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半導體材料將走向“納米化”

關鍵詞 半導體 , 納米化 , 碳化硅|2012-02-29 10:22:20|來源 中電網
摘要 半導體是介于導體和絕緣體之間的材料。自1947年12月23日正式發明后,在家電、通信、網絡、航空、航天、國防等領域得到廣泛應用,給電子工業帶來革命性的影響。2010年,全球半導體市...

  半導體是介于導體和絕緣體之間的材料。自1947年12月23日正式發明后,在家電、通信、網絡、航空、航天、國防等領域得到廣泛應用,給電子工業帶來革命性的影響。2010年,全球半導體市場達到2983億美元,拉動上萬億美元的電子產品市場。
  
  伴隨著半導體市場的壯大,半導體材料也不斷獲得突破。王占國院士介紹,一般將鍺和硅稱為第一代半導體材料。將砷化鎵、磷化銦等稱為第二代半導體材料,而將寬禁帶的碳化硅、氮化鎵和金剛石等稱為第三代半導體材料。
  
  第一代材料中,12英寸單晶硅已經大規模生產,18英寸單晶硅已在實驗室研制成功,全球每年集成電路中的硅用量大約2萬噸。多晶硅方面,由于國內產品純度不夠,我國集成電路所用硅片基本靠進口。2011年,我國多晶硅產量為5萬噸。
  
  硅基微電子技術方面,國際上8英寸已經廣泛用于大規模集成電路,我國現有5~12英寸集成電路線約38條。
  
  在工藝水平上,國際上12英寸45納米工藝也投入工業生產,預計2016年開發出16納米工藝。但我國還停留在0.18微米、90納米、65納米水平上,只有少數企業擁有45納米工藝。
  
  “到2015年,我國將擁有多條45~90納米的8英寸、12英寸生產線。2022年進入國際前列。”王占國表示。
  
  不過隨著集成度提高,硅晶片會遇到很多困難,例如芯片功耗急劇增加,極有可能將硅片融掉。
  
  國際上預計,2022年將達到“極限”尺寸——10納米。因此,硅基微電子技術最終將無法滿足人類對信息量不斷增長的需求。人們目前開始把希望放在發展新型半導體材料和開發新技術上。
  
  王占國介紹,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等為代表的第二代半導體材料不斷向硅提出挑戰。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的功耗增加而出現的問題。
  
  GaAs、InP等材料被廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信、GPS導航等領域。直徑為2、4、6英寸的GaAs已經得到商業化應用,8英寸的也已經在實驗室研制成功。
  
  王占國說,氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等為代表的第三代半導體材料也發展很快,這些材料都是寬帶隙半導體材料。它具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度快、介電常數小等特征,能夠在很多領域得到廣泛應用。
  
  例如在半導體白光照明方面,王占國預計,到2015年,我國將開發出150lm/W的半導體照明燈,電壓只需要3~4伏,非常安全和節能。
  
  王占國認為,半導體材料發展的趨勢是由三維體材料向低維材料方向發展。目前,基于GaAs和InP基的低維材料已經發展得很成熟,廣泛地應用于光通信、移動通訊、微波通訊的領域。
  
  實際上,這些低維半導體材料亦即納米材料。王占國表示,半導體納米科學技術的應用,將從原子、分子、納米尺度水平上,控制和制造功能強大、性能優越的人工微結構材料和基于它們的器件和電器、電路,極有可能觸發新的技術革命,使人類進入變幻莫測的量子世界。
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