《1 引言》
1 引言
30年来, MBE技术与超晶格量子阱等低维物理概念相结合, 创造出了一代新的人工改性半导体材料——半导体量子微结构材料, 开拓了一代性能优异的以量子尺寸效应为基础的新型半导体器件, 极大地促进了半导体科学技术的发展和低维量子物理的发展。用它制备的MBE GaAs基二维结构材料和器件已进入商品化和产业化阶段, 在信息技术中获得了十分重要的应用。
我国的MBE技术是20世纪70年代中在西方对我们封锁的情况下起步的。从自力更生研制MBE设备开始, 经历了先后两代MBE设备的研制。MBE材料的研制则从GaAs基的二维微结构材料开始, 后已扩展到多种材料体系。材料的维度从二维进展至一维, 0维。特别是在材料的器件应用方面, 通过材料和器件研制双方的密切合作和努力, 先后研制成功QWLD, SEED, QWIRPD和HEMT, PHEMT, HBT, HFET等一系列有重要实用意义的新型光电子、微电子器件和电路。由于我国改革开放的大好形势和我国自力更生发展MBE技术所达到的引人瞩目的水平, 终于使西方在20世纪90年代初解除了对我国MBE设备的禁运, 这为进一步发展我国MBE材料和器件的研究创建了更好的环境和条件。
《2 MBE GaAs基微结构材料已达实用化水平》
2 MBE GaAs基微结构材料已达实用化水平
在研制成功一系列GaAs基微结构材料和器件的基础上, 中国科学院半导体研究所承担了国家“九五”科技攻关“MBE GaAs基微结构材料实用化研究”任务。为了保证任务的完成和继而能向产业化方向推进, 我们引进了EPI公司的GenⅡ型MBE设备和改造了实验室环境, 结合我们长期积累的MBE人才和技术优势, 在很短的时间内就研制出了电学性能好, 大面积均匀, 表面缺陷少, 重复稳定和成品率高的GaAs基PHEMT, HFET和MESFET等多种器件结构材料。通过与器件研制单位的密切合作获得了相当好的器件结果。如PHEMT材料达到了好的性能指标:
μ300 K≥8 151 cm2/v·s;ns≥
1.81×1012 cm-2;
厚度, 组分, 浓度不均匀性为≤±1.5%;表面缺陷密度≤100 /cm2
目前已可达到2000片/a, 成品率大于90%。
上述材料的各项技术指标已接近和达到目前最著名的MBE材料生产公司美国QED和法国Picogiga公司的产品指标性能, 它标志着我们的材料研制在实用化方面取得了突破。此项目已于1999年9月通过了信息部主持的鉴定和验收。
表1～3是我所MBE材料的技术指标及其器件应用结果与国际先进水平的比较:
Table 1 The performance of the PHEMT material compared with that of the world best
《表1》
定温迁移率/ cm2 (v·s) -1 | 载流子浓度/ 1012cm-2 | 材料不均 匀性 | 表面缺陷 /个·cm-2 | |||
单δ | 双δ | 单δ | 双δ | |||
美国QE D公司 | 6500 ～7000 | 5000 ～6500 | 1.7 ～2.0 | 2.0 ～3.6 | ≤± 1.5% | ≤20 |
本课题 | 6300 ～8100 | 5000 ～6500 | 1.5 ～2.0 | 2.0 ～4.0 | ≤± 1.5% | ≤100 |
Table 2 The device application results of the double δHEMT material compared with that of the world best
《表2》
器件研 制单位 | 栅长/μm | gm/ms ·mm-1 | IDss /mA· mm-1 | Imax /mA·mm-1 | 公布 日期 |
NEC | 0.45 | 370 | 270 | 550 | 1995 |
NEC | 0.45 | 400 | 240 | 510 | 1996 |
Sony | 0.8 | 420 | — | 400 | 1999 |
电子13所 | 0.4 | >400 | — | 800 | 1999 |
电子55所 | 0.7～0.8 | 320～400 | 280 | 520～580 | 1999 |
Table 3 The device application results of the single δHEMT material compared with that of the world best
