半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势1.硅单晶材料硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的集成度来看，最终要研制出适用于硅深亚微米乃至硅纳米工艺所需要的硅外延片，将会成为硅材料发展的主流。目前硅技术的线条发展越来越细了。现在我们国家的909工程是0.35微米的工艺，可以做到0.25微米；然而随着集成度的提高，要求光刻线条越来越细，是否有个极限呢？当线条的宽度变到35个纳米的时候，或者比35个纳米更小的时候，或许就是硅集成电路的“极限”，当然这个极限不是物理的极限。因为这个所谓的极限预测过多次，曾经预测过1微米是硅线条的极限，后来是0.5微米，又变到0.35微米，现在实验室的0.18微米的集成电路也已经做出来了。通过人们的努力和新的技术的发明，线条也许还可以进一步的减小，当然它最终将受到量子力学测不准原理、光速和热力学的限制。这里讲的所谓的技术限制，就是说在目前这样的条件和技术下，它能够达到的一个极限。我们知道现在的集成电路的布线可多达七、八层以上。如果多层分布的连线过长，那么电子从一个器件到另一个器件的所需的时间完全消耗在走的路上了。也就是说，延迟时间限制了速度的进一步提高。硅材料虽然可能到21世纪的中期仍将占有很重要的地位，然而，硅微电子技术最终是难以满足人们对更大信息量的需求的；所以，发展新型半导体材料比如说Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，超晶格量子阱材料以及硅基锗硅合金材料等，作为硅材料的一个替补材料也是很重要的。2.GaAs和InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料GaAs和InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料可能是一个好的替补材料。我们知道硅材料是间接带隙材料，它的发光效率很低，所以它不可能作为光电集成的基础材料，用硅来做发光管、激光器目前还是不可能的。那么Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，像GaAs和InP，首先，它的电子的光跃迁不需要声子的参与，它的发光效率很高；与硅相比，它的电子的漂移速度高，同时它耐高温，抗辐照；与此同时，作为微电子器件来讲，它具有高速、高频，低噪音，故在光电子器件和光电集成方面，占据非常独特的优势。Ⅲ-Ⅴ族化合物,现在的市场情况怎么样呢？随着移动通信的发展，目前工作在0.8GHz以下的手机，是以硅材料为主体，那么到2.2GHz的时候，或超过这个频段到7.5GHz的时候，硅材料作为它的接收和发射器件或电路，可能就不行了；这个时候，一定要用GaAs,InP或者GeSi材料。从光纤通信来看，也是如此。所以说从移动通信和光纤通信的发展需求看，对半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，特别是用于集成电路的GaAs材料的需求，将会每年以20％到30％的速度增长。那么它的研究现状是怎么样的呢？以GaAs,InP为代表的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，两英寸和三英寸的n型的和p型的材料，基本上能够满足现代的微电子和光电子器件的需求。没有掺杂的半绝缘体的GaAs单晶材料，它是GaAs集成电路的一个基础材料，目前主要采取一种叫作液封直拉法LEC的方法制造。就是将GaAs熔体放置在一个热解BN的坩埚里面，因为As是易挥发的，而氧化砷有很大毒性，因此在它上面覆盖一层材料，比如说三氧化二硼。三氧化二硼的熔点低于GaAs的熔点，可以把熔体的GaAs覆盖起来。在单晶炉里面充了很高的气压，使As不能挥发出来，然后把GaAs籽晶通过氧化硼这个透明的液体伸入到GaAs的熔体里面拉晶。这项生产技术，叫做液封直拉法。