2 0 惦年( 第四嗣) 中田纳米科技西安研讨会论文集 2 I 陋t k 掣“C h i n e s e 跚啪p o 醯岫恤N a n o s c i e n e e & 弧! c I 糖D h 科力争促使纳米硅器件进入产业化何字亮1 、2 王树娟2( 1 南京大学物理系，南京2 1 0 0 9 3 )( 2 。江苏省纳米材料与器件技术中心)擅要：经长期研究已发现纳米硅( n c S i ：H ) 薄膜是一种具有实用前景的功能半导体材料。在研制成的纳米硅异质结二极管，薄膜太阳能电池以及灵敏传感中已显示出它的优异性能，具有进入产业化的前景和可行性。强调在纳米技术产业化的进程中企业应担负起重要角色，国家也应给经相应的政策。关键词：纳米硅薄膜：产业化1 概况纳米技术是2 1 世纪世界科技发展的主流，我国对纳米技术的发展也给予了很大的重视，国家专门成立了纳米科技发展中心。尤其近些年许多省市都先后成立了纳米科技发展中心并投入一定的资金。纳米技术的核心是纳米器件及其应用。这是国家在发展纳米科技事业中早已明确了的方针。首先是因为当今微电子学往纳米电子学发展过程中必然要依靠一些具有新颖特性的纳米电子器件的出现。如利用量子点特性设计的单电子晶体管、量子振荡器，量子逻辑电路，利用纳米碳管的特殊性能构成的放大电路等，这些都是当前国内外实验室重点研究的课题。另一方面，如何利用纳米技术改善( 造) 传统产业是纳米技术发展中的另一主题，更是当务之急( 因见效快，投资相对较低) 。我们在操作“江苏省纳米材料与器件技术中心”过程中首先选取了后者，即选取使用纳米硅薄膜技术开展一些市场上急需的纳米硅二二板管，如超高速开关管、变容二板管、肖特基二极管为我们的首发产品，经过中试后即将打入市场。同时还继续使用纳米硅薄膜技术开展一些更高深层次的新产品，如薄膜场效应晶体管，传感器以及纳米硅薄膜太阳能电池等，走我们自己的研发道路，并拥有我们自己的知识产权。2 纳米硅薄膜的特殊性能：纳米硅( n c S i ：H ) 薄膜是一种由大量硅细微晶粒( 几个n m 大小) 和包围着它的晶粒界面组织构成的一种新型纳米电子材料。纳米硅薄膜中的晶粒是晶态的，其大小为3 8 r i m 占整个薄膜层的体积百分比一5 0 ，另外5 0 是由无序排列的硅原子构成的晶粒间界面区，其厚度为2 4 个原子层。这种新颖的结构使得纳米硅与现有的半导体材料单晶硅( c S i )和非晶硅( a S i ) 有着明显的区别并呈现出一系列鲜为人知的特殊性能u 。利用这一系列特殊性能我们可以用来研制许多新型的纳米硅器件，并有可能去开创一门新的产业。首先，纳米硅薄膜的电子输运机制已完全不同于单晶硅和非晶硅。由于纳米硅薄膜中的细微晶粒仅几个r i m 大小，微晶粒中的电子已具有量小化特征，使微晶粒变成了量子点( Q 、D ) ，纳米硅中的电子输运已变成电子穿越各量子点( 微晶粒) 的量子隧穿机制，不再是通常半导体中的热激发机制了。这一效应的直接结果是使纳米硅薄膜的电导率随温度的变化关系非常微弱，这是纳米硅器件温度稳定性极好的物理依据。早在十多年前我们就在实验上观查到研制成的纳米硅隧道二：极管中呈现出量子振荡现象( 2 ) 。近年来我们又发现在制成的纳米硅与单晶硅异质结界面上呈现出二维电子气现象( 量子效应) ，它能使电子的迁移率超过1 0 0 0 c m 2 v s ( 单晶硅的最高迁移率为。5 0 0c m 2 v s ) 这为研制开发纳米硅量子功能器件和H E M T 器件提出了理论依据3 。神p 泰煎放，口m - - 雌T n “ m O 啊2 0 惦年( 第四届) 中蛋纳米科技西安研讨会论文集 2 0 帖t h e4 蛆C h l n e 豫S y m p o u mO nN m m 酏l e n e e T e c h n o l o g y i 叠鼍童一I I I 皇鼍薯薯焉岛嗣瞄薯薯 3 纳米硅器件的独特性能在对纳米硅薄膜的微结构，人为可控掺杂以及热稳定性进行了长达1 0 多年的研究后，我们对纳米硅器件开始了系统性研究。