第1章 绪论
1.1 电子材料的发展历史
以电子学和光电子学为代表的信息产业已成为当今知识经济时代国民经济和社会发展的战略性基础产业和支柱产业，而电子功能材料与器件则是电子学和光电子学的重要物质基础与先导。电子信息材料是以电子或光子为载体，用于制造各种电子及光电子元器件、半导体集成电路、纳米电子器件、磁性元器件、电子陶瓷器件等的材料。电子信息材料是现代电子工业和科学技术发展的物质基础，同时又是一门多学科交叉的科学，涉及电子技术、光学、物理化学、固体物理学和工艺技术等多学科知识。电子信息材料的质量决定了光电子元器件和半导体集成电路的性能好坏，电子新材料的，发现将促进新一代电子产品的诞生。电子信息材料作为现代信息产业的基石，支撑着包括通信技术、计算机技术、集成电路及自动化技术等众多信息技术的发展。因此，电子信息材料的发展一直受到人们的关注和重视。
20世纪是电子信息材料与器件飞速发展的时期。其中标志性的成果是1950年人们发明了基于半导体单晶硅材料的双极型晶体管，这一发明极大地促进了电子设备向小型化、轻量化、节能化方向发展，因此它渐渐代替了电子管（晶体管的耗能仅为电子管的百万分之一）。1958年集成电路的发明使得电子计算机进一步小型化，使人类进入了一个崭新的信息技术时代。制造集成电路的*主要材料之一是硅单品，其特征是强度高、结晶性好、成本低，可以拉出大尺寸的硅单晶，自然界中储量丰富。晶体管的特殊能力取决于N型或P型导电的掺杂元素对半导体进行可控掺杂的能力，以及SiO2介质的优良绝缘性能。实际上，SiO2是硅的天然氧化物，通过氧化方法可在硅上生长一层质量很高的绝缘层。绝缘层与硅之间的界面上很少留下悬挂化学键和陷阱来俘获电荷。这种理想界面意味着在场效应晶体管隧道里，在绝缘栅之下能够精确而快速地控制电场。尽管电子和空穴穿过硅晶体管隧道区的速度较化合物半导体的理论速度慢，但它兼有优异的介电性能和近于理想的Si/SiO2界面，这使硅材料成为集成电路中的首选材料。然而，为了在晶体管里传导电子，需要多层金属互连。这样，集成电路实际上是一种复合材料体系，它把半导的、绝缘的金属化合物集成在一起，执行复杂任务。所以，集成电路的制造过程是一个非常复杂的工艺过程。
随着半导体器件特征尺寸按等比例缩小，集成电路规模的不断增加，如图1.1所示，集成电路的设计面临着许多的新挑战。特别是当集成电路的特征尺寸迸入纳米量级之后，如器件的量子效应、高速低功耗设计等问题，有许多有待通过材料的替代来解决。如高性能芯片中的金属连线已经开始用铜来取代铝，以提高速速降低连线电阻；在某些集成电路里开始出现了硅与锗的合金；出于对介电常量高于SiO2的绝缘栅层的需要，人们正在对铪氧化物和各种硅酸盐进行研究。特征尺寸不断缩小的另一种结果是隔离不同材料的总界面面积在显著增加。因此，材料的化学兼容性和互扩散问题就更加严重，对材料的性能需要有更成熟的了解。
图1.1 半导体芯片上品体管数量及特征尺寸的变化趋势
随着半导体芯片在电子产品设计中的广泛应用，各种电子产品（如通信类电子产品、计算机类电子产品、消费类电子产品）的性能得到大幅提高，种类也呈现；H爆发式增长的趋势。半导体芯片是21世纪信息技术的基石，例如，近几年在互联网技术基础之上兴起的物联网技术，其中*为关键的硬件组件，如电脑中的CPU、各种类型的半导体存储芯片、RFID射频识别芯片等构成了整个物联网的基础。可见集成电路技术的应用对社会经济发展有着巨大的推动作用。
随着硅基半导体技术的发展趋近于极限，人们已经开始着手研究未来可以取代现有集成电路的新技术。其中，基于碳纳米管(CNT)的电路是未来研究的一个非常重要的方向，碳纳米管可以具有金属特性，也可以具有半导体特性，这取决于碳纳米管碳链的空间螺旋。金属的碳纳米管在室温下具有迄今*高的电导率。半导体的碳纳米管已用来制造电性能良好的晶体管。然而，现在面临的主要问题是如何按要求的特殊性能合成纳米管，然后再加工制造成电路。目前碳纳米管的一些应用如图1.2所示。
图1.2 基于纳米管的单电子器件
