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把“命門”掌握在自己手中
半導(dǎo)體制造業(yè)是人類科技文明的集大成者。發(fā)展銻化物半導(dǎo)體已成為我國第四代半導(dǎo)體核心技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略性方向之一。
“銻化物半導(dǎo)體為突破傳統(tǒng)體系的技術(shù)封鎖，提供了自主掌握命門技術(shù)的鑰匙。”日前，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃量子調(diào)控與量子信息項(xiàng)目負(fù)責(zé)人牛智川告訴科技日報記者。
前三代難以滿足新需求
半導(dǎo)體與原子能、計算機(jī)、激光并稱為當(dāng)代四大技術(shù)發(fā)明，是當(dāng)代科技和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前沿方向和重大領(lǐng)域。
“半導(dǎo)體科學(xué)成為信息時代的戰(zhàn)略性科技領(lǐng)域，首先得益于上世紀(jì)初量子理論在固態(tài)體系中的衍生發(fā)展與深入完善，同時又依賴于半導(dǎo)體制造技術(shù)的創(chuàng)新迭代與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。”牛智川說。
迄今為止得到公認(rèn)的半導(dǎo)體代際技術(shù)所對應(yīng)的材料體系已經(jīng)明確：基于Ⅳ族硅Si、鍺Ge元素的第一代半導(dǎo)體；基于Ⅲ-Ⅴ族砷化鎵、磷化銦的第二代半導(dǎo)體；基于Ⅲ-Ⅴ族氮化鎵、Ⅳ族碳化硅的第三代半導(dǎo)體等。
“伴隨當(dāng)前量子信息、可再生能源、人工智能等高新技術(shù)的迅速涌現(xiàn)和發(fā)展，半導(dǎo)體新體系及其微電子、光電子、磁電子、熱電子等多功能器件技術(shù)持續(xù)催生。雖然前三代經(jīng)典半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)發(fā)展，但已經(jīng)呈現(xiàn)出難以滿足新需求的嚴(yán)重問題，特別是難以同時滿足高性能、低成本的苛刻要求。”牛智川說。
銻化物半導(dǎo)體獨(dú)受青睞
新一代的半導(dǎo)體技術(shù)在哪里？
牛智川介紹，目前，具有重大發(fā)展?jié)摿Τ蔀榈谒拇雽?dǎo)體技術(shù)的主要體系有：窄帶隙的銻化鎵、銦化砷化合物半導(dǎo)體；超寬帶隙的氧化物材料；其他各類低維材料如碳基納米材料、二維原子晶體材料等。
新體系中的銻化物半導(dǎo)體當(dāng)之無愧占據(jù)了第四代半導(dǎo)體的核心地位。銻化物半導(dǎo)體作為經(jīng)典Ⅲ-Ⅴ族體系在本世紀(jì)初重新得到廣泛重視。從2009年起國外將銻化物半導(dǎo)體相關(guān)的材料和器件列為出口封鎖和壟斷技術(shù)。
“銻化物半導(dǎo)體在開發(fā)下一代的小體積、輕重量、低功耗、低成本器件，及其要求極為苛刻的應(yīng)用方面具有不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢。”牛智川說。
事實(shí)上，銻化物半導(dǎo)體的重要性早被預(yù)言。
“77年前，著名物理學(xué)家、中國固體和半導(dǎo)體物理學(xué)奠基人之一的黃昆先生就提出半導(dǎo)體超晶格理論思想，在黃昆理論的指導(dǎo)下，我國與國際同步研發(fā)出銻化物超晶格等低維材料體系，成為繼第三代半導(dǎo)體后最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮雽?dǎo)體可塑體系。”牛智川說。
研究進(jìn)入快車道
從2005年開始，我國銻化物半導(dǎo)體研究進(jìn)入快車道。中科院半導(dǎo)體研究所、上海技術(shù)物理研究所等研究機(jī)構(gòu)率先突破了銻化鎵基砷化銦/銻化鎵超晶格焦平面技術(shù)，性能基本保持與國際同步的發(fā)展水平。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所還研制出多種規(guī)格的銻化鎵基銦鎵砷銻量子阱激光器。
“與國外相比，國內(nèi)的紅外器件與集成組件長期存在技術(shù)代差，無法滿足相關(guān)裝備技術(shù)的換代發(fā)展。銻化物半導(dǎo)體光電器件具有優(yōu)良的性能和低廉的價格，具備化解這個矛盾的關(guān)鍵優(yōu)勢。”牛智川說，我國在銻化物半導(dǎo)體技術(shù)方面的研究成果為此提供了趕超途徑。
如今，國內(nèi)的銻化物超晶格探測器、量子阱激光器技術(shù)等正在步入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)展階段。比如，中科院半導(dǎo)體所研制的銻化鎵襯底實(shí)現(xiàn)了2—3英寸直徑襯底的量產(chǎn)，最大尺寸達(dá)到4英寸；同時，實(shí)現(xiàn)了2—3英寸直徑、500—1000片/年的銻化物多功能低維材料外延晶圓的開發(fā)，研發(fā)了4英寸分子束外延技術(shù)，突破了國外封鎖，保障了我國獨(dú)立研發(fā)銻化物半導(dǎo)體技術(shù)的可持續(xù)性。
無論是技術(shù)創(chuàng)新的前沿性還是重大應(yīng)用的迫切性，開展第四代半導(dǎo)體銻化物器件技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用勢在必行。對此，牛智川說，他和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做好準(zhǔn)備。
