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光电信息功能材料研究进展 ; 一、引言:21世纪是高度信息化的社会; 2.1 硅微电子技术发展趋势
硅(Si)材料作为当前微电子技术的基础,预计到本世纪中叶都不会改变。
从提高硅集成电路(ICs)性能价格比来看,增大直拉硅单晶的直径,仍是今后硅单晶发展的大趋势。硅ICs工艺由8英寸向12英寸的过渡将在近年内完成。预计2016年前后,18英寸的硅片将投入生产。
从进一步缩小器件的特征尺寸,提高硅ICs的速度和集成度看,研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的超高纯、大直径和无缺陷硅外延片会成为硅材料发展的主流。; 到2016年,Si基CMOS器件特征尺寸小到30nm,硅晶片直径将达450mm,我国与先进国家差距约8年!; ? 根据国际半导体工业协会预测,2016年大多数已知的硅CMOS技术将接近或达到它的”极限”,这时硅ICs技术的特征线宽将达到20纳米左右, 摩尔定律将受到挑战。
? 为此,人们在积极探索基于全新原理的量子计算、分子计算和DNA生物计算等同时,更寄希望于发展新材料和新技术,以求进一步提高硅基集成芯片的运算速度和功能。 ;? 其中,寻找高K材料, 低K互连材料和Cu引线,以及系统集成芯片(SOC)技术; 采用绝缘体上半导体(SOI)材料和GeSi/Si等应变硅技术等, 是目前硅基ICs发展的另一个重要方向。
? 为满足人类不断增长的对更大信息量的需求,近年来在硅基光电集成和光电混合集成研究方面取得了重要进展。
; 2.2 硅基高效发光研究取得突破进展
? 硅基光电集成一直是人们追求的目标,其中如何提高硅基材料发光效率是关键。经过长期努力,2003年在硅基异质结电注入高效发光和电泵激射方面的研究获得了突破性进展,这使人们看到了硅基光电集成的曙光。
? 另外,随着在大尺寸硅衬底上高质量GaAs外延薄膜的生长成功,向硅基光电混合集成方向也迈出了重要的一步!;2.2 硅基高效发光研究取得突破进展; ? 2002年STM电子公司的科学家将稀土离子,如铒、铈等,注入到富硅的二氧化硅中(其中包含有直径为1-2nm的硅纳米晶),由于量子受限效应,具有宽带隙的纳米硅抑制了非辐射复合过程发生,大大提高了量子效率。创造了外量子效率高达10%的硅基发光管的世界纪录!
? 发光管的发光波长依赖于稀土掺杂剂的选择,如掺铒(Er)发1.54微米光(标准光通信波长),掺铽(Tb)发绿光,掺铈(Ce)发蓝光。;2.2 硅基高效发光研究取得突破进展;;? 2002年日本的Egawa等采用AlN/AlGaN 缓冲层和AlN/GaN多层结构,在2英寸的硅衬底上,生长出高结晶质量的、无龟裂的InGaN基发光管。蓝光发光管在20毫安时的工作电压为4.1V,串联电阻30欧姆,输出功率为蓝宝石衬底的一半。从总体来看,其特性可与蓝宝石衬底的结果相比。
? 硅基高效发光是硅基光电子集成的基础,一直是人们长期追求的目标,硅基高效发光器件的研制成功,为硅基光电子集成和密集波分复用光纤通信应用提供了技术基础,具有深远的影响。; ; ? 在过去的8年多的时间里,量子级联激光器在大功率(数瓦)、高温(室温以上)和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。
? 2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1 微米的量子级联激光器的工作温度高达312K,单模连续输出功率3mW。量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到近远红外波段(3-70 微米)。; ? 第三代(高温、宽带隙)半导体材和器件,主要指的是III族氮化物,碳化硅(SiC),氧化锌(ZnO)和金刚石等,它们不仅是研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件、电路的理想材料,而且III族氮化物和ZnO等还是优异的短波长光电子材料。
? 在通信、汽车、航空、航天、石油开采、全色大屏幕显示、全固态白光照明、超高密度光存储读写光源和海底光通信以及国防等方面有着广泛的应用前景,是目前国际高技术研发的重点领域。 ; ? 半导体固态光源的广泛应用,将触发照明光源的革命!目前GaN基高功率LED的流明效率为50lm/瓦(小芯片为70lm/瓦)的GaN基白光LED已研制成功;但体积仅为白炽灯的 1% 和功耗的1/3。
? GaN基高温、高功率、高频电子器件研制取得重要进展。2003年美国CREE公司研制出的GaN HEMT的功率密度已达到32 W/mm;Fujitsu研制出的GaN HEMT 放大器输出功率达174W,电压63V。 ; II-VI族宽带隙半导体材料与器件;; III族氮化物窄禁带化合物主要是指 GaAs1-xNx和 Ga1-yInyAs1-xNx等,具有大的带隙弯曲,直接带隙可达近红外波段;因在光通信和提高
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