1 引言：信息功能材料--现代信息社会的支柱
　　
　　信息的概念已超越互相联系、了解社会行情的范畴而成为指导社会活动、保障社会安全和参与社会财富创造的关键要素。准确、快速、安全地获得信息关系到一个国家的兴衰存亡，各国政府都很重视。21世纪，人类将进入"三太"纪元，信息的传输、运算和存储将以太(1万亿)比特进行。要实现这个目标，信息技术必须要有一个飞跃发展。要实现信息技术的飞跃，信息功能材料必须先行。
　　从信息技术的发展历史，我们可以清楚地看到，信息功能材料是信息科学技术的先导和基础。20世纪40年代末50年代初，晶体管的发明、硅单晶材料和硅集成电路(ICs)的研制成功，导致了电子工业大革命；今天，以PC机为代表的桌式计算机进入到千家万户。光导纤维材料和以砷化镓(GaAs)材料为基础半导体激光器的发明，使人类进入到光纤通信和高速、宽带信息网的时代。20世纪70年代，超晶格概念的提出，分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)等生长技术发展与进步以及超晶格、量子阱材料的研制成功，使半导体器件的设计思想由"杂质工程"发展到"能带工程"，出现了器件的电学、光学性质可剪裁的新范畴，为材料和器件科学家提供了一个施展才能和创新的广阔天地。半导体纳米科学技术的发展和应用，将使人们从原子、分子或纳米尺度的水平上控制、操纵和制造功能强大的人工结构材料，极有可能触发新的技术革命。显然，信息功能材料的发展和应用，必将对国民经济发展、国家安全和人民生活质量的提高等产生极为重要的影响。
　　本文将主要讨论用于信息技术的半导体微电子、光电子材料，包括正在发展中的半导体低维结构材料和量子器件；另外，也将对光学纤维材料、有机显示材料、人工晶体材料和全固态激光器等也将做简单介绍，最后是发展信息功能材料的建议。
　　
　　2 半导体单晶硅材料发展热点与难点
　　
　　2.1硅单晶材料
　　硅单晶材料是半导体器件和集成电路等电子工业的基础材料，世界年生产能力超过1万吨，8英寸～12英寸硅单晶已实现规模生产；18英寸的硅单晶也已研制成功，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集成电路(ICs)规模生产，12英寸0.18微米工艺硅超大规模集成电路(ULSI)已建成投产，0.13微米工艺2003年也将完成评估。
　　
　　2.2 硅外延材料
　　硅外延材料可有效地控制氧、碳等杂质沾污，提高其纯度、完整性和掺杂均匀性，从而克服直拉硅单晶存在的问题。目前，8英寸的硅外延片已用于工业生产，12英寸硅外延片也已由实验室过渡到工业生产，更大直径的外延设备也正在研制中。
　　从提高ICs成品率、降低成本看，增大硅单晶的直径、解决硅片直径增大导致的缺陷密度增加和均匀性变差等问题，仍是大趋势；从提高硅ICs的速度和集成度看，研制硅深亚微米乃至硅纳米工艺所需的硅外延片(包括SOI材料)则会成为今后硅材料发展的主流。
　　
　　2.3 我国硅材料及其微电子产业现状
　　目前我国多晶硅的年产量不足100吨，约为世界总产量的0.35%，硅单晶约500吨年，约为世界总产量的3.5%，但多为8英寸以下单晶。硅片的加工能力约占世界年总产量的1%，几乎没有硅外延片的规模生产能力。我国目前已有多条6英寸ICs生产线，大都为0.5mm工艺以上；上海华虹和北京首钢NEC具有0.35mm工艺能力，并正在升级为0.25mm～0.18mm工艺。另外，上海、北京等地多条8英寸、0.25mm工艺的IC生产线已经或准备动工兴建。我国"十五"计划已将深亚微米(0.25mm～0.18mm)ICs列为12大高技术工程之一；微电子和光电子材料也列为重点支持的22个专项之一。到2010年，我国的微电子技术将有一个大的发展。
　　半导体广泛应用于家电、通信、网络、工业制造、航空、航天和国防，市场巨大。1994年电子工业市场为6900亿美元，1998年9358亿美元；其中半导体1994年市场1102.52亿美元，1995年1512.73亿美元，1996年1406.9亿美元，1998年下降到1300亿美元，近几年又有所回升。
　　
　　2.4 硅微电子产业基础材料发展建议
　　首先开展8英寸～12英寸硅单晶和6英寸～8英寸硅外延片实用化研究，21世纪初做到8英寸ICs生产线用硅材料的国产化，并有8英寸硅片的批量供片能力。到2010年，应有12英寸硅单晶、片材和8英寸～12英寸硅外延片材的规模生产能力。