先选用最简单的二极管入手，在南京信息产业部5 5 所协助下已研制成纳米硅超高速开关二极管，并获得下列一些目前( 单晶) 硅器件所不具备的特殊性能，如：1 、温度稳定性优于常规半导体二极管，在高达2 5 0 温度下还能正常工作。2 、反向漏电流I r 为n At t 级( 1 0 L l O 1 0 安培) ，3 、反向开关时间t r 1 0 n s ( 1 0 母秒) ，4 、反向击穿电压V b 1 5 0 伏，为硬击穿，5 、在V = 4 V 范围内，整流比r = 1 0 4 1 0 6 6 、结电容变化率C o C 。1 0 这使我们认为，纳米硅薄膜在改普现有硅器件性能方面已具有了现实性和实用价值。把我们目前已研究成功的纳米硅超高速二极管及变容二极管与相近类型的硅二极管的性能进行对比，列入表1 和表2 中。表1 纳米硅超商速开关二板譬与f 两类单晶硅二擞管参数对比击穿电压正向微分电阻结电容反向恢复时间最高工作温度 型号 甜R t f )c p , t r n sT m a x 。C单晶硅 8 03 5O 1 O 28 012 5 W K 3 2 开关管单晶硅W K 3 2 5 P I N 管纳米硅开关二极管4 51 5 0 1 21 0 3 00 5 0 61 1 2 53 0 01 2 51 0从表1 、表2 所阐述的两种类型二级管可见，使用纳米硅薄膜制成的半导体二极管具有更高的】：作温度，具有极好的热稳定性。能消除在( 单晶) 硅二极管中普遍存在着的频率漂移现象( 如在短波收音机中的频率漂移) ，并且开关速率已超出单晶器件，具有可观的市场开发前景。纳米硅薄膜的崭新性能还会具有一系列更深层的应用前景。例如，量子功能器件已被认为是发展纳米电子学中的主流器件。目前在国内外实验室里正在热衷于采用先进的工具S T M ( 扫描隧道显微镜) 用一个个移动硅原子的办法搭成微小的量子点( 几个n 大小) 。此方法固然是先进的，但是构成一个量子点速度极慢，如要形成商业性质的产鼎距离m还相当远。然而使用半导体工艺中生长薄膜技术常使用的P E C V D 方法沉积成的纳米硅薄膜，膜中的量子点( 几个n m一一一一一一一一毋妙熊纛。熟，謦加帖年( 第四届) 中田纳米科技西安研讨会论文集舢t h e4 mC 瑚黼s 1 团畦m 妇O nN 嗣硼霸d e e & T e c h n o l o g y大小) 是大量的，其排列虽然有些不整齐，但经我们的实验证实，它已有可能在室温范围内呈现出量子特性，可直接用来制造能在室温范围工作的量子功能器件，这一目标在短期内( 几年) 可实现，何乐而不为!在当前发展着的“绿色能源”中，太阳能电池已成为首当其冲的角色。太阳能是普通存在于宇宙空间的，是用不完的，也不会对环境造成污染。然而要想普遍使用太阳能则薄膜型太阳能电池是必然的发展方向。在薄膜太阳能电池中目前还局限于非晶硅材料，然而，由于非晶硅薄膜存在严重的光退化机制( 俗称S w 效应) 长期以来限制了光电转换效率的提高和正常使用，在我们的研究工作中早在十年前就已指出：在具有一定晶态比的微晶硅和纳米硅薄膜中不存在s w 效应。近几年，国外也有人从理论上预见，纳米硅太阳能电池的光电转换效率可达3 1 7 ，业已超过单晶硅太阳电池的光电转换效率( 2 8 ) 。表3 是近期我们与上海交通大学太阳能研究所联合研制成的纳米硅薄膜太阳能电池的电学参数。数据是由天津国防区域计量站3 0 0 4 校淮实验室监测的。可见，不论在玻璃村底上或是C S i 衬底上制成的纳米硅薄膜太阳能电池已显示出它所具有的优越性。