半导体光电信息功能材料的研究进展
F rnoier 前t
沿占国王 半导体材 料材及物料理学, 中科学院院家,士 现任中国学院 信科息学部副科主, 任中院科半体所研究员导 中,电子国学会务理常事 , 半导 体和成技术分会主任集 ,市京人政府第民届八家专问顾团问顾和国家北 "973 "划计材料领域询咨专组组家以长多个国际会议顾及委员会委员等.问长期从 半事体导材和料料材理物研,究其 中,人造卫 用硅星阳太电池照辐 应和电子材效, 器料件和组的静件态 ,态动核和瞬态照辐验实果结为我国的两 弹一星事业展做出了发献贡.近 来年 ,在半导又体低维构结 超晶(, 子 格量点, 子 等线)料生长, 质和 量子器研件方面获制进展. 得量 材
半性导体电光信功能息材料 研究进的
◇展王占国中 国科学半院导体研所 半导究材料体科重学实验点室
史发历表展明, 半导信体功息 能材和料器是信息科件学术技发展的 先和导基. 础 02 纪4 世代年末 年代 050 ,初晶体管 的明发 ,硅晶单材和硅料 集成路电 sC的研制成 ,功( I )导 了电致 子业工革命.大 02 世纪6 -0 0 7 年, 光导代 维材料和以纤化镓 aAs砷 为的基 G( 半导)激光体器发明, 的超晶格,量 阱 微子结材构料和速器件的研制高成功, 使类人入到进光纤信通, 动通信移 高和速 ,宽信息网络的时带代.纳 科学 技米术发展和应的用使将人们从原 子,能 子分或米尺纳的水度上平制,控操 纵和制 功造能大的人强工构材结料和量子器件, 极 可能触发新有技的术 命革 并将深,地影刻响类人生产的生和活 方式. 晶直的,径 决解片直硅径大增致导的 陷密度缺加增和均性变差等问题,匀仍 今是硅后单发晶的展大势趋.预 计 由 英寸8向1英过寸渡硅I的 工将艺2 C s 在年内近完,成 05 到2 年1后 , 12 英
寸一,
导体半光信息电功能材 料究现状研 [-1]
12. 硅微电子技研术进展
究( )硅微电1技术遇到的挑子
战硅片将成为主流产
, 0 0品 2 2将年达会到高 ; 随着硅峰大规模集成电路向 更极小线宽展,发 否是需研要更大直 制的硅单径晶材料尚存议, 但更争直大 径(如 12 英寸和 )8 7硅的单研晶制也 在筹划中 .进从步缩小器件一特征尺寸, 提高的IC 硅s 速的度和集成看,度研 制
硅) (Si是 前当电微子技的术基础 料, 材计到2预世中纪叶不都会改.变1 从 高硅提成电集路Cs 成 率品, I() 提高 性能和降低成本来,看 增直大拉硅
单A
dvncae dMateiarl sIduntrys
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F onritr 前e
适合于深沿微亚米乃纳米至工艺所的 需直径大硅延片将会外为硅成材发料展的 一个主要另方向. 绝缘上半导体 体( SO )I 料,材具 电路有速快度 抗辐 ,,射低功 和耗高温耐等点特, 时同有 具简化工流艺,程 高集提密成度 减,软小误 差等优,势因而受到广 泛重,视很 有
可能为成10 以及下储器电路的 存8 nm 优选用先材. 料e iS S i G/ 应层超变晶 材格料以器其件 ,路的工电频作率, 功高小耗特点等而优于,硅 以价其而廉胜于 aGs 加之与 工硅艺CM SO集 A成 ,电路技兼容, 工术成艺本低的点, 优 在波微器和件移动通高信电路等产频 领域有着广业泛的应用景前和争优竞势. 于基Si Ge材料生 的长应硅变技 可术以供更提的高件器动电流驱与更 快的体管晶速度 ,而制成造本却有2只 的%提,升 以所 ,可能有替体代材料硅 为6n成 以下mC M O 的S流技主术 ,5受 到广泛关. 根据2 注0 年版 0 "国际7导半体技术发展 线图路 tn r i(I neaotal T ecn h - n o lo gy o a Rd m ap ofr eS mi oncd oursI R )S的预测, c t,T" 集成 电路特的征线到宽2 1将年进 03入 3 n m技代术 , 2体管晶理物长栅为 将 nm1; 3 并 于21 年进 入2 nm 到术技06 2 代 晶体管,理物栅长是将9 ;m n摩尔定 所律测预的高发展速将至少续到 持 2 年2,0 2 那时的晶 体管物栅理长将是45 , . m 那时硅CM nOS 术技接近将 达到或它 "极的限" 尔定摩律将到受下 述. 方面的3战挑:物理 面 方(沟场效短 应,绝缘氧化物 子量穿隧效应,沟 掺道杂原子 统涨落计, 功等) 耗术方技面, ( 寄生阻和电电容,互连延 迟,光刻技 术 ) 经等济方 面,(制 造成本昂贵, 难 以承)为受克服述上件器理和互物 .连技术限制, 人们一 方正在面开诸如
↑发增直拉硅单晶大直的径解决硅片直,增大径致导的缺密度增陷和加均性匀变 等问差题仍是今后,硅晶发单展大趋势.
