半导体技术的未来发展

半导体技术的未来发展
半导体技术的未来发展

1. 信息技术的革命

信息传输。信息量的爆炸式的增加,对信息通道的容量要求越来越大。在网上传递的不仅是文字、而且还有音乐、图像、电视信号等;不仅是有线,还需要无线;不仅是洲际、国际、城际,而且需要局域网。为此需要发展新的通信系统,如综合业务数字网络(ISDN)以及多媒体技术等。

信息处理,包括文本处理、知识处理、图像处理以及语言识别、图像识别、智能化处理等。人工智能就是通过计算机实现了某些人的智能。例如:理解和发出语言、识别图像、作数学证明、下棋、音乐作曲、进行专业鉴定、医学诊断等。计算机将把人们从一部分日常的脑力劳动中解放出来,并且通过应用“思维工具”把人们的智慧扩大到以前不可想象的程度。

2. 更高的集成度

世界集成电路主流工艺将经过:2007年的65纳米(集成电路线宽)、2010年的45纳米、2013年的33纳米、以及2016年的22纳米工业化生产的4个发展阶段。为此,就必须解决一系列的关键技术和专用设备,如:新型器件的研发(非传统CMOS器件、新型存储器、逻辑器件等),IC设计、封装、和测试技术,新型光刻机、刻蚀机等配套设备等。半导体器件的尺寸不能无限制地减小,如果器件尺寸小到电子的德波罗依波长(10纳米),量子效应将会更加明显,这时需要设计建立在量子力学原理基础上的新型半导体器件。

3. 半导体光电器件

半导体光电器件向更长和更短波长、更大功率、更高工作频率的方向发展。大功率激光器列阵分准连续(QCW)器件与连续(CW)器件,它们除了作固体激光器的泵浦源外,还可直接用作材料加工、医疗、仪器、敏感技术、印刷制版等,进入传统中由非半导体激光器主宰的市场,代替气体、固体激光器。AlGaN/GaN异质结双极晶体管具有线性好、电流容量大、阈值电流均匀等优点,主要应用在线性度要求高、工作环境苛刻的大功率微波系统中,如军用雷达、通信等;还可应用于在苛刻环境下工作的智能机器人等系统中。

4. 集成光学和集成光电子学

由集成在半导体薄膜上的激光器、调制器、波导、光栅、棱镜和其它无源光学元件构成的系统叫做集成光学系统。集成光学系统用光互连代替电互连,在计算机和通信系统中具有通带宽、信息量大、损耗小、速度快、能并行处理、抗电磁干扰等优点。硅材料的成本低廉、工艺成熟,在微电子器件中得到广泛应用。但是由于它是间接带隙材料,不能作发光器件。目前科学家们正在解决光源的问题,以便在硅材料上做到光电集成。

5. 半导体超晶格和量子线、量子点器件

半导体超晶格、量子线、量子点是低维结构,它们具有一些特殊的物理性质,如量子限制效应和电子运动的二维或一维特性,可以制成一些性能优异的器件,如:激光器、高电子迁移率器件、光双稳器件、共振隧穿器件等。当器件的尺寸、维度进一步减小,使得电子运动的平均自由程大于器件的尺寸时,电子在运动过程中将不受杂质、晶格振动等的散射,而作一种相干波运动。

利用这些特点预计可制造出超高速、超低电能的电子器件。例如量子点单电子晶体管将使动态随机存储器(DRAM)的功耗大大降低。

6. 半导体量子信息器件

目前的工艺已经能在半导体量子点上产生和探测单个光子,使得半导体量子点成为实现量子信息处理(量子计算、量子通信)最有希望的固体器件。量子信息科学技术的迅速发展,为精密测量、量子计算和保密通讯等领域都提供了全新的革命性的理论和实验方法。量子信息最关键的是利用光子的相干性。

光子作为量子理论中最基本的量子化实体,能够很容易地实现收集、传递、复制、存储和处理信息的全过程,具有作为量子通讯、量子计算载体的独特的先天优势。因此基于光子过程的量子信息处理器件是各种量子信息工程的基础,它的基本原理研究和制备必将为计算科学和通讯能力带来飞越式的发展。

7. 自旋电子器件

目前微电子器件是应用载流子电荷携带信息。如果一种材料能同时利用载流子的电荷和自旋属性作为信息的载体,将可以制造出具有非挥发、低功耗、高速和高集成度的优点的器件,甚至有可能引起电子信息科学重大的变革。掺磁性离子的稀磁半导体及自旋电子学(Spintronics)即应此要求而生。

实验发现,半导体中自旋相干时间已经达到ns量级,远远超过电荷的相干时间,预示着自旋电子学在未来量子计算和量子通信中的重要应用前景。实现自旋为基的量子计算机的主要困难是精确控制和保持自旋相干,因此如何产生自旋相干电子态,以及减小自旋退相干有许多物理问题需要研究和解决。

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