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【前沿】半导体将带我们进入量子世界
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半导体将带我们进入量子世界 来源：慧聪网 2009-01-21 半导体材料及材料物理学家王占国院士做客首都科学讲堂 半导体广泛的应用于家电、通信、网络、工业制造、航空、航天和国防。2007年半导体市场的产值为2625亿美元，2008年为3017亿，由它而拉动产值高达１万亿以上的电子产品。半导体已经进入到我们生活的方方面面，在我们的各行各业，发挥着难以想象的作用。小到收音机，大到飞机、舰船，很多零部件都得使用半导体。王占国院士强调，如果没有半导体，我们将失去信息化和电气化的绝大多数成就。 http://www.sichinamag.com/images ... 27a7/2009012101.jpg 半导体材料及材料物理学家，中科院院士 王占国 1月18日，首都科学讲堂邀请半导体材料及材料物理学家王占国院士，讲解了半导体的过去、现在和将来，赢得了广泛的好评，在互动提问环节中，现场观众踊跃提出问题，王占国院士一一解答。有位远道而来的浙江大学学生，他表示听了王院士的讲座后，对自己的在科研和学习上有巨大的指导作用。 王占国院士介绍了我们早期使用的锗晶体半导体材料被淘汰的原因，再到目前广泛使用的硅材料的现状以及发展趋势，指出了硅材料的发展受功耗、光刻技术、制造成本等方面限制，从而引出了其他最新的一些半导体材料的研究，如GaAs、InP单晶材料、宽带隙 半导体材料、低维半导体结构研究。 什么是半导体材料 廉价硅取代了比黄金还贵的锗 物质存在的形式是多种多样的，如固体、液体、气体、等离子体等。通常把导电、传热性能差的固体材料，如陶瓷、琥珀、玻璃和塑料等称为绝缘体；将导电、导热良好的金属，如金、银、铜、铝等材料称为导体；将性质介于上述二者之间的材料称之为半导体。直到20世纪初，半导体的存在才被真正的认可。 直到1955年，几乎所有的晶体管都是由锗晶体做的。但锗是一个稀有元素，当时全世界的年产量只有6公斤左右，提纯后的价格比黄金还要贵！ 硅是一个富有元素，在地壳中的分布很广，硅的带隙比锗大,适合于室温工作,加之导热好、机械强度高和天然的二氧化硅可作为绝缘体等,很快就取代了锗,成为晶体管和集成电路的基础材料。 III-V族和II-VI族化合物半导体材料如GaAs、InP、GaN和ZnO等是直接带隙材料，具有很多优异性能，如工作温度高、抗辐照和发光效率高等，但晶体生长及质量较难控制。 现在，硅单晶的年产量已达19250吨，8-12英寸的硅单晶已工业生产；18英寸的硅单晶已研制成功；27英寸硅单晶生长也在筹划中。 目前8英寸硅片已广泛用于大规模集成电路生产，12英寸65纳米工艺也已投入工业生产,预计2010年为45纳米,2013年为32纳米，2016年为22纳米，2022年为10纳米。 2008年我国8英寸硅单晶产量占世界20%IC级多晶硅全靠进口 2007年我国多晶硅的年产量约700吨；2008年4110吨，约占世界总产量的10%；硅单晶约3740吨，约为世界总产量的20%，但多为8英寸以下单晶,IC级多晶硅全部依赖进口。预计2010年我国多晶硅需求将超过10000吨。 我国目前已投产或即将投产的5－12英寸集成电路芯片生产线有38多条，其中12英寸生产线5条，产能约7万片/月；8英寸生产线11条，产能约30万片/月；5英寸和6英寸生产线22条。以上生产线总的生产能力约占世界总产能的8%，主流技术0.18微米和90纳米，最高水平为65纳米。 预计到2010年，我国将新建65－130nm技术的10－15条8英寸和12英寸、月生产能力3万片的生产线，具有45nm的研发能力。 据预测10－22nm将是硅集成电路线宽的“极限”尺寸,这时会遇到： 1.物理限制：绝缘氧化物量子隧穿效应，沟道掺杂原子统计涨落，功耗等； 2.技术限制：互连延迟，光刻技术等； 3.经济限制：制造成本昂贵，难以承受。 由于硅电子技术极限的存在，硅将最终无法满足人类对更大信息量的需求。除了正在探索解决的新途径如DNA计算机、量子计算机、光计算机等之外，人们也把眼光放在新型半导体材料研发上。