半导体光电信息功能材料的研究进展

研 制也在筹划 中。 从 进 一 步 缩 小 器 件 的特 征 尺 寸 、提 高 硅 Ｉ ｃ 的速 度 和 集 成 度 看 ， 研 制 适 合 于 深 亚 微 Ｓ 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 。绝 缘 体 上 半 导 体 （ Ｏ ）材 料 ， 具 有 电 路 速 度 快 、 ＳＩ 抗辐 射 、低 功 耗 和 耐 高温 等 特 点 ， 同时 具 有 简化 工 艺 流 程 、提 高 集 成 密 度 、减 小 软误 差 等 优 势 ， 因 而 受 到 广 泛 重 视 ，很 有 可 能成 为 ｌ Ｏ ｍ 以下 存 储 器 电 路 的优 先 选 用 材 料 。 ｎ及 ８ Ｇ Ｓ ／ ｉ 变 层 超 晶 格 材 料 以其 器 件 、 电 路 ｅ ｉＳ应 的工 作 频 率 高 ，功 耗 小 等 特 点而 优 于硅 ， 以 其 价 廉 而 胜 于Ｇ Ａ ，加 之 与 硅 工 艺Ｃ Ｏ 集 成 ａＳ ＭＳ 电路 技 术 兼 容 、 工 艺 成 本 低 的优 点 ，在 微 波 器 件 和 移 动通 信 高 频 电路 等 产 业 领 域 有 着 广 泛 的应 用 前 景和 竞 争 优 势 。基 于Ｓ Ｇ 材 料 生 ｉｅ 长 的应 变 硅 技 术 可 以提 供 更 高 的器 件 驱 动 电 流 与 更 快 的 晶 体 管 速 度 ，而 制 造 成 本 却 只 有 ２ 的提 升 ，所 以， 有 可 能 替 代 体 硅 材 料 成 为 ％ ６ ｎ 以 下 Ｃ Ｏ 的 主 流 技 术 ， 受 到 广 泛 关 ５ｍ Ｍｓ
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 的先 导 和 基础 。 ２ Ｕ 纪４ 年 代 末５ 年 代 初 ， 晶体 管 的 发 明 、 ｏｉ ０ ０ 硅 单 晶 材 料 和 硅 集 成 电路 （ Ｓ 的研 制 成 Ｉ ） Ｃ 功 、 导 致 了 电 子 工 业 大 革 命 。２ 世 纪 ６ ～ ０ ０ ７ 年 代 ，光 导 纤 维材 料 和 以砷 化 镓 （ ａ ｓ ０ ＧＡ） 为基 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 将 使 人 们 能 从 原 子 、 分 子 或 纳 米 尺 度 的水 平 上 控 制 、操 纵 和 制 造 功 能 强 大 的人 工 结 构 材 料 和 量 子 器 件 ， 极有 可 能 触 发 新 的技 术 革 命 ， 并 将 深 刻 地 影 响 人 类 的 生 产 和 生 活 方
注。
根 据２ ０ 年 版 “ 际 半 导 体 技 术 发 展 路 ０７ 国 线 图 （ ｎ ｅ ｎ ｔ ａ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｒ ａ ｍ ｐ Ｉ ｔ ｒ ａ ｎ ｌＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｄ ａ ｉ ｏ ｆ ｒ Ｓ ｍ Ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ，Ｉ Ｒ ） ”的 预 测 ，集 ｏ ｅ ｉ ｏ ｄ ｃ ｏ ｓ Ｔ Ｓ 成 电路 的特 征 线 宽 ：２ １ 年 将 进 入３ ｎ 技 术 ￣ ０ Ｊ ｌ ３ ２ｍ 代 ， 晶体 管 物 理 栅 长 将 为ｌ ｎ ；并 于２ １ 年 ３ｍ ０６ 进 入 到２ ｎ 技 术 代 ， 晶 体 管 物 理 栅 长 将 是 ２ｍ ９ ｍ 摩 尔 定 律 所 预 测 的 高 速 发 展 将 至 少 持 ｎ； 续 到２ ２ 年 ， 那 时 的 晶 体 管 物 理 栅 长 将 是 ０２ ４ ５ ｍ 那 时 硅Ｃ Ｏ 技 术 将 接 近 或 达 到 它 的 ．ｎ ， ＭＳ
黟 ２１ 第 卷 ３ （ 第 ６ ０ｏ ７ 第期 总 ３期） 年
面 层
