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1、半导体材料陈易明陈易明什么是半导体材料什么是半导体材料?物物物物 质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称 为绝
2、为绝为绝为绝缘体。缘体。缘体。缘体。电阻率电阻率电阻率电阻率10109 9cmcm而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。锡、铝等称为导体。锡、铝等称为导体。锡、铝等称为导体。电阻率电阻率电阻率电阻率1010-6-6cmcm可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。体。体。体。1010-3-
3、3 10 109 9与金属和绝缘体相比，与金属和绝缘体相比，与金属和绝缘体相比，与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，半导体材料的发现是最晚的，半导体材料的发现是最晚的，半导体材料的发现是最晚的，直到直到直到直到2020世纪世纪世纪世纪3030年代，当材料的提纯技术改进以后，半年代，当材料的提纯技术改进以后，半年代，当材料的提纯技术改进以后，半年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可导体的存在才真正被学术界认可导体的存在才真正被学术界认可导体的存在才真正被学术界认可。半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，18331833年，英
4、国巴拉迪最先发现硫化银的电年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随电阻是随着温度的上升而降低着温度的上升而降低。这是半导体现象的。这是半导体现象的首次发现。首次发现。1839183918391839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后形成的结
5、，在光照下会产生一个电压，这就是后形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的来人们熟知的来人们熟知的来人们熟知的光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应，这是被发现的半导，这是被发现的半导，这是被发现的半导，这是被发现的半导体的第二个特征。体的第二个特征。体的第二个特征。体的第二个特征。在在在在1874187418741874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，导与所加电场的方向有关
6、，即它的导电有方向性，导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应整流效应整流效应整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。，也是半导体所特有的第三种特性。，也是半导体所特有的第三种特性。，也是半导体所特有的第三种
7、特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。1873187318731873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的电导增加的电导增加的电导增加的光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应，这是半导体又一个特有，这是半导体又一个特有，这是半导体又一个特有，这是半导体又一个特有的性质。的性质。的性质。的性质。半导体的这四个效应，虽在半导体的这四个效应
8、，虽在半导体的这四个效应，虽在半导体的这四个效应，虽在1880188018801880年以前就先后年以前就先后年以前就先后年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到被发现了，但半导体这个名词大概到被发现了，但半导体这个名词大概到被发现了，但半导体这个名词大概到1911191119111911年才被年才被年才被年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到四个特性一直到四个特性一直到四个特性一直到1947194719471947年年年年12121212月
9、才由贝尔实验室完成。月才由贝尔实验室完成。月才由贝尔实验室完成。月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。半导体的主要特性：半导体的