的高K
栅介质, 金栅属, 栅/ 双栅多器件,应变沟 和道高移率材料, 铜迁连互技术 ( 扩阻挡层散) 介低常电材数,料 ,多纳壁碳管米孔通三维铜和连互等 另;方一, 在面路电设与制计造面,方 采用 硅基/微纳 件混器合电, 路电混 光集成合和统集成芯片系O C ()S 术技等 , 进一步来提高硅I 的基速度和 功s 能C .然而, 虽然采上取措述施可延长以 摩定尔的律命寿, 但硅电子微术技 终难最满以足类人信对量息需求日的益 增长.为此, 们人在积正极探索基于 新原全的理料材, 器和电路技术,件如基 于量力学子应的效纳电米 子(光电子 )术, 技子信量息技术 光,算计术技和 分电子学子术等.
(技2) 硅电子的微能可"替"技代术讨探a .纳米子技术电
成功
了电单子器件 (单子电晶体和 单电管子存器储)而且照目按的前技 , 水术,平 制室温工备作的电子晶单体 器管 件(SET ) 已无不克可的服困难 ;但是, 我 们不仅需要单器个, 还需件要 超密度 高每个(MP 芯片U集可成数量为 1 00 功能完全9同的相S E ) 0～T 11,的, 低 功, 耗算运度速,快能与硅 工艺兼容的技术 .近 年,来虽然 基于量子的点自适 网络应算计已取机进展, 但要得
实 现单电子件器的规模大集,成还 有很长的 要走. 不路人少为, 认碳纳米管将为纳 米成子学电主导材, 料而, 然研究明表虽然 碳米纳着很高有沟的道电子迁移 率, 但它寄生的效应(寄 电阻和生容电等) 使其 难高以频作,工e [ ] 导 报h n等C3 的集 成在一单壁个纳米管碳, 上含5 包个MCO S 反 转的环形级振荡工器频 率要比作最的CM新 O S慢1 6 000 1～1 倍 另!外, 何将碳纳米如有序管的列和 互排连起来构成一功个强能的大电路, 前目还尚良策无
.目
, 前然建立在量子虽学力础 基上的纳电米子工作原学理, 工模式作, 采什么材料体用和工艺技系术尚存 等议争 但纳,电子学米仍该领域是研的究 热.点 然早虽1 多年前就已研在 制
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材新产业 料N .O09 1 20
b. 光算计术技
子的为行就开像一样; 关虽他然们的开创性 作被工为是非认常具有象想力的 ,并受到重视 但由于,成合晶体像 一样管分的十分困子难 ,之当时加缺 乏纵操原和子分子手段而进展缓的慢.2 世纪8年 后期和代 年9初代, 00 0 描扫隧 道显镜微技 术 M ) TS (的发展加深 了们人纳米对度上尺电输子运行的为理解 , 进促了子分电技术的子展. 发分 子路电合的困难使成人把们研究标 目渐逐移到转有记忆机器方面件 例,如 Ran d L yve i议将多卟建啉纳结米n e 的构数存据储为变子内电,存 加施电压引 起子氧化,分 即放弃子, 电移去在电 场之后, 子仍然保持它们分的正 电,荷产生 储效果.存基 于上述技术 实 ,验员已建人了造个1 一测试的芯片; M 外此MI 的 研究人正员利用在碳米 纳 T尝试来研制管稳双记忆置装 实.分现子存 储器的另个一径途利是用机联械 分锁子(如r xta和索 烃) o nea 对稳态双行为 的应, 感州大加洛学杉分矶校 和 Jmaes Hae lh 以及J. ras t eFr S oddatt r 将等Ro t axne a的开 现关象 因归不于分子同的旋段和转/或平 移, 而部移动内则氧由化原反还所 应制, 他控已经们制造了6位随机 取存4 储电路存, 现正在在造1制千位的存 6 储电 路. 分存子储器的制虽研取得 进展,已 但距商用然需仍许要多. 到年前目止,为构造一 能在室个 工作, 具温有门功非能的分子件仍是 非器困常难的,BM 正在考 碳纳察管 米I能 否之提供机为会. 外另,人 在问除 们场了应晶体管效 ,否是还别有的么什
4 ][
时他主张计"算机芯围绕可片编纵程, 横式 路电阵列重设新,计 阵该在每 列个一交叉点拥两有开端器件, 这种 关被称做 纵"闩"横 的器件已经现表出具有 可行运关紧要的, 至二极管阵通 常没有列的非功门能 惠,公普已经司用它 来造6 位存储器制. 件 ne 建a议4 R t "r果你如能分让子结构的在加电施压 时从种形一转变式另一种为形式,那 么 你有就一
了个内开关在,那将是 个一巧灵的思" 构但是 ., 领该域的它 其究者研相不信述的建议上行可 他,们 指出代电路的特征当是要有充分的 大流电,以 证为一保系列联结逻门提 供辑力; 显然动 ,就这需有要增的三益 端器件, 但, 是前尚未发目现何任一个 端分三器件展子现功了率增益.我国在 分子 信存息材储与技料术面方开展 系了性统创的性研究, 发展新了于基 学电双态稳的超高度密息信存储的新 料材和原新理 发;了明化热烧学孔型信息 存储技, 术计设合出3成 种余电荷0 移复合物转烧孔料, 受到材际同行国 好评和重视.的 鉴于于分基子电子技芯片术或电 路的应用景仍前很茫, 渺些学者如一 ouT r等测分子预电学子第一的个 用将会涉应及混合件器, 即子化学和 分导体电子学的半组合 他.的研组已 从发展纯究的分子粹子电学器件变转为在硅平台 上制造机有构结, 这样可既 用利有现 I工业的工艺术和技设, T备从 降而成本,低而 且也比容易较I被 T人界士受;接 因此, 混器合件被为认是 前目分子电技术子用向前发应的展 最好方.