　　建立多晶硅生产基地，2005年前至少要有1000吨生产能力，2010年应达3000吨左右。同时，利用多晶硅厂的副产品，建立满足国内光纤预制棒规模生产需求的高纯二氧化硅原材料生产基地。与此相应的化学试剂，高纯石英等也应同步发展。
　　2.5硅微电子产业发展难点
　　缺乏国家长远规划，引进常常同国内有一定技术力量的单位脱节，造成引进、落后，再引进、再落后的恶性循环。我国这方面的技术积累和技术力量相对薄弱，基础设施差。发展硅微电子技术所需的投资大，市场份额不确定，投资风险大。机制不健全，常见好一哄而上，无序竞争，造成众败俱伤。
　　
　　3 III-V族化合物半导体单晶材料
　　
　　3.1 GaAs、InP等化合物半导体材料的特点
　　以GaAs、InP为代表的III-V族化合物半导体是直接带隙材料，具有发光效率高、电子饱和漂移速度高、耐高温和抗辐射等特点，在超高速、低噪音、低功耗器件和电路，特别是在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势，并已在移动通信、光通信和高速宽带网等方面得到了广泛的应用，市场巨大!
　　
　　3.2 现况
　　目前GaAs世界的年产量约200多吨，其中未掺半绝缘(SI)GaAs约40吨，主要用于集成电路制造。直径为4英寸和6英寸的片材已商品化，8英寸的SI-GaAs单晶也已在实验室拉制成功。GaAsICs制造由3英寸向4英寸生产线的过渡已经完成，6英寸的GaAsICs实验生产线已建成投产。
　　
　　3.3 我国GaAs、InP单晶材料研究和生产现状
　　目前，我国2英寸HB掺杂GaAs单晶的生产能力约为1吨年；美国AXT在我国有3吨年～4吨年的生产能力。我国InP单晶虽已研制成功多年，但至今尚未有小批量生产能力。
　　我国目前SI-GaAs的生产能力每年大约0.5吨，主要是2英寸和3英寸材料。中科镓英等公司，将以4英寸和6英寸单晶和晶片为主攻方向，希望到2005年，我国能有2吨～3吨的生产能力并逐渐参与国际竞争，但应当看到国际竞争是非常激烈和残酷的，决不能轻视。
　　InP为基的III-V族化合物半导体材料体系在高速器件与电路应用上，已显出明显的优势。但大直径(100)取向InP单晶的关键制备技术尚未完全解决。
　　
　　3.4 GaAs和InP单晶发展趋势和遇到的挑战
　　GaAs和InP单晶的发展趋势是:增大晶体直径，提高单晶材料的纵向、横向电学和光学微区均匀性。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。由于垂直梯度凝固法(VGF)单晶生长技术具有纯度高、位错密度低等显著优点，很有可能成为GaAs和InP等晶体制备的主流技术，应当给予充分重视。另外，发展开盒就用的晶片制备技术――无亚表面损伤的圆片技术，也是产业化发展的必经之路。
　　我国发展GaAs等单晶材料所遇到的挑战可能是:与国外大公司相比，我国技术基础相对薄弱，尚未形成规模生产，因而在激烈竞争中市场占有可能存在较大风险。另外，还可能遇到来自大直径硅衬底上GaAs、InP等外延片的实用化的冲击。
　　
　　4 高温半导体材料与器件
　　
　　4.1 材料体系和应用环境
　　III族氮化物、碳化硅、氧化锌、立方氮化硼和金刚石以及II-VI族硫锡碲化合物及其固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等具有高热导、高电子饱和漂移速度和高临界电压等特点，是优异的高温微电子和光电子材料。主要用于汽车、航空、航天，石油钻探以及高温、大功率如数字电视发射模块、强辐射等恶劣环境。此外，III族氮化物还是优异的蓝、绿和紫光材料，可广泛地用于信息显示与存储等领域。
　　
　　4.2 高温半导体材料存在的问题
　　宽带隙异质结构材料多是大失配材料体系，即晶格常数、热膨胀系数等有较大差异的材料体系，如GaN蓝宝石、SiCSi、ZnOSi和GaNSi等，高密度的失配位错严重地影响着材料性能。无论是体材料还是外延材料都存在生长制备困难、加工工艺复杂等问题。宽带隙半导体材料是一个具有重要应用前景的体系，目前大多数材料仍处于研究阶段，不少关键的科学和技术问题尚待解决。如单晶金刚石薄膜生长和N型掺杂；ZnO基单晶、单晶薄膜制备和P型掺杂；无微管缺陷的SiC单晶薄膜的外延生长等。
　　
　　4.3 我国宽带隙半导体材料的研究现状