半导体家族新成员：砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）出现 目前GaAs单晶的年生产量约200吨,主要用于光电器件的衬底材料和集成电路制造。直径为2、4和6英寸的片材已商品化，8英寸的半绝缘GaAs单晶也已在实验室拉制成功。 InP单晶主要用于光钎通信激光器件和高速网络用微电子器件的衬底材料，2、3和4英寸的单晶片已有商品供应，6英寸尚处研发中。 GeSi/Si和GaN基材料的发展使GaAs和InP基材料的应用推后。 用半导体照明比普通白炙灯更节能 III族氮化物、碳化硅、氧化锌、立方氮化硼和金刚石以及II-VI族硫锡碲化合物及其固溶体等，特别是SiC,GaN和金刚石薄膜等具有：高热导、高电子饱和漂移速度和高临界电压等,是优异的高温微电子和光电子材料。 主要用于汽车、航空、航天、相控阵雷达（如高频、大功率发射模块）和高温、强辐射等恶劣环境。此外,III族氮化物还是优异的蓝、绿和紫光材料,可广泛地用于白光照明、信息显示与存储等领域。 王院士特别强调宽带隙半导体材料的可照明的能力，他指出，使用半导体照明比普通白炙灯照明要更清洁无污染，更节能。实现半导体白光照明的方法有：三基色白光光源、紫外LED激发白光光源和兰光LED激发白光光源。它可广泛使用于大屏幕显示、车灯、各种仪表等。还可用于日盲（240～280nm）GaN基紫外探测器，实现了能在正对太阳光的环境下进行摄影拍摄。另外，组分连续变化的InxGa1-xN合金（3.4-0.7eV），与太阳光谱分布（4.0-0.4ev）匹配很好，理论预测，InxGa1-xN组分缓变多结太阳能电池的极限转换效率可高达72%！为新一代、高转换效率全光谱太阳电池的探索开辟了一个新途径。 宽带隙半导体材料是一个具有重要应用前景的材料体系，但目前大多数材料仍处于研发阶段，不少关键的科学和技术问题尚待解决，如：高质量GaN衬底和GaN基微结构材料制备；单晶金刚石薄膜生长和N型掺杂；ZnO基单晶、单晶薄膜制备和P型掺杂；无微管 缺陷的SiC单晶薄膜的外延生长等。 硅单晶会对量子计算器件产生致命影响 硅单晶虽具有高纯、高完整性以及天然SiO2介质膜的优势，但SiO2为非晶，它的无序分布和杂质会对纳米量子器件，特别是对用于量子计算的器件带来致命的影响。 有些学者认为碳基材料，如纳米碳管是很有潜力的纳米电子学材料，然而如何控制它的尺寸和空间有序分布以及互连等难题，尚无良策。 探索纳米电子学电路的工作原理、工作模式，寻找、研制适合用于制造纳米电子器件与电路的基础材料（包括绝缘介质等）；发展纳米加工技术，确保量子器件和电路单元的一致性和工作的可靠性，是物理、化学、材料科学家和电子工程师面临的首先要解决的关键科学与技术问题。 半导体"家族"的影响：极可能触发新技术革命，使我们进入量子世界 硅单晶材料和晶体管的发明,硅集成电路的研制成功,导致了电子工业革命，PC机进入千家万户。 光学纤维材料和半导体激光器发明使人类进入光纤通信和高速、宽带信息网的时代，将使三网（电视、广播和通信）合一。 超晶格概念的提出，MBE、MOCVD等生长技术发展、完善与进步以及半导体纳米科学技术的发展和应用,将使人们从原子、分子或纳米尺度的水平上控制和制造功能强大、性能优越的人工微结构材料和基于它的器件和电路,极有可能触发新的技术革命，使我们进入量子世界，那将彻底改变人类的生产和生活方式。 附王占国院士简介： 半导体材料及材料物理学家，中科院院士。1962年毕业于南开大学物理系，同年到中国科学院半导体所工作。曾任中科院半导体所副所长，国家高技术新材料领域专家委员会委员、常委、功能材料专家组组长。现任中国科学院半导体所研究员、半导体材料科学重点实验室学委会主任、中国电子学会半导体和集成技术分会主任、中国材料研究学会副理事长、国家自然科学基金重大研究计划"光电信息功能材料"专家组副组长、北京市人民政府第八届专家顾问团顾问、天津市人民政府特聘专家和多个国际会议顾问委员会委员以及多所高校特聘和兼职教授。1995年当选为中国科学院院士。 |
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