法.d量 信息子术技
谓所光计机,算就 利用是作为 光息信传的递体,媒以光 运元算构件成的 计算机 它突破.传了电子统算计机设 备之相连间接的方, 在运算与式存储单元 间之用光采连互,具 有行并 理, 运处速算高度,耗 电,低 抗干能力 强扰,容 错性强信息存和量大等优势储 ,受到泛重广.视 过科学家经年多的努力, 目前光算机的许计关多性技术键 诸,如光的存储技术 光,存储器以各 种及集光成路(电 等都I取已重要 O得C) 进展. 继国I 美 M在1 9年率 推先 B 90出以 光激器 透,, 反射镜等镜组成世的界首台实 性验光算机雏形后计,法 国 德,国 英,国意和大等欧共体利国7家多 名0学科家联合 又,制研成功了界第 世台运算一度速普比电子计算机快通 0 多1倍的光算机,计 00 取得了长的足 步进, 使们看人了到计光算的光, 曙 但实用距仍相差化远.甚 其,中解决 光 长的间时 稳定存,储是关键 在,去的过 2 多年0,里虽然 出多提种储存方案 ,利如用气 体和体 (晶缺陷)陷阱的光存储 等,存储 间时有仅毫, 秒然显不满能 足光计算机要求. 最近的, 大利澳国亚立大学的物理学家 文. 朗杰戴及尔其 同利事用型新光阱陷( 用掺利有土元稀 镨素硅酸的晶体盐, 制出一造 种超"级 光阱" 陷 ,)首 成次功将一个地脉冲光 "住冻"了 足1足s 的间, 这时以是前最好成绩 的010将 倍.0"住冻 "束光的时间大大 延长 意味,着可据能此找实 到方法来制用造计光机或量算计子算 用机存的设储.备c.
子分子电学术技
可用来做逻辑门? 惠普公
司研究人 员的回是答 ""有 位于州加的普惠量子! 学科研究
室主任 ilWas l mi 信相 ,三端器 件 如场效(晶体管应由是源 漏和栅 3, 个极电成构的端器件三 经) 已"
过1 7 , M 的年究研员riA 9 4 B Ie Ahvai和纽 大学约M的 a k Rat r rm r n e授教算计明表,在一 假设个简单的分 整流器子结构上加施个一场电,时分
发展于全基新原和理结构的功 强大能的算计机2是世人纪类临面的 1
[巨 ]挑战大一. 9 4 S 之 ohr5于基子量 1 年,9
dAvncadeM aterila sInusdty
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ontir e前沿态叠加
理提原出量子的行并法引算起 人了们的广泛视,重并 证明轻而易可举地 译破目广前泛使用的开密公钥R i th S i和Adlaa R( AS ve)s,m r m n 体系. 谓所子计量机是算应用量力子学 理原行计算进的装置 它的基本,息信 单元叫做子量比特( q u , tib是实)现 子量计算关键的. 据根量子论理 电子可 以同时处,两个于位置 ,原子的能在 级一某刻时可以即于处激发态 也,以 可处于基; 态这味着意这以系统构造 些出的本计基算单—位—比,特不 仅 在相应于能传计算机统位逻的状态0 辑1和 稳下定存在 而,且能也在相应于 些这统传位的合混或态叠加存态在 称 为量子比特;, 就是也说 量,子比能作 特为个的0 存单在 或,1也可 同以时作 既0为 也为作 1如果子计算量的C机P . 中有n 个U子量比特 ,一次操就作 以可同处时2理数据个, 而统传计算 一机只能次理处个数一据 例如,. 有 5 0 个量具子的量子计位机算 ,0 可以0 3在 s0内解传统决超计算级机要1 0 0年亿 才能解的大决因子数解问题,分 将 对现有的R S这 保密体系产A致命的 生击冲 .构筑量比特子是实量子现计的算基础, 文 报道献很多了理物统系可都 用于以筑构量子比特 如液,核态磁共振 , 主杂施核质自, 旋超体导和半导 量体子点中电子自的等旋 在;这些统系中, 最有前 途可能是的半导量子点体, 别是特自组量装子点的究研, 无论在理 论上是还验实上也趋于善.完 近最 Da,vid G er so i an ret Ma e h 在 N ut r- la上发论文提表, is 出处微在微腔盘 中足满盘微腔微模分布的腔子点, 可量用激光以进行子量比读写, 每特 个量一点中子有含一电个子, 以子自
电
↑如n将碳纳何米管有的排列和序连互来起成构一个功能强的大电路,目前还无 良尚策
.来构筑旋量子特.比量子计 算的设 想机方很案, 多离如阱量子计子算,机二 噻溴吩磁共核量振子算机计腔量子 电和动学量子计力算机, 目前虽等实已现了8 个量子位 计算,的 离但实用尚远. 阻 量子碍算计机实的难点主要 现, 是在传输 ,理和处储过程存,中量 态子能因可环境的合耦( 扰) 而干从量 子叠态加演化经典的混成态合 ,所即 的谓相消.干 因此,特 别在大是模规计 中算能否终保始持量子间的态干相量是子 计算走向实机
用化所前必需克的 服难题.