电子材料和光电子材料在信息的获取、传输、存储、显示及处理和运算过程中发挥了重要的作用。以电子为媒介而传递信息，因为电子的传输速度受其质量（静止质量＝9.1×10-31千克）影响，有一定限度，所以，随着对信息传输容量和速度的要求不断提高，光子作为更高频率和速度的信息载体就被应用，从而又出现了与电子技术、微电子技术交叉发展的光电子技术。光子材料是指利用光子或光互相作用来实现信息产生、传输、存储、显示、探测及处理的材料，它包括激光晶体、红外材料、液晶、非线性光学材料、光子晶体及光纤材料等。
1960年第一台红宝石激光器的出现，使光电子技术进入一个新领域。由于激光具有优良的方向性、相干性、单色性和储能性，激光器能产生高达l012瓦的峰值功率，产生激光的基质晶体，以及对激光束进行调制的非线性光学材料所构成的系统在通信、光计算、激光医疗、激光印刷、激光影视、激光仪器、激光受控热核反应、激光分离同位素、激光制导等诸多方面有广泛的应用，因此，探索与发展新型光电子材料，制作高性能、小型化、集成化的光电子器件，已成为光电子科技领域的前沿。其中光电子信息材料是光电子技术的基础和先导，这里包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料等，其中主要是各类光电子半导体材料、光纤和薄膜材料，各种液晶显示材料和电色材料、新型相变和光色存储材料、光子选通材料、光致折变材料、新型非线性光学晶体材料等。
固态激光器（包括固体激光器和半导体激光器）以其体积小、重量轻、可靠性好和寿命长等优点，成为新激光技术发展的热点。特别是半导体激光器，因其体积小、可靠性高、价格低、成本极微、光束质量好等优点，是目前使用*广的激光器。目前，日、美等国在研究如何增加波长范围，使得激光器的输出波长从近紫外直至蓝绿光的可见光谱。传统的AIGaAs半导体激光器材料，增加铝的浓度，可产生更短的波长输出，但氧化铝也限制了器件的寿命，目前采用分子束外延技术制造的InGaAsP半导体激光器，可发射780-1000nm范围内任何波长的激光。
光子晶体是1991年发现的新型光学材料，其概念来源于固体物理中周期结构思想及电动力学中的电磁场理论。光子晶体是一种介质或金属材料在空间呈周期性排列并能自由控制光的人造晶体。光子晶体内部的光学折射率呈周期性分布，由材料的折射率反差形成光子带隙。由于光子的波长与其能量成反比，这种具有周期性排列结构的电介质或金属将阻挡波长处于光子带隙内的光，而允许其他波长的光自由通过。可以通过掺杂来控制光子晶体能带的位置、宽度以及带隙中掺杂模式的形成。由此可见，光子晶体是以类似于半导体的方法来处理光子：半导体的晶体结构控制电荷流，禁止电子在规定的能量范围内通行；而对光子晶体来说，光的能量若与其能带相容则呈导通性，若不相容则呈绝缘性。光子晶体具有超透镜效应、超棱镜效应、复折射、绝缘性、弯曲性等特性。利用它的这些特性，可制作尺寸很小、功能很强的光子器件。利用它的光子带隙，可改善远距离光学信号的传送，从而提高互联网的信息处理速度。
随着现代科学技术的飞跃发展，电子材料的发展体现出如下的发展趋势。其一，功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超品格理论的发展，使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上，这将成为发展的重点。其二，电子材料低维化。低维材料具有体材料不具备的性质。例如，零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的8倍；作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。其三，新型信息功能材料不断涌现。这里主要是指半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等，它们是发展信息产业的基础。
1.2 电子材料的重要作用
电子材料是电子信息产业的重要组成部分，是发展电子信息产业的基础与先导。电子材料作为基础性材料已渗透到国民经济和国防建设的各个领域，没有高质量的电子材料就不可能制造出高性能的电子元器件，也就没有先进的电子信息系统。电子信息材料及产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争*为激烈的材料领域。
