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 2009年1月MATERIALS CHINA Jan.2009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基础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发展趋势做了评述。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(2009Ol-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历史发展表明,半导体信息功能材料和器件是信息科学技术发展的物质基础和先导。晶体管的发明、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基础的半导体激光器的发明,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。纳米科学技术的发展和应用,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基础材料,预计到本世纪中收稿日期:20081218基金项目:国家重点基础研究发展规划资助(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、性能和降低成本来看,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,仍是今后硅单晶发展的大趋势。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2015年后,12英寸硅片将成为主流产品;随着极大规模硅ICs向更小线宽发展,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发展的另一个主要方向。根据2007年版“国际半导体技术发展路线图”的预测,集成电路的特征线宽,2013年将进入32纳米技术代,晶体管物理栅长将是13nm,并于2016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 技术将接近或达到它的“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、

8、互连万方数据第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(制造成本昂贵的挑战。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

9、量子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2020年左右,可实现与国际同步发展。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发展。我国硅单晶材料以5,6英寸为主,其生产能力已达3400t以上,

10、8,12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部分依赖进口。我国S01(主要是SIMOX圆片技术研发虽有一定的基础,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

11、引入位错环。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

12、地生长了器件级的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、服务器和数据中心等。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

13、方案取得了进展,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,外量子效率达到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单晶的发展趋势是增大晶体直径,提高电学和光学微区均匀性,降低缺陷密度和成本。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

14、材的挑战,发展速度有所减缓。位错密度低的GaAs和InP单晶的垂直梯度凝固生长技术发展很快,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基础,进入2l世纪后,产业有了较大发展,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、量子阱材料已发展得相当成熟,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(HE

15、MT的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已从军用高端产品发展到民用产品,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,可基本满足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;表面光发射器件已达到或接近达到实用化水平。目前,研制可工作在40Gbs/s以上的1.5 p,m

16、分布反馈(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年美国贝尔实验室发明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

17、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较成熟的材料体系上,如GaAs,InP基In (GaAs量子线和量子点,GeSi/Si量子点等,并在量子点发光器件、量子线场效应晶体管和单电子晶体管、存贮器研制方面,特别是量子点激光器研制等方面取得了重大进展。小功率量子点激光器的阈值电流密度(几已降低到16A/cm2,已远低于量子阱激光器的几,并已进入实用化的研发阶段。中科院半导体所在大功率长寿命量子点激光器、红光量子点激光器和量子点超辐射发光管等研制方面取

18、得了国际先进水平的成果。基于量子点的单电子晶体管、量子点原胞自动机、单光子光源等新型器件原型已研制成功,为其在量子计算、量子通信等量子信息技术方面的应用打下了基础。应变自组装量子点很容易被嵌入到合适的微腔中,可以实现定向、高效发射,甚至纠缠双光子发射,在研制单光子光源方面具有优势。寻找原子级无损伤加工方法和应变自组装可控生长技术,获得无缺陷的、空间高度有序和大小、形状均匀,密度可控的量子线和量子点材料是发展的大趋势。1.4宽带隙半导体材料。宽带隙半导体材料是指禁带宽度大于2.7eV的半导体材料,如III族氮化物、碳化硅、氧化锌(ZnO和金刚石等,特别是GaN,SiC和金刚石薄膜等,因具有高热导

19、率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点,成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料;在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外,IIl族氮化物、ZnO基材料等也是优良的光电子材料,在短波长发光器件、太阳能光伏电池和紫外探测器等应用方面显示了广泛的应用前景。1.4.1GaN基异质外延材料目前,GaN基蓝、绿LED已实现规模生产,年销售额已达数十亿美元。近年来,功率达瓦级(最大为5W的GaN基蓝、紫光发光二极管的研制成功,使人们看到了固态白光照明的诱人前景;2006年12月Nichia的GaN基白光LED实验室的流明效率已高达150lm/

20、W;2006年7月Cree公司已开发出流明效率为131lm/W的白光LED;Lumileds公司在2007年1月也研制成功了GaN基115lIn/W的功率型白光LED。CaN基激光器的研制也取得了进展,工作波长在400一450nm之间,最大室温连续输出光功率已超过O.5w。GaN基高温、高功率、高频电子器件研制取得了重大进展,GaN基FET(功率场效应管的最高工作频率(丘。已达140GHz,弄=67GHz截止频率,跨导为260mS/mm。GaN基高频器件工作电流崩塌曾成为器件应用的瓶颈,2003年美国CREE公司通过在器件栅极外加1.1p,m场片技术,基本上克服了上述问题,研制出的GaN HE

