半導體材料發(fā)展情況

1、實用標準文案 1、硅材料 從提高硅集成電路成品率，P剝氐成本看，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。目前直徑為8英寸 (200mm )的Si單晶已實現(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(ICs并支術正處在由實驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉變中。目前300mm , 0.18pm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn),300mm , 0.13pm工藝生產(chǎn)線也 將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已 在實驗室研制成功,直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。 從進一步提高硅IC S的速度和集成

2、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 是指量子尺寸效應對現(xiàn)有器件持性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問 題,更重要的是將受硅、SS02自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介 電絕緣材料(如用SI3N4等來替代SS02 )，低K介電互連材料，用Cu代替AI 引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算

3、速度和功能，但 硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此,人們除尋求基于全新原 理的量子計算和DNA生物計算等之外,還把目光放在以GaAs. InP為基的化 合物半導體材料,特別是二維超晶格、量子阱,維量子線與零維量子點材料和 可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等,這也是目前半導體材料研發(fā)的重點。 2、GaAs和InP單晶材料 蘇彩文檔. 實用標準文案 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；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特的優(yōu)勢。 目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸

4、，其中以低位錯密度的垂直 梯度凝固法(VGF )和水平(HB )方法生長的2 - 3英寸的導電GaAs襯底材料 為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，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單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。 GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是： (1 X增大晶體直徑，目前4英寸的SI- GaAs已用于生產(chǎn)，預計本世紀初的 頭幾年直徑為6英寸的SI- GaAs也將投入工業(yè)應用。 (2 X提高材料的

5、電學和光學微區(qū)均勻性。 (3 X降低單晶的缺陷密度,特別是位錯。 (4 X GaAs和InP單晶的VGF生長技術發(fā)展很快，很有可能成為主流技術。 3、半導體超晶格、量子阱材料 半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術(MBE , MOCVD )的新一代人 工構造材料。它以全新的概念改變看光電子和微電子器件的設計思想，出現(xiàn)了 電 學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎材料。 (1) m-v族超晶格、量子阱材料。 GaAIAs / GaAs , GalnAs / GaAs # AIGalnP / GaAs ; GalnAs /InP , AlInAs 精彩文檔. 實用標準文

6、案 /InP InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得 相當成熟,已成功地用來制造超高速，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 ),膺酉己高電子遷移率晶體管(P - HEMT )器件最好水 平已達fmax二600GHz ,輸出功率58mW ,功率增益6.4db ;雙異質結雙極晶 體管(HBT )的最高頻率fmax也已高達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1.3pm和1.5pm的量子阱激光器和探測器, 紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及犬功率半導體量子阱激光器已商品化； 表面光發(fā)射器件和

7、光雙穩(wěn)器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，硏制高 質量的1.5pm分布反饋(DFB )激光器和電吸收(EA )調制器單片集成InP基 多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題 的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了 80 x40Gbps傳輸40km的實驗。另外， 用于制造準連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。 雖然常規(guī)量子阱結構端面發(fā)射激光器是目前光電子領域占統(tǒng)治地位的有源器 件，但由于其有源區(qū)極薄( 0.01pm )端面光電災變損傷,大電流電熱燒毀和 光束質量差一直是此類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 級聯(lián)耦合是解決此

8、難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級聯(lián)激光器,輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜 公司又報道了單個激光器準連續(xù)輸出功率超過10瓦好結果。最近,我國的科研 工作者又提出并開展了多有源區(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、高功率和高光束質量的新型激光器,在未來光通信、光 （2 ）硅基應變異質結構材料。 硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提 高硅基材料發(fā)光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進展緩慢。 人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si / SiO2 ），硅基Si

9、GeC體系的Sil 將彩文檔. 實用標準文案 -yCy/Sil - xGex低維結構,Ge/Si量子點和量子點超晶格材料,Si / SiC量 子點材料,GaN /BP/Si以及GaN / Si材料。最近，在GaN / Si上成功地研 制出LED發(fā)光器件和有關納米硅的受激放大現(xiàn)象的報道，使人們看到了一線希 望。 另一方面,GeSi / Si應變層超晶格材料,因其在新一代移動通信上的重要應 用前景,而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最 高截止頻率已達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

10、相媲美。盡管GaAs / Si和InP / Si是實現(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 位錯而導致器件性能退化和失效，防礙看它的使用化。最近,Motolora等公司 宣稱,他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鎧作協(xié)變層（柔性層）,成功的生長 了器件級的GaAs外延薄膜,取得了突破性的進展。 4、寬帶隙半導體材料 寬帶隙半導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 具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點,成為硏制高頻大 功率、耐高遍、抗輻照半導體

11、微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航 空、航天、石油開采以及國防等方面有看廣泛的應用前景。另外，111族氮化物 也是很好的光電子材料,在藍、綠光發(fā)光二極管(LED )和紫、藍、綠光激光器 (LD )以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨看1993年GaN 材料的P型摻雜突破,GaN基材料成為藍綠光發(fā)光材料的研究熱點。目前，GaN 基藍綠光發(fā)光二極管己商品化,GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率精彩文 檔. 實用標準文案 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 140GHz , fT二67 GHz ,跨導為260ms / mm ;

