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半导体材料的过去、现在和将来
作者:中国科学院半导体所 王占国
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半导体材料展厅
硅, 硒粉, 碲, 镓, ...
什么是半导体材料?

物质存在的形式多种多样,固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料,如右图中所示的金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等,称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前,1833年,英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久,1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应,虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢?主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料,很多与材料相关的问题就难以说清楚。

半导体材料的早期应用

半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器,就是点接触二极管(也俗称猫胡子检波器,即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波)。除了检波器之外,在早期,半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等,半导体的四个效应都用到了。

从1907年到1927年,美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年,兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年,德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器,在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效,英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。

晶体管的发明

晶体管的发明实际上是在1947年的12月23日的半年之前,当时贝尔实验室的研究人员已经看出了晶体管的商业价值,为写专利,保密了半年,到1947年12月23日,巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明,这也成为晶体管的正式发明日。他们用了一个非常简单的装置,就是在一块锗晶体上,用两个非常细的金属针尖扎在锗的表面,在一个针上加正电压,在另外一个探针上加一个负电压,我们现在分别称为发射极和集电极,N型锗就变成了一个基极,这样就形成了一个有放大作用的PNP晶体管。

巴丁和布尔吞当时在肖克莱领导的研究小组工作,虽然肖克莱时任组长,但是在发明专利上没有他的名字,他心里很不愉快。为此,在很短的时间内,即在晶体管发明不久之后的1948年1月23日,他提出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才真正有价值。

巴丁和布尔吞在保密了将近半年后才公布了他们的发明,发明公布以后,当时的反应并不如期望的热烈。《纽约时报》将这个消息放在了第46版收音机谈话的最后,只有短短的几句话;当时的学术杂志对此也不是非常热衷。由于当时的反应并不是他们想象的那样强烈,所以在1952年的4月份,为了推广他们的这个发明,又再次举办了公众听证会,就是想把他们的研究成果公布于企业界。当时他们邀请了美国众多做真空管的公司,每一个公司只需交纳25000美元就可以参加这个听证会,而且给予的许诺是如果将来要是采用了他的技术,听这个报告会的25000美元入场费可以从中扣除。当时大概有几十家公司参加了听证会,然而大多数的人都是做真空管的,他们对半导体晶体管的意义不以为然,不是非常感兴趣。试想如果晶体管的发明得到了成功应用,那么真空管就会慢慢的消失了。所以从这个角度看,他们的热情不高也是可以理解的。但是科学界对这个发明还是给予了很高的评价,1956年,巴丁、布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖。

但今日来看,晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命,而是彻底的改变了我们人类的生产、生活方式。我们今天日常所用的电器几乎没有一样不用晶体管,如通信、电脑、电视、航天、航空等等。

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。

低维半导体材料

实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料,之所以不愿意使用这个词,主要是不想与现在热炒的所谓的纳米衬衣、纳米啤酒瓶、纳米洗衣机等混为一谈!从本质上看,发展纳米科学技术的重要目的之一,就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路,纳米生物传感器件等,以造福人类。可以预料,纳米科学技术的发展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式,也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。

电子在块体材料里,在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候,电子在这个方向上的运动会受到限制,电子的能量不再是连续的,而是量子化的,我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动,另外两个方向上受到限制;量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小,电子在三个方向上都不能自由运动,能量在三个方向上都是量子化的。

由于上述的原因,电子的态密度函数也发生了变化,块体材料是抛物线,电子在这上面可以自由运动;如果是量子点材料,它的态密度函数就像是单个的分子、原子那样,完全是孤立的 函数分布,基于这个特点,可制造功能强大的量子器件。

现在的大规模集成电路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大量电子的流动需要消耗很多能量导致芯片发热,从而限制了集成度,如果采用单个电子或几个电子做成的存储器,不但集成度可以提高,而且功耗问题也可以解决。目前的激光器效率不高,因为激光器的波长随着温度变化,一般来说随着温度增高波长要红移,所以现在光纤通信用的激光器都要控制温度。如果能用量子点激光器代替现有的量子阱激光器,这些问题就可迎刃而解了。

基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟,广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联激光器是一个单极器件,是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源,在自由空间通信、红外对抗和遥控化学传感等方面有着重要应用前景。它对MBE制备工艺要求很高,整个器件结构几百到上千层,每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度,我国在此领域做出了国际先进水平的成果;又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱激光器,它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点,我国已有很好的研究基础;在量子点(线)材料和量子点激光器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成绩。

小结

从整个半导体材料和信息技术发展来看,目前的信息载体主要是电子,即电子的电荷(电流)。电子还有一个属性,电子的自旋,我们尚未用上。如果我们再把电子的自旋用上,就增加了一个自由度,这也是人们目前研究的方向之一。我们从电子材料硅、锗发展到光电子材料GaAs和InP,GaN等,就是电子跟光子可以结合一起使用的材料,光电子材料比电子材料的功能更强大;再下一代的材料很可能是光子材料。我们现在只用了光子的振幅,而光的偏振和光的位相应用还未开发出来,所以这给我们研究者留下了非常广阔的天地。从材料的发展来看,从块体材料向薄层、超薄层,低维(纳米)结构材料和功能芯片材料方向发展;功能芯片可能是有机跟无机的结合,也可以是生命与有机和无机的结合,这也为我们提供了一个非常广阔的创新的天地,我相信人们将来能在这个领域大有作为。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (3/29/2006)
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