導(dǎo)論

　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是人類社會(huì)進(jìn)步的一個(gè)重要推動(dòng)力。人類社會(huì)的每一次科學(xué)技術(shù)革命都對(duì)社會(huì)發(fā)展和變革起著巨大的作用。托夫勒（A．Toffler）把人類社會(huì)歷史概括為三次浪潮，第一次浪潮為農(nóng)業(yè)革命，第二次浪潮為工業(yè)革命。而隨著人類科技水平的迅猛發(fā)展，隨之而來的則是第三次浪潮。在這次浪潮中，以電子信息產(chǎn)業(yè)為代表的高科技產(chǎn)業(yè)異軍突起，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中越來越占據(jù)重要的地位，人類社會(huì)正在踏入信息社會(huì)時(shí)代。

　　所謂信息社會(huì)，就是信息成為比物資和能源更為重要的資源，以開發(fā)和利用信息資源為目的的信息經(jīng)濟(jì)活動(dòng)迅速擴(kuò)大，逐漸取代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)而成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的主要內(nèi)容。信息經(jīng)濟(jì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)主導(dǎo)地位，并構(gòu)成社會(huì)信息化的物質(zhì)基礎(chǔ)。以計(jì)算機(jī)、微電子、光電子和通信技術(shù)為主的信息技術(shù)革命是社會(huì)信息化的動(dòng)力源泉。信息技術(shù)正在從根本上改變?nèi)藗兊纳�活方式、行為方式和價(jià)值觀念。

　　在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中，信息產(chǎn)業(yè)已逐漸成為世界強(qiáng)國(guó)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，人類越來越依賴于各種信息網(wǎng)絡(luò)和信息產(chǎn)品工作、學(xué)習(xí)和生活。運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)各種信息的收集、存儲(chǔ)、處理、傳遞和顯示，使得人類能以前所未有的速度、深度和廣度去認(rèn)識(shí)自然、改造社會(huì)和創(chuàng)新歷史。信息技術(shù)領(lǐng)域的每一次進(jìn)步和革命都成為促進(jìn)各國(guó)經(jīng)濟(jì)、文化和軍事發(fā)展的重要推動(dòng)力，而這些進(jìn)步和革命又與相關(guān)材料領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展不可分割。

　　材料是構(gòu)成整個(gè)物質(zhì)社會(huì)的基礎(chǔ)，人類在認(rèn)識(shí)、使用和制造材料領(lǐng)域的每一次進(jìn)步都成為促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要推動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人類在材料領(lǐng)域的創(chuàng)新越來越快，各種各樣的新材料大量涌現(xiàn)。這些新材料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用正成為各國(guó)科技和工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。

　　材料的分類方法有多種。如按材料的性質(zhì)來分，可分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料等；而按材料的應(yīng)用來分，又可分為建筑材料、生物材料、信息材料等。所謂的信息材料是指用于信息的獲取、存儲(chǔ)、處理、傳遞和顯示的微電子材料和光電子材料。以微電子材料和光電子材料為代表的信息材料是信息技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，信息材料領(lǐng)域的每一次創(chuàng)新都會(huì)推動(dòng)信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。

　　1．1信息材料的發(fā)展歷史

　　信息材料包括微電子信息材料和光電子信息材料兩大類，回顧它們的發(fā)展歷程，就能清楚看出微電子信息技術(shù)和光電子信息技術(shù)的發(fā)展歷程。

　　微電子技術(shù)作為信息技術(shù)的基石，發(fā)展至今已有五十余年的歷史。所謂的微電子技術(shù)就是指在幾平方毫米的半導(dǎo)體單晶芯片上，用微米和亞微米精細(xì)加工技術(shù)制成由一萬個(gè)以上晶體管構(gòu)成的微縮單元電子電路和由之而成的各種微電子設(shè)備。微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)推動(dòng)了整個(gè)世界的重大變化。

　　微電子技術(shù)是在傳統(tǒng)的電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1906年弗列斯特（D．Forest）成功研制出了世界上第一個(gè)電子三極管，這種真空玻璃管式電子器件的出現(xiàn)推動(dòng)了無線電、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播、電視、電子計(jì)算機(jī)等各種電子技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，開辟了人類歷史的一個(gè)新紀(jì)元。但是電子管技術(shù)存在著許多缺陷：體積大、能耗高、成本高、速度慢，與電子技術(shù)發(fā)展的需求相差甚大。隨著半導(dǎo)體材料、尤其是半導(dǎo)體硅材料的研究進(jìn)展，給電子技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。1947年巴丁（J．Bardeen）和沃爾特布拉頓（w．H．Brattain）研制出世界上第一個(gè)點(diǎn)接觸型晶體三極管；1949年肖克利（w．B．Shockley）提出了P—N結(jié)理論，并研制出實(shí)用化的結(jié)型晶體三極管，由此推動(dòng)了晶體管技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)；1952年達(dá)默（G．w．Dummer）首先提出制造單塊半導(dǎo)體集成電路的思想；1958年，美國(guó)得克薩斯儀器公司的基比爾（J．s．Kilby）和仙童半導(dǎo)體公司的諾伊斯（R．Noyce）幾乎同時(shí)發(fā)明了第一塊鍺集成電路和硅集成電路。集成電路的出現(xiàn)為微電子技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)，進(jìn)而大大推動(dòng)了現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展。