　　我国在该领域的起步也不晚，但由于投入强度低，设备落后，加之低水平重复严重等，目前与国际的差距还较大。但近几年来，由于公司的介入，以GaN为基的III族氮化物蓝、绿光材料和LED器件为生产目标公司纷纷建立，但规模都比较小，加之建设周期过长等，致使我国处于非常不利的地位。为摆脱这种不利局面，实行国家引导、统筹规划、加强合作方可在激列的国际竞争中占有一席之地。SiC体单晶和异质外延的制备研究，在我国"九五"863计划中已开始布点，虽有进展，但无突破。
　　
　　4.4 高温半导体材料与器件投资热点
　　(1)GaN基紫、蓝和绿光外延片和发光二极管产业化
　　应用前景好，市场巨大，如室外大屏幕显示、交通灯、超高密度光存储、海底通信、医疗和激光显示等。目前以GaN为基的III族氮化物蓝、绿光材料和发光二极管已经商品化，走在前面的是日本。
　　(2)白光照明技术的革命――全固态照明产业即将形成
　　合理的调配半导体发光二极管的三个基色，或利用在超高亮度GaN基蓝、紫光发光管管芯上涂敷相应组分的稀土发光材料，可形成白光照明光源。这种全固态光源与目前常用的白炽灯相比，不仅发光效率高、节约能源23，而且工作寿命提高10倍，加之工作电压低、安全可靠和无污染，是当前国内外研发的热点。我国是稀土大国，技术也不落后，只要抓住机遇，在该高新技术领域国际上占有一席之地是完全可能的。
　　(3)高温半导体材料衬底制备业发展前途光明主要应用于GaN基材料衬底等的蓝宝石单晶材料产业化前景好。我国目前已有几家公司从事这方面的研发，但都尚未形成规模生产。特别是开盒即用的晶片加工技术我国尚不成熟，急需开发。
　　(4)GaN基异质结构材料和SiC单晶制备技术产业化需求迫切
　　高温半导体材料不仅在光电子，而且在高频、大功率微电子技术应用方面的前景广阔。如数字电视发射模块需求大，潜在效益高。国防急用的全固态雷达发射模块，航空、航天、石油开采、汽车和核反应堆等恶劣环境的应用等。
　　
　　5 低维半导体材料
　　
　　5.1 定义和特性
　　若载流子仅在一个方向受到约束，另外两个方向可以自由运动，称量子阱材料；若载流子仅在一个方向可以自由运动，而在另外两个方向受到约束，称为量子线(QWR)材料；若载流子在三个方向的运动都受到约束的材料体系称为量子点(QD)材料。随着材料维度减少，量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿以及库仑阻塞效应等表现得愈来愈明显，这些效应构成了新一代固态量子器件的基础。
　　由于低维(一维、零维)半导体材料不仅具有超高速、超高频(1000GHz)、高集成度(1010电子器件cm2)和高效、低功耗特性，而且由于载流子在量子点中三维受限，导致的d态密度函数使量子点激光器具有比量子阱激光器相比更加优越，如超低阈值电流密度2Acm2(目前最好的QWLD为50Acm2)，高阈值电流温度稳定性理论上T0为无穷大，超高的微分增益至少为QWLD的一个量级以上，极高的调制带宽，在直流电流调制下无波长漂移工作和对衬底缺陷不敏感等特点；因而，在未来的纳米电子学、光子学和新一代VLSI等方面有着极其重要的应用前景，可能触发新的技术革命。
　　
　　5.2 低维半导体结构研发现状和发展热点
　　5.2.1 GaAs、InP基微结构材料发展现状
　　GaAs、InP基材料体系，如GaAlAs、GaInAs、AlInAs、GaInAs、AlInAs、GaInAsP等，已发展的相当成熟。如2DEG材料低温电子迁移率高达107cm2Vs，微结构材料的掺杂、组分和厚度均匀性(±1.5%)，缺陷密度和界面质量等可满足微电子、光电子器件与电路的要求，2英寸、3英寸和4英寸外延片已商品化，6英寸的外延片也已有产品出售。
　　5.2.2 半导体微结构材料产业化热点
　　高速信息网络用关键微电子和光电子材料与器件的产业化。信息技术用HEMT、PHEMT和HBT芯片制备技术；光纤通信用10Gbs光发射模块批量生产。
　　大功率量子阱激光器。用于制造连续和准连续大功率激光器和阵列的半导体量子阱材料是目前国际研发的另一个重要方向。连续功率输出为3瓦～5瓦的单管、数十到数百瓦单片列阵已有商品出售，万瓦级的组合列阵以及准连续兆瓦的大功率量子阱激光器已研制成功；但10瓦以上的大功率激光光纤模块对我国禁运。
　　5.2.3 大功率全固态激光器和全色显示潜在应用前景广阔
　　大功率、全固态激光器是一个在全色显示、激光加工、三维光存储、光刻、医疗、激光核聚变、激光同位素分离、激光武器、激光制导灵巧炸弹、激光雷达等上有重要应用前景的研究领域，它是人工晶体与大功率量子阱泵浦激光器结合的产物。日本已研制成功激光全色显示样机；美国军方研制的1兆瓦激光器已能同时拦截几个导弹目标；可精确跟踪火箭、卫星的Nd：YAG全固态激光雷达也已研制成功!