随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10-15年仍是*基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发展*快和*有前途的信息材料。由半导体材料及辅料、光电子材料和新型元器件用材料组成的三大系列，涵盖了现代信息新材料领域的主要方面。信息新材料作为现代信息产业的基石，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术的发展。虽然光电子技术发展非常快，但是以集成电路为主的电子和微电子技术仍然在目前信息技术中占相当大的比重，以硅材料为主体，化合物半导体材料及新一代高温半导体材料共同发展的局面在21世纪仍将成为集成电路产业发展的主流。
1.3 电子材料与器件的研究现状
随着信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐的加快，半导体光电信息功能材料也已由体材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并正向集材料、器件、电路为一体的功能系统集成芯片材料和纳米结构材料方向发展。材料生长制备的控制精度也将向单原子、单分子尺度发展。从材料体系上看，除硅和硅基材料作为当代微电子技术的基础在21世纪中叶之前不会改变外，化合物半导体微结构材料以其优异的光电性质在高速、低功耗、低噪声器件和电路，特别是光电子器件、光电集成和光子集成等方面发挥着越来越重要的作用；与此同时，近年来硅和GaAs、InP等Ⅲ-V族化合物混合集成技术取得的重大进展，使人们看到了硅基混合光电集成的曙光。有机半导体发光材料以其低廉的成本和良好的柔性，已成为全色高亮度发光材料研发的另一个重要发展方向，预计会在新一代平板显示材料中占有一席之地。GaN基紫、蓝、绿异质结构发光材料和器件的研制成功，不仅将使光存储密度成倍增长，而更重要的是它将会引起照明光源的革命，经济效益巨大。航空、航天以及国防建设的要求推动了宽带隙、高温微电子材料和中远红外激光材料的友展。探索低维结构材料的量子效应及其在未来纳米电子学和纳米光子学方面的应用，特别是基于单光子光源的量子通信技术，基于固态量子比特的量子计算和无机/有机/生命体复合功能结构材料与器件发展应用，已成为材料科学目前*活跃的研究领域，并极有可能触发新的技术革命，从而彻底改变人类的生产和生活方式。另外，从半导体异质结构材料生长制备技术发展的角度看，已由品格匹配、小失配材料体系向应变补偿和大失配异质结构材料体系发展。如何避免和消除大失配异质结构材料体系在界面处存在的大量位错和缺陷，这也是目前材料制备中迫切要解决的关键问题之一，它的解决将为材料科学工作者提供一个广阔的创新空间。下面从几个主要方面人手，简单介绍电子材料与器件的研究现状及应用。
1.3.1 硅基半导体材料
硅是当前微电子技术的基础材料，是制作高性能集成电路芯片的主要材料之一。从提高硅集成电路成品率、性能和降低成本来看，增大直拉硅单晶的直径，解决硅片直径增大导致的缺陷密度增加和均匀性变差等问题，仍是今后硅单晶研发的主要方向。预计到2015年，12英寸硅片将成为主流产品。随着极大规模硅ICs向更小线宽发展，更大直径的硅单晶（如18英寸等）研制也在筹划中。从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅集成电路的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片将会成为硅材料发展的另一个主要方向。
根据2007年版“国际半导体技术发展路线图”的预测，集成电路器件的特征线宽，2013年将进入32nm技术代，晶体管物理栅长将是13nm，并于2016年进入到22nm技术代，晶体管物理栅长将是9nm；
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