为了对比，表3 最后一栏列入了国内某能源研究所制作的晶体硅薄膜电池的电参数。灵敏的传感器也是当前市场上稀缺的产品，早在十年前我们曾研究了纳米硅薄膜的压阻效应，并发现具有纳米结构的硅薄膜中其压阻参数具有最大值，是单晶硅、多晶硅和非晶硅的4 - 6 倍，且具有较好的稳定性。所以说纳米硅薄膜也是研制灵敏传感器的好材料帕) 。表3 纳米硅薄膜太阳能电池电学参数4 纳米硅器件的市场前景自上个世纪五十年代诞生了半导体晶体管( 以锗、硅材料为主体) 以来已经经历了半个多世纪。晶体管的问世引起了产业革命并诞生了微电子学科。迄今为止，晶体管及其集成电路的制作材料一直以( 单晶) 硅为主体，它每年按( 1 3一1 8 ) 的年比例增长。有人曾估计，在今后几十年内( 单晶) 硅在微电子学以及新兴起的纳米电子学领域中仍将占有主导地位( 7 ) 。据世界半导体市场的统计，全世界分立器件( - - 极管、晶体管) 市场，2 0 0 1 年为1 8 5 4 6 亿美元，2 0 0 2 年为2 0 0 1 4亿美元，2 0 0 3 年为2 0 5 5 8 亿元，占整个半导体市场总额的7 。1 1 。从1 9 9 9 年到2 0 0 3 年平均年增长为1 1 3 ，证明世界半导体分立器件的市场有发展空间。从全球半导体策略研讨会上传出信息称，直到2 0 0 5 年中国大陆的半导体生产值为1 7 0 亿美元，两市场需求值为2 4 2 亿美元。最近中国囡际集成电路总经理张汝京曾说：2 0 0 0 年中国大陆I c 生产间釉拳塑扶，h u a I ，嘲 t 口”w 帅I枷5 年( 第四届) 中嗣纳米科技西安研讨会论文集 2 舯5t h e4 “C h h l 饿S y m l x 堵l mo 糠N a n o s c i e n c e T e c h n o l o g yi I “ I I I I I Ii量为1 0 5 亿只产值为4 5 亿美元，而大陆的需求量为2 1 5 亿只市场需求值为8 5 亿美元，到2 0 0 5 年大陆I c 的产量i r 达4 0 0 亿元，而需求量为2 2 0 亿元。今后全球半导体市场可保持以1 5 的年增长率，而中国大陆可维持3 0 的增长率，所以待发展的空间是相当大的( 8 ，。上述分析虽然是以( 单晶) 硅为基础原料生产的硅器件，在今后几十年内它仍具有相当大的发展前景与市场开发空间，纳米硅已成为硅家族中一个重要成员，它是纳米半导体领域内一项高新技术，在后硅时代它将会发挥出重要的作用。按前节所述，我们在今后几年内将逐步地，一个个的以纳米硅材料为母体取代单晶硅器件我们计划在纳米硅器件正式投产后，在2 3 年内可取代( 2 3 ) 的市场容量，五年以后进一步取代5 的市场容量，其前景应该是乐观的。5 企业是技术创新的主要基地中科院国情研究中心胡鞍钢教授指出：近期，中国技术的主要来源是国外技术，而中国国内技术创新的主体是企业( 包括外企) ，这是中国国情的基本事实。在中国自身的技术创新当中，效率最高的应为企业研究机构，其次才是阉有研究机构( 大学、研究所) 。我( 何宇亮) 是南京大学退休教授，、自五十年代起，我终生从事半导体研究与教学( 1 m 。自改革开放以来从事纳米硅薄膜材料研究，可以说在国内起了带头作用。自2 0 0 0 年以来在市场经济的吸引下也想把自己的研究成果转化为生产力服：务于社会，但是由于投资商不能落实经费一无所成还在经济t ：给自己造成不小的损失。臼2 0 0 2年江苏省成立纳米材料与器件技术中心后，经学校推荐得到江苏省威孚高科技有限公司的资助，开展了我们的纳米硅器件的研发工作，迄今已进行了两年，且已初见成效，不久将会在国内生产出第一批纳米硅器件投入市场。在总结工作经验的同时，我们还想指出：任何一项高新技术都是带有风险性的。其中技术含量越离，难度越大，风险程度也越大。从我们的