10、主要特性：电阻率：电阻率：10-3 109负的电阻率温度系数，电阻是随着温度的负的电阻率温度系数，电阻是随着温度的上升而降低上升而降低通常具有很高的热电势通常具有很高的热电势整流效应整流效应光敏特性，能产生光伏效应或光电导效应光敏特性，能产生光伏效应或光电导效应霍尔效应霍尔效应半导体材料的早期应用半导体的第一个应用就是半导体的第一个应用就是半导体的第一个应用就是半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器利用它的整流效应作为检波器利用它的整流效应作为检波器利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极管（即将一个金属探针接触在一块半导体就是点接触二极管（即将一个金属探针接触在一块半导体就是点接
11、触二极管（即将一个金属探针接触在一块半导体就是点接触二极管（即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。效应都用到了。效应都用到了。效应都用到了。从从从从19071907年到年到年到年到192719
12、27年，美国的物理学家研制成功晶体整流年，美国的物理学家研制成功晶体整流年，美国的物理学家研制成功晶体整流年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。器、硒整流器和氧化亚铜整流器。器、硒整流器和氧化亚铜整流器。器、硒整流器和氧化亚铜整流器。19311931年，兰治和伯格年，兰治和伯格年，兰治和伯格年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。曼研制成功硒光伏电池。曼研制成功硒光伏电池。曼研制成功硒光伏电池。19321932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等年，德国先后研制成功硫化铅、硒化
13、铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。晶体管的发明晶体管的发明19471947年晶
14、体管的诞生引起了电子工业的革命，从此人类从使用电年晶体管的诞生引起了电子工业的革命，从此人类从使用电年晶体管的诞生引起了电子工业的革命，从此人类从使用电年晶体管的诞生引起了电子工业的革命，从此人类从使用电子管的时代进入半导体时代。子管的时代进入半导体时代。子管的时代进入半导体时代。子管的时代进入半导体时代。晶体管的发明实际上是在晶体管的发明实际上是在晶体管的发明实际上是在晶体管的发明实际上是在19471947年的年的年的年的1212月月月月2323日的半年之前，当时贝日的半年之前，当时贝日的半年之前，当时贝日的半年之前，当时贝尔实验室的研究人员已经看出了晶体管的商业价值，为写专利，保密尔实验室
15、的研究人员已经看出了晶体管的商业价值，为写专利，保密尔实验室的研究人员已经看出了晶体管的商业价值，为写专利，保密尔实验室的研究人员已经看出了晶体管的商业价值，为写专利，保密了半年，到了半年，到了半年，到了半年，到19471947年年年年1212月月月月2323日，巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明，日，巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明，日，巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明，日，巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明，这也成为晶体管的正式发明日。这也成为晶体管的正式发明日。这也成为晶体管的正式发明日。这也成为晶体管的正式发明日。他们用了一个非常简单的装置，就是在一块锗晶体上，用两个非他们用了一个
16、非常简单的装置，就是在一块锗晶体上，用两个非他们用了一个非常简单的装置，就是在一块锗晶体上，用两个非他们用了一个非常简单的装置，就是在一块锗晶体上，用两个非常细的金属针尖扎在锗的表面，在一个针上加正电压，在另外一个探常细的金属针尖扎在锗的表面，在一个针上加正电压，在另外一个探常细的金属针尖扎在锗的表面，在一个针上加正电压，在另外一个探常细的金属针尖扎在锗的表面，在一个针上加正电压，在另外一个探针上加一个负电压，我们现在分别称为发射极和集电极，针上加一个负电压，我们现在分别称为发射极和集电极，针上加一个负电压，我们现在分别称为发射极和集电极，针上加一个负电压，我们现在分别称为发射极和集电极，N
17、N型锗就变成型锗就变成型锗就变成型锗就变成了一个基极，这样就形成了一个有放大作用的了一个基极，这样就形成了一个有放大作用的了一个基极，这样就形成了一个有放大作用的了一个基极，这样就形成了一个有放大作用的PNPPNP晶体管。晶体管。晶体管。晶体管。巴丁和布尔吞当时在肖克莱领导的研究小组工作，虽然肖克莱巴丁和布尔吞当时在肖克莱领导的研究小组工作，虽然肖克莱巴丁和布尔吞当时在肖克莱领导的研究小组工作，虽然肖克莱巴丁和布尔吞当时在肖克莱领导的研究小组工作，虽然肖克莱时任组长，但是在发明专利上没有他的名字，他心里很不愉快。为此，时任组长，但是在发明专利上没有他的名字，他心里很不愉快。为此，时任组长，但是
