(lèi)型的電子信息材料，光電子材料在近幾年來(lái)得到了快速發(fā)展的機(jī)會(huì)，這將很有效使得電子信息材料可以滿足低碳經(jīng)濟(jì)之中電子材料的多功能作用趨勢(shì)、電子材料功能的高度集中化的要求。
3、發(fā)展新型元器件材料類(lèi)的電子信息材料
隨著電子科學(xué)與技術(shù)的不斷增長(zhǎng)，作為一種非常有效的降低環(huán)境污染，并可以有效的降低電子信息材料能量消耗的材料，新型元器件材料正在逐漸成為電子信息材料的重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一，其可以有效的滿足電子信息材料發(fā)展的電子信息材料的尺寸擴(kuò)大化、電子零部件的智能化設(shè)計(jì)要求。
三、結(jié)語(yǔ)
目前，電子信息材料的低碳發(fā)展已經(jīng)成為了電子信息行業(yè)要攻克的主要課題之一，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電子信息材料已經(jīng)可以很好的完成節(jié)能環(huán)保的要求。在本文中，筆者將結(jié)合對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)概念的解讀，并簡(jiǎn)要的描述了幾種新型的節(jié)能環(huán)保的電子信息材料，并通過(guò)這樣的方式，具體的談了談研究了電子信息材料在低碳經(jīng)濟(jì)中的發(fā)展應(yīng)用思路。但是，由于本人的知識(shí)水平有限，因此，本文如有不到之處，還望不吝指正。
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英文名稱：Chinese Journal of Semiconductors
主管單位：中國(guó)科學(xué)院
主辦單位：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所;中國(guó)電子學(xué)會(huì)
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語(yǔ)
種：雙語(yǔ)
開(kāi)
本：大16開(kāi)
國(guó)際刊號(hào)：0253-4177
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：11-1870/TN
郵發(fā)代號(hào)：2-184
發(fā)行范圍：
創(chuàng)刊時(shí)間：2010
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SA 科學(xué)文摘(英)(2009)
CBST 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(CSCD―2008)
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關(guān)鍵詞:化合物半導(dǎo)體材料;GaAs;GaN;SiC
中圖分類(lèi)號(hào):TP331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2010)05-1238-02
On The Compound Semiconductor Materials
HAO Bin, WEN Kai
(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)
Abstract: Compound semiconductor integrated circuits with ultra-high speed, low power, multi-functional, anti-radiation properties is widely used, GaAs, GaN, SiC as the main application of compound semiconductor materials. This article describes the advantages of compound semiconductor materials, and from GaAs, GaN, SiC formed part of the device.
Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC
目前,半導(dǎo)體器件已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。但是隨著科技的發(fā)展,由于硅的電子移動(dòng)速度使得硅電路傳輸速度慢并且難以改善。因此新型半導(dǎo)體材料由此產(chǎn)生,以GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導(dǎo)體是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快。
1 化合物半導(dǎo)體材料優(yōu)勢(shì)
化合物半導(dǎo)體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例,通過(guò)比較可得:1化合物半導(dǎo)體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度,因此,可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度。2肖特基勢(shì)壘特性優(yōu)越,容易實(shí)現(xiàn)良好的柵控特性的MES結(jié)構(gòu)。3本征電阻率高,為半絕緣襯底。電路工藝中便于實(shí)現(xiàn)自隔離,工藝簡(jiǎn)化,適合于微波電路和毫米波集成電路。4禁帶寬度大,可以在Si器件難以工作的高溫領(lǐng)域工。現(xiàn)在化合物半導(dǎo)體材料已廣泛應(yīng)用:在軍事方面可用于智能化武器、航天航空雷達(dá)等方面,另外還可用于手機(jī)、光纖通信、照明、大型工作站、直播通信衛(wèi)星等商用民用領(lǐng)域。
2 化合物半導(dǎo)體器件
GaAs、GaN、SiC為主要應(yīng)用的化合物半導(dǎo)體材料。以下介紹由這三種材料構(gòu)成的部分器件。
2.1 GaAs材料
高電子遷移率晶體管(HEMT)器件實(shí)在能形成2DEG的異質(zhì)結(jié)上用類(lèi)似MESFET的工藝制成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。源漏之間主要由2DEG的導(dǎo)電溝道提供,由勢(shì)壘層上的肖特基柵施加偏壓來(lái)改變耗盡區(qū)的厚度,從而控制溝道2DEG的濃度及器件的工作狀態(tài)(如圖1)。對(duì)這類(lèi)器件若VGS=0時(shí)溝道中已有電子存在,則器件是耗盡型的;若溝道被耗盡則器件是增強(qiáng)型的。I-V特性為強(qiáng)電場(chǎng)下工作的耗盡型HEMT和增強(qiáng)型HEMT都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。
AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半絕緣GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs緩沖層 高純GaAs層 n型AlGaAs層 n型GaAs層臺(tái)面腐蝕隔離有源區(qū)制作Au/Ge合金的源、漏歐姆接觸電極干法選擇腐蝕去除柵極位置n型GaAs層淀積Ti/Pt/Au柵電極。(如圖2)
圖1 GaAs HEMT中2-DEG圖2 GaAs HEMT基本結(jié)構(gòu)圖3 PHEMT的基本結(jié)構(gòu)
隨后發(fā)現(xiàn)由于n-AlGaAs層存在一種所謂DX中心的陷阱,它能俘獲和放出電子,使得2-DEG濃度隨溫度而改變,導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問(wèn)題,采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2-DEG的溝道材料制成了贗高電子遷移率晶體管。InGaAs層厚度約為20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配(約為1%)而產(chǎn)生的應(yīng)力,在此應(yīng)力作用下,InGaAs的晶格將被壓縮,使其晶格常數(shù)大致與GaAs與AlGaAs的相匹配,成為贗晶層。因?yàn)镮nGaAs薄層是一層贗晶層且在HEMT中起著 i CGaAs層的作用,所以成為“贗”層,這種HEMT也就相應(yīng)地成為贗HEMT。
2.2 GaN材料
2.2.1 GaN基HEMT
目前GaN基HEMT器件的主要結(jié)構(gòu)是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT器件。由于極化效應(yīng),AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)很容易出現(xiàn)2DEG,因此有常見(jiàn)工藝生長(zhǎng)的絕大部分HEMT器件是屬于耗盡型的。在盡量提高溝道2DEG濃度且保持其遷移率和速度,同時(shí)又不引起勢(shì)壘應(yīng)變弛豫的原則下,應(yīng)用于HEMT器件的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化到一個(gè)范圍(勢(shì)壘層的Al含量為0.2~0.3,厚度為20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件還有以下特性:1) 緩沖層漏電小即緩沖層呈高阻態(tài)且缺陷密度小形成高的輸出阻抗;2) 高的擊穿電壓,對(duì)提高器件的輸出功率和功率開(kāi)關(guān)的電壓承受能力非常重要;3) 跨導(dǎo)高且和柵壓保持良好的線性關(guān)系,這與器件的頻率特性和開(kāi)關(guān)速度相關(guān);4) 好的夾斷特性; 5) 較高的截止頻率;6) 良好的散熱能力。GaN基HEMT的主要工藝為臺(tái)面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸。
2.2.2 GaN基HBT
異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管器件具有寬帶隙發(fā)射區(qū),大大提高了發(fā)射結(jié)的載流子注入效率;基區(qū)可以高摻雜(可高達(dá)1020cm-3),基區(qū)電阻rb可以顯著降低,從而增加 fmax ;同時(shí)基區(qū)不容易穿通,從而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸縮小;發(fā)射結(jié)濃度可以很低(約1017cm-3),從而發(fā)射結(jié)耗盡層電容大大減小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研發(fā)為微波功率放大器件或高壓開(kāi)關(guān)器件,其目標(biāo)特性為高射極注入系數(shù)、長(zhǎng)的少子壽命、短的基區(qū)渡越時(shí)間、高擊穿電壓。
2.3 SiC材料