21、MT的功率密度已达33W/ram,PE= 54.8%,外加两层场片的器件达40W/nun,P。= 60%;他们还指出采用F类放大可制造P.。高达95%以上的微波器件,显示了美好的潜在应用前景。Fujitsu研制出的GaN HEMT放大器输出功率达174W,电压为63V。以GaN为代表的族氮化物由于缺乏同质衬底材料成为制约族氮化物应用的一个瓶颈问题。目前解决的办法有三,一是制备块状GaN晶体;二是发展自支撑GaN衬底技术。三是发展柔性衬底技术。经过多年的努力,2英寸自支撑GaN衬底制备已获得突破,并已有商品出售,但由于价格昂贵等原因,至今尚未被广泛采用。最近得知日本科学家利用“氨热法”,在研制大

22、尺寸GaN体单晶方面取得了突破进展。2006年TDI(国际技术器件公司在4英寸SiC衬底上生长出无裂纹的万方数据第1期王占国:半导体信息功能材料与器件的研究新进展29A1N单晶薄膜。AIN和自支撑GaN衬底以及GaN体单晶的研制成功,将对GaN基激光器和高温微电子器件和电路研制将起到重要的推动作用。另外,美国加州大学圣巴巴拉分校、日本科学与技术代理处合作在非极性和半极性面生长的GaN基LED (300300mill2的发光效率分别为4l%和30%,注入电流为20mA时,CW输出分别为25mW和18mW。2008年他们在非极性和半极性蓝宝石面上制备GaN基LED取得重大进展,研制成功高达192l

23、m/W的LED,为提高GaN基LED发光效率开辟了一个新的途径,受到人们关注。族氮化物具有很强的压电效应,利用这种效应开展压电诱导能带工程研究和构建新型器件,是一个有待开展的重要研究方向。1.4.2碳化硅(SiC和氧化锌(ZnO材料目前,以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制业已取得突破性进展,2英寸4H和6H的SiC单晶与外延片,以及3英寸的4HSiC单晶已有商品出售;以SiC 为GaN基材衬底的蓝绿光LED业已上市,参与以蓝宝石为衬底的GaN基发光器件的竞争。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度较高,价格昂贵。为满足SiC 相关高温、高功率电子器件的研制的需求,将微管道(MP密度降低到小

24、于0.5MP/cm2,将电子迁移率提高到100em2/Vs以上是非常必要的。ZnO与其它宽带隙半导体材料相比。具有高的激子束缚能(60meV,极好的抗辐照性能,低的外延生长温度和大尺寸衬底材料等一些独特的优点,有望用于uV发光二极管与低阈值激光器、uV探测器和生物传感器以及抗辐照太空探测器等新型ZnO基光电器件的研制,受到国内外广泛的关注。ZnO基材和器件应用存在的主要问题是高质量单品薄膜制备,特别是稳定、高浓度的P型掺杂困难。经过多年的探索研究,目前,人们在对ZnO的P型掺杂机理有了比较深入的了解的基础上,已能获得稳定的、空穴浓度为101。7/cm3的P型ZnO 薄膜材料,结合MgznO和B

25、eZnO等三元合金制备取得的进展,现已实现了室温ZnO基LED的蓝、紫色发光,并观察到来自ZnO/BeZnO和ZnO/MgZnO异质结构或量子阱结构的激射输出。我国在ZnO的P型掺杂研究,高Mg组分的Mgzn0合金、ZnO/ZnMgO多量子阱异质结LED制备等方面也做出了国际先进水平的成果。大尺寸ZnO体单晶研制虽已取得很大进展,但晶体的质量,特别是晶体的完整性尚须进一步提高;另外,高昂的价格也是阻碍其广泛应用的重要原因之一。从整体来看,ZnO基材料和器件研究虽有进展,但尚无重大突破。高质量ZnO衬底材料和高质量ZnO单晶薄膜制备以及与其晶格匹配的合金势垒层材料(如BeZnO和BeZnO的制备

26、等是ZnO基器件走向应用之前必须要解决的问题;真正实用的ZnO基光电器件的研制任重道远。1.4.3单晶金刚石薄膜理论上金刚石薄膜具有比其它宽带隙半导体更为优越的性能,是发展高温、大功率、高频电子器件最理想的材料。然而,长期以来大面积单晶金刚石薄膜的制备和N一型掺杂的难题未能突破,致使它的器件应用举步不前。近年来该领域的研究有了长足进步,继2001年Koizumi等研制成功金刚石紫外PN结发光管后,2002年,Isberg等在瑞典的乌布萨拉大学,利用微波等离子体辅助CVD技术,研制成功了高质量单晶金刚石薄膜。半导体金刚石单晶薄膜的研究虽然已取得进展,如2003年法国、以色列和美国的科学家在同质外

27、延掺硼的P型金刚石薄膜上,采用氘等离子体生长技术和后退火工艺,成功制备出N型高电导率金刚石薄膜(室温电子浓度71016/cm3,电导率约2(ftcm,迁移率180cm2/Vs,为高温、高频和大功率半导体金刚石器件的研制打下了基础。2003年9月,日本电报和电话公司(NTr嘉数诚小组与德国的Ulm大学合作,研制成功最高工作频率为81GHz的毫米波金刚石器件,打破了金刚石器件的国际记录。在优化器件工艺下,他们有希望将输出功率提高到30W/ram。2006年,嘉数诚等又在英国Element Six公司提供的4英寸多晶金刚石上制作了氢表面沟道FET,取得了更优异的性能,漏的电流密度达到550mA/mm