　　5.2.4 锗硅合金材料产业化前景看好
　　硅基光电集成一直是人们追求的目标，但硅是间接隙材料，发光效率低提高发光效率是关键。GeSiSi合金是目前研发的主流，优异的高频性能fT=160GHz可与GaAs材料媲美，椐报道已在手机上得到了应用，我国有一定的技术基础。2001年Motolora宣布在硅衬底上生长GaAs成功。在Si和GaAs之间生长钛酸锶间隙非晶柔性层，可吸收4.1%的晶格失配，在8英寸～12英寸Si衬底上淀积高质量GaAs成功，它的使用化必将促进硅基光电集成技术的发展。
　　
　　6 光学纤维材料和有机发光材料
　　
　　6.1 光学纤维研发进展
　　20世纪70年代低损耗的熔石英光纤研制成功，使光纤通信成为可能。第一代光纤起始于1978年，光缆长10km，传输速率100MbS。第二代单模光纤起始于1981年，波长为1.3mm，传输容量增加近10倍。第三代光纤通信的波长为1.55mm，使无中继传输距离和容量又增加几倍。20世纪末，掺饵光纤研制成功和波分复用技术的应用，使人类进入了100Gbs和100km无中继的第四代光纤通信时代。目前超大容量光纤通信系统实验室的最高水平为日本NEC的2.64Tbs和120km。
　　
　　6.2 我国光纤产业发展现状和对策
　　我国已有数千万芯公里的拉纤能力，但光纤预制棒多依赖进口；近年来已有10多家，如法尔胜、武汉长飞等已在预制棒拉制方面取得进展，但高纯SiO2和GeCl4等原材料尚未解决。另外还要考虑拉纤能力过剩和是否能打入国际市场问题，盲目上马的后果可能是严重的。
　　光纤通信技术的关键之一是发展新型光纤材料，以减少光在光缆芯中传播时受到的各种散射，最近研制成功的色散补偿光纤、光子晶体光纤等，在这方面迈出了重要的一步。
　　
　　6.3 有机发光材料
　　有机发光材料主要有两类:1987年Kodak公司发现的有机分子Alq和双胺；1990年英国卡文迪士实验室制成的共轭聚合物聚对苯乙炔(PPV)。目前绿光、蓝光和红光材料的半寿命可达10000小时以上，亮度最高为400cdm2。在低亮度显示市场有巨大潜力。OLED发光亮度、发光效率、稳定性和寿命以及蓝光和红光发光材料等仍须提高和改进。我国已有一定基础，但离实用化尚有距离。
　　
　　7 人工晶体材料
　　
　　7.1 应用领域
　　人工晶体在光通信、三维光存储、光计算、激光加工、医疗、光倍频、全光显示和国防等方面有重要应用。其中非线性光学晶体BBO、LBO为我国发明，其研究水平处于国际前沿。利用BBO和LBO晶体，我国自己研制成功的全固态多波长光参量激光器，达到国际先进水平。
　　
　　7.2 线性光学晶体
　　大尺寸KDPKH2PO4主要用于惯性约束核聚变ICF的倍频晶体，我国山东大学晶体所研制的晶体重达250千克，初步满足了我国的研发要求。
　　
　　7.3 激光晶体(Ti：Al2O3)
　　利用我国自己发明的温梯法，已成功生长出重达5千克的高质量、大直径的掺钛蓝宝石晶体，利用这种晶体，已研制成功多种全固态可调协激光器，其中，输出功率为120mW、脉冲宽度为28飞秒的飞秒激光器样机也已经试制成功。
　　
　　7.4 全固态激光器
　　采用泵浦激光二极管(量子阱激光器2W～3W；激光光纤模块>35W)泵浦激光晶体Nd：YVO4和Nd：YAG等，可产生1.06mm激光，经非线性光学晶体BBO和LBO等倍频、和频等，可产生红、蓝和绿三基色光。
