半導(dǎo)體材料研究的新進(jìn)展

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半導(dǎo)體材料研究的新進(jìn)展摘要 本文重點(diǎn)對(duì)半導(dǎo)體硅材料，GaAs 和 InP 單晶材料，半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料，一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料，寬帶隙半導(dǎo)體材料，光子晶體材料，量子比特構(gòu)建與材料等目前達(dá)到的水平和器件應(yīng)用概況及其發(fā)展趨勢(shì)作了概述。最后，提出了發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的建議。關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體 材料 量子線 量子點(diǎn) 材料 光子晶體1 半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì) 70 年代初石英光導(dǎo)纖維材料和 GaAs 激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健? 幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)2.1 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 CZ－Si 發(fā)展的總趨勢(shì)。目前直徑為 8 英寸（200mm）的 Si 單晶已實(shí)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（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前 300mm，0.18μm 工藝的硅ULSI 生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm 工藝生產(chǎn)線也將在2003 年完成評(píng)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(shí)驗(yàn)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‘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(huì)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(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)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(lái)替代 SiO2），低 K 介電互連材料，用 Cu 代替 Al 引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來(lái)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(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和 DNA 生物計(jì)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)。2.2 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獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，世界 GaAs 單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò) 200 噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)的 2－3 英寸的導(dǎo)電 GaAs 襯底材料為主；近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)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(guó)莫托羅拉公司正在籌建 6 英寸的 SI－GaAs 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(jià)格居高不下。GaAs 和 InP 單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：（1）。增大晶體直徑，目前 4 英寸的 SI－GaAs 已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)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(cuò)。（4）。GaAs 和 InP 單晶的 VGF 生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。2.3 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(zhǎng)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(jì)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）Ⅲ－V 族超晶格、量子阱材料。GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，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(lái)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），贗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 1.3μm 和 1.5μm 的量子阱激光器和探測(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(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(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的 1.5μm 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(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了 80×40Gbps 傳輸 40km 的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)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)極薄（～0.01μm）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率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在 1999 年，就研制成功 980nm InGaAs 帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá) 5W 以上；2000 年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò) 10 瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)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(lái)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(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從 1994年 InGaAs／InAIAs／InP 量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的 7 年多的時(shí)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(zhǎng)為 9.1μm 的 QCLs 的工作溫度高達(dá) 312K，連續(xù)輸出功率 3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），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(wú)線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于 1999 年研制成功 120K 5μm 和 250K 8μm 的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于 2000 年又研制成功 3.7μm 室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家之一。目前，Ⅲ－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(guò)渡；生產(chǎn)型的 MBE 和M0CVD 設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104 片 4 英寸或 1.5×104 片 6 英寸。英國(guó)卡迪夫的 MOCVD 中心，法國(guó)的 Picogiga MBE 基地，美國(guó)的 QED 公司，Motorola 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(píng)價(jià)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(gè)亟待解決的問(wèn)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，Si／SiC 量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si 以及 GaN／Si 材料。最近，在 GaN／Si 上成功地研制出 LED 發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)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(dòng)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(shí)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(cuò)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，他們?cè)?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(zhǎng)了器件級(jí)的 GaAs 外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。2.4 一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，如 GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP 以及 GeSi／Si 等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所 MBE 小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的 MBE 小組等研制成功的 In（Ga）As／GaAs 高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng) lμm 左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá) 3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的 MBE 小組，2001 年通過(guò)在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為 1W 時(shí)工作壽命超過(guò) 5000 小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見國(guó)外報(bào)道。在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994 年日本 NTT 就研制成功溝道長(zhǎng)度為 30nm 納米單電子晶體管，并在 150K 觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997 年美國(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件，1998 年 Yauo 等人采用 0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 128Mb 的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的 MBE 小組，在繼利用 MBE 技術(shù)和 SK 生長(zhǎng)模式，成功地制備了高空間有序的 InAs／InAI（Ga）As／InP 的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì) InAs／InAlAs 量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如 ZnO、SnO2、In2O3 和 Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為 5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的 Lars Samuelson 教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在 SiO2／Si 和 InAs／InP 半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。2.5 寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，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(guó)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)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)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(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256 GaN 基紫外光電焦平面陣列探測(cè)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)方法已研制成功 2 英寸 GaN 單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和 GaN 基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)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?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高 T0 光源和太陽(yáng)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?SiC 相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)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(guó)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）Se／ZnSe 蘭光激光器在 77K（495nm）脈沖輸出功率 100mW 的消息，開始了 II－VI 族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的高潮。經(jīng)過(guò)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(guò)1000 小時(shí)，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(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)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(duì)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），SiC／Si 和 GaN／Si 等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)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(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，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(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)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(zhǎng)與 N 型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。3 光子晶體光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高 Q 值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如 Ag/MnO 多層膜，再用 FIB 注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒 Fe2O3，發(fā)光納米顆粒 CdS 和介電納米顆粒 TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的 3－5μm 和 1.5μm 光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell 等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。4 量子比特構(gòu)建與材料隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來(lái)越?。╪m 尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是 21 世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年 Shor 基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰 Rivest，Shamir 和 Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是 Kane 最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)完成，計(jì)算機(jī)要工作在 mK 的低溫下。這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無(wú)雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小 SiO2 絕緣層的無(wú)序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過(guò)程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。5 發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。5.1 硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)雖已可拉制 8 英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn) 6 英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開展8 英寸硅單晶實(shí)用化和 6 英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到 8 英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)產(chǎn)化，并有6～8 英寸硅片的批量供片能力。到 2010 年左右，我國(guó)應(yīng)有 8～12英寸硅單晶、片材和 8 英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。5.2 GaAs 及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議GaAs、InP 等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到 2010 年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以 4 英寸單晶為主 2－3 噸／年的 SI－GaAs 和 3－5 噸／年摻雜 GaAs、InP 單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到 2010 年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn) 4 英寸 GaAs 生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足 6英寸線的供片能力。5.3 發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議（1）超晶格、量子阱材料從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng) MBE 和MOCVD 兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型 MBE 和MOCVD 設(shè)備并著重致力于 GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN 基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP 和 InGaAsP／InP 等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi) 2、3 和 4 英寸GaAs 生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到 2010 年，每年能具備至少 100萬(wàn)平方英寸 MBE 和 MOCVD 微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如 SiC，GaN 基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及 ZnO 等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開發(fā)工作。（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想?；诘途S半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010 年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地。可以預(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。本文限于篇幅，只討論了幾種最重要的半導(dǎo)體材料，II－VI 族寬禁帶與 II－VI 族窄禁帶紅外半導(dǎo)體材料，高效太陽(yáng)電池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及發(fā)展迅速的有機(jī)半導(dǎo)體材料等沒(méi)有涉及。本文對(duì)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“信息功能材料相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題”（G2000068300）和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助以及中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的同事們提供的有關(guān)資料表示感謝。