面向后摩尔时代的异质集成材料

计算时代和通信时代经过30多年的蓬勃发展，已经逐步迈入“感知”时代。计算时代和通信时代依靠“摩尔定律”（Moore's Law）的单一互补金属氧化物半导体技术（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）创新来推动，目前CMOS的“纳技术”已接近物理极限。“感知”时代发展的原动力来自以新摩尔定律(More than Moore，MtM)为主的“微技术”（Micro Technologies）跨领域融合创新。

MtM微技术依托现有CMOS技术，将具有不同功能的非数字器件互相组合，包括微能源器件、光电器件、射频器件、功率器件、微系统（MEMS）、生物功能器件等与CMOS电路集成，从而实现具有无限应用可能的半导体技术。针对广泛的感知需求领域，MtM微技术需要开发纷繁复杂的各类传感器件。尽管硅材料是成熟半导体技术的发展基石，但是硅材料难以开发出具有不同应用需求的各类功能器件。例如，针对光电器件及射频器件需求，需要开发化合物半导体材料；针对功率器件需求，需要开发宽禁带半导体材料；针对MEMS需求，需要开发具有特殊结构的异质材料；针对生物功能需求，需要开发生物兼容材料等。

与此同时，未来微电子、光电子器件及智能微系统将继续沿着小型化、集成化和智能化的方向发展，所需的微系统芯片功能更加复杂化、多样化和兼容一体化。这种发展趋势对异质集成技术提出了更高的要求，异质集成技术将为后摩尔时代微电子技术的发展开辟一条全新的道路：在保持原有器件和工艺尺寸的基础上，发展异质材料与多种功能器件的一体化集成技术，从而实现单一芯片的功能多样化，特别是实现光电、微能源、模拟、射频、无源器件、MEMS器件的单芯片集成。

异质集成技术应用广泛

由于大数据技术的快速发展，预计2020年IT行业将消耗世界能源消耗总量的70%，低功耗集成电路是微电子领域一个重要的发展方向。与传统的硅材料相比，III-V族半导体具有很高的电子迁移率，例如，砷化镓（GaAs）和锑化铟(InSb)的电子迁移率分别是硅的6倍和50倍，在CMOS晶体管中集成基于III-V族材料的N沟道场效应晶体管（n-FET）可以实现高速、低功耗集成电路。硅基III-V异质集成将为大数据时代的到来提供绿色的IT解决方案。

另一方面，世界各国把硅基光电子技术作为国家战略科技，通过光电集成突破极大规模集成电路的极限，实现芯片上数据中心“On-chip data center”的目标。硅基光电子集成的关键是将制备激光器所需的III-V族半导体材料，如磷化铟（InP），集成在硅基衬底上。相对于硅材料，III-V族半导体材料的能带为直接带隙，具有优异的发光特性。在通信设备中，射频前端的有源器件已经能够采用硅基CMOS、锗化硅（SiGe）、GaAs等半导体工艺实现多芯片甚至单芯片集成，但是大量无源器件仍然无法芯片化，需要通过异质集成的方法将射频前端所涉及的器件芯片化、集成化，实现通信电子系统的小型化、低功耗和高性能。特别是应用于滤波器的高品质单晶压电薄膜（如LiNbO3）的异质集成技术的发展具有重要意义。在高效太阳能电池的研究中，将具有不同带隙的III-V半导体集成，可以实现对太阳光的宽光谱吸收。目前，世界上最高效率的太阳能电池在297倍聚光浓度下光电转化效率高达44.7%，它也是通过不同半导体材料的异质集成来实现的。

后摩尔时代微电子技术发展路线

总之，异质集成可以充分利用不同半导体材料及其他功能材料特殊的能带结构和物理性能。一方面可以制造频谱更宽阔、功能更丰富、性能更优异的微电子和光电子器件；另一方面可以实现分立器件的单芯片集成，推动电子系统向小型化、集成化方向发展。

异质集成材料制备技术

发展异质集成技术首先要解决不同半导体材料及功能薄膜的异质融合问题，这将为今后实现器件及系统的集成提供重要基础。在材料异质集成方面，传统的外延生长方法，如分子束外延、金属有机化学气相外延、化学气相沉积、物理气相外延和磁控溅射等发挥了重要的作用。但是，由于异质外延存在着晶格失配、晶型失配、互扩散与反向畴等问题，薄膜的质量和异质集成的灵活性受到了严重的影响。例如，硅光集成首先要解决制备激光器所需的III-V族材料与硅衬底的晶圆级集成问题，然而，III-V族化合物半导体材料GaAs、InP、InSb、砷化铟（InAs）与Si之间的晶格失配分别为3.9%、8.0%、19.5%、11.5%，很难通过异质外延生长技术直接制备高质量的硅基III-V质集成衬底。同时，异质外延生长无法在多晶、非晶或者柔性衬底表面集成高质量的单晶薄膜，也不能满足不同晶型材料异质集成的需求。因此，仅仅采用异质外延的生长方法，不能满足未来异质集成技术发展的需求。

异质集成多功能芯片

离子束剥离实现单晶薄膜转移技术示意图

为突破传统异质外延方法在晶圆级异质集成材料制备中的物理极限，并实现类似“anything-onanything”的更为灵活的单晶薄膜异质集成方案，我们研究了一种基于离子束剥离与转移的异质集成材料制备技术。该技术可以从任意单晶衬底上剥离厚度在纳米尺度的薄膜，并将其与异质材料进行组合，为实现高质量异质集成材料提供了简单、高效的手段。

离子束剥离与转移的物理本质是通过氢或氦等轻元素离子注入，在单晶衬底的特定深度处形成富含注入离子的气泡和孔洞，并形成剥离缺陷层。在加热过程中，注入气体的膨胀作用使表层薄膜从单晶衬底上分离。再通过晶圆键合，剥离的薄膜转移到任意衬底上形成异质集成材料。离子束剥离技术可以发展成为一种制备晶圆级异质集成衬底的通用技术。该技术可以解决在任何材料表面（如柔性衬底、非晶或多晶材料表面）上制备单晶薄膜的难题，为异质功能器件如COMS、功率、MEMS、光电等的单片集成提供解决方案，极大地提高器件的集成度与设计的灵活度。该方法具有以下几点优势：（1）薄膜与基底通过键合的方式集成，对晶格匹配度几乎没有要求，薄膜材料与衬底材料的选择较为灵活；（2）离子注入剥离转移的薄膜具有体材料的单晶质量；（3）体单晶可以循环剥离薄膜；（4）可以在同一衬底上同时集成不同种类的高质量薄膜，且各薄膜材料的性能不受制备过程的影响。

离子束剥离与薄膜转移技术首先在制备绝缘体上的硅材料（SOI）方面已经取得巨大的成功，采用这种方法可以将单晶硅（100）薄膜转移到非晶SiO2表面上，形成异质叠层结构。SOI材料已经成为集成电路发展的战略性先进衬底材料。面向后摩尔时代对异质集成衬底的需求，我们采用该技术开展异质集成材料XOI(X-on-insulator，X=III-V、功能薄膜)制备的机理和应用研究，为实现核心电子材料和器件的异质集成提供材料支撑。目前，我们正在开发应用于硅光集成和高效太阳能电池的硅基InP复合衬底制备、应用于射频前端的单晶压电薄膜异质集成衬底（POI）、应用于恶劣环境MEMS器件的硅基碳化硅集成衬底（SiCOI）等面向不同应用需求的XOI衬底材料。