銻化物半導體：打開紅外芯片新技術大門的“金鑰匙”

把“命門”掌握在自己手中

半導體制造業是人類科技文明的集大成者。發展銻化物半導體已成為我國第四代半導體核心技術發展的戰略性方向之一。

“銻化物半導體為突破傳統體系的技術封鎖，提供了自主掌握命門技術的鑰匙。”日前，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員、國家重點研發計劃量子調控與量子信息項目負責人牛智川告訴科技日報記者。

前三代難以滿足新需求

半導體與原子能、計算機、激光並稱為當代四大技術發明，是當代科技和社會經濟發展的前沿方向和重大領域。

“半導體科學成為信息時代的戰略性科技領域，首先得益於上世紀初量子理論在固態體系中的衍生發展與深入完善，同時又依賴於半導體制造技術的創新迭代與產業應用。”牛智川説。

迄今為止得到公認的半導體代際技術所對應的材料體系已經明確：基於Ⅳ族硅Si、鍺Ge元素的第一代半導體；基於Ⅲ-Ⅴ族砷化鎵、磷化銦的第二代半導體；基於Ⅲ-Ⅴ族氮化鎵、Ⅳ族碳化硅的第三代半導體等。

“伴隨當前量子信息、可再生能源、人工智能等高新技術的迅速湧現和發展，半導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持續催生。雖然前三代經典半導體技術持續發展，但已經呈現出難以滿足新需求的嚴重問題，特別是難以同時滿足高性能、低成本的苛刻要求。”牛智川説。

銻化物半導體獨受青睞

新一代的半導體技術在哪裏？

牛智川介紹，目前，具有重大發展潛力成為第四代半導體技術的主要體系有：窄帶隙的銻化鎵、銦化砷化合物半導體；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體當之無愧佔據了第四代半導體的核心地位。銻化物半導體作為經典Ⅲ-Ⅴ族體系在本世紀初重新得到廣泛重視。從2009年起國外將銻化物半導體相關的材料和器件列為出口封鎖和壟斷技術。

“銻化物半導體在開發下一代的小體積、輕重量、低功耗、低成本器件，及其要求極為苛刻的應用方面具有不可替代的獨特優勢。”牛智川説。

事實上，銻化物半導體的重要性早被預言。

“77年前，著名物理學家、中國固體和半導體物理學奠基人之一的黃昆先生就提出半導體超晶格理論思想，在黃昆理論的指導下，我國與國際同步研發出銻化物超晶格等低維材料體系，成為繼第三代半導體後最具發展潛力的新一代半導體可塑體系。”牛智川説。

研究進入快車道

從2005年開始，我國銻化物半導體研究進入快車道。中科院半導體研究所、上海技術物理研究所等研究機構率先突破了銻化鎵基砷化銦/銻化鎵超晶格焦平面技術，性能基本保持與國際同步的發展水平。中國科學院半導體研究所還研製出多種規格的銻化鎵基銦鎵砷銻量子阱激光器。

“與國外相比，國內的紅外器件與集成組件長期存在技術代差，無法滿足相關裝備技術的換代發展。銻化物半導體光電器件具有優良的性能和低廉的價格，具備化解這個矛盾的關鍵優勢。”牛智川説，我國在銻化物半導體技術方面的研究成果為此提供了趕超途徑。

如今，國內的銻化物超晶格探測器、量子阱激光器技術等正在步入產業化應用發展階段。比如，中科院半導體所研製的銻化鎵襯底實現了2—3英寸直徑襯底的量產，最大尺寸達到4英寸；同時，實現了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，研發了4英寸分子束外延技術，突破了國外封鎖，保障了我國獨立研發銻化物半導體技術的可持續性。

無論是技術創新的前沿性還是重大應用的迫切性，開展第四代半導體銻化物器件技術的研發與應用勢在必行。對此，牛智川説，他和團隊已經做好準備。