半导体信息功能材料与器件的研究新进展图文精.docx

1、半导体信息功能材料与器件的研究新进展图文精第28卷第1期中国材料进展v。1.28N。.1 2021年1月MATERIALS CHINA Jan.2021半导体信息功能材料与器件的研究新进展王占国(中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京100083摘要:首先简要地介绍了作为现代信息社会根底的半导体材料和器件极其重要的地位,进而同顾了近年来半导体光电信息功能材料,包括半导体微电子、光电子材料,宽带隙半导体材料,自旋电子材料和有机光电子材料等的研究进展,最后对半导体信息功能材料的开展趋势做了评述。关键词:半导体微电子;光电子材料;宽带隙半导体材料;自旋电子材料;有机光电子材料中图法分类

2、号:TN304:TB34文献标识码:A文章编号:16743962(2021Ol-0026一05Recent Progress of Semiconductor InformationFunctional MaterialsWANG Zhanguo(Institute ofSemiconductors,Chinese Academy ofSciences,Beijing100083,China Abstract:The extreme importance of semiconductor materials and devices as a foundation of the modern i

3、nformational society js briefly introduced first in this paper,Then the recent progress of semiconductor microelectronic and optoeleetroniC materiMs including silicon,GaAs and InP crystals and itS mierostructures,wide band gap semiconductors materials, spintronic materisis and organic semiconductor

4、optoelectronic materials as well for national inside and outside are reviewed respectively.Finally developmentai trend of semiconductor information functional materials are summarized.Keywords:semiconductor microelectronic materials;optoelectronic materials;wide band gap materials;spintronic materia

5、ls;organic semiconductor optoelectronic materials历史开展说明,半导体信息功能材料和器件是信息科学技术开展的物质根底和先导。晶体管的创造、硅单晶材料和硅集成电路(ICs的研制成功,导致了电子工业大革命;光导纤维材料和以砷化镓为根底的半导体激光器的创造,超晶格、量子阱微结构材料和高速器件的研制成功,使人类进入到光纤通信、移动通信和高速、宽带信息网络的时代。纳米科学技术的开展和应用,极有可能触发新的技术革命,必将彻底地改变人类的生产和生活方式。信息技术涉及到信息的获取、发射、传输、接收、存储、显示和处理等方方面面,本文主要介绍半导体信息功能材料与器件

6、的研究进展。1半导体信息功能材料与器件研究现状4J1.1半导体硅材料与集成电路硅是当前微电子技术的根底材料,预计到本世纪中收稿日期:20211218基金工程:国家重点根底研究开展规划资助(2006CB6049一04作者简介:王占国,男,1938年生,中国科学院院士叶都不会改变。从提高硅ICs成品率、性能和降低本钱来看,增大直拉硅单晶的直径,解决硅片直径增大导致的缺陷密度增加和均匀性变差等问题,仍是今后硅单晶开展的大趋势。预计由8英寸向12英寸过渡的硅ICs工艺将在近年内完成,到2021年后,12英寸硅片将成为主流产品;随着极大规模硅ICs向更小线宽开展,是否需要研制更大直径的硅单晶材料,虽存争

7、议,但更大直径的硅单晶(如18英寸等研制也在筹划中。从进一步缩小器件的特征尺寸,提高硅ICs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将会成为硅材料开展的另一个主要方向。根据2007年版“国际半导体技术开展路线图的预测,集成电路的特征线宽,2021年将进入32纳米技术代,晶体管物理栅长将是13nm,并于2021年进入到22纳米技术代,晶体管物理栅长将是9nln;到2022年,那时的晶体管物理栅长将是4.5nln。这时硅CMOS 技术将接近或到达它的“极限,摩尔定律将受到物理(短沟场效应、绝缘氧化物量子隧穿效应、沟道掺杂原子统计涨落、功耗等、技术(寄生电阻和电容、互连

8、万方数据第1期王占国:半导体信息功能材料与器件的研究新进展延迟、光刻技术等和经济三方面(制造本钱昂贵的挑战。为克服上述器件物理和互连技术限制,人们一方面正在开发诸如高K栅介质、金属栅、双栅/多栅器件、应变沟道和高迁移率材料、铜互连技术(扩散阻挡层、低介电常数材料、多壁纳米碳管通孔和三维铜互连等;另一方面,在电路设计与制造方面,采用硅基微/纳器件混合电路、光电混合集成和系统集成芯片(SOC技术等,来进一步提高硅ICs的速度和功能。然而,虽然采取上述措施可以延长摩尔定律的寿命,但硅微电子技术最终难以满足人类对信息量需求的日益增长。为此,人们正在积极探索基于全新原理的材料、器件和电路技术。如基于量子

9、力学效应的纳米电子(光电子技术、量子信息技术、光计算技术和分子电子学技术等。“十五以来,我国极大规模集成电路关键制造装备(8英寸注入机和刻蚀机等取得突破,光刻机也有长足进步;以中芯国际有限责任公司等为代表的8,12英寸晶圆代工大型企业的成功建设,已将我国极大规模集成电路的制造水平提高到90一65nil水平,大大缩短了与国际水平的差距,预计在2021年左右,可实现与国际同步开展。虽然我国多晶硅材料产业在过去几年里取得了很大进步,但多为6个9纯度的太阳能级多晶硅,而电子级多晶硅材料几乎全部依赖进口,严重制约我国集成电路产业的开展。我国硅单晶材料以5,6英寸为主,其生产能力已达3400t以上,8,1