18、在发明专利上没有他的名字，他心里很不愉快。为此，时任组长，但是在发明专利上没有他的名字，他心里很不愉快。为此，在很短的时间内，即在晶体管发明不久之后的在很短的时间内，即在晶体管发明不久之后的在很短的时间内，即在晶体管发明不久之后的在很短的时间内，即在晶体管发明不久之后的19481948年年年年1 1月月月月2323日，他提日，他提日，他提日，他提出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才真正有价值。
19、真正有价值。真正有价值。真正有价值。巴丁和布尔吞在保密了将近半年后才公布了他们的发明，发明巴丁和布尔吞在保密了将近半年后才公布了他们的发明，发明巴丁和布尔吞在保密了将近半年后才公布了他们的发明，发明巴丁和布尔吞在保密了将近半年后才公布了他们的发明，发明公布以后，当时的反应并不如期望的热烈。纽约时报将这个消公布以后，当时的反应并不如期望的热烈。纽约时报将这个消公布以后，当时的反应并不如期望的热烈。纽约时报将这个消公布以后，当时的反应并不如期望的热烈。纽约时报将这个消息放在了第息放在了第息放在了第息放在了第4646版收音机谈话的最后，只有短短的几句话；当时的学版收音机谈话的最后，只有短短的几句话；
20、当时的学版收音机谈话的最后，只有短短的几句话；当时的学版收音机谈话的最后，只有短短的几句话；当时的学术杂志对此也不是非常热衷。术杂志对此也不是非常热衷。术杂志对此也不是非常热衷。术杂志对此也不是非常热衷。由于当时的反应并不是他们想象的那样强烈，所以在由于当时的反应并不是他们想象的那样强烈，所以在由于当时的反应并不是他们想象的那样强烈，所以在由于当时的反应并不是他们想象的那样强烈，所以在19521952年的年的年的年的4 4月月月月份，为了推广他们的这个发明，又再次举办了公众听证会，就是想份，为了推广他们的这个发明，又再次举办了公众听证会，就是想份，为了推广他们的这个发明，又再次举办了公众听证会
21、，就是想份，为了推广他们的这个发明，又再次举办了公众听证会，就是想把他们的研究成果公布于企业界。当时他们邀请了美国众多做真空把他们的研究成果公布于企业界。当时他们邀请了美国众多做真空把他们的研究成果公布于企业界。当时他们邀请了美国众多做真空把他们的研究成果公布于企业界。当时他们邀请了美国众多做真空管的公司，每一个公司只需交纳管的公司，每一个公司只需交纳管的公司，每一个公司只需交纳管的公司，每一个公司只需交纳2500025000美元就可以参加这个听证会，美元就可以参加这个听证会，美元就可以参加这个听证会，美元就可以参加这个听证会，而且给予的许诺是如果将来要是采用了他的技术，听这个报告会的而且给予
22、的许诺是如果将来要是采用了他的技术，听这个报告会的而且给予的许诺是如果将来要是采用了他的技术，听这个报告会的而且给予的许诺是如果将来要是采用了他的技术，听这个报告会的2500025000美美美美 元入场费可以从中扣除。当时大概有几十家公司参加了听元入场费可以从中扣除。当时大概有几十家公司参加了听元入场费可以从中扣除。当时大概有几十家公司参加了听元入场费可以从中扣除。当时大概有几十家公司参加了听证会，然而大多数的人都是做真空管的，他们对半导体晶体管的意证会，然而大多数的人都是做真空管的，他们对半导体晶体管的意证会，然而大多数的人都是做真空管的，他们对半导体晶体管的意证会，然而大多数的人都是做真空
23、管的，他们对半导体晶体管的意义不以为然，不是非常感兴趣。试想如果义不以为然，不是非常感兴趣。试想如果义不以为然，不是非常感兴趣。试想如果义不以为然，不是非常感兴趣。试想如果 晶体管的发明得到了成晶体管的发明得到了成晶体管的发明得到了成晶体管的发明得到了成功应用，那么真空管就会慢慢的消失了。所以从这个角度看，他们功应用，那么真空管就会慢慢的消失了。所以从这个角度看，他们功应用，那么真空管就会慢慢的消失了。所以从这个角度看，他们功应用，那么真空管就会慢慢的消失了。所以从这个角度看，他们的热情不高也是可以理解的。的热情不高也是可以理解的。的热情不高也是可以理解的。的热情不高也是可以理解的。但是科学界
24、对这个发明还是给予了很高的评但是科学界对这个发明还是给予了很高的评但是科学界对这个发明还是给予了很高的评但是科学界对这个发明还是给予了很高的评 价，价，价，价，19561956年，巴丁、年，巴丁、年，巴丁、年，巴丁、布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖。布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖。布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖。布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖。但今日来看，晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命，而是但今日来看，晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命，而是但今日来看，晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命，而是但今日来看，晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命，而是彻底的改
