王占國(guó)院士：半導(dǎo)體材料將走向“納米化”

　　半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。自1947年12月23日正式發(fā)明后，在家電、通信、網(wǎng)絡(luò)、航空、航天、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，給電子工業(yè)帶來(lái)革命性的影響。2010年，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)達(dá)到2983億美元，拉動(dòng)上萬(wàn)億美元的電子產(chǎn)品市場(chǎng)。

　　伴隨著半導(dǎo)體市場(chǎng)的壯大，半導(dǎo)體材料也不斷獲得突破。王占國(guó)介紹，一般將鍺和硅稱為第一代半導(dǎo)體材料。將砷化鎵、磷化銦等稱為第二代半導(dǎo)體材料，而將寬禁帶的碳化硅、氮化鎵和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。

　　第一代材料中，12英寸單晶硅已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，18英寸單晶硅已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，全球每年集成電路中的硅用量大約2萬(wàn)噸。多晶硅方面，由于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品純度不夠，我國(guó)集成電路所用硅片基本靠進(jìn)口。2011年，我國(guó)多晶硅產(chǎn)量為5萬(wàn)噸。

　　硅基微電子技術(shù)方面，國(guó)際上8英寸已經(jīng)廣泛用于大規(guī)模集成電路，我國(guó)現(xiàn)有5~12英寸集成電路線約38條。

　　在工藝水平上，國(guó)際上12英寸45納米工藝也投入工業(yè)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)2016年開(kāi)發(fā)出16納米工藝。但我國(guó)還停留在0.18微米、90納米、65納米水平上，只有少數(shù)企業(yè)擁有45納米工藝。

　　“到2015年，我國(guó)將擁有多條45~90納米的8英寸、12英寸生產(chǎn)線。2022年進(jìn)入國(guó)際前列。”王占國(guó)表示。

　　不過(guò)隨著集成度提高，硅晶片會(huì)遇到很多困難，例如芯片功耗急劇增加，極有可能將硅片融掉。

　　國(guó)際上預(yù)計(jì)，2022年將達(dá)到“極限”尺寸——10納米。因此，硅基微電子技術(shù)最終將無(wú)法滿足人類(lèi)對(duì)信息量不斷增長(zhǎng)的需求。人們目前開(kāi)始把希望放在發(fā)展新型半導(dǎo)體材料和開(kāi)發(fā)新技術(shù)上。

　　王占國(guó)介紹，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等為代表的第二代半導(dǎo)體材料不斷向硅提出挑戰(zhàn)。它可以提高器件和電路的速度，以及解決由于集成度的提高帶來(lái)的功耗增加而出現(xiàn)的問(wèn)題。

　　GaAs、InP等材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。直徑為2、4、6英寸的GaAs已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用，8英寸的也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研制成功。

　　王占國(guó)說(shuō)，氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等為代表的第三代半導(dǎo)體材料也發(fā)展很快，這些材料都是寬帶隙半導(dǎo)體材料。它具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度快、介電常數(shù)小等特征，能夠在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　例如在半導(dǎo)體白光照明方面，王占國(guó)預(yù)計(jì)，到2015年，我國(guó)將開(kāi)發(fā)出150lm/W的半導(dǎo)體照明燈，電壓只需要3~4伏，非常安全和節(jié)能。

　　王占國(guó)認(rèn)為，半導(dǎo)體材料發(fā)展的趨勢(shì)是由三維體材料向低維材料方向發(fā)展。目前，基于GaAs和InP基的低維材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟，廣泛地應(yīng)用于光通信、移動(dòng)通訊、微波通訊的領(lǐng)域。

　　實(shí)際上，這些低維半導(dǎo)體材料亦即納米材料。王占國(guó)表示，半導(dǎo)體納米科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，將從原子、分子、納米尺度水平上，控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的人工微結(jié)構(gòu)材料和基于它們的器件和電器、電路，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命，使人類(lèi)進(jìn)入變幻莫測(cè)的量子世界。