长
可的红外激调光器, 为半导激光 器向体中外红波的发段展及以在化学 感遥,红 对外,抗 物医生诊断和自疗空由 光通信间应用等面方开辟了个一领新 域.中远 外红QC L 材主料要采I , nP用 aGAsG a Sb 3基, 种料体材,系已经实 现室温了续连出. 输 0 220 年瑞 纽士卡 特大学先实现首波约长9 为的 μm,多 模 QCL 的室温连 激射续～1 m W ()3 0, 02美年国西大北则学将室温连续 0输 出功5率高到7 ;05提 上述2 W2 年, 0研个 组分别究研制功了成4μ m5 和μ m 8 . 6 室温连.续输单出分模布反馈QC L, 奥地 利和国联英研究小合组将78. mμ 布反馈分 QC L的温输室功出率高提 了1到. W 中 外红 CQL材料 的未目标来 是展Q发C L 机理新, 新材料, 结新构, 提高 单分模反布馈Q CL 连续在工作下 工的作度和温降低功大率多Q CL模 驱 的动电,流 满足以医, 环学污境监控和染 反恐方面等需的.
求2
子级联激量器光
为.克服 p结半导体n光器的激能隙 对激器波光长范的限围,94 制美19年 ,国贝实验尔发明了室基量子阱子带于跃迁 阱和间共隧振的穿子量级激联 光器 C )L 破突半了体能导隙对长 波(Q 的,制限 ,成功地获得了5 39波 .～ 1 μm
6
8材料产新 N业 O .09 1 0
Q C2L 材 的料发展势是趋一步进拓 波长范围宽 .05 美国 省理麻 02 , 年学院研工制出1 了 下脉4冲率达功6 2K0 W 太拉赫的兹H z) CL ,m (0 Q 波T长 为15 ;0 6 他们 又研制了 4 出μm2 0 年, 1 K下脉冲功率2达 8 W 4的 4H z 4m .T (8 0)C L 6.μmQ 采用 G a / a l料 材 NA G 体N可以系Q CL将 波缩长到15 μm短 .5 通光波信段, 还人尝试用有S G eiSi / 和量点子构结研来Q CL制材 ,料但 些这努力未尚功. 成光子晶,体 微腔构与Q结 CL材 料相结合 ,CL 材的料又个一展趋 是Q 势. 0发3 2 年美0贝尔实验国室研制成功首 8只 mμ nI P基发面光子射体 Q CL 晶;中科院半 体导,所 科中上海 微系统与信息技术院究研所( 以下称简上 海系统微) 在所此领域也取了得 突出成. 半绩体所采导应变补用偿技,术 服了数克百超层薄材料生和长短长波 QLC 能带工程设中计的难,困研制 出 了系列一有具际国进水先的Q 平C L 料和器材, 件其包中括腔长短单应变 补偿模 Ias IAs QC ,0L 下输n GA /nlA K8出功率1 的应变补偿Q WCL ,.2 亚第洲 一G a个s AG a s CQL(波9 μ长m A, l A / .1 8 下K准续连率功到达 1 4, W目为前 国际最结果好一)之海上系微统则研所. 制出 在了温室冲工作的脉布分反馈 QLC 和84 μ. m系列一具国水际. 99～ 平低驱动电流的 大,功, 率温多室模Q C L .目 前,半 体导量级子激联光研 器的究点重是降低在值阈电密流, 解 决度散问题热基的础上,研制室 温 长 寿,,命 功率大, 连续波工作的实用
化 件; C器 L另一的研究个向是方发射 Q波长别向短波 (≤3 分) mμ和 赫兹太( ≥3μ m)3 波发展段.
3.
宽隙半带体导材
料带隙宽半导材主体指要是金刚的石,I 氮化族, 物II 化碳,硅立 方氮硼化以 及II- V族硫,I 锡化碲物 氧化,物(Z n O 等) 及固体溶, 等特别是 i ,SC G aN 和金刚石薄膜材等料, 具有高因 热导,率 电高子饱和漂速度移和大临 击界穿压等特点, 成为研制高电大频 率功 耐高温, 抗辐照半,导体微电器子件 电和路的理想料材, 通信, 在汽车 航,, 空航, 天油开采石以及国等防方面有着 广泛应用前景的.另外 I,II族氮 化等物是优良也的光子电材,料 蓝,在 绿发光二极管(光 ED ) L和,紫绿光 蓝 激,器(光D) L 及紫以外探测等应器用方面 显也了示广泛的应用景.前
1 ( 基a质外延异材料) NG
展