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“ 限 ” 。 摩 尔 定 律 将 受 到 下 述３ 面 的 挑 极 方 战 ：物 理 方 面 （ 沟 场 效 应 ， 绝 缘 氧 化 物 量 短 子 隧 穿 效 应 ，沟 道 掺 杂 原 子 统 计 涨 落 ， 功 耗 等 ） ，技 术 方 面 （ 生 电 阻和 电容 ，互 连 延 寄 迟 ，光 刻 技 术 等 ） ，经 济 方 面 （ 造 成 本 昂 制 贵 ，难 以承 受 ） 。 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 介 质 、金 属 栅 、 双 栅／ 栅 多栅 器 件 、 应 变 沟 道 和 高 迁 移 率 材 料 ，铜 互 连 技 术 （ 散 阻 挡 扩 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／ 器 件 混合 电路 、 纳 光 电 混 合 集 成 和 系 统 集 成 芯 片 （ Ｏ ） 技 术 ＳＣ 等 ， 来 进 一 步 提 高 硅 基 Ｉ 速 度 和 功 能 。 Ｓ Ｃ的 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 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 。 （ ２）硅 微 电 子 的 可 能 “ 代 ” 技 术 探 讨 替 ａ 纳 米 电 子 技 术 ． 目前 ，虽 然 建 立 在 量 子 力 学 基 础 上 的纳 米 电子 学 工 作 原 理 、工 作 模 式 、采 用 什 么 材 料 体 系 和 工 艺 技 术 等 尚存 争 议 ，但 纳 米 电子 学 仍 是 该 领 域 的研 究 热 点 。虽 然 早 在 ｌ 多年 ０ 前 就 已研 制 成 功 了单 电 子 器 件 （ 电子 晶体 单 管 和 单 电子 存 储 器 ） ， 而 且 按 照 目前 的技 术 水 平 ， 制 备 室 温 工 作 的 单 电 子 晶 体 管 器 件 （ Ｅ ） 已无 不 可 克 服 的 困难 ；但 是 ， 我 们 ＳＴ 不 仅 需 要 单 个 器 件 ，还 需 要 超 高密 度 （ 个 每 Ｍ Ｕ 片 可 集 成 数 量 为 １ １ 。 、 功 能 完 Ｐ芯 ～ 。 ０ ０的 全 相 同 的Ｓ Ｔ 、 低 功 耗 、 运 算 速 度 快 、 能 Ｅ） 与硅 工 艺 兼 容 的 技 术 。近 年 来 ， 虽 然 基 于 量 子 点 的 自适 应 网络 计 算 机 已取 得 进 展 ，但 要 实 现 单 电子 器 件 的大 规 模 集 成 ， 还 有 很 长 的 路 要走 。 不 少 人 认 为 ，碳 纳 米 管 将 成 为 纳 米 电子 学 主 导 材 料 ， 然 而 ，研 究 表 明虽 然 碳 纳 米 有 着 很 高 的沟 道 电子 迁 移 率 ，但 它 的 寄 生 效 应 （ 生 电 阻和 电容 等 ）使 其 难 以高 频 工 作 ， 寄 Ｃ ｅ 等 报 导 的 集 成 在 一 个 单 壁 碳 纳 米 管 ｈｎ 上 、 包 含 ５ Ｍ Ｓ 转 级 的 环 形 振 荡 器 工 作 个Ｃ Ｏ 反 频 率 要 比最 新 的Ｃ Ｏ 慢 １ 。 ｌ … ！另 外 ， Ｍ Ｓ ０～ ０ 倍
wenku.baidu.com式。
一
半导 体 光 电信 息 功能材 料研 究现 状 １ 硅 微 电 子 技 术 研 究 进 展 ．
、
（１】 微 电 子 技 术 遇 到 的 挑 战 硅
硅 （ ） 是 当 前 微 电 子 技 术 的 基 础 材 ｓ ｉ 料 ，预 计 到２ 世 纪 中 叶 都 不 会 改变 。 从 提 高 ｌ 硅 集 成 电 路 （ Ｓ 成 品率 ，提 高 性 能 和 降 Ｉ ） Ｃ 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 寸 走 向Ｉ 英 寸 过 渡 的 硅Ｉ 英 ２ Ｃ 工 ｓ 艺 将 在 近 年 内完 成 ，到２ １ 年 后 ，ｌ 英 寸硅 ０５ ２ 片将 成 为 主 流 产 品 ，２ ２ 年 将 会 达 到 高 峰 ； ００ 随着 硅 极 大 规 模 集 成 电路 向更 小 线 宽发 展 ， 是 否 需 要 研 制 更 大 直 径 的硅 单 晶材 料 尚存 争 议 ，但 更 大 直 径 （ １ ￣ ２ 英 寸 ） 的硅 单 晶 如 ８１ ７ Ｊ