半导体将带我们进入量子世界

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1、半导体将带我们进入量子世界半导体广泛的应用于家电、通信、网络、工业制造、航空、航天和国防。2007年半导体市场的产值为2625亿美元，2008年为3017亿，由它而拉动产值高达１万亿以上的电子产品。半导体已经进入到我们生活的方方面面，在我们的各行各业，发挥着难以想象的作用。小到收音机，大到飞机、舰船，很多零部件都得使用半导体。王占国院士强调，如果没有半导体，我们将失去信息化和电气化的绝大多数成就     　半导体材料及材料物理学家，中科院院士王占国　　1月18日，首都科学讲堂邀请半导体材料及材料物理学家王占国

2、院士，讲解了半导体的过去、现在和将来，赢得了广泛的好评，在互动提问环节中，现场观众踊跃提出问题，王占国院士一一解答。有位远道而来的浙江大学学生，他表示听了王院士的讲座后，对自己的在科研和学习上有巨大的指导作用。　　王占国院士介绍了我们早期使用的锗晶体半导体材料被淘汰的原因，再到目前广泛使用的硅材料的现状以及发展趋势，指出了硅材料的发展受功耗、光刻技术、制造成本等方面限制，从而引出了其他最新的一些半导体材料的研究，如GaAs、InP单晶材料、宽带隙半导体材料、低维半导体结构研究。　　什么是半导体材料　　廉价硅取

3、代了比黄金还贵的锗物质存在的形式是多种多样的，如固体、液体、气体、等离子体等。通常把导电、传热性能差的固体材料，如陶瓷、琥珀、玻璃和塑料等称为绝缘体；将导电、导热良好的金属，如金、银、铜、铝等材料称为导体；将性质介于上述二者之间的材料称之为半导体。直到20世纪初，半导体的存在才被真正的认可。　　直到1955年，几乎所有的晶体管都是由锗晶体做的。但锗是一个稀有元素，当时全世界的年产量只有6公斤左右，提纯后的价格比黄金还要贵　硅是一个富有元素，在地壳中的分布很广，硅的带隙比锗大,适合于室温工作,加之导热好、机械强

4、度高和天然的二氧化硅可作为绝缘体等,很快就取代了锗,成为晶体管和集成电路的基础材料。　　III－V族和II－VI族化合物半导体材料如GaAs、InP、GaN和ZnO等是直接带隙材料，具有很多优异性能，如工作温度高、抗辐照和发光效率高等，但晶体生长及质量较难控制。　　现在，硅单晶的年产量已达19250吨，8－12英寸的硅单晶已工业生产；18英寸的硅单晶已研制成功；27英寸硅单晶生长也在筹划中。　　目前8英寸硅片已广泛用于大规模集成电路生产，12英寸65纳米工艺也已投入工业生产,预计2010年为45纳米,2013

5、年为32纳米，2016年为22纳米，2022年为10纳米。　　2008年我国8英寸硅单晶产量占世界20%，IC级多晶硅全靠进口。　　2007年我国多晶硅的年产量约700吨；2008年4110吨，约占世界总产量的10%；硅单晶约3740吨，约为世界总产量的20%，但多为8英寸以下单晶，IC级多晶硅全部依赖进口。预计2010年我国多晶硅需求将超过10000吨。　　我国目前已投产或即将投产的5－12英寸集成电路芯片生产线有38多条，其中12英寸生产线5条，产能约7万片/月；8英寸生产线11条，产能约30万片/月；5

6、英寸和6英寸生产线22条。以上生产线总的生产能力约占世界总产能的8%，主流技术0.18微米和90纳米，最高水平为65纳米。　　预计到2010年，我国将新建65－130nm技术的10－15条8英寸和12英寸、月生产能力3万片的生产线，具有45nm的研发能力。　　据预测10－22nm将是硅集成电路线宽的“极限”尺寸,这时会遇到：　　1.物理限制：绝缘氧化物量子隧穿效应，沟道掺杂原子统计涨落，功耗等；　　2.技术限制：互连延迟，光刻技术等；　　3.经济限制：制造成本昂贵，难以承受。　　由于硅电子技术极限的存在，硅将

7、最终无法满足人类对更大信息量的需求。除了正在探索解决的新途径如DNA计算机、量子计算机、光计算机等之外，人们也把眼光放在新型半导体材料研发上。半导体家族新成员：砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）出现。目前GaAs单晶的年生产量约200吨,主要用于光电器件的衬底材料和集成电路制造。直径为2、4和6英寸的片材已商品化，8英寸的半绝缘GaAs单晶也已在实验室拉制成功。　　InP单晶主要用于光纤通信激光器件和高速网络用微电子器件的衬底材料，2、3和4英寸的单晶片已有商品供应，6英寸尚处研发中。　　GeSi/Si和G

8、aN基材料的发展使GaAs和InP基材料的应用推后。　　用半导体照明比普通白炙灯更节能　　III族氮化物、碳化硅、氧化锌、立方氮化硼和金刚石以及II－VI族硫锡碲化合物及其固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等具有高热导、高电子饱和漂移速度和高临界电压等优点，是优异的高温微电子和光电子材料。主要用于汽车、航空、航天、相控阵雷达（如高频、大功率发射模块）和高温、强辐射等恶劣环境。此外,III族氮