王占国：信息功能材料研究成果显著

    21世纪的信息技术是以集材料、器件和电路为一体的信息功能材料为基础的，融最先进的微电子、光电子和光子技术于一体。

    当前，光电信息网络和信息处理的瓶颈，是光电信号间转换能力的滞后和电子线路速度的限制，加速发展光电信息功能材料，可以说是本世纪初世界范围内要面临的最重大的科学问题之一。

    我国光纤通信和移动通信发展十分迅速，市场规模约占全球10%～15%，需求极为巨大。然而，目前我国光纤通信、移动通信，甚至国防建设所需的关键器件和电路的芯片（材料），几乎都依靠进口，严重制约了信息产业的自主发展，威胁着国家安全。

    为此，自主、创新、高速地发展我国的信息功能材料，满足我国信息技术产业高速发展和国防建设对信息功能材料的迫切需求，是摆在我们面前亟须解决的重大科学问题，也正是973项目“信息功能材料相关基础问题”着手研究的中心课题。

   “信息功能材料相关基础问题”项目共设置了7个子课题。课题1和课题4主要研究近期和下一代光通信技术发展所需的光发射和探测模块芯片材料，课题2和课题3主要研究发展下一代激光光源、激光泵浦光纤放大光源的微结构材料和器件；这四个课题主要解决近期和下一代我国信息技术发展所需的信息功能材料和器件。课题5和课题6主要是发展柔性衬底理论和大失配异质结构材料的制备技术，在未来具有重要的应用前景，是本项目前瞻性研究的重点。经过中期评估以后，为了加强材料物理研究同前面几个课题的紧密联合，把课题7的内容分配到了前面几个课题中。

    项目针对我国信息技术发展所需的重要光电子材料和器件中的关键技术和相关基础科学问题开展了深入探索和研究。在应变补偿、应变自组装生长新原理和技术、大失配异质结构材料的制备等方面取得了重要进展。在可调谐激光器、量子点激光器、多源带间耦合激光器、多源带内耦合激光器、偏振不灵敏宽带放大器，以及相关的新型光源研制等方面获得具有应用前景和自主知识产权的成果。

    我们知道，光纤通信速率理论上可以达到1000Gb/s以上，而目前我国光通信主干道的传播速率是2.5Gb/s。我们项目组经过几年攻关，已经成功地研制出满足10Gb/s需求的光通信光发射模块和探测器，这意味着在不增加光纤数量的情况下光纤传输效率提高了4倍。这项成果已具备了向产业转化的能力。

    另外，现在的光纤通信一般传100公里之后，就需要把光信号转换为电信号进行放大，然后再转换为光信号进行传输，这不仅大大地降低了光纤的传输效率，转换成本也比较高。如果采用我们研制的半导体光放大器和大功率量子点激光泵源，结合掺铒光纤，在光电转换的地方用泵浦激光器通过掺铒光纤对光信号进行直接放大，从而省去了光电、电光的转换，这将有助于光通信网络信息处理“瓶颈”的解决。

    项目还有一个重大的特色，就是具有前瞻性。正如我刚才所说，新兴材料是信息社会的物质基础和先导。早在7年前，我们这个项目就把氮化镓、氧化锌等第三代半导体材料作为本项目的主要内容之一开展了研究。所谓第三代半导体材料就是宽禁带半导体材料，它的发光波长短（紫外），具有耐高温、抗辐照等特点，可广泛地应用在军事、空间技术和高密度存储等方面；在生活上可以用于照明、大屏幕显示等。另外，本项目首先开展的太拉赫兹物理和器件研究，已成为目前国内外研究的热点之一。

    可以说，今天几乎90%以上的电子器件和电路都是以硅（Si）作为基础的，2005年世界集成电路的产值大约为2000亿美元，并由它而带动了１万亿美元的电子产品，硅微电子技术已深入到千家万户，深刻地影响着世界政治、经济和军事对抗的格局以及每一个人的生活。硅材料经过多年的发展和竞争，信越、瓦克、SUMCO和MEMC等世界六大硅片公司的销量占硅片总销量的90%以上，决定着国际硅材料的价格和高端技术产品市场。世界半导体市场已经从2001年的低谷中走出，并以年10%以上的速度递增。目前，世界电子级硅单晶材料的产量已超过1万吨，8英寸～12英寸硅片已广泛用于超大规模集成电路的制造，其中12英寸硅片约占IC用硅片的20%，2015年12英寸将成为主流产品，预计2016年18英寸硅片也将得到应用。2001年和2004年硅集成电路（ICs）的工艺已分别实现了130纳米和90纳米量产；根据国际半导体技术发展蓝图（ITRS）预测，2007年将实现特征尺寸65纳米，2010年实现45纳米，2013年实现32纳米，2016年实现22纳米，2022年将达到10纳米。

    从提高硅集成电路成品率，提高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空洞型缺陷密度增加和均匀性变差等问题，仍是今后硅单晶发展的大趋势。从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅ICs的速度和集成度看，研制满足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。另外，绝缘体上半导体（SOI）材料，因其具有电路速度快、抗辐射、低功耗和耐高温等特点，同时还兼有可简化工艺流程、提高集成密度、减小软误差等优势，受到广泛重视。据预测，SOI材料2008年的市场将达到每年80亿美元，其中，大部分为300毫米SOI圆片市场。

    我国硅材料行业经过40多年的发展已取得很大进展，但是仍旧无法满足国内市场的需求，供需缺口很大，已严重制约着我国集成电路和太阳能电池产业的发展。我国硅单晶材料以5英寸、6英寸为主，其生产能力在1500吨左右，8英寸、12英寸硅单晶及抛光片，虽已具有小批量生产能力，但尚未应用于集成电路制造。硅外延材料产品主要是4英寸和5英寸的，6英寸外延片还未实现量产，8英寸硅外延片尚处起步阶段。8英寸、12英寸硅抛光片和外延片几乎全部依赖进口。我国SOI（主要是SIMOX圆片技术）研发虽有一定的基础，但在8英寸以上SOI圆片制造方面仍是空白。国内在SiGe异质结外延材料生长和SiGe-HBT等器件与电路研发的技术水平，特别是生产水平与国外差距很大。

    按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》以及微电子强国建议的目标，在2010年左右我国要从集成电路消费大国成为生产大国，2020～2025年迈入集成电路产业强国的要求，到2010年，就至少要建设8～10条8英寸和8～12条、月生产能力3万片的ICs生产线；在其后的十年左右时间内，还应再建设一批8英寸、12英寸生产线。这对我国硅及其微电子配套材料发展相对滞后的现状是一个非常严峻的挑战。

   信息时代对超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储的需求加快了信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐，光纤通信、移动通信和数字化信息网络技术已成为信息技术发展的大趋势。相应地，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、有机/无机复合、有机/无机与生命体复合和纳米结构材料方向发展；同时伴随着材料系统由均匀到非均匀、由线性到非线性和由平衡态到非平衡态发展；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世纪中叶不会改变之外，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、低噪音器件和电路，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，近年来硅基高效发光研究取得的重大进展使人们看到了硅基光电集成的曙光。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，可以预料它将成为下一代平板显示材料的佼佼者。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，社会经济效益巨大。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发展。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最活跃的研究领域，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，已由晶格匹配、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，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题之一，它的解决将为材料科学工作者提供一个广阔的创新空间。

(来源:《中国科技成果》2007年第1期 )