25、变了我们人类的生产、生活方式。我们今天日常所用的电彻底的改变了我们人类的生产、生活方式。我们今天日常所用的电彻底的改变了我们人类的生产、生活方式。我们今天日常所用的电彻底的改变了我们人类的生产、生活方式。我们今天日常所用的电器几乎没有一样不用晶体管，如通信、电脑、电视、航天、航空等器几乎没有一样不用晶体管，如通信、电脑、电视、航天、航空等器几乎没有一样不用晶体管，如通信、电脑、电视、航天、航空等器几乎没有一样不用晶体管，如通信、电脑、电视、航天、航空等等。等。等。等。硅单晶及其外延 现在电子元器件现在电子元器件现在电子元器件现在电子元器件9090以上都是由硅材料制备的，全世以上都是由硅材料制备
26、的，全世以上都是由硅材料制备的，全世以上都是由硅材料制备的，全世界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。直拉法界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。直拉法界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。直拉法界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。直拉法是目前主要用于生产硅单晶的方法。上世纪是目前主要用于生产硅单晶的方法。上世纪是目前主要用于生产硅单晶的方法。上世纪是目前主要用于生产硅单晶的方法。上世纪5050到到到到6060年年年年代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在8 8英寸，英寸，英寸，
27、英寸，1212英寸、长达英寸、长达英寸、长达英寸、长达1 1米多的硅单晶都已实现了规模生产。米多的硅单晶都已实现了规模生产。米多的硅单晶都已实现了规模生产。米多的硅单晶都已实现了规模生产。1818英寸，就是直径为英寸，就是直径为英寸，就是直径为英寸，就是直径为4545厘米硅单晶业已研制成功。厘米硅单晶业已研制成功。厘米硅单晶业已研制成功。厘米硅单晶业已研制成功。目前，单晶硅的世界年产量已超过一万吨。硅集成电目前，单晶硅的世界年产量已超过一万吨。硅集成电目前，单晶硅的世界年产量已超过一万吨。硅集成电目前，单晶硅的世界年产量已超过一万吨。硅集成电路主要用的是路主要用的是路主要用的是路主要用的是8
28、8英寸硅，但英寸硅，但英寸硅，但英寸硅，但1212英寸硅的用量逐年增加，英寸硅的用量逐年增加，英寸硅的用量逐年增加，英寸硅的用量逐年增加，预计到预计到预计到预计到20122012年年年年1818英寸的硅可能用于集成电路制造，英寸的硅可能用于集成电路制造，英寸的硅可能用于集成电路制造，英寸的硅可能用于集成电路制造，2727英寸的硅晶体研制也正在筹划中。英寸的硅晶体研制也正在筹划中。英寸的硅晶体研制也正在筹划中。英寸的硅晶体研制也正在筹划中。从集成电路的线宽来看，我国目前集成电路工艺技术从集成电路的线宽来看，我国目前集成电路工艺技术从集成电路的线宽来看，我国目前集成电路工艺技术从集成电路的线宽来看
29、，我国目前集成电路工艺技术水平最高水平在水平最高水平在水平最高水平在水平最高水平在45nm(45nm(中芯国际中芯国际中芯国际中芯国际)硅的直径为什么不是按硅的直径为什么不是按硅的直径为什么不是按硅的直径为什么不是按8 8英寸、英寸、英寸、英寸、1010英寸、英寸、英寸、英寸、1212英寸、英寸、英寸、英寸、1414英寸英寸英寸英寸发展，而是从发展，而是从发展，而是从发展，而是从8 8到到到到1212英寸，由英寸，由英寸，由英寸，由1212到到到到1818英寸，英寸，英寸，英寸，1818到到到到2727英寸发英寸发英寸发英寸发展呢？硅集成电路的发展遵循摩尔定律，所谓摩尔展呢？硅集成电路的发展遵
30、循摩尔定律，所谓摩尔展呢？硅集成电路的发展遵循摩尔定律，所谓摩尔展呢？硅集成电路的发展遵循摩尔定律，所谓摩尔定律就是每定律就是每定律就是每定律就是每1818个月集成电路的集成度增加一倍，而它的个月集成电路的集成度增加一倍，而它的个月集成电路的集成度增加一倍，而它的个月集成电路的集成度增加一倍，而它的价格也要降低一半。价格也要降低一半。价格也要降低一半。价格也要降低一半。随着硅的直径增大，杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布随着硅的直径增大，杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布随着硅的直径增大，杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布随着硅的直径增大，杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀，这将严重的影响