SiC基結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)和肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)
SiC基MESFET和JFET的溝道載流子的等效遷移率比較高,因此SiC基MESFET主要被開(kāi)發(fā)為微波功率器件,而JFET則是高壓功率開(kāi)關(guān)器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波頻段,其性能優(yōu)勢(shì)為線性化程度比較理想,輸出阻抗高,從而大大降低對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的要求,降低了制作和設(shè)計(jì)成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在較高和較低溫度以及較高頻率下工作。
3 結(jié)束語(yǔ)
化合物半導(dǎo)體集成電路和普通半導(dǎo)體集成電路相比具有明顯的優(yōu)勢(shì),適合于高頻高速電路的要求。并且化合物半導(dǎo)體可以發(fā)光,可以實(shí)現(xiàn)光電集成。因此化合物半導(dǎo)體有更廣泛的發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn):
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關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體
1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位
上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類(lèi)進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類(lèi)能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>
2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
2.1硅材料
從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。
從進(jìn)一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開(kāi)發(fā)中。
理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來(lái)替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來(lái)提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類(lèi)不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。
2.2GaAs和InP單晶材料
GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國(guó)莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。
GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。
（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。
（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。
（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。
2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料
半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門(mén)子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。
雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄（～0.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類(lèi)激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開(kāi)展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來(lái)光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。
為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無(wú)線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類(lèi)高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過(guò)渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。
（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。
另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。
盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。
2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料
基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。
目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的MBE小組，2001年通過(guò)在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過(guò)5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見(jiàn)國(guó)外報(bào)道。
在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開(kāi)關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。
與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。
王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。
低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。
2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料
寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車(chē)、航空、航天、石油開(kāi)采以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。
以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)帯Ｆ渌鸖iC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。
II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開(kāi)始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過(guò)1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)題。
寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類(lèi)材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶體
光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類(lèi)似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開(kāi)辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。
4量子比特構(gòu)建與材料
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來(lái)越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類(lèi)對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類(lèi)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開(kāi)密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。
所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。
這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無(wú)雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無(wú)序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過(guò)程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。
5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議
鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。
5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位
至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開(kāi)展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開(kāi)發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國(guó)應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。
5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議
GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開(kāi)盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議