工,波作长在40 5nm之 , 0间～4 最大0 温室连续输光出率业已达05功 以.W 上. a基 高,温 GN 高率功 ,频高电器 子件制研取得重了要展,进 a N基F ET G的高最工频作( 率a 已1 0 H z, f x达) m4 f= G 6 GH z 表f截止频率示)跨导为7 (T, T 20s m m ,0 63m / 2 0年美国C E RE公 研司制的G a 出 H EM T 的功率密 已度N 达到 3W/ m ; u i s 研出制 2 的 Fm tu Gj N a E M HT放 器输大功出率达 4 ,1 7W 电 为6 压V. 0 D6 3 I 0 年T2 国( 技术际件公器) 英司S寸 i4在C衬 底上 生 出 无长裂 纹的 lNA 单 晶薄 膜 , 为 A a / la R F 器 商件化打业下 G 了 GN 基础. 另外, 01N基 于 a l 材I在20 , 年nG NA 料系,体研制成 功波长的达20 的短8 mn 外紫发光二极管和 62 5 阳盲 5 ×2太 Al6 Na焦平面阵列 探测, 器G在 军上事有 广泛着的应前景用 .所众知,周aN 为代表的I I 以G 族I氮化 物, 因为没有同衬底质材料 ,只而能生 长与其在格失配晶大很的宝 蓝石 ,碳化硅,硅或 砷镓化衬等上, 大底的 晶格失导致的高缺陷密配度, 严重影响 着件性能器它和一进的步用. 目前,应 aN 衬基底材料制的备主要是G 采用氢化汽物相延外V P E ) (H 技 术 首,在蓝宝石先或 GAs 等a底上长厚衬约05 m m 的GaN 外 薄膜,延 ～. 1然 后通激过剥离光术技 将其,与衬分开底并 表面经加, 成所工的自谓支撑形 G a 底衬.N 经过 多的年力, 英寸努自2 支 撑Ga N 衬底制已获备得破,突 现 已有品出商售 遗憾,的,是至今尚未被广 采用泛 ,原因可与质量尚需进能步 提高 (位一错度仍密于1高5 cm 2 和价 0/) 格贵等昂有. 关最近得知 日,本学家 利用 科"热氨"法在研 大备寸G尺a 体 , N单研究晶面取方得突破了展进.0 6 20
目, a前N基 蓝, ED实现已 绿GL 规生模,产年销 额售已数十亿达元. 美年来,近功率达瓦级 ( 最为大 5 W) G a的 蓝基 N 紫,光发二极光管研制的成功, 使 人们看到了固态光白明照诱的人前景 ;与 目前常的白用
炽灯比相 固, 照态不仅明发效光率,高 可节约23 /的能 ,源而 且工作命可提寿1高 倍 0以上 ; 之加作电压工低 ,安可靠全和无 染污,等是 前当内国外发研的点. 国际热 上多许大司公 ,G如E ,h i i 和 P lp s O as等都 入投巨从事固态白光资光r m 源的发,开 望希能在这一具巨大有 潜商在业益利高的技领术域据优势占 位. 0 地 6月RC EE 公司开已出发 2流0 7 明年效为1率1m /的 光L白 ED;0 3l 6 W2 年10月 N i i2ch 的aGa N基光L E白 D实验室的流明 率已效达1 0高m / 5; W L l ieu 公在司 20 年 1ml d 0 s7月 也研制 功成了G N a基15 /m的 率型白功 光l 1WL E . GD a 基光激的器研也取制了进得 N
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F rntoir 前e
沿5 年Crs alI宣称, , 月 t Sy他们应用 钨 坩埚研成制的2 英寸功化氮铝( l ) A 单晶衬N底, 错位度密于小 1 4c 2 m 0与/, 其衬底材它上料备制A的 l比相 N 其 位,密度错少减了5 级量. N与 个A lA aN 晶格匹l配好,较 且G具有的热 导高, 率利于U有 V件器发展的 0 6 2 .0年5 日 N 本 TT研究人员, i 月 , S在 衬C底 上研制成的Al功 P基 I L E Ds发光 N ,N 长波2 ,01nm 管发光效率很低尽 ,作工 压电高达2V ,5 但 它破打半导体了 极二管发光波最长短记录!的 lA 自和支撑G 衬底a及G a以N NN 体晶的研单成功制, 对G将a N基激光 器和高温微子器电和件电研制路起 到将重要推地作动用 .另外 ,国加州美 学圣巴大拉巴校, 日本科学分技术与代 理处合在作极非性半极性面和长的 G生a N基L E D0 3 × 0m2 的光 (3 0发0 m ) 效率 分为4 %和别 3%,0 0注 入电为 流2m A , 时出输别为2分 mW 0 C和W 51m W . 最8近们他非在性和极极半性蓝宝 面上石备G制aN 基 LED取 重得大 进展,研 制功了成高达 12 / 的 ml9W L DE 为,提高Ga N基L E D光发率开效辟 了个一新的径途,受到人们 注关 .另 ,外 极非性G N aL E 基发光D还具有 振偏性特,作 大面为积晶平液显板示的 背照光光源明,具 重要的有潜在应 用景前 .II 族I化物系统与氮统半传导体系统 的著差别显之是一III族氮化表 现物很出强压的效电,应 其Al中具 有 已N知导体半最大中压的系数. 电与 传半导体统件中器过通掺改变杂材料 载流子中度, 浓从调而电导率制同, 压不电 导能带工程主要通诱过节材料中 的调变应 由衬(, 晶底向,材 料份和厚组 决度)定和压 系电 (由数材组份决料 定 来改)材变料的中极电场化, 从实而现对 料能材的带调制 改变,材的导 电能力. 料这在结构种,中材料 电能力导 提高将的受杂不质浓度,散射和复 增强合用的作制限 ,此因 ,用这种采构结 的器,件 能够容易地较过通改变化极场 方的向现电实子或空的穴累, 积因而能 效有避开目前在II族氮I化物 料中普材存遍在的 P型