31、集成电路的成品率，特别也变得不均匀，这将严重的影响集成电路的成品率，特别也变得不均匀，这将严重的影响集成电路的成品率，特别也变得不均匀，这将严重的影响集成电路的成品率，特别是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题，可是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题，可是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题，可是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题，可 采用外采用外采用外采用外延的办法解决。延的办法解决。延的办法解决。延的办法解决。外延外延外延外延即用硅单晶片为衬底，然后在其上通过气相反应方法即用硅单晶片为衬底，然后在其上通过气相反应方法即用硅单晶片为衬底，然后在其上通过气相反应方法即用硅单晶片为衬
32、底，然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅，如再生长一层硅，如再生长一层硅，如再生长一层硅，如2 2个微米，个微米，个微米，个微米，1 1个微米，或个微米，或个微米，或个微米，或0.50.5个微米厚等。个微米厚等。个微米厚等。个微米厚等。这一层外延硅这一层外延硅这一层外延硅这一层外延硅 中的氧含量就可以控制到中的氧含量就可以控制到中的氧含量就可以控制到中的氧含量就可以控制到10101616/cm/cm3 3以下，器以下，器以下，器以下，器件和电路就做在外延硅上，而不是原来的硅单晶上，这样件和电路就做在外延硅上，而不是原来的硅单晶上，这样件和电路就做在外延硅上，而不是原来的硅单晶上，这样件和电路
33、就做在外延硅上，而不是原来的硅单晶上，这样就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高，但集就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高，但集就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高，但集就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高，但集 成成成成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高，这是目前硅电路的集成度和运算速度都得到了显著提高，这是目前硅电路的集成度和运算速度都得到了显著提高，这是目前硅电路的集成度和运算速度都得到了显著提高，这是目前硅技术发展的一个重要方向。技术发展的一个重要方向。技术发展的一个重要方向。技术发展的一个重要方向。硅微电子技术硅微电子技术硅微电子技术是不是可以按照摩尔定硅微
34、电子技术是不是可以按照摩尔定律永远发展下去呢？目前硅的集成电路大律永远发展下去呢？目前硅的集成电路大规模生产技术已经达到规模生产技术已经达到45纳米。根据预测，纳米。根据预测，到到2022年，硅集成电路技术的线宽可能达到年，硅集成电路技术的线宽可能达到10个纳米，这个尺度被认为是硅集成电路的个纳米，这个尺度被认为是硅集成电路的“物理极限物理极限”。就是。就是 说，尺寸再减小，就会说，尺寸再减小，就会遇到有很多难以克服的问题。当然这里说的遇到有很多难以克服的问题。当然这里说的10纳米，并不是一个最终的结论。随着技术纳米，并不是一个最终的结论。随着技术的发展，特别是纳米加工技术的发展，也可的发展，
35、特别是纳米加工技术的发展，也可能把这个能把这个“极限极限”尺寸进一步减小；但总有尺寸进一步减小；但总有一天，当代的硅微电子技术会走到尽头。一天，当代的硅微电子技术会走到尽头。随着集成电路线宽的进一步减小，硅微电子技术必然要遇到许多难以克随着集成电路线宽的进一步减小，硅微电子技术必然要遇到许多难以克随着集成电路线宽的进一步减小，硅微电子技术必然要遇到许多难以克随着集成电路线宽的进一步减小，硅微电子技术必然要遇到许多难以克服的问题服的问题服的问题服的问题比如说长度为比如说长度为比如说长度为比如说长度为 100 100个纳米的源和漏电极之间，掺杂原子也只有个纳米的源和漏电极之间，掺杂原子也只有个纳米
36、的源和漏电极之间，掺杂原子也只有个纳米的源和漏电极之间，掺杂原子也只有100100个左右，个左右，个左右，个左右，如何保证这如何保证这如何保证这如何保证这100100个原子在成千上万个器件里的分布保持一致，显然是不可能个原子在成千上万个器件里的分布保持一致，显然是不可能个原子在成千上万个器件里的分布保持一致，显然是不可能个原子在成千上万个器件里的分布保持一致，显然是不可能的，至少也是非常困的，至少也是非常困的，至少也是非常困的，至少也是非常困 难的。也就说杂质原子分布的涨落，将导致器件性能难的。也就说杂质原子分布的涨落，将导致器件性能难的。也就说杂质原子分布的涨落，将导致器件性能难的。也就说杂
