半導(dǎo)體材料發(fā)展情況

1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案 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CZSi 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）技術(shù)正處在由實驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm , 0.18阿 工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm , 0.13阿 工藝生產(chǎn)線也 將在2003年完成評估。 18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和 18英寸的硅園片已在實 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(jìn)一步提高硅 IC

2、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(yīng)對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術(shù)的限制 問題，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等來替代SiO2 ），低K介電互連材料，用Cu代替 Al 引線以及采

3、用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來提高 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(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、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

4、獨(dú)特的優(yōu)勢。 目前，世界 GaAs 單晶的總年產(chǎn)量已超過 200 噸，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(dǎo)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 SIGaAs 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，價格居高不下。 GaAs 和 InP 單晶的發(fā)展趨勢是： （ 1 ） 。增大晶體直徑，目前 4英寸的 SI GaAs 已用于生產(chǎn)

5、，預(yù)計本世紀(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。 （4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技 術(shù)。 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）川一 V族超晶格、量子阱材料。 GaAIAsGaAs， GaInAs GaAs，

6、 AIGaInP GaAs；GalnAsInP， 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）,贋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1.3阿 和1.5阿 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

7、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)到實用化水平。 目前，研制高 質(zhì)量的1.5阿 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)動電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問題 的關(guān)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(zhǔn)連續(xù)兆瓦級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?。?.01阿）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀 和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功

8、率提高的難題。 采用多有源區(qū)量 子級聯(lián)耦合是解決此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(dá) 5W 以上; 2000 年初，法國 湯姆遜公司又報道了單個激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過 10瓦好結(jié)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(zhì)量的新型激光器， 在未來光通 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)體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制， 1994 年美國 貝爾實驗室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧

9、穿的量子級聯(lián)激光器， 突 破了半導(dǎo)體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs /InAlAs / InP量子級聯(lián)激 光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實驗室等的科學(xué)家，在過去的7年多的時間里， 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)使波長為9.1卩 m的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級聯(lián)激光器的工作 波長已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3-87 m ），并在光通信、超高分辨光譜、超 高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。 中科院上

10、海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K 5叩和250K 8卩 m的量子級聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7阿室溫準(zhǔn) 連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級聯(lián)激光器， 使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不 多的幾個國家之一。 目前，m-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英寸過渡；生產(chǎn)型的 MBE 和 M0CVD 設(shè)備已研制成功并投入 使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75 X104片4英寸或1.5 X104片6英寸。英國卡迪 夫的 MOCVD 中心，法國的 Picogiga MBE 基地，美國的 QED 公司， Motorola

11、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)備和材料評價技術(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)光效率就成為一個亟待解決的問題。 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， SiSiC 量 子點(diǎn)材料， GaNBPSi 以及 GaN Si 材料。最近，在 GaN Si 上成功地研

12、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/GeSi MODFET 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(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

13、，他們在 12 英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(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(jìn)展。 4、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、 航空、航天、石油開采以及國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

14、光激光 器（LD）以及紫外探測器等應(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=67 GHz，跨導(dǎo)為260ms /mm ; HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很 快。此外，256 X256 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(xué)

15、 方法已研制成功 2英寸 GaN 單晶材料， 這將有力的推動藍(lán)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 ， InGaAsN ， 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(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 6H SiC 單晶與外延片，以及 3英寸的 4H SiC 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)?。其他SiC相關(guān)高溫器件的研

16、制也取得了長足的進(jìn)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(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） SeZnSe 蘭光激光器在 77K（ 495nm ）脈 沖輸出功率 100mW 的消息， 開始了 IIVI 族蘭綠光半導(dǎo)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 VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超 過1000小時，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

17、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)一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問 題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。 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 )，SiCSi 和 GaN Si 等。大晶 格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(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迫切要 解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。 這個問題的

18、解泱， 必將大大地拓寬材料的可選擇余地， 開 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)體材料仍處在實驗室研制階段， 不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)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， IIVI 族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實用化的 關(guān)鍵問題，國內(nèi)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 作為壓電材料的 ZnO 壓敏陶瓷，因其優(yōu)良的非 線性導(dǎo)電特性、大電流和高能量承受能力等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于抑制電力系統(tǒng)雷 過電壓和操

19、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(dá)到 90 %,在室溫下 (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 附近一 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(jié)構(gòu) 12 .關(guān)于綠色發(fā)光帶一般被認(rèn)為是雜質(zhì)或缺陷態(tài)(O空缺、Zn填隙)的發(fā)光，但是相關(guān) 機(jī)理還有待進(jìn)一步研究 .文獻(xiàn)13 報道目前常在制備時添加一些有效物質(zhì) ,通過 不同制備方法和條件處理 ,使 ZnO 表面吸附或包裹上一層 “外衣” ,以改善其無規(guī) 則的表面層 ,鈍化表

20、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(qiáng)度 （達(dá)一個量級以上）,通常,ZnO表面有吸附物質(zhì)（如反應(yīng)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(xué)、電學(xué) 等方面的性質(zhì) ,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(diǎn),ZnO的藍(lán)帶，特別是近紫外激光發(fā)射特征，以及相當(dāng)高的激子結(jié)合能（60meV） 和增益系數(shù) （300cm- 1 ） , 使其成為重要而優(yōu)異的藍(lán)、紫外半導(dǎo)體激光材料 .ZnO 作為透明電極和窗口材料而被用于太陽能電池，

21、 且因其輻射損傷小， 特別適合在 太空中使用。此外， 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(diǎn)高達(dá) 2248K 并且在高溫下 ZnO 的揮發(fā)性很強(qiáng)，到 1773K 就 會發(fā)生嚴(yán)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 2O 世紀(jì) 6O 年代，人們就開始研究 ZnO 體單晶的生長， 國內(nèi)外對于 ZnO 的研究一直是近幾 年半導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn) , 無論是薄膜 ZnO 、納米 ZnO 或是體單晶 ZnO, 文獻(xiàn) 14很好地總結(jié)了 2003 年之前的國外 ZnO 晶體的研究與發(fā)展?fàn)顩r。 隨著高質(zhì)量、 大尺寸單晶 ZnO 生產(chǎn)已經(jīng)成為可能 ,單晶 ZnO 通過加工可以作為 GaN 襯底材 料 . ZnO 與 GaN 的晶體結(jié)構(gòu)、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 生長困難的難題 . GaN 作為目前 主要的藍(lán)、紫外發(fā)光半導(dǎo)體材料 ,在 DVD 播放器中有重要的應(yīng)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 場潛力 .近年來 ,材料制備技術(shù)的突破 ,納米 ZnO 半導(dǎo)體的制備、性能及其應(yīng)用成 為材料學(xué)的一個研究熱點(diǎn) 隨著光電技術(shù)的進(jìn)步， ZnO 作為第三代半