掺杂难;困 不 仅这助有于善现改有的效应场器 件F (E )T二维 子 电 ,空()穴气 器件新等型器件的 能性 而且大大,有助于发 出目展前以实难的III族现化氮物极 型双器件 目前.科学家们I 对I I族氮化物 压 诱电能带导工程的理和机方了法解很不全 , 面需加急以决. 解近年具有反常来带隙弯的曲窄禁带In A s G,a s ,Aa NP 和 N nIN G G aNAs 料的材研制也受了到重,视 P是因为它们在这波长光长信通全光和谱 太阳光伏能电池制研方面显示了 重等应要用景前.波长 通光用信长 Ia s V 基SE CL s G n AN研究曾被人 看们好, 然而与 们原人来期的不望, 近同年 来 IAs CaESL sn GN 基 V研究几乎的 于停处状态止 ,能可与器的可靠性件存 问题在关.有
2( 碳)化(硅 S )和i C 氧 化(ZnO锌) 料材
光温激室器件的首选子料材 Z.nO纳 米 光泵线激受光紫发射和最近ZOn同 质PN 发光结极二管及以nO Z晶单 衬的底制成研, 功起了人引的们广泛兴趣 研究和热. Z潮On单晶材 的料制备技术 水有热法, 压熔高法体 气,输相运法等 水热法生.长的ZOn单晶的 纯 高,度 最大尺寸达已 英3,寸 生但长度 速,低每 天只零点有几米毫 高.熔压体法的最 优大是点拉速度高晶 8 ( ～1m /m 0 天) 设备,投大是入其足,不 已 出拉直2径 英Z寸On单 , 晶温室子浓 电为5度0×1 1/3 电子迁移率为. 4 7 cm0 ,1 1 V2sX 双 衍晶射半高为1宽 3 c5m /, 2弧.秒 相气运输法(开管和闭 管 )生 速度介长于述上两之者, 业已间生出长直 4径m 的mnO 单晶. Z5 ZnO 膜的 薄制备 技 术 很 多, 要 M O有C V D , 主M E B 磁,控射和激光溅束沉技术积 以溶胶- 及凝法胶等. 前绝大目数的 多Zn O膜薄都是生在蓝长宝衬石底,上 未有意掺杂的Zn 均为O电子 型 )N(导 电 背,景子电浓度可达11/ 3 目高0 cm8 前已;备出制, 的量质高的较ZnO 薄 的电膜浓子约1 度 / 3 电子迁1率移06 c ,m在1 0 V s 5 2cm 左/右 .nZ O存在主的 问要是高题量质晶薄单制膜, 备别是特稳定, 高浓度 的型P掺困难. 杂过经
多以Cre e 司为公代表体的iS 单C 晶的研制已业得取突性破进,展寸的英2 -4 iHS 和C 6 i H- C单S晶外延与, 以片 及3英 的4 - 寸iH S C单 已有商品出晶售; i S C为以G a 基N材衬低料蓝的绿光L E业已D市上 参,了与蓝和石宝为衬 低G 的Na基发 器光的件争竞, 他其Si C相 高温器件关研的也取制了得 足进长步.目前 在存的主问题要S i是 C 材料的缺陷密度高,且价格昂贵 .Zn O宽基带禁导半材料具有 体高很的激束子缚能 0 e,(6 m) 是蓝紫
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的年索研探, 究目前, 人在对们Zn O 的 P型杂掺理有了机较比入深了的解 础上, 基已能获得稳的定, 空穴浓为 1度1 3 /型ZOn薄 材料, 07膜cm 的P 结合 M g Z n 和B eOZn O等 元合三制备取 金的得进,展
现已实现室了温 Z O 基 n EL 的D蓝, 紫色发,光并观察到 来自Z O / eZnO nZn和O/ g Z O 异n B质M 构结或子阱结量的构射输出. 我激 在Z国On P 的 掺杂型究研 高,Mg 组分 的 g MZnO 合 , Z金O n/ M ngO 多 量 子阱Z质异L 结 DE备制等方面也出了做
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材新产料 业N . O0 1 290
国
先际水平的成进; 大果尺寸nOZ 体晶单制虽研取得已很进大,展 但晶体 的量,质特 别晶是的完整性尚须进体一 提步; 高另外 高,昂价格也是的碍 其广泛阻用的应重要因原之一 .从体 来看整, ZOn 基材料和件研器究虽进有 ,展但 无尚大重破突 高质量Z.n O 衬 材底和料质高量Zn 单O薄膜晶备以 制及其与晶匹配格合的金垒势材料层 (如Be Z O 和B enZ n O) 的制备等 是ZO 基器n走件向用应之必前须要解 决的题问.
