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盘点 | 2017年半导体材料技术10大突破

2017-12-29

    半导体被喻为世界第四大重要发明,是许多工业整机设备的核心,广泛应用于手机、PC、智能硬件、汽车、医疗及军事等多个领域。Gartner最新预测数据显示,2017年全球半导体市场总营收将达到4111亿美元,较上一年增长19.7%。材料作为产业链上的关键环节,是促进产业链整体健康发展的重要基础。
随着摩尔定律对半导体产业的指导意义逐渐消失,科学界和产业界都在积极寻找新的半导体材料替代硅。
近年来,全球高度关注第三代半导体材料发展。2014年初,时任美国总统奥巴马宣布成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”;日本方面建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”;欧洲方面有研发高性价比且高可靠性的SiC和GaN功率电子技术的产学研项目“LASTPOWER”;我国则建立了第三代半导体材料及应用联合创新基地。
半导体对于电子信息产业意义重大,因此开发新材料、新工艺、新技术是确保产品性能继续提升、产业规模持续扩大的重点工作。新材料在线?通过梳理今年各研究机构和国内外高校发布的研究成果,甄选出以下10项半导体材料领域的重大技术突破,以供大家了解半导体材料未来发展趋势。
以下以成果发表时间倒序为序。
1.气敏半导体可用于纳米电子学领域

图示为两不同时间拍摄的8L GaSe拉曼光谱。(a)以红色虚线为基准,观察A1g与a-Se峰的恒定强度比,表明氧化在大约16500秒之后停止,其氧化时间由测试拉曼光谱的GaSe厚度决定。(b)每个频谱测试时长为700 s×3
9月26日消息,德国托木斯克理工大学和委内瑞拉的科研小组对硒化镓进行了拉曼光谱和X射线光电子能谱测试,均证明镓和氧之间存在化学键,该发现有利于制造以硒化镓为基的超导纳米电子,从而实现纳米领域的零突破。研究成果已发表于《半导体科技》。
研究人员表示,硒化镓单层膜暴露于空气后,将立即发生氧化。但是进一步研究发现,这种方式不仅可以保护自身薄膜还可以维持其原有光电性质。激光与照明工程系教授劳尔.罗德里格斯认为,将硒化镓置于真空或惰性环境中可以保护其自身特有的性质。例如,可用于制造真空封装装置,然后覆盖保护层,以防空气渗透;还可用于生产下一代光电子、检测器、光源和太阳能电池。该方式生产的器件,虽然尺寸超小但是具有超高的量子效率,即在少量外部照射下,就可产生大量电子束
2.一种基于同种材料制造金属和半导体的方法

金属(右)和半导体(左)MoTe2晶体并排在同一平面上。矩形晶体代表金属MoTe2,而六角形晶体则是半导体MoTe2的特征。图片来源:基础科学研究所
9月21日消息,一个来自于基础科学研究所(IBS)人工低维电子系统中心的研究小组,开发出了第一个由单一材料制成的2D电子电路,展示了一种利用相同材料制造金属和半导体的新方法。研究成果已发表于《自然纳米技术》。
研究人员为了解决2D半导体和任何体金属之间的界面处存在大的接触电阻的问题,使用化学气相沉积技术制造高品质的金属或半导体的MoTe2晶体。多晶型物质由填充NaCl蒸气的热壁石英管炉内形成,将温度控制在710℃时得到金属,670℃时得到半导体。此外,科学家们还利用钨二硒化钨与二氧化钨交替使用条纹来制造更大的规模结构。预计将来可以实现更小的接触电阻,达到理论量子极限……【详细】
3.新型超薄半导体材料超过一些硅的“神秘”功能

图片来自于公开资料
8月13日消息,斯坦福大学的研究人员发现金属铪和锆的联硒化物二维材料HfSe2和ZrSe2具有可与硅材料相媲美甚至更优越的半导体特性,有望代替硅材料应用于未来半导体器件中。研究人员基于对两种新材料半导体结构及特性的研究,成功制造出仅三个原子层厚度(不到0.7纳米)且能在空气中稳定工作的晶体管,尺寸比硅基晶体管缩小了10倍。新材料的应用有望使未来电子产品电源的使用寿命得到大幅延长、实现更为复杂的功能,是向实现可满足未来电子器件需求的更薄、更节能芯片制造的关键一步。研究成果已发表在《科学进展》上。
研究人员指出,下一步还有很多工作要做。首先,必须改善晶体管与超薄电流间的电接触,其次,研究人员还需要更好地控制绝缘层的氧化工艺,最后,在实现前两步工作的前提下,将开始探索新材料与其他材料的集成技术,从而将研究规模扩展至晶圆、复杂电路和完整系统的层次……
4.碘化铯锡半导体可有效隔绝热量传递

上图是金属卤化物钙钛矿的晶体结构:碘化铯锡(左)和碘化铯(右)。 图片来源:伯克利实验室/加州大学伯克利分校
8月4日消息,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室研究人员领导的一个小组发现,一种名为碘化铯锡(CsSnI3)的晶体半导体材料具有独特的热电性能,能在保持高电导率的同时,隔绝大部分热量传递,这种材料的热电性质独特,应用前景十分广阔。研究成果已发表于《国家科学院学报》。
研究人员在碘化铯锡纳米线中发现了一种集体振动机制:在晶体结构中,原子之间的距离会集体缩小或增大。这种振动机制会干扰热传递,由于碘化铯锡是由有序的单晶结构组成,这种振动效应不会阻碍电流通过。实验结果显示,在实验中具有连续晶体结构的材料中,碘化铯锡的导热系数水平最低……
5.石墨烯做“复印机” 冲破硅基困境获新希望