37、质原子分布的涨落，将导致器件性能不一，性质的不一致，就难保证电路的正常工作。不一，性质的不一致，就难保证电路的正常工作。不一，性质的不一致，就难保证电路的正常工作。不一，性质的不一致，就难保证电路的正常工作。又如又如又如又如MOSMOS器件的栅极下面的绝缘层就是二氧化硅，它的厚度器件的栅极下面的绝缘层就是二氧化硅，它的厚度器件的栅极下面的绝缘层就是二氧化硅，它的厚度器件的栅极下面的绝缘层就是二氧化硅，它的厚度 随着器件尺寸随着器件尺寸随着器件尺寸随着器件尺寸的变小而变小，当沟道长度达到的变小而变小，当沟道长度达到的变小而变小，当沟道长度达到的变小而变小，当沟道长度达到0.10.1个微米时，个微
38、米时，个微米时，个微米时，SiO2SiO2的厚度大概也在一个纳的厚度大概也在一个纳的厚度大概也在一个纳的厚度大概也在一个纳米左右。尽管上面加的栅电压很低，如一个纳米上加米左右。尽管上面加的栅电压很低，如一个纳米上加米左右。尽管上面加的栅电压很低，如一个纳米上加米左右。尽管上面加的栅电压很低，如一个纳米上加0.50.5伏或者是伏或者是伏或者是伏或者是 一伏电压，一伏电压，一伏电压，一伏电压，但是加在其上的电场强度就要达到每厘米但是加在其上的电场强度就要达到每厘米但是加在其上的电场强度就要达到每厘米但是加在其上的电场强度就要达到每厘米5-105-10兆伏以上，超过了材料的击兆伏以上，超过了材料的击
39、兆伏以上，超过了材料的击兆伏以上，超过了材料的击穿电压。当这个厚度非常薄的时候，即使不发生击穿，电子隧穿的几率也穿电压。当这个厚度非常薄的时候，即使不发生击穿，电子隧穿的几率也穿电压。当这个厚度非常薄的时候，即使不发生击穿，电子隧穿的几率也穿电压。当这个厚度非常薄的时候，即使不发生击穿，电子隧穿的几率也很很很很 高，将导致器件无法正常工作。高，将导致器件无法正常工作。高，将导致器件无法正常工作。高，将导致器件无法正常工作。随着集成电路集成度的提高，芯片的功耗也急剧增加，随着集成电路集成度的提高，芯片的功耗也急剧增加，随着集成电路集成度的提高，芯片的功耗也急剧增加，随着集成电路集成度的提高，芯片
40、的功耗也急剧增加，使其难以承受；现在电脑使其难以承受；现在电脑使其难以承受；现在电脑使其难以承受；现在电脑CPUCPU的功耗已经很高，如果的功耗已经很高，如果的功耗已经很高，如果的功耗已经很高，如果说将来把它变成说将来把它变成说将来把它变成说将来把它变成“纳米结构纳米结构纳米结构纳米结构”，即不采用新原理，只是，即不采用新原理，只是，即不采用新原理，只是，即不采用新原理，只是按摩尔定律走下去，进一步提高集成度，那么加在按摩尔定律走下去，进一步提高集成度，那么加在按摩尔定律走下去，进一步提高集成度，那么加在按摩尔定律走下去，进一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉它上面的功耗就有
41、可能把硅熔化掉它上面的功耗就有可能把硅熔化掉它上面的功耗就有可能把硅熔化掉 。再者，就是电路器件之间的互连问题，对每一个芯片来再者，就是电路器件之间的互连问题，对每一个芯片来再者，就是电路器件之间的互连问题，对每一个芯片来再者，就是电路器件之间的互连问题，对每一个芯片来说，每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子，管子与说，每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子，管子与说，每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子，管子与说，每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子，管子与管子之间的联线的长度要占到器件面积的管子之间的联线的长度要占到器件面积的管子之间的联线的长度要占到器件面积的管子之间的联线的长度要占到器件
42、面积的60 7060 70，现在的连线就多达现在的连线就多达现在的连线就多达现在的连线就多达8 8层到层到层到层到1010多层，尽管两个管子之间的多层，尽管两个管子之间的多层，尽管两个管子之间的多层，尽管两个管子之间的距离可以做得很小，但是从这个管子到另外一个管子，距离可以做得很小，但是从这个管子到另外一个管子，距离可以做得很小，但是从这个管子到另外一个管子，距离可以做得很小，但是从这个管子到另外一个管子，电子走的路径不是直线，而要通过很长的连电子走的路径不是直线，而要通过很长的连电子走的路径不是直线，而要通过很长的连电子走的路径不是直线，而要通过很长的连 线。我们线。我们线。我们线。我们知道
43、线宽越窄，截面越小，电阻越大，加上分布电容，知道线宽越窄，截面越小，电阻越大，加上分布电容，知道线宽越窄，截面越小，电阻越大，加上分布电容，知道线宽越窄，截面越小，电阻越大，加上分布电容，电子通过引线所需的时间就很长，这就使电子通过引线所需的时间就很长，这就使电子通过引线所需的时间就很长，这就使电子通过引线所需的时间就很长，这就使CPUCPU的速度的速度的速度的速度变慢。另外纳米加工的制作成本也很高，由于变慢。另外纳米加工的制作成本也很高，由于变慢。另外纳米加工的制作成本也很高，由于变慢。另外纳米加工的制作成本也很高，由于 这些原这些原这些原这些原因，硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息