　　
　　7.5 人工晶体材料产业发展建议
　　建议我国目前应以大尺寸、高光学质量和高成品率的Ti：Al2O3Nd：YVO4和Nd：YAG激光晶体生长和规模生产为主攻目标，特别应注重拉晶设备的自动化。非线性光学晶体LBO、BBO、KABO、CLBO和KDP等的关键是在提高光学质量的基础上进一步增大尺寸和批量生产能力。重视晶体的后加工技术研究，提高产品的附加值和国际竞争能力。目前，要特别注意避免低水平重复和盲目上马；无序竞争将损害国家利益。人工晶体和大功率泵浦激光器相结合研制全固态激光光源(RGB、紫外和超紫外等)是目前该领域的主要发展方向。我国在这方面已有一定的基础，坚持下去，有望取得突破。
　　
　　8 信息功能材料研发和产业化重点建议
　　
　　8.1 产业化项目
　　(1)大直径GaAs、InP单晶和片材
　　SI-GaAs以液封直拉生长技术为主，重点发展垂直梯度凝固生长技术和GaAs、InP晶片制备技术。
　　(2)GaAs基、InP基微结构材料和器件
　　重点发展高速信息网络用关键微电子、光电子材料与器件的产业化关键技术，如信息技术用HEMT、PHEMT和HBT芯片制备技术，光纤通信用2.5Gbs～10Gbs光发射模块小批量生产关键技术。
　　(3)GaN基光电子材料与器件
　　重点发展GaN基紫、蓝、绿光外延片批量生产和芯片制备技术以及全固态白光照明技术研究。
　　
　　8.2 前沿高技术相关研发项目
　　(1)20Gbs-40GbsDFB激光器+EA调制器及其高速驱动电路集成芯片及器件。
　　(2)无Al量子阱激光材料、激光器和阵列及其大功率激光纤耦合模块。
　　(3)窄禁带氮化物垂直腔面发射激光器材料与器件。
　　(4)GaN基激光材料和全固态白光照明技术研究。
　　(5)量子点激光材料和大功率量子点激光器。
　　(6)中红外量子级联激光材料和量子级联激光器。
　　(7)SiC体单晶和外延薄膜制备技术。
　　(8)大面积(直径)GaN和ZnO等单晶(衬底)制备技术。
　　
　　8.3 前瞻性、战略性研究项目
　　(1)低维半导体结构、量子器件及其集成技术探索。包括硅基单电子存储器和单电子晶体管及其集成探索，应变自组装量子点(线)的可控生长和量子点(线)器件，微腔激光器和光子晶体和稀磁半导体异质结构与自旋极化量子器件。
　　(2)大失配异质结构材料体系柔性衬底技术研究。理想的柔性衬底准确地说是柔性层与刚性的衬底和外延层之间分别是通过范得瓦耳力和键合力结合，它可用于吸收大晶格失配带来的应变，避免在外延层中产生大量的失配位错和缺陷。深入开展硅基悬浮柔性层、量子点柔性层、活性原子层和重位晶界柔性层等制备技术研究，对开拓新型异质结构材料体系有着极其重要的意义。
　　(3)钙钛矿结构氧化物半导体材料体系的探索研究。ZnO单晶和ZnO基(Zn，MgO等)异质结构材料制备和P型掺杂技术，钙钛矿结构氧化物兼有绝缘体、半导体和超导体性能，对钙钛矿结构氧化物结构和性质的深入研究，有可能开拓一条研制新型宽禁带半导体材料的途径。
　　(4)单晶金刚石薄膜制备和N型掺杂技术研究。金刚石有着极高的硬度、导热率、抗辐射、耐高温与抗腐蚀和优越的光学与电学性能，一直是材料科学研究的热点，但至今未能取得突破，坚持进行创新研究，有望在此领域取得领先地位。