图片来自于公开资料
4月25日消息,美国麻省理工学院研究人员开发出一项被称为“远程外延”(Remote epitaxy)技术,有望大幅降低半导体制造企业的晶圆(尤其是非硅基衬底半导体晶圆)采购成本,并有利于探索和研究更多具有独特性能的半导体材料。研究成果已发表于《自然》杂志。
新技术是利用石墨烯作为“复印机”将底层半导体晶圆衬底的复杂晶格结构转移到石墨烯上层与衬底相同的半导体材料中。该技术以石墨烯作为中间层,可轻松实现晶圆衬底晶格结构的“复制粘贴”和半导体层的分离过程,使同一片晶圆在器件生产过程中可被重复利用多次。新技术可使制造企业在选择半导体材料时的自由度变得更加宽松,不用再过多考虑成本的限制,为冲破硅基困境带来了新的希望……
6.香港理工大学研发高速传导性能的最新半导体纳米纤维

图片来自于香港理工大学
4月17日消息,香港理工大学(理大)机械工程学系团队由创新产品与科技讲座教授梁焕方教授率领,采用静电纺纱技术,将传导性能高的纳米材料(例如:石墨烯、碳纳米管),植入半导体纳米纤维(例如:二氧化钛 TiO2),制成具高速传导性能的半导体纳米纤维,仿如为电子流动筑建的高速公路,大大提升电子流动速度,减少电子与电洞复合情况。
这种新材料应用范围广泛,尤其可大幅提升太阳能电池效率以及光触媒清洁空气的效能……
7.高性能二维半导体新材料有望突破摩尔定律发展瓶颈

新型稳定的超高迁移率二维半导体材料BOX及晶体管示意图,图片来自于北京大学
4月7日消息,北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组与合作者首次发现一类同时具有超高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备特点的全新二维半导体(硒氧化铋,Bi2O2Se),在场效应晶体管器件和量子输运方面展现出优异性能。课题组基于前期对拓扑绝缘体等二维量子材料的系统研究,提出用轻元素部分取代拓扑绝缘体中的重元素,以降低重元素的自旋-轨道耦合等相对论效应,进而调控其能带结构,消除金属性拓扑表面态,获得高迁移率二维半导体。
Bi2O2Se这种高迁移率半导体特性还可能拓展到其他铋氧硫族材料(BOX:Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te)。结合其出色的环境稳定性和易于规模制备的特点,超高迁移率二维半导体BOX材料体系在构筑超高速和低功耗电子器件方面具有独特优势,有望解决摩尔定律进一步向前发展的瓶颈问题,给微纳电子器件带来新的技术变革,具有重要的基础科学意义和实际应用价值……
8.III-V半导体材料超材料在光学领域应用广泛

图片来自于大国重器
3月15日消息,美国桑迪亚国家实验室采用III-V半导体材料制造超材料构建块,这些材料带宽大于硅,比金属在光超材料领域应有更有效。超材料以类似于“原子”的形式排列于衬底表面,以普通材料无法实现的方式改变光的路径,可以用于制造高效光滤波器、激光器、变频器等广泛的控制波束器件。
自然界中不存在超材料,但超材料可用于制造超薄镜片和超高效收集天线,能够使光线弯曲保持卫星低温,也能够让太阳能电池吸收能多能量。桑迪亚研究人员Igal Brener表示,世界上使用III-V半导体材料作为全电介质超材料的研究很少,而桑迪亚国家实验室在材料的生长和工艺方面具有一定优势,因此在此领域发展较快。
该项目目前已经申请三个专利:使用III-V半导体全介质表面产生共振增强二次谐波;介质谐振器:III-V半导体纳米谐振器 - 一种用于无源、有源和非线性全电介质材料的新方法;具有高品质因子Fano超表面的破损的对称性介质谐振器……
9.碳基二维半导体横空出世 弥补石墨烯重大缺憾

上海微系统所发现新型二维半导体量子材料C3N
3月1日消息,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室丁古巧课题组独立发现新型碳基二维半导体材料C3N,该研究得到了科技部02重大专项“晶园级石墨烯电子材料和器件研究”(2011ZX02707)等项目的支持。相关研究成果已发表于《先进材料》。
据介绍,该材料为一种由碳和氮原子构成的类似石墨烯的蜂窝状无孔有序结构,是一种新型间接带隙半导体,本征带隙为0.39 eV,带隙可以通过纳米尺寸效应进行调控,理论计算和实验结果一致。值得注意的是该材料可以通过氢化实现空穴注入,并在96 K温度以下产生铁磁长程序。带隙的存在弥补了石墨烯没有本证带隙的缺憾,氢化载流子注入为调控该材料的电学特性提供了新的手段,铁磁性预示该材料体系具有丰富的物理内涵。该项发现为碳基二维材料家族增添了新成员,为探索基于该二维新材料的新物理和新器件奠定了基础……
10.世界上第一种一维半导体材料诞生

3月1日消息,俄罗斯和美国专家组成的国际科研组推出世界上第一种一维半导体材料,该材料是钽 - 钯 - 硒化合物(Ta2Pd3Se8)和钽- 铂 - 硒化合物(Ta2Pt3Se8)两种化合物的复合体。使用该新材料可使电路减小到纳米大小,并加快电子仪器工作速度,这意味着日常生活涉及到的电子系统能可以变得更智能,体积更小。光中继器件、光敏二极管、传感器及其他电子设备的响应速度更快的同时耗电更低。这对微电子和光电子工业最有利,可以提供独特的光电、机械、化学和生物特性……

(来源:新材料在线



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