44、量因，硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量因，硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量因，硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量不断增长的需求。不断增长的需求。不断增长的需求。不断增长的需求。GaAs和和InP单晶材料单晶材料人们要想突破上述的人们要想突破上述的人们要想突破上述的人们要想突破上述的“物理极限物理极限物理极限物理极限”，就要探索新原理、开，就要探索新原理、开，就要探索新原理、开，就要探索新原理、开发新技术，如量子计算、光计算机等，它们的工作原理是发新技术，如量子计算、光计算机等，它们的工作原理是发新技术，如量子计算、光计算机等，它们的工作原理是发新技术，如量子计
45、算、光计算机等，它们的工作原理是与现在的完全不同，尚处于初始的探索阶段。在目与现在的完全不同，尚处于初始的探索阶段。在目与现在的完全不同，尚处于初始的探索阶段。在目与现在的完全不同，尚处于初始的探索阶段。在目 前这前这前这前这个过渡期间，人们把希望放在发展新型半导体材料和开发个过渡期间，人们把希望放在发展新型半导体材料和开发个过渡期间，人们把希望放在发展新型半导体材料和开发个过渡期间，人们把希望放在发展新型半导体材料和开发新技术上，比如说新技术上，比如说新技术上，比如说新技术上，比如说GaAsGaAs、InPInP和和和和GaNGaN基材料体系，采用基材料体系，采用基材料体系，采用基材料体系，
46、采用这些材料，可以提高器件和电路的速度这些材料，可以提高器件和电路的速度这些材料，可以提高器件和电路的速度这些材料，可以提高器件和电路的速度 以及解决由于集以及解决由于集以及解决由于集以及解决由于集成度的提高带来的功耗增加出现的问题。成度的提高带来的功耗增加出现的问题。成度的提高带来的功耗增加出现的问题。成度的提高带来的功耗增加出现的问题。化合物半导体材料，以砷化镓（化合物半导体材料，以砷化镓（化合物半导体材料，以砷化镓（化合物半导体材料，以砷化镓（GaAsGaAs）为例，有以）为例，有以）为例，有以）为例，有以下几个特点，一是发光效率比较高，二是电子迁移率高，下几个特点，一是发光效率比较高，
47、二是电子迁移率高，下几个特点，一是发光效率比较高，二是电子迁移率高，下几个特点，一是发光效率比较高，二是电子迁移率高，同时可在较高温度和在其它恶劣的环境下同时可在较高温度和在其它恶劣的环境下同时可在较高温度和在其它恶劣的环境下同时可在较高温度和在其它恶劣的环境下 工作，特别适工作，特别适工作，特别适工作，特别适合于制作超高速、超高频、低噪音的电路，它的另一个优合于制作超高速、超高频、低噪音的电路，它的另一个优合于制作超高速、超高频、低噪音的电路，它的另一个优合于制作超高速、超高频、低噪音的电路，它的另一个优势是可以实现光电集成，即把微电子和光电子结合起来，势是可以实现光电集成，即把微电子和光电
48、子结合起来，势是可以实现光电集成，即把微电子和光电子结合起来，势是可以实现光电集成，即把微电子和光电子结合起来，光电集成可大大的提高电路的功能和光电集成可大大的提高电路的功能和光电集成可大大的提高电路的功能和光电集成可大大的提高电路的功能和 运算的速度。运算的速度。运算的速度。运算的速度。宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，因为它的禁带宽度都在因为它的禁带宽度都在因为它的禁带宽度都在因为它的禁带宽度都在3 3个电子伏
49、以上，在室温下不可能个电子伏以上，在室温下不可能个电子伏以上，在室温下不可能个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可将价带电子激发到导带。器件的工作温度可将价带电子激发到导带。器件的工作温度可将价带电子激发到导带。器件的工作温度可 以很高，比如以很高，比如以很高，比如以很高，比如说碳化硅可以工作到说碳化硅可以工作到说碳化硅可以工作到说碳化硅可以工作到600600摄氏度；金刚石如果做成半导体，摄氏度；金刚石如果做成半导体，摄氏度；金刚石如果做成半导体，摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集
50、相关需要的温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶信息。它们还在航空、航天等恶信息。它们还在航空、航天等恶信息。它们还在航空、航天等恶 劣环境中有重要应用。劣环境中有重要应用。劣环境中有重要应用。劣环境中有重要应用。现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长镓上长镓上长镓上长GaAsGaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没，它可以长得很好。但是这种材料大多