半导体制造业是人类科技文明的集大成者。发展锑化物半导体已成为我国第四代半导体核心技术发展的战略性方向之一。

“锑化物半导体为突破传统体系的技术封锁，提供了自主掌握命门技术的钥匙。”日前，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员、国家重点研发计划量子调控与量子信息项目负责人牛智川告诉科技日报记者。

前三代难以满足新需求

半导体与原子能、计算机、激光并称为当代四大技术发明，是当代科技和社会经济发展的前沿方向和重大领域。

“半导体科学成为信息时代的战略性科技领域，首先得益于上世纪初量子理论在固态体系中的衍生发展与深入完善，同时又依赖于半导体制造技术的创新迭代与产业应用。”牛智川说。

迄今为止得到公认的半导体代际技术所对应的材料体系已经明确：基于Ⅳ族硅Si、锗Ge元素的第一代半导体；基于Ⅲ－Ⅴ族砷化镓、磷化铟的第二代半导体；基于Ⅲ－Ⅴ族氮化镓、Ⅳ族碳化硅的第三代半导体等。

“伴随当前量子信息、可再生能源、人工智能等高新技术的迅速涌现和发展，半导体新体系及其微电子、光电子、磁电子、热电子等多功能器件技术持续催生。虽然前三代经典半导体技术持续发展，但已经呈现出难以满足新需求的严重问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的苛刻要求。”牛智川说。

锑化物半导体独受青睐

新一代的半导体技术在哪里？

牛智川介绍，目前，具有重大发展潜力成为第四代半导体技术的主要体系有：窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体；超宽带隙的氧化物材料；其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。

新体系中的锑化物半导体当之无愧占据了第四代半导体的核心地位。锑化物半导体作为经典Ⅲ－Ⅴ族体系在本世纪初重新得到广泛重视。从2009年起国外将锑化物半导体相关的材料和器件列为出口封锁和垄断技术。

“锑化物半导体在开发下一代的小体积、轻重量、低功耗、低成本器件，及其要求极为苛刻的应用方面具有不可替代的独特优势。”牛智川说。

事实上，锑化物半导体的重要性早被预言。

“77年前，著名物理学家、中国固体和半导体物理学奠基人之一的黄昆先生就提出半导体超晶格理论思想，在黄昆理论的指导下，我国与国际同步研发出锑化物超晶格等低维材料体系，成为继第三代半导体后最具发展潜力的新一代半导体可塑体系。”牛智川说。

研究进入快车道

从2005年开始，我国锑化物半导体研究进入快车道。中科院半导体研究所、上海技术物理研究所等研究机构率先突破了锑化镓基砷化铟／锑化镓超晶格焦平面技术，性能基本保持与国际同步的发展水平。中国科学院半导体研究所还研制出多种规格的锑化镓基铟镓砷锑量子阱激光器。

“与国外相比，国内的红外器件与集成组件长期存在技术代差，无法满足相关装备技术的换代发展。锑化物半导体光电器件具有优良的性能和低廉的价格，具备化解这个矛盾的关键优势。”牛智川说，我国在锑化物半导体技术方面的研究成果为此提供了赶超途径。

如今，国内的锑化物超晶格探测器、量子阱激光器技术等正在步入产业化应用发展阶段。比如，中科院半导体所研制的锑化镓衬底实现了2—3英寸直径衬底的量产，最大尺寸达到4英寸；同时，实现了2—3英寸直径、500—1000片／年的锑化物多功能低维材料外延晶圆的开发，研发了4英寸分子束外延技术，突破了国外封锁，保障了我国独立研发锑化物半导体技术的可持续性。

无论是技术创新的前沿性还是重大应用的迫切性，开展第四代半导体锑化物器件技术的研发与应用势在必行。对此，牛智川说，他和团队已经做好准备。