面向后摩爾時代的異質(zhì)集成材料

計算時代和通信時代經(jīng)過30多年的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)逐步邁入“感知”時代。計算時代和通信時代依靠“摩爾定律”（Moore's Law）的單一互補金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）創(chuàng)新來推動，目前CMOS的“納技術(shù)”已接近物理極限。“感知”時代發(fā)展的原動力來自以新摩爾定律(More than Moore，MtM)為主的“微技術(shù)”（Micro Technologies）跨領(lǐng)域融合創(chuàng)新。

MtM微技術(shù)依托現(xiàn)有CMOS技術(shù)，將具有不同功能的非數(shù)字器件互相組合，包括微能源器件、光電器件、射頻器件、功率器件、微系統(tǒng)（MEMS）、生物功能器件等與CMOS電路集成，從而實現(xiàn)具有無限應(yīng)用可能的半導(dǎo)體技術(shù)。針對廣泛的感知需求領(lǐng)域，MtM微技術(shù)需要開發(fā)紛繁復(fù)雜的各類傳感器件。盡管硅材料是成熟半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展基石，但是硅材料難以開發(fā)出具有不同應(yīng)用需求的各類功能器件。例如，針對光電器件及射頻器件需求，需要開發(fā)化合物半導(dǎo)體材料；針對功率器件需求，需要開發(fā)寬禁帶半導(dǎo)體材料；針對MEMS需求，需要開發(fā)具有特殊結(jié)構(gòu)的異質(zhì)材料；針對生物功能需求，需要開發(fā)生物兼容材料等。

與此同時，未來微電子、光電子器件及智能微系統(tǒng)將繼續(xù)沿著小型化、集成化和智能化的方向發(fā)展，所需的微系統(tǒng)芯片功能更加復(fù)雜化、多樣化和兼容一體化。這種發(fā)展趨勢對異質(zhì)集成技術(shù)提出了更高的要求，異質(zhì)集成技術(shù)將為后摩爾時代微電子技術(shù)的發(fā)展開辟一條全新的道路：在保持原有器件和工藝尺寸的基礎(chǔ)上，發(fā)展異質(zhì)材料與多種功能器件的一體化集成技術(shù)，從而實現(xiàn)單一芯片的功能多樣化，特別是實現(xiàn)光電、微能源、模擬、射頻、無源器件、MEMS器件的單芯片集成。

異質(zhì)集成技術(shù)應(yīng)用廣泛

由于大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，預(yù)計2020年IT行業(yè)將消耗世界能源消耗總量的70%，低功耗集成電路是微電子領(lǐng)域一個重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的硅材料相比，III-V族半導(dǎo)體具有很高的電子遷移率，例如，砷化鎵（GaAs）和銻化銦(InSb)的電子遷移率分別是硅的6倍和50倍，在CMOS晶體管中集成基于III-V族材料的N溝道場效應(yīng)晶體管（n-FET）可以實現(xiàn)高速、低功耗集成電路。硅基III-V異質(zhì)集成將為大數(shù)據(jù)時代的到來提供綠色的IT解決方案。

另一方面，世界各國把硅基光電子技術(shù)作為國家戰(zhàn)略科技，通過光電集成突破極大規(guī)模集成電路的極限，實現(xiàn)芯片上數(shù)據(jù)中心“On-chip data center”的目標。硅基光電子集成的關(guān)鍵是將制備激光器所需的III-V族半導(dǎo)體材料，如磷化銦（InP），集成在硅基襯底上。相對于硅材料，III-V族半導(dǎo)體材料的能帶為直接帶隙，具有優(yōu)異的發(fā)光特性。在通信設(shè)備中，射頻前端的有源器件已經(jīng)能夠采用硅基CMOS、鍺化硅（SiGe）、GaAs等半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)多芯片甚至單芯片集成，但是大量無源器件仍然無法芯片化，需要通過異質(zhì)集成的方法將射頻前端所涉及的器件芯片化、集成化，實現(xiàn)通信電子系統(tǒng)的小型化、低功耗和高性能。特別是應(yīng)用于濾波器的高品質(zhì)單晶壓電薄膜（如LiNbO3）的異質(zhì)集成技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。在高效太陽能電池的研究中，將具有不同帶隙的III-V半導(dǎo)體集成，可以實現(xiàn)對太陽光的寬光譜吸收。目前，世界上最高效率的太陽能電池在297倍聚光濃度下光電轉(zhuǎn)化效率高達44.7%，它也是通過不同半導(dǎo)體材料的異質(zhì)集成來實現(xiàn)的。

后摩爾時代微電子技術(shù)發(fā)展路線

總之，異質(zhì)集成可以充分利用不同半導(dǎo)體材料及其他功能材料特殊的能帶結(jié)構(gòu)和物理性能。一方面可以制造頻譜更寬闊、功能更豐富、性能更優(yōu)異的微電子和光電子器件；另一方面可以實現(xiàn)分立器件的單芯片集成，推動電子系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展。