10、2英寸硅单晶及抛光片,虽已具有小批量生产能力,但尚未应用于集成电路制造。硅外延材料产品主要是4和5英寸的,6英寸外延片还未实现量产,8,12英寸硅外延片尚处起步阶段。8,12英寸硅抛光片和外延片绝大局部依赖进口。我国S01(主要是SIMOX圆片技术研发虽有一定的根底,但在8英寸以上S01圆片制造方面仍是空白。在SiGe异质结外延材料生长和SiGeHBT等器件与电路研发的技术水平,特别是生产水平与国外差距很大。1.2硅基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。但由于硅是问接带隙,如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。2001年英国科研人员将硼离子注入到硅中,在硅中引入位

11、错环。位错环形成的局域场调制硅的能带结构,使荷电载流子空间受限,从而使硅发光二极管器件的量子效率提高到0.1%。2002年意大利研究人员将稀土金属离子,如铒、铈等,注入到包含有直径为l2nm的硅纳米晶的富硅二氧化硅中,由于量子受限效应,抑制了非辐射复合过程发生,创造了外量子效率高达10%的硅基发光管的世界纪录。然而至今未见该方面迸一步的研究成果报告。尽管GaAs/Si和lnP/Si是实现光电子混合集成的理想材料体系,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,使其难以实用化。2002年Motolora声称,用钛酸锶作协变层(柔性层,在8英寸的硅衬底上成功地生长

12、了器件级的GaAs外延薄膜;但是至今未见实用化的报道。大失配材料体系的异质外延生长仍是需要解决的难题。2003年哈佛大学研究人员研制成功硅基NCdS/Psi纳米线电注入激光器,使人们看到了硅基光电集成的曙光。2006年6月Intel研制成功硅基混合锁模激光器,它是由InP和硅片构成,两者通过等离子体工艺键合在一起。光发射来自InP,硅片作为波导,起着对光的反射和放大而产生激光发射作用;激光脉冲4ps,重复频率40GHz,信号由一根光纤输出,可用于PC机、效劳器和数据中心等。近年来采用热压法,将GaAs和InP为代表的一V族材料通过范德瓦力无损伤地与硅片键合在一起,从而使硅基光电混合集成的方案取

13、得了进展,但集成效果尚有待评估。硅基有机/无机复合发光材料与器件研究近年来取得了进展,外量子效率到达20%。1.3一V族化合物半导体材料与硅相比,一V族化合物材料以其优异的光电性质在高速、大功率、低功耗、低噪音器件、电路、光纤通信、激光光源、太阳能电池和显示等方面得到了广泛的应用。GaAs,ImP和GaN及其微结构材料是目前最重要、应用最广泛的一V族化合物半导体材料。1.3.1GaAs和InP单晶材料GaAs和InP单晶的开展趋势是增大晶体直径,提高电学和光学微区均匀性,降低缺陷密度和本钱。目前,直径为6英寸的SIGaAs和4英寸的InP已用于集成电路的制造,但受到硅基GeSi和GaN基材的挑

14、战,开展速度有所减缓。位错密度低的GaAs和InP单晶的垂直梯度凝固生长技术开展很快,很有可能成为单晶生长的主流技术。我国在砷化镓单晶研发方面有较好的根底,进入2l世纪后,产业有了较大开展,已拉制出6英寸的大直径砷化镓,形成了年产万片级以上的多条砷化镓单晶片抛光生产线和多条4英寸GaAs集成电路生产线。34英寸的InP单晶的研制也取得了重要进展。1.3.2GaAs和InP基超晶格、量子阱材料以GaAs和InP为基的晶格匹配和应变补偿的超晶格、量子阱材料已开展得相当成熟,并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。目前, InP基双异质结晶体管(HBT和高电子迁移率晶体管(HEMT的

15、最高频率都已进入太赫兹;GaAs基的微波万方数据中国材料进展第28卷单片集成电路(MMIC已参军用高端产品开展到民用产品,2007年市场规模已达30亿美元;4500门HBT集成电路业已研制成功。我国在InP基HEMT和HBT高频器件研究方面也取得可喜成绩,已研制出截止频率大于200GHz的ImP基HEMT和HBT器件,可根本满足W 波段电路的需求。基于上述材料体系的光通信用1.3 p,m和1.5斗m的量子阱激光器和探测器,红、黄、橙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泵源已商品化;外表光发射器件已到达或接近到达实用化水平。目前,研制可工作在40Gbs/s以上的1.5 p,m分布反

16、应(DFB激光器和电吸收(EA调制器单片集成InP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之一。此外,研制准连续兆瓦级大功率激光阵列用高质量量子阱材料也因其具有极重要的应用背景受到高度重视。自从1994年美国贝尔实验室创造了基于量子阱子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器(QCLs以来, QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显著的进展。目前,量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到中、远红外波段(3.4145mm。我国在应变补偿、短腔长和光子晶体等量子级联激光器研制方面也取得了优异成绩,并已成为能研制这类高质量激光器材料与器件为数不多的几个国家之一。采用量子级联激光器结构来实现THz波段的激射是一个更为前沿的研究领域,现已取得重要进展。1.3.3一维量子线、零维量子点材料目前半导体量子线、量子点材料生长与制备主要集中在几个比拟成熟的材料