（1）超晶格、量子阱材料從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬(wàn)平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。
寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開(kāi)發(fā)工作。
（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想。基于低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地。可以預(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。
關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體
1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位
上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類(lèi)進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類(lèi)能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>
2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
2.1硅材料
從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。
從進(jìn)一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開(kāi)發(fā)中。
理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來(lái)替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來(lái)提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類(lèi)不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。
2.2GaAs和InP單晶材料
GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國(guó)莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。
GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。
（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。
（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。
（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。
2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料
半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門(mén)子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。
雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄（～0.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類(lèi)激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開(kāi)展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來(lái)光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。
為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無(wú)線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類(lèi)高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過(guò)渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。
（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。
另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。
盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。
2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料
基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。
目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的MBE小組，2001年通過(guò)在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過(guò)5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見(jiàn)國(guó)外報(bào)道。
在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開(kāi)關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。
與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。
王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。
低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。
2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料
寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車(chē)、航空、航天、石油開(kāi)采以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。
以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)帯Ｆ渌鸖iC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。
II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開(kāi)始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過(guò)1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)題。
寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類(lèi)材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶體
光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類(lèi)似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開(kāi)辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。
4量子比特構(gòu)建與材料
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來(lái)越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類(lèi)對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類(lèi)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開(kāi)密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。
所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。
這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無(wú)雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無(wú)序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過(guò)程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。
5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議
鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。
5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位
至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開(kāi)展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開(kāi)發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國(guó)應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。
5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議
GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開(kāi)盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議
（1）超晶格、量子阱材料從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬(wàn)平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。
寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開(kāi)發(fā)工作。
（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想。基于低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地。可以預(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。