異質(zhì)集成材料制備技術(shù)

發(fā)展異質(zhì)集成技術(shù)首先要解決不同半導(dǎo)體材料及功能薄膜的異質(zhì)融合問題，這將為今后實現(xiàn)器件及系統(tǒng)的集成提供重要基礎(chǔ)。在材料異質(zhì)集成方面，傳統(tǒng)的外延生長方法，如分子束外延、金屬有機化學(xué)氣相外延、化學(xué)氣相沉積、物理氣相外延和磁控濺射等發(fā)揮了重要的作用。但是，由于異質(zhì)外延存在著晶格失配、晶型失配、互擴散與反向疇等問題，薄膜的質(zhì)量和異質(zhì)集成的靈活性受到了嚴重的影響。例如，硅光集成首先要解決制備激光器所需的III-V族材料與硅襯底的晶圓級集成問題，然而，III-V族化合物半導(dǎo)體材料GaAs、InP、InSb、砷化銦（InAs）與Si之間的晶格失配分別為3.9%、8.0%、19.5%、11.5%，很難通過異質(zhì)外延生長技術(shù)直接制備高質(zhì)量的硅基III-V質(zhì)集成襯底。同時，異質(zhì)外延生長無法在多晶、非晶或者柔性襯底表面集成高質(zhì)量的單晶薄膜，也不能滿足不同晶型材料異質(zhì)集成的需求。因此，僅僅采用異質(zhì)外延的生長方法，不能滿足未來異質(zhì)集成技術(shù)發(fā)展的需求。

異質(zhì)集成多功能芯片

離子束剝離實現(xiàn)單晶薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)示意圖

為突破傳統(tǒng)異質(zhì)外延方法在晶圓級異質(zhì)集成材料制備中的物理極限，并實現(xiàn)類似“anything-onanything”的更為靈活的單晶薄膜異質(zhì)集成方案，我們研究了一種基于離子束剝離與轉(zhuǎn)移的異質(zhì)集成材料制備技術(shù)。該技術(shù)可以從任意單晶襯底上剝離厚度在納米尺度的薄膜，并將其與異質(zhì)材料進行組合，為實現(xiàn)高質(zhì)量異質(zhì)集成材料提供了簡單、高效的手段。

離子束剝離與轉(zhuǎn)移的物理本質(zhì)是通過氫或氦等輕元素離子注入，在單晶襯底的特定深度處形成富含注入離子的氣泡和孔洞，并形成剝離缺陷層。在加熱過程中，注入氣體的膨脹作用使表層薄膜從單晶襯底上分離。再通過晶圓鍵合，剝離的薄膜轉(zhuǎn)移到任意襯底上形成異質(zhì)集成材料。離子束剝離技術(shù)可以發(fā)展成為一種制備晶圓級異質(zhì)集成襯底的通用技術(shù)。該技術(shù)可以解決在任何材料表面（如柔性襯底、非晶或多晶材料表面）上制備單晶薄膜的難題，為異質(zhì)功能器件如COMS、功率、MEMS、光電等的單片集成提供解決方案，極大地提高器件的集成度與設(shè)計的靈活度。該方法具有以下幾點優(yōu)勢：（1）薄膜與基底通過鍵合的方式集成，對晶格匹配度幾乎沒有要求，薄膜材料與襯底材料的選擇較為靈活；（2）離子注入剝離轉(zhuǎn)移的薄膜具有體材料的單晶質(zhì)量；（3）體單晶可以循環(huán)剝離薄膜；（4）可以在同一襯底上同時集成不同種類的高質(zhì)量薄膜，且各薄膜材料的性能不受制備過程的影響。

離子束剝離與薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)首先在制備絕緣體上的硅材料（SOI）方面已經(jīng)取得巨大的成功，采用這種方法可以將單晶硅（100）薄膜轉(zhuǎn)移到非晶SiO2表面上，形成異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)。SOI材料已經(jīng)成為集成電路發(fā)展的戰(zhàn)略性先進襯底材料。面向后摩爾時代對異質(zhì)集成襯底的需求，我們采用該技術(shù)開展異質(zhì)集成材料XOI(X-on-insulator，X=III-V、功能薄膜)制備的機理和應(yīng)用研究，為實現(xiàn)核心電子材料和器件的異質(zhì)集成提供材料支撐。目前，我們正在開發(fā)應(yīng)用于硅光集成和高效太陽能電池的硅基InP復(fù)合襯底制備、應(yīng)用于射頻前端的單晶壓電薄膜異質(zhì)集成襯底（POI）、應(yīng)用于惡劣環(huán)境MEMS器件的硅基碳化硅集成襯底（SiCOI）等面向不同應(yīng)用需求的XOI襯底材料。