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2014-11-28

热门课题:信息功能材料和器件研究


中科院半导体所 王占国 院士 2004-01-28 科技日报

21世纪是以信息产业为核心的知识经济时代。随着信息技术向数字化、网络化的迅速发展,超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储已成为信息技术追求的目标。信息的载体正由电子向光电子结合和光子方向发展;与此相应,信息材料也从体材料发展到薄层、超薄层微结构材料,并正向光电信息功能集成芯片和有机/无机复合材料以及纳米结构材料方向发展。历史发展表明,信息功能材料是信息技术发展的基础和先导;没有硅材料和硅集成芯片的问世,就不会有今天微电子技术;没有光学纤维材料的发明,砷化镓材料的突破,超晶格、量子阱材料的研制成功,以及半导体激光器和超高速器件的发展,就不会有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术;可以预料,基于量子效应的纳米信息功能材料的发展和应用,人类必将进入一个变幻莫测、奇妙无比的量子世界,必将彻底地改变世界政治、经济格局和军事对抗形式,也将对人类的生产和生活方式产生深远的影响。

信息功能材料与器件是一个科学内涵极丰富、创新性极强、应用前景极广阔、社会经济效益巨大的领域,极有可能触发新的信息技术革命。建议将下述关键信息功能材料与器件研发内容,列入国家中长期科学与技术发展规划,给以重点支持,符合国家长远利益和国家发展战略。

微纳电子材料和器件:微纳电子材料和器件是信息产业的基础和核心,它的发展对带动我国相关产业实现技术跨越,提升我国经济和产业的国际竞争力,实现我国经济社会的可持续发展和保障国家安全等都有着不可替代的作用。研究内容主要包括:ULSI用12-18英寸硅晶片和外延材料,SOI材料,高K和低K介质,金属互连,框架、封装材料以及基于纳米特征尺度的超大规模集成电路设计和集成芯片制造技术等。

光电子材料与器件:光电子材料和器件是光通信、移动通信和高速信息网络的基础,它的发展和应用将极大地提高人民的生活质量,并对保障国家安全,提升我国高技术产业的国际竞争力具有至关重要作用。大直径(6-8英寸)GaAs、InP单晶和片材规模生产、制备技术,GaAs、InP基为代表的Ⅲ-V族化合物半导体微结构材料、器件和集成芯片批量制造技术,硅基高效发光材料和硅基混合光电集成芯片材料与电路以及有机半导体光电子材料与器件的研发等为主要研发内容。

第三代(高温宽带隙)半导体材料与器件:以氮化镓和碳化硅等为代表的第三代半导体材料,以其优异的物理和化学性能在国防、航空、航天、石油勘探、光存储、显示以及白光照明等领域有着重要应用前景,市场潜力巨大。主要研究内容包括:GaN衬底和GaN基异质结构材料、器件与电路制备技术;大尺寸、无微管缺陷的SiC单晶和异质外延材料制备和器件开发研究;单晶金刚石薄膜生长和N型掺杂;ZnO基单晶、单晶薄膜制备和P型掺杂;大失配异质结构材料体系柔性衬底理论与制备技术等。

纳米电(光)子材料和器件:基于量子尺寸效应、量子干涉效应,量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维结构是一种人工设计、制造的新材料,是新一代量子器件的基础。这类量子器件以其固有的超高速、超高频(1000GHz)、高集成度(1010电子器件/cm2),高效低功耗和极低阈值电流(亚微安)、极高量子效率、极高增益、极高调制带宽、极窄线宽和高的特征温度以及微微焦耳功耗等特点在未来的纳米电子学、光子学和量子计算与密码通信等方面有着极其重要应用背景,极有可能触发新的技术革命。探索、建立高效、快速的原子级无损伤加工方法和纳米结构的自组装可控生长及其评价技术,实现无缺陷纳米结构的生长;研制单电子器件、单光子光源、量子点激光器、探测器和量子点光放大器和自旋电子器件,探索其功能集成与应用;固态量子比特构筑及其应用等,是目前研发的主要内容。

海量存储材料与器件:虽然磁记录材料仍是目前最重要的信息存储材料,但预计到2006年,磁材料中磁记录单元(磁晶)的尺寸将达到其记录状态的物理极限。GaN基蓝、紫光激光器件的出现,加快了光存储技术的发展,然而,光存储技术的面密度也已接近光学衍射极限;因而寻求发展基于新原理的新型海量存储、三维光存储材料、器件与系统;全息存储和近场光存储技术以及光学烧孔和STM热化学烧孔存储技术等,已成为目前国际研发的热点。

平面显示材料、器件与系统集成:大屏幕、高清晰度显示材料、器件与系统,如有机料、纳米碳管等平面显示,我国有一定基础。

全固态激光材料和激光技术:全固态激光器是人工晶体与大功率量子阱泵浦激光器结合的产物,在全色显示、激光加工、三维光存储、光刻、医疗、激光核聚变、激光同位素分离、激光武器、激光制导灵巧炸弹、激光雷达等方面有着重要的应用前景,经济和社会效益巨大。大直径、高光学质量激光晶体,非线性光学晶体批量生产和晶片制备与高损伤阈值光学镀膜关键技术;大功率半导体激光材料,特别是无铝半导体激光材料,激光器、列阵与光纤模块批量生产技术;大功率全固态红、蓝、绿(RGB)激光器和RGB激光显示技术以及基于全固态激光的高功率激光器,如激光核聚变、激光武器和激光加工等;紫外、深紫外非线性光学晶体与紫外、深紫外光刻光源等是目前国际研发的重点领域。

半导体照明工程—照明光源的革命:上世纪90年代初中期,GaN基蓝、紫光料,特别是P型掺杂技术的突破,为全固态全色显示和白光照明技术的迅速发展,打下了科学与技术基础。目前,高亮度GaN基蓝、绿光二极管(LED)已形成高技术产业,2002年GaN基LED的世界市场已达18亿美元,并以年50%的速度增长,市场潜力巨大。低成本、大功率、超高亮度GaN基蓝、紫光LED造技术的突破,将触发照明光源的革命,受到世界各国的重视,是目前研发的重点。

半导体灯不仅可以节省能源,有利于可持续发展,而且也被认为是绿色照明的首选,有利于环保。我国是近似于美国的世界第二发电大国,使用的能源的3/4为燃煤,造成空气和环境的严重污染。2002年我国照明用电约占我国1.65万亿度总发电量的12%,约2000亿度,相当于三峡总发电量的二倍多,照明节电的潜力很大。如果采用“半导体灯”替代传统光源,按节能45%计,可少建一个三峡电站!

应当看到,要实现这个极具挑战性的、代表人类光源的又一次革命的雄伟目标,难度很大。这就需要我们从现在起,集中产、学、研优势力量,在国家的统一部署和领导下,协同作战,攻克高质量GaN基异质外延材料(包括衬底材料)生长和芯片制备技术,高效、长寿命荧光材料和高效、稳定的有机/高分子三线态发光材料工业制备,大功率白光照明器件结构设计与实现以及有效散热和封装等关键技术,形成我国自己的知识产权;这就是说,到2020年,与现在的水平相比,“半导体灯”的发光(流明)效率要提高8倍,价格要降低100倍!难度之大,可想而知。