《表3》
器件研 制单位 | 栅长/μm | gm/ms· mm-1 | ft/GHz | 公布 日期 |
GE | 0.15 | 800 | 94 | 1990 |
TRW | 0.1 | 700 | 93.5 | 1990 |
Mitsubishi | 0.15 | 680 | 60 | 1993 |
微电子中心 | 0.1 | 650 | 81 | 1999 |
《3 MBE GaAs基微结构材料的重要用途及产业化》
3 MBE GaAs基微结构材料的重要用途及产业化
产业化要以市场需求作导向。20世纪下半叶以来, 以信息技术为先导, 以微电子, 计算机, 光纤与卫星通讯, 计算机网络为主要内容的技术革命浪潮以惊人的力量推动了经济全球化的进程和社会生产力的巨大飞跃。世界经济进入全球一体化和信息化的新阶级。信息技术的发展, 对半导体器件的频率和功率提出了越来越高的要求。与Si器件相比, GaAs微电子器件, 特别是GaAs基微结构器件PHEMT, HEMT和HBT等在高频频段具有优越的性能。随着信息社会的发展, GaAs主要市场已由对价格不敏感的军事和超级计算机领域转移到大容量, 价格非常敏感的商用领域。今后在卫星通讯系统, 汽车雷达, 移动通讯基站系统和10 Gb/s以上的高速数据传输系统中都会有重要的应用前景。这意味着GaAs材料市场将会有较快的发展。但同时对材料的成本, 均匀性等提出了更高的要求, 为迎接这一商机, 国外已发展多片生产型MBE设备。直径76～100 mm (3～4英寸) 的外延片价格已降至700～800美元/片, 均匀性达到了±1%。同时近几年来除原有的Picogiga、QED等生长MBE材料公司外, 还出现了不少大大小小的制备MBE材料的厂商, 并且陆续有新加入者。根据我国MBE GaAs基材料的厂史和现状, 我们应该在这市场占据一席之地, 但必须看到这一席之地只有通过激烈的竞争才有可能占领。也只有通过竞争才可能扩大占据的市场份额。
邓小平同志说“科学技术是第一生产力”, 因此我们的科研成果不能只停留在鉴定、评奖阶段, 要把研究成果转化成为对国民经济起直接作用的生产力, 这也正是中国科学院1998年提出的“迎接知识经济时代, 建立国家知识创新体系”所要解决的两个问题之一:一是要提高我国的创新能力, 提高我国的科学研究水平, 即中国人要对自然界本质的认识作出更大的贡献;再一个就是要解决中国科学技术和经济结合的问题, 促进我国经济的发展。对于从事应用研究的人十分重要的任务就是要不断地将我们的研究成果转向应用, 转向开发, 转向产业。MBE GaAs基材料有重要的应用前景, 但又面临着激烈的市场竞争。在建立知识创新体系工作中, 我们首先考虑的一个问题就是如何尽快将此研究成果转化为生产力, 形成高技术产业, 为我国新型半导体材料的产业化和为我国信息化经济的发展作出积极贡献。
《4 如何建立我国MBE材料高技术产业》
4 如何建立我国MBE材料高技术产业
科研成果要转化形成高技术产业需经过研制→中试→生产三个阶段。我国利用国产MBE设备和1992年引进的Riber MBE设备, 完成了第一阶段材料的研制工作。其主要标志是研制出高水平的GaAs基微结构材料, 并用以作出了多种新型半导体器件, 获得了多项国家和中科院的科技成果奖励。“九五”期间我们进入了第二阶段的中试工作, 为此引进了EPI GenⅡ MBE设备, 现已完成了中试的第一步工作——材料的实用化研制。其主要标志是研制出电学性能好, 大面积均匀, 表面缺陷少并能提供一定数量供器件研制使用的外延材料, 即作出了重复稳定可实际应用的材料。接着我们将要进行中试阶段的第二步工作, 即材料的工程化研制。计划利用2年左右时间, 建立起外延材料的质量控制系统, 制定规范化的材料结构和生长工艺, 降低成本, 提高成品率和供片能力。在满足国内需要的同时, 积极开拓国际市场。第三阶段则根据国内外市场需要, 扩大规模, 形成高技术产业。为此我们将调整运行机制以适应各阶段生产力的发展, 使最终能完全按照现代企业制度参与市场竞争。与此同时我们还要进一步加强科技研究队伍, 以技术作后盾, 能不断推出拥有自主知识产权的高新材料, 以提高我们在全球市场上的竞争力, 为我国的经济发展作出积极贡献。
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