(3)单晶金 刚石膜及薄其件器用应 取进展
制得成了功高质量单晶金刚石膜薄, eGhan A . a.atrng 在美国a科J mA u杂学 志02 9 期)( 20 年 72 表发评论, 说 Ibrg 等e工的作人使们看到s " 刚石金电 学子时的已经代来!临. " 导半金 刚体石晶单膜的薄究研然已虽取得进展, 30如 20 法国年 ,色列以美和的 科国家在 学自然""杂志 发表文称, 章 们他在质同外掺延的硼P 型刚石薄膜 上,金采 用等氘离体子长技生和后退火 术工, 艺功成备出制 型高电导N金率刚石 膜薄( 室电子温度7 0浓 c6m3 电导×1 /1,
1 率2约cΩ ),( m -迁移 率10 m2V s, c8 /)远
N(T T )嘉数 诚组小与德的国U l大 m合作,学 在成消功金刚石薄除膜中碳 夹,杂有效降 低陷缺杂和含质量的基 上, 制础成了最功工作频率为 高 研 G H8 z毫的米波刚金器石, 件 1打破 金了石器件刚国的际录. 在记化器优件工 艺下, 们有他希将输出功率提望 到3 W / 高 .m 60 嘉诚数等又 在 0m 2 年, 英国0 E lme i ne t x公S司供提4 的英 多晶寸金刚上制石作了氢表沟面道 E T,F取得 了更异优性的能 ,的漏 电流密达到5度 A 0 mm 5m ,/ 电流益增 止频截为率4 H z,G 5 率功益最增频率大为 1 H0z, G 2频率为1 zH的输出时功G 率密度达到 1 2/ m. 0 7 lW.m 2 0年 U m大K 学hon 小组, 的准在垂结构直 p的 金-石上刚外层延上积沉层氮一掺杂的 金石薄膜, 并将刚其选择刻蚀 至p性 -再沉肖特基积属金 ,, 层这的 样一肖特基二个管在3极 0 0下℃维持 19仍0 的整比流 ,并在1且 ℃0 时00 ( 空真中) 具仍有整流性能, 且件的器向反击穿 场达25 电 / .V M. cm随着 微波等子离化学气相体晶单 金刚薄膜外石延技的进术,步 阳光太 金刚石探测盲器取了较得大展进.日 国立本料研材所的研究究人利员 用5 0 右左的晶单刚金同质外延石薄0 n 膜m, 研制了光电导, 光体二电极管 , 光晶电管体各等种探测,器获得了暗电 流于低01. p,A深紫外光响应度大 1于/
,A 深W外紫 /太阳光抑比达制 个8量 级深的外探测器紫 ,并首实现了次金 石刚对火焰的测.探总之, 管尽刚金长期以来被认石为是绝 体, 特缘是别目尚无办前实 法浅现能掺级杂, 是但最微波等离子近 气体外相生延长 掺,杂技以及新概
术优于
0年2道的报掺N磷型 刚金薄石膜00 电的率1 (导 0Ωm ) . 型c刚石金 薄N膜 研制成的, 为高温, 高功频和功率 大导半体刚金石器的件研打下制基了 础. 03月 ,2 09 年日本报和电话公电
-司 - 41
2继0 K年 oim i [] 研制功 01 成u 等z 6金刚 石外P紫N 结光发后,管0 22 0 ,
年7I berg 等[ ]在瑞典乌的萨拉大布学,
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利用微波离等体辅子助VCD 技术 ,研
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展基全新原于和结构理的能功大的计算机是 21 世强纪人面类临的大巨战挑一.
念之器件的展发经已人使们正真认识 到刚石的半导金体值价 相,不信的将
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,金刚 石有望功率器件在深和外 紫测探器件等现实其用.应 带宽隙导体半质结构材料往异 往是也典型的大失配异质构结材, 料所谓大 配失质结构异材料是指格晶 数常 ,膨热胀数或晶体系的对性等物 称理参有较大数差异的料材系,体如 GN / a宝石(app蓝 hie i S,i S r)SC /和 G N a/i 晶大格失引发界面处配S 等 . 大位量错缺和的陷生产,极 大影响地着 结构材微的光料性能及电器件应 用, 如何其避免和消除这一负面影响, 目是材前制备料一中个切迫解要的关 决科键学题.问02世 纪9代年以,来 0国 际提出上了种解多方决法, 有进展, 但虽未能 取得大突破重 .年近来 ,我国科学家基 于陷缺程, 晶面工特与表面再征构, 体晶结构称对性和长生力学动 等面方考虑的,提出了柔 衬性底概的念 并,Z在O / i nγ lO- 3Si Si S i , SA2 /, C / G 和aN/ i S异等质结材料准构备面 取得了进展; 方个问这题解的决,必将 极 大地拓宽材料的选择可余, 开地新 的辟用领应域 目.,前 除SiC单 晶底材料衬 a, N 基G紫, 绿光发材和料器件已商品有 蓝, 售外出,大多 数高温半导体材仍料 在实验室处制研段,阶 少影不响类材 这料展的关键问发,题a N ,n O和 G 如 金Z刚等石体单材晶制备, Z料On 材料的 型掺杂P欧和姆电极触接 金刚石 薄膜,N 的掺型杂,等国内外 已做了 虽量的研究大 并在过去的,几里年得 了取很进展, 大距但际应用实尚有长较的路 走要 . PLE 白D光明,照 TF ET 器 件,O 动 驱微电及技术子, 有机阳太能光伏电池,有 光电传感机有和激机光方等具有面 重要用应前, 而受到景广泛重视 有机.半 导体光材发是料有光电机能器功件的 心核 .年近来机半导体发光有材料的发光效 及率寿已命有了很的大提 高, 并手在机M和P 3 显示等屏面得 到方际实