28、,电流增益截止频率为45GHz,功率增益最大频率为120GHz,频率为1 GHz时的输出功率密度达到2.1W/ram。2007年Ulm 大学Kohn的小组制备的肖特基二极管在300下仍维持109的整流比,并且在1000时(真空中仍具有整流性能,且器件的反向击穿电场达2.5MV/cm。日本的研究人员利用500nm左右的单晶金刚石同质外延薄膜,研制了深紫外光响应度大于l A/W,深紫外/太阳光抑制比达8个量级的深紫外探测器,并首次实现了金刚石对火焰的探测。总之,大面积单晶金刚石薄膜生长和N型掺杂仍是研究人员长期的奋斗目标,随着研究的不断深入,特别是新概念器件的提出,相信不久的将来,金刚石有望在功率

29、器件和深紫外探测器件等方面得到实际应用。1.5半导体自旋电子学材料和器件电子的自旋,如同它的电荷一样,是电子的另一个固有的属性。探索载流子的自旋运动规律,实现对其操纵、调控及其应用的科学称之为自旋电子学(Spintron.万方数据中国材料进展第28卷its。含有铁磁性材料的半导体要实现自旋极化的电子输运,关键在于自旋的有效注入、传输和探测。自旋极化的电子注入到半导体中,并被人为操控,可以制成新型的自旋电子器件,用于数据的存储和运算是该领域的研究所追求的目标。由于在In。Mn,As和Ca。Mn,As 磁性半导体中发现了低温铁磁性,特别是在Til., Co.02,GaI一,Mn。N,GaI一;Cr

30、,N,TiI一;Co。02,ZnI., Co。O,ZnCrTe等磁性半导体中发现了居里点高于室温的铁磁性,引发了磁性半导体材料的研究热潮,然而由于对磁性的起源不明,研究进展缓慢。目前主要集中在对铁磁/半导体异质结界面的能带结构、自旋电子在异质结界面的散射、自旋注入、自旋电子在半导体中的输运和对注入自旋电子的探测以及新型自旋电子器件设计等方面。自旋相关器件的研发尚处于探索阶段。近年来,由于空间对称破缺(晶格或人T微结构空间反演不对称引起的Rashba自旋轨道耦合以及逆自旋霍尔效应导致的涡旋电荷流研究受到关注,研究成果有可能为相关自旋器件研制创造条件。1.6有机光电子材料有机发光材料以其低廉的成本

31、和良好的柔性,在有机发光二极管显示器件(OLED/PLED,在白光照明, OTFET器件、驱动及微电子技术,有机太阳能光伏电池,有机光电传感和有机激光等方面具有重要应用前景,而受到广泛重视。有机半导体发光材料是有机光电功能器件的核心。近年来有机半导体发光材料的发光效率及寿命已有了很大的提高,并在手机和MP3显示屏等方面得到实际应用。Sony公司11英寸有机OLED电视机已在市场上出售,27英寸有机OLED电视机已有展品。只要成本进一步降低,可望很快推向市场。近年来,有机白光照明也取得了重要进展,有机发光管的发光效率已达到100lm/W的水平,距离应用目标的164 lm/W更近了一步。有机太阳能

32、光伏电池是目前国际上研究的另一个热点,光电转换效率已达6%,并有较大提升的空间。我国OLED、太阳能光伏电池技术的研究和开发与国际上基本同步,在过去几年里,我国在有机发光机理研究、材料开发、器件结构设计和生产工艺等方面取得了一批具有自主知识产权的研究成果,部分成果已达到国际先进水平。2半导体信息功能材料的发展趋势随着信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐的加快,半导体光电信息功能材料也已由体材料发展到薄层、超薄层微结构材料,并正向集材料、器件、电路为一体的功能系统集成芯片材料和纳米结构材料方向发展。材料生长制备的控制精度也将向单原子、单分子尺度发展。从材料体系上看,除硅和硅基材料作为当代微电子技术的基础在2l世纪中叶不会改变外,化合物半导体微结构材料以其优异的光电性质在高速、低功耗、低噪音器件和电路,特别是光电子器件、光电集成和光子集成等方面发挥着越来越重要的作用;与此同时,近年来硅和GaAs,InP等一V族化合物混合集成技术取得的重大进展,使人们看到了硅基混合光电集成的曙光。有机半导体发光材料以其低廉的成本和良好的柔性,已成为全色高亮度发光材料研发的另一个重要发展方向,预计会在新一代乎板显示材料中占有一席之地。GaN基紫、蓝、绿异质结构发