12、HEMT器件也相繼問世，發(fā)展 很快。此外，256x256 GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。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 力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN 基電子器件的發(fā)展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN JnGaAsN , GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視,這是因為它們在長波長光通信用 高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。 以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展,2英寸的4H和 6H SiC單晶與外延片，以及3英寸的4H SiC單

13、晶己有商品出售;以SiC為GaN 基材料襯低的藍綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發(fā)光器 件的竟爭。其他SiC相關高遍器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要 問題是材料中的缺陷密度高,且價格昂貴。 II- VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后”于1990年美國3M公司成功 地解決了 II- VI族的P型摻雜難點而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE 技術率先宣布了電注入(ZnzCd)Se/ZnSe蘭光激光器在77K ( 495nm )脈 沖輸出功率lOOmW的消息，開始了 II- VI族蘭綠光半導體激光(材料)器件 研制的高潮。經(jīng)過多年的努力,目前ZnSe基II

14、 - VI族蘭綠光激光器的壽命雖已 超過1OOO小時，但離使用差距尚大,加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應用,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 低由非化學配1：膺致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問 題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。 蒂彩文檔. 實用標準文案 寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配 異質結構材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異 的材料體系f如GaN /藍寶石(Sapphire ), SiC/Si和GaN / Si等。大晶格 失配引發(fā)界面處大量位錯和

15、缺陷的產(chǎn)生，極大地影響看微結構材料的光電性能及 其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解 決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地,開辟 新的應用領域。 目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外, 大多數(shù)高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關鍵問 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 薄膜生長與N型摻雜,II - VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的 關鍵問題,國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。 ZnO是一種優(yōu)良的多功能材料作為壓

16、電材料的ZnO壓敏陶瓷,因其優(yōu)良的非 線性導電持性、大電流和高能量承受能力等優(yōu)點而被廣泛應用于抑制電力系統(tǒng)雷 過電壓和操作過電壓,抑制電磁脈沖和噪音,防止靜電放電等方面.ZnO單晶在 可見光透過率達到90 %，在室遍下（或低溫下）ZnO及納米ZnO光致發(fā)光譜 （PL） 普遍存在2個較寬的發(fā)光帶，在520 nm附近的寬綠色發(fā)光帶和在380 nm附近 系列施主束縛激子峰的紫色發(fā)光帶1.綠色發(fā)光帶有時也存在豐富的結構 12 關于綠色發(fā)光帶一般被認為是雜質或缺陷態(tài)（O空缺、Zn填隙）的發(fā)光，但是相關 機理還有待進一步研究文獻13 報道目前常在制備時添加一些有效物質，通過 不同制備方法和條件處理，使Zn

17、O表面吸附或包裹上一層外衣，以改善其無規(guī) 精彩文檔. 實用標準文案 則的表面層,鈍化表面以減少缺陷及懸鍵，可有效提高其可見光或紫外發(fā)射強度 （達一個量級以上），通常,ZnO表面有吸附物質（如反應副產(chǎn)品，溶劑分子，溶解的氣 體等），使其表面產(chǎn)生大量缺陷態(tài)及懸鍵，淬滅光發(fā)射，影響ZnO的光學、電學等 方面的性質，因此這種處理能有效改善ZnO的表面態(tài)自室溫下激光激發(fā)ZnO納 米微晶膜觀測到紫外激光發(fā)射行為以來,ZnO的激光發(fā)射一直是研究的熱 點,ZnO的藍帶特別是近紫外激光發(fā)射特征以及相當高的激子結合能（60meV） 和增益系埶300cm-1），使其成為重要而優(yōu)異的藍、紫外半導體激光材料.ZnO 作

18、為透明電極和窗口材料而被用于太陽能電池，且因其輻射損傷小，特別適合在 太空中使用。此夕卜,ZnO還是制造聲表面波（體波）器件的理想材料.ZnO是一致 熔融化合物，熔點高達2248K .并且在高溫下ZnO的揮發(fā)性很強，到1773K 就會發(fā)生嚴重的升華現(xiàn)象，因此晶體的生長較為困難。2.2.2氧化鋅研究的發(fā) 展現(xiàn)狀早在20世紀60 年代,人們就開始研究ZnO體單晶的生長，國內夕卜對于ZnO的研究一直是近幾 年半導體材料研究的熱點，無論是薄膜ZnO、納米ZnO或是體單晶ZnO,文獻 14 很好地總結了 2003年之前的國外ZnO晶體的研究與發(fā)展狀況。隨菴高質 量、大尺寸單晶ZnO生產(chǎn)已經(jīng)成為可能，單晶

19、ZnO通過加工可以作為GaN襯 底材料 ZnO與GaN的晶體結構、晶格常量都很相似，晶格失配度只有2.2%(沿001 方向)、熱膨脹系數(shù)差異小，可以解決目前GaN生長困難的m GaN作為目前 主要的藍、紫外發(fā)光半導體材料在DVD播放器中有重要的應用,由于世界上能 生產(chǎn)ZnO單晶的國家不多，主要是美國、日本 所以ZnO單晶生產(chǎn)具有巨大的市 將彩文檔. 實用標準文案 場潛力近年來,材料制備技術的突破，納米ZnO半導體的制備、性能及其應用成 為材料學的一個硏究熱點隨看光電技術的進步,ZnO作為第三代半導體以及 新一代藍、紫光材料污I起了人們的廣泛關注,特別是P型摻雜技術的突破,凸顯了 ZnO在半導體照明工程中的重要