应用 .on y 公1司英寸 有 机 S1O LE 电D机已在视场上出售,市 2英 寸有机7 L O DE电机已视有展; 只要 成本进品步一低,降可 很快望推向场市. 近年, 有来机光照白明取得了重要也进 展,有机 光发的管发效率已光达到1 0 m/ 的水平, 0 l W距离应用标的 1目 m / 4近了更一.步 6 lW 有太机阳光能伏 电池目前是国上际研究的一另个热点, 电转光换率已效达 并有较大 %6, 提升空的.间我 国 LOE D 太,阳光伏能 池技电的术研和究发开国与上基本 际同步 在,去几过年, 我国在里机有发光 理机研究,材料开 , 器发结构件计设和生 产艺工方面等得了取一具有自批 知识产主的权究成研,果部 成果分达已到国 先进际水平 介绍二维和三.光子晶维体 .基半于体导成熟的加工工艺 在 过,去几的中年,二 光子维晶体研取 得了究重大展进,现已 备制出了基硅二 光子维体和高晶 Q的值光子腔微, 单量子点的含砷化镓二基光维子体微 腔.晶 光子和将子的电能工带程结相,合用高折 率射差二的光维子晶形体的成 谐微振, 腔研已制成功了发面射量子级 联激器光, 可并通过变改二光维 晶体子晶格数常改来激光变的器射谱 等发.最近 , 注入电子光体微腔晶光激 器已业制研功成 ,它在是 D光2子晶体 中的移去心一孔, 形成个个光子一 "" 阱, 势子在光直方向被垂来自空气衬 与板底界面处的内层反所射域; 结合局2 D光 晶子体的布格反射和拉低射率折盖层 的内反射, 致导三受维的光学限模 .器件的有源区由 4mn, .5个9 0 8 %应 压变的I As 量子阱a和 05厚 的 G P 个n2mn 势层组成垒 ,这种结在构已观察中 到温室模激光单出输;我 在国子晶体光激光 器研究面方也得取很了的好 成.绩三 光维子晶尤体是可其光见 / 红近外段的三波维光晶体,子 由加工于条 件制, 限备比制较困难 最,,近 本日京都大学研 成制功磷化铟 或(砷镓)化 基带隙15 μm在 波长附, .5 近周为期7 0的三维子光晶;体 nm0 尽管维光 三晶子研究体已取一得进展,些但 的它 件器用尚应须时日
. 5子光晶 体.光子晶体介
电数常周的期变性化导致 拉布格射散 从,出现光子而带 和导带隙. (波长 频率) 处禁在带围内 范的子,光 被禁在光止子晶体中传,播 若 光子在体晶植内缺入陷 ,形可能成按特 定径路引导传光的递光波导可将 光局和限于非常空间小的光学腔微.光 子带隙 能人使们便方地制控光子在光 晶体子中传的行为, 播之成为未来使集 成光子术技需所基本的单元,在光 通信 光电子,光子学和等面方引革发 命性变. 一维革子晶体光,如光 子晶 光钎已发体得非展常成, 熟里这只单简
二
半,导体电光息信功材能料发 趋展
势信时代对超大容量息信传息,输超 实时信快处理息和超
高密信息度 存的储需求快加了息载体从信电子向 电光和子子光的转换步伐 ,纤光通信,移 通动和数字信信息网络技术化成已为
4
有机电光能功材与料件 .
有机发器材料以光其低的成本廉 良好和柔的,性有机发 二光极 管在( O E LD/L E) D P显器示, 件L DE O
7/2
新材 产料业 N O . 09 210
信技术发息的大趋展. 势应地相 ,信息功 能料业已由体材材发料到展薄, 超层薄层结微材构, 料并向正材料, 集 器件,电路为 一的功能系体集统芯成 材片料, 有机 /无复合机,有 /机无 与 生机体复合, 命纳结米材料方向构展;发 同伴时随材料系统由着匀到均非 均匀 ,线由到性线非性由平和衡态非 到衡态平发,展材 料长制生备控制精的度 也将单原向, 单分子尺度子发展 .材从体系料上,看除硅和硅 基材料 为作代当电微技子术基础的在2世1 纪中叶不 会改变之, 外合物化半导体微结 构料材以其异的优光电性质在高 速 低功,耗 ,噪音低器件和路, 特别电是 电光器子件 ,光电成和集光子集成等 方发面挥着越来越要的重用作;与 此 同, 时年来近硅基效高光研发取究得 重的大展使人进们到看了基光硅 电成集的曙光.有机 导半发体光材以料 其低的成本和良好的柔廉性, 已成 全色高亮度为光材料发发研的另个重一
要发展向, 可以预方它将成为料一 下代平显示板材料佼佼者.的G a 基,紫绿异 结质构发光材 蓝N ,和器料件研制成的, 功不仅使光将存储密 度成增长倍 而更,重的是要它 将引起会明光源的革照,命 社会济效 经益大. 航空巨 航,以及国天防设建的要求 推动了带隙高宽温微子材电料中 和红外激远光材的发展. 探索料低维 结材构料的子效应量其及在来纳米未电 学和子纳光子学方米面应的用, 特别是基于 单子光光的源量子信技术通 基于,态固子量特比的量计算子和 无机 /有机 /命生复体功合结构材能 料与件器的发展用, 已应成为目前最 活材跃科料研学究域,领并极有可 能触 新的发技革命, 术从而底彻变改类人的 产生和生活式方. 另外 从半导,异体结质材料生构 制长备术技展的角度看, 发由晶已格 匹配, 失小配料体材向系应变偿和补大 配异失结质材料构体系发.展 何
如避和免消大除配异失结质材料构系 在界面处体在的大存量错和位陷缺 是, 前目料制备中的一个迫材要解决切的 关键学科题问之,一它 的决解为将材 科料学工者提作供一个广的阔创空 间.新
三 致谢,和明
本声文部分内引自容技高术产发 展 业十"一" 专项咨五询研报告究国家和 自科然基金学学科发战略展究研报 告(20 -0 0无非机金材料科属 0学 6 21 年) (6 -4 , 4 页)9以及自选廖梅勇士博 ww和w. zao m ecm o 网.的相站关料, 资对
相关作特表者谢. 本文感受还国 家重点基础到研究发展划 规半导体光"电 息信功能材料础问基研究题 2 ( C0B 6 4-0 ) 资助.的 60 9 4" 0还有一 些内来容近年来自人本国内在些一 物发表刊文的, 特此声章.明另 ,外 受 作水者平所限 ,漏遗 ,错误难免, 敬批请评指 正
.
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