王占国院士：半导体材料将走向“纳米化”

colimae

半导体照明5年后进入千家万户、上百位的密码几秒钟就计算出来、人类进入变幻莫测的量子世界……日前，在中国科技馆数百位参加科学讲坛的听众前，中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国展示了半导体材料的惊人魅力。

半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。自1947年12月23日正式发明后，在家电、通信、网络、航空、航天、国防等领域得到广泛应用，给电子工业带来革命性的影响。2010年，全球半导体市场达到2983亿美元，拉动上万亿美元的电子产品市场。

伴随着半导体市场的壮大，半导体材料也不断获得突破。王占国介绍，一般将锗和硅称为第一代半导体材料。将砷化镓、磷化铟等称为第二代半导体材料，而将宽禁带的碳化硅、氮化镓和金刚石等称为第三代半导体材料。

第一代材料中，12英寸单晶硅已经大规模生产，18英寸单晶硅已在实验室研制成功，全球每年集成电路中的硅用量大约2万吨。多晶硅方面，由于国内产品纯度不够，我国集成电路所用硅片基本靠进口。2011年，我国多晶硅产量为5万吨。

硅基微电子技术方面，国际上8英寸已经广泛用于大规模集成电路，我国现有5~12英寸集成电路线约38条。

在工艺水平上，国际上12英寸45纳米工艺也投入工业生产，预计2016年开发出16纳米工艺。但我国还停留在0.18微米、90纳米、65纳米水平上，只有少数企业拥有45纳米工艺。

“到2015年，我国将拥有多条45~90纳米的8英寸、12英寸生产线。2022年进入国际前列。”王占国表示。

不过随着集成度提高，硅晶片会遇到很多困难，例如芯片功耗急剧增加，极有可能将硅片融掉。

国际上预计，2022年将达到“极限”尺寸——10纳米。因此，硅基微电子技术最终将无法满足人类对信息量不断增长的需求。人们目前开始把希望放在发展新型半导体材料和开发新技术上。

王占国介绍，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表的第二代半导体材料不断向硅提出挑战。它可以提高器件和电路的速度，以及解决由于集成度的提高带来的功耗增加而出现的问题。

GaAs、InP等材料被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。直径为2、4、6英寸的GaAs已经得到商业化应用，8英寸的也已经在实验室研制成功。

王占国说，氮化镓、碳化硅、氧化锌等为代表的第三代半导体材料也发展很快，这些材料都是宽带隙半导体材料。它具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度快、介电常数小等特征，能够在很多领域得到广泛应用。

例如在半导体白光照明方面，王占国预计，到2015年，我国将开发出150lm/W的半导体照明灯，电压只需要3~4伏，非常安全和节能。

王占国认为，半导体材料发展的趋势是由三维体材料向低维材料方向发展。目前，基于GaAs和InP基的低维材料已经发展得很成熟，广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。

实际上，这些低维半导体材料亦即纳米材料。王占国表示，半导体纳米科学技术的应用，将从原子、分子、纳米尺度水平上，控制和制造功能强大、性能优越的人工微结构材料和基于它们的器件和电器、电路，极有可能触发新的技术革命，使人类进入变幻莫测的量子世界。