王占國院士：半導體材料將走向“納米化”

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(fā)明后，在家電、通信、網(wǎng)絡、航空、航天、國防等領域得到廣泛應用，給電子工業(yè)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(chǎn)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(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，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(chǎn)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(chǎn)量為5萬噸。

硅基微電子技術方面，國際上8英寸已經(jīng)廣泛用于大規(guī)模集成電路，我國現(xiàn)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(yè)生產(chǎn)，預計2016年開發(fā)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(shù)企業(yè)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(chǎn)線。2022年進入國際前列?！蓖跽紘硎?。

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(fā)展新型半導體材料和開發(fā)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(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的功耗增加而出現(xiàn)的問題。

GaAs、InP等材料被廣泛應用于衛(wèi)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(jīng)得到商業(yè)化應用，8英寸的也已經(jīng)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(fā)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(shù)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(fā)出150lm/W的半導體照明燈，電壓只需要3~4伏，非常安全和節(jié)能。

王占國認為，半導體材料發(fā)展的趨勢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(yōu)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(fā)新的技術革命，使人類進入變幻莫測的量子世界。