目前用这种办法，直径为两英寸、三英寸、四英寸的片材已经商品化。我们国家可以拉制三英寸GaAs单晶。两英寸的可以小批量生产。在国际上，六英寸的半绝缘砷化单晶已在实验室里拉制成功。这种材料也存在的问题。半绝缘体GaAs的纯度与硅相比，是远不如硅的。硅可以做得非常纯，有12个9的纯度。就是10－6PPM，就是说它的杂质的含量仅为百万分之一PPM。但GaAs呢，仅仅只有6个9，就是一个PPM，即它的杂质和缺陷的浓度高达一个PPM。所以说GaAs半绝缘体的性质并不是由纯度高、杂质少决定的，而是由杂质和缺陷互相补偿，这样的材料实际上是电学补偿导致的高阻材料。这种材料的热学稳定性较差，在器件工艺的热处理过程中，缺陷产生、杂质缺陷络合等，可能改变它的导电性能。这是什么原因呢？我们知道，硅是一个元素半导体，它只有两种点缺陷，即硅的空位和硅间隙。那么对于Ⅲ-Ⅴ重要支柱。MBE等生长技术与精细加工技术相结合，可以制备出量子线、量子点材料。这种技术的优点就是可以人为地控制量子线的形状、尺寸、密度。它的缺点是电子束的曝光。干法、湿法刻蚀技术制备的量子结构尺寸远比生长厚度大，目前最好为几十个纳米。刚才讲的量子阱的材料的阱宽可以控制到一个单原子层。一个单原子层就是几个埃，零点几个纳米。要保证横向尺寸同纵向尺寸一样，现在的加工技术是做不到的，要实现这一点，需要发展新的加工技术。我们知道，用电子束曝光也好，离子束注入隔离也好，都要产生缺陷。沿直线两边产生的损伤，都会成为散射中心。电子沿着这样的直线运动时，当碰到损伤的地方，就发生散射，其结果使低维材料所具有的优异特性，就被这些缺陷完全抵消掉了。所以用这种技术制备的低维材料，要想真正达到理论上预计的性能，必须要发展一种高空间分辨和没有损伤的加工技术。2.基于低维半导体材料的量子器件的研究和发展现状量子线调制掺杂场效应晶体管，共振隧穿二极管和三极管等都已经研制成功。单电子器件，单电子存储器和单电子晶体管也分别于1993年和1994年在实验室研制成功。这是一个单电子存储器原形器件，源和漏之间有一条宽为10纳米的线，线中间是一个7×7纳米量子点，线与量子点之间有两个缩径，比10纳米还要小。基于库仑阻塞效应的单电子器件的工作原理是两边是金属电极，中间是一个小岛，如果这个岛的面积足够小，它的电容也就非常小。如果有一个电子已经在这个小岛上，当另外一个电子进入这个小岛时，这两个电子则相互排斥，使系统能量提高，致使第二个电子也无法进入这个小岛；同时，处在这个状态的电子也不可能自由地跑走，而要留在这个岛上；只有当加一个偏压使第一个电子离开这个小岛后，下一个电子才会再来。而有电子和没有电子相应于0和1态，这就是单电子存贮器的基本原理。如何利用STM去制作单电子器件？它是在硅衬底上首先氧化生成SiO2，然后镀上金属钛薄膜，在针尖和钛金属膜间放点纯水，加电场使钛氧化，氧化钛是不导电的，而钛是导电的，只要按一定的图形就可以做出一个单电子晶体管来。当有一个电子到这个小岛上以后，它就会被陷在岛上，只有当加一个偏压将这个电子移走以后，第二个电子才能来，那就完成了一个0，1操作。这就是上面说的单电子存储器的工作原理。最近，据报道，在单电子存储器的原形样机的研制上已取得了突破进展。日本用0.25微米的工艺模拟了一个单电子存储器电路，获得成功。我这里讲的所谓单电子，可能不止是一个电子，可能有十几个或几十个电子。与现在的几千，几万个电子的存储器来说，功耗是小多了，存储密度也高多了。低维半导体结构发展很快，取得很大进展，但存在很多问题。除了超晶格、量子阱的材料在微电子器件、光电子器件中已经得到使用以外，纳米器件研制也已经开始。人们利用STM和AFM这种技术可以研制分立的器件已经不是非常困难的了，但是我们所关心的是要做到每平方厘米制造上亿或更多的器件，而且要连在一起形成一个电路，目前还是难以实现的。采取什么样的连结方式，什么样的技术，还没有解决。从现在来看，如果使用GaAs材料，要制成0.1mm的工艺的器件，要在4.2度K下，才可以工作。在50个纳米的情况下，工作温度也要在77K。因而必须发展纳米加工工艺，才能够满足纳米器件在室温下的工作需要。这种工