王占国： 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。

      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。