半導(dǎo)體材料研究的新進展

　　作者簡介王占國，年生，半導(dǎo)體材料物理學(xué)家，中科學(xué)院院士�，F(xiàn)任中科院半導(dǎo)體所研究員、半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室學(xué)委會主任和多個國際會議顧問委員會委員。主要從事半導(dǎo)體材料和材料物理研究，在半導(dǎo)體深能級物理和光譜物理研究，半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)生長、性質(zhì)和量子器件研制等方面，取得多項成果。先后獲國家自然科學(xué)二等獎、國家科技進步三等獎，中科院自然科學(xué)一等獎和科技進步一、二和三等獎及何梁何利科技進步獎等多項，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和國際會議發(fā)表論文多篇，被引用數(shù)百次。
　　摘要本文重點對半導(dǎo)體硅材料，和單晶材料，半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料，一維量子線、零維量子點半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料，寬帶隙半導(dǎo)體材料，光子晶體材料，量子比特構(gòu)建與材料等目前達到的水平和器件應(yīng)用概況及其發(fā)展趨勢作了概述。最后，提出了發(fā)展我國半導(dǎo)體材料的建議。
　　關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點材料光子晶體
　　半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位
　　上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)年代初石英光導(dǎo)纖維材料和激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改
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特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優(yōu)勢。
　　目前，世界單晶的總年產(chǎn)量已超過噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（）和水平（）方法生長的－英寸的導(dǎo)電襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（和英寸）的－發(fā)展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建英寸的－集成電路生產(chǎn)線。具有比更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑英寸以上大直徑的單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價格居高不下。
　　和單晶的發(fā)展趨勢是：（）．增大晶體直徑，目前英寸的－已用于生產(chǎn)，預(yù)計本世紀(jì)初的頭幾年直徑為英寸的－也將投入工業(yè)應(yīng)用。二．提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。（）．降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。（）．和單晶的生長技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。
　　半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料
　　半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進生長技術(shù)（，）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)材料。
　　一Ⅲ－族超晶格、量子阱材料。／，／，／；／，／，／等、基晶格匹配和應(yīng)變補償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管），贗配高電子遷移率晶體管（－）器件最好水平已達，輸出功率功率增益雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（）的最高頻率也已高達邏輯電路研制也發(fā)展很快�；谏鲜霾牧象w系的光通信用．μ和μ的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質(zhì)量的．μ分布反饋（）激光器和電吸收（）調(diào)制器單片集成基多量子阱材料和超高速驅(qū)動電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問題的關(guān)鍵，在實驗室西門子公司已完成了*傳輸?shù)膶嶒�。另外，用于制造�?zhǔn)連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。
　　雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄～．μ）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在年，就研制成功帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達以上；年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過瓦好結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。
　　為克服結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，年美國貝爾實驗室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對波長的限制。自從年／／量子級聯(lián)激光器（）發(fā)明以來，實驗室等的科學(xué)家，在過去的年多的時間里，在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。年瑞士大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長為．μ的的工作溫度高達，連續(xù)輸出功率。量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（－μ），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于年研制成功μ和μ的量子級聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于年又研制成功．μ室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個國家之一。
　　目前，Ⅲ－族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑英寸向英寸過渡；生產(chǎn)型的和設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達．*片英寸或．*片英寸。英國卡迪夫的中心，法國的基地，美國的公司，公司，日本的富士通，，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型和設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進襯底材料設(shè)備和材料評價技術(shù)的發(fā)展。
　　二硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米／），硅基體系的－－低維結(jié)構(gòu)，／量子點和量子點超晶格材料，／量子點材料，／／以及／材料。最近，在／上成功地研制出發(fā)光器件和有關(guān)納米 ……（未完，全文共8577字，當(dāng)前僅顯示2343字，請閱讀下面提示信息。收藏《半導(dǎo)體材料研究的新進展》）