半导体材料

今天，半导体已广泛地用于家电、通讯、工业制造、航空、航天等领域。1994年，电子工业的世界市场份额为6910亿美元，1998年增加到9358亿美元。而其中由于美国经济的衰退，导致了半导体市场的下滑，即由1995年的1500多亿美元，下降到1998年的1300多亿美元。经过几年的徘徊，目前半导体市场已有所回升。

硅单晶及其外延

现在电子元器件90％以上都是由硅材料制备的，全世界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。直拉法是目前主要用于生产硅单晶的方法。上世纪50到60年代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在8英寸，12英寸、长达1米多的硅单晶都已实现了规模生产。18英寸，就是直径为45厘米硅单晶业已研制成功。下图是一个12英寸直拉硅单晶照片，有1米多长！（编者注：图略）

目前，单晶硅的世界年产量已超过一万吨。硅集成电路主要用的是8英寸硅，但12英寸硅的用量逐年增加，预计到2012年18英寸的硅可能用于集成电路制造，27英寸的硅晶体研制也正在筹划中。

硅的直径为什么不是按8英寸、10英寸、12英寸、14英寸发展，而是从8到12英寸，由12到18英寸，18到27英寸发展呢？硅集成电路的发展遵循《摩尔定律》，所谓《摩尔定律》就是每18个月集成电路的集成度增加一倍，而它的价格也要降低一半。所以目前在大城市里，差不多每家每户，甚至每个人都有一个PC机，因为机器性能好，价格又低。正是由于硅单晶的直径增大带来的好处，生产线用12英寸的硅片要比用8英寸硅片生产的芯片成本低得多。

随着硅的直径增大，杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀，这将严重的影响集成电路的成品率，特别是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题，可采用外延的办法解决。何为外延？即用硅单晶片为衬底，然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅，如2个微米，1个微米，或0.5个微米厚等。这一层外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下，器件和电路就做在外延硅上，而不是原来的硅单晶上，这样就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高，但集成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高，这是目前硅技术发展的一个重要方向。

硅材料的发展趋势，从提高集成电路的成品率、降低成本看，增大硅单晶的直径是发展的大趋势，向12英寸，18英寸方向发展；另一方面，从提高硅集成电路的速度和它的集成度看，发展适用于深亚微米乃至纳米电路的硅外延技术，制备高质量硅外延材料是关键。如前文所述，硅单晶中氧的沉淀将产生微缺陷，目前集成电路的线条宽度已达到0.1微米以下，如果缺陷的直径大小为1个微米或者是0.5个微米，一个电路片上有一个缺陷就会导致整个片子失效，这对集成电路的成品率将带来严重影响。

目前全世界硅单晶的产量大约是一万吨，我国每年大约是1000吨。制备硅单晶的原材料是多晶硅，而我国多晶硅的年产量不足100吨，仅占全世界的千分之几。从目前我国硅材料的发展势头来看，估计到2010年，我国的微电子的技术会有一个大发展，大概可能达到世界百分之二十左右的水平。从集成电路的线宽来看，我国目前集成电路工艺技术水平在0.35－0.25微米，而国际上目前的生产技术已达到0.13-0.09微米，在实验室70纳米的技术也已经通过考核。去年，在北京建成投产的（中芯国际）集成电路技术已进入0.13微米，并即将升级到0.09微米，因而我国的微电子集成电路技术同国外的差距也缩短到1－2代了。

硅微电子技术

硅微电子技术是不是可以按照《摩尔定律》永远发展下去呢？目前硅的集成电路大规模生产技术已经达到0.13－0.09微米，进一步将到0.07微米，也就是70个纳米甚至更小。根据预测，到2022年，硅集成电路技术的线宽可能达到10个纳米，这个尺度被认为是硅集成电路的“物理极限”。就是说，尺寸再减小，就会遇到有很多难以克服的问题。当然这里说的10纳米，并不是一个最终的结论。随着技术的发展，特别是纳米加工技术的发展，也可能把这个“极限”尺寸进一步减小；但总有一天，当代的硅微电子技术会走到尽头。

随着集成电路线宽的进一步减小，硅微电子技术必然要遇到许多难以克服的问题，如CMOS器件沟道掺杂原子的统计分布涨落问题。比如说长度为100个纳米的源和漏电极之间，掺杂原子也只有100个左右，如何保证这100个原子在成千上万个器件里的分布保持一致，显然是不可能的，至少也是非常困难的。也就说杂质原子分布的涨落，将导致器件性能不一，性质的不一致，就难保证电路的正常工作。又如MOS器件的栅极下面的绝缘层就是二氧化硅，它的厚度随着器件尺寸的变小而变小，当沟道长度达到0.1个微米时，SiO2的厚度大概也在一个纳米左右。尽管上面加的栅电压很低，如一个纳米上加0.5伏或者是一伏电压，但是加在其上的电场强度就要达到每厘米5-10兆伏以上，超过了材料的击穿电压。当这个厚度非常薄的时候，即使不发生击穿，电子隧穿的几率也很高，将导致器件无法正常工作。

随着集成电路集成度的提高，芯片的功耗也急剧增加，使其难以承受；现在电脑CPU的功耗已经很高，如果说将来把它变成“纳米结构”，即不采用新原理，只是按《摩尔定律》走下去，进一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉！另外一个问题是光刻技术，目前大约可以做到0.1微米，虽然还有些正在发展的光刻技术，如X光、超紫外光刻技术等，但要满足纳米加工技术的需求，还相差很远。再者，就是电路器件之间的互连问题，对每一个芯片来说，每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子，管子与管子之间的联线的长度要占到器件面积的60—70％，现在的连线就多达8层到10多层，尽管两个管子之间的距离可以做得很小，但是从这个管子到另外一个管子，电子走的路径不是直线，而要通过很长的连线。我们知道线宽越窄，截面越小，电阻越大，加上分布电容，电子通过引线所需的时间就很长，这就使CPU的速度变慢。另外纳米加工的制作成本也很高，由于这些原因，硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量不断增长的需求。

人们要想突破上述的“物理极限”，就要探索新原理、开发新技术，如量子计算、光计算机等，它们的工作原理是与现在的完全不同，尚处于初始的探索阶段。在目前这个过渡期间，人们把希望放在发展新型半导体材料和开发新技术上，比如说GaAs、InP和GaN基材料体系，采用这些材料，可以提高器件和电路的速度以及解决由于集成度的提高带来的功耗增加出现的问题。

GaAs和InP单晶材料

化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）为例，有以下几个特点，一是发光效率比较高，二是电子迁移率高，同时可在较高温度和在其它恶劣的环境下工作，特别适合于制作超高速、超高频、低噪音的电路，它的另一个优势是可以实现光电集成，即把微电子和光电子结合起来，光电集成可大大的提高电路的功能和运算的速度。

宽带隙半导体材料

氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，因为它的禁带宽度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可以很高，比如说碳化硅可以工作到600摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有重要应用。现在的广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；如果用碳化硅的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命也会大大增加，所以高温宽带隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。

现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。目前科学家正在着手解决这个问题。如果这个问题一旦解决，就可以为我们提供一个非常广阔的发现新材料的空间。

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