　　集成電路一經(jīng)面世，就得到了飛速的發(fā)展。1962年制成了只有12個(gè)元件的集成塊，至1965年已能制造芯片集成度在100個(gè)以下的晶體管單元，稱為小規(guī)模集成電路（SSI），同年底又出現(xiàn)了集成度在100～1000個(gè)單元的中規(guī)模集成電路（MsI）。1967年至1973年，集成度達(dá)到了1000～10萬個(gè)單元的大規(guī)模集成電路（LsI）。到了1978年，在一塊30mm。的芯片上已經(jīng)發(fā)展到集成度為10萬～1。0萬個(gè)單元的超大規(guī)模集成電路（VLSI）。至1986年和1995年，又先后發(fā)展到了集成度1000萬～10億個(gè)結(jié)構(gòu)單元的甚大規(guī)模集成電路（UL—SI）和10億～1000億個(gè)結(jié)構(gòu)單元的巨大規(guī)模集成電路（GLSI）。

　　集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，得益于微電子材料研究的大力支持。20世紀(jì)50～60年代，隨著集成電路平面工藝的出現(xiàn)，導(dǎo)致硅材料和鍺材料在半導(dǎo)體技術(shù)中的地位發(fā)生逆轉(zhuǎn)。硅材料的禁帶寬度比鍺高，其工作溫度較高，適于功率器件的制作；硅在高溫下能氧化成SiO2薄膜，而SiOz薄膜兼有雜質(zhì)擴(kuò)散掩膜、絕緣膜和保護(hù)膜三重功能，很適合集成電路平面工藝；硅的受主和施主的擴(kuò)散系數(shù)幾乎相同，可為集成電路的工藝制作提供更大的自由度。晶體管的性能很大程度上受Si／SiO2界面的缺陷和SiO2膜中移動(dòng)電荷的影響，但Si（100）／SiO2界面只有十萬分之一的原子鍵形成缺陷，用人工方法很難獲得比此更優(yōu)質(zhì)的界面。硅材料的這些優(yōu)點(diǎn)促成了硅集成電路平面工藝的迅猛發(fā)展，并成為集成電路技術(shù)的最重要的基礎(chǔ)材料。

　　早期的集成電路都是雙極型的，1962年后出現(xiàn)了由金屬一氧化物一半導(dǎo)體（M0s）場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的MOs集成電路。MOS集成電路具有功耗低、適合于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)集成電路領(lǐng)域中占的份額越來越大。在早期的MOs技術(shù)中，鋁柵P溝MOS晶體管是最主要的技術(shù)。20世紀(jì)60年代后期，多晶硅取代鋁而成為MOs晶體管的柵材料。20世紀(jì)70年代中期，利用LOCOs隔離的NMOS（N溝道MOS晶體管）集成電路開始商品化。20世紀(jì)80年代以后，CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物一氧化物一半導(dǎo)體）技術(shù)迅速成為超大規(guī)模集成電路（VLSI）的主流技術(shù)。由于CMOS具有功耗低、可靠性高、集成度高等特點(diǎn)，已成為集成電路領(lǐng)域的主流。

　　隨著集成電路規(guī)模的不斷提高，對(duì)硅片的直徑要求越來越大，而線寬則越來越小。硅片的制造技術(shù)從20世紀(jì)80～90年代的6in（線寬1～0．5Um）、8in（0．5～0．18Um），到2001年開始生產(chǎn)12in（0．13UM）。預(yù)計(jì)2008年將可以生產(chǎn)直徑為18in、線寬為0.07～0.05Um的下一代硅片。在硅片生產(chǎn)工藝水平不斷提高的同時(shí)，在硅材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的SOI（絕緣層上的硅）材料具有寄生電容小、功耗低、集成度和電路速度高、抗輻照和耐高溫性好等特點(diǎn)，有可能突破硅基集成電路芯片的特征尺寸極限，從而最有可能成為取代傳統(tǒng)硅片的集成電路用材料。

　　光電子技術(shù)則是在20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，最早得到實(shí)際應(yīng)用的是光電探測(cè)器。20世紀(jì)50年代中期，可見光波段的CdS、（2dSe光敏電阻和短波紅外PbS光電探測(cè)器投入實(shí)際應(yīng)用，幾年后美軍將光電探測(cè)器應(yīng)用于響尾蛇空一空導(dǎo)彈，取得了明顯的作戰(zhàn)效果。1960年，梅曼（T．H．Maiman）制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，并獲得了694．3nm的激光，引起了科學(xué)界的轟動(dòng)。在短短幾年里，利用各種材料制成的激光器，如氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器、YAG激光器、染料激光器等紛紛涌現(xiàn)。激光的發(fā)明把電子學(xué)推到了光譜頻段，并開創(chuàng)了光電子材料和技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代。與電子技術(shù)相比，光電子技術(shù)具有波長(zhǎng)短、相干性好、分辨率高、存儲(chǔ)和通信容量大等特點(diǎn)，因而在信息技術(shù)領(lǐng)域迅速得到廣泛應(yīng)用。

　　1961年，世界上第一臺(tái)激光測(cè)距儀發(fā)明并迅速應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其后各種激光制導(dǎo)武器、致盲武器和激光毀滅性武器相繼問世。同時(shí)，激光還成為光通信、光存儲(chǔ)、光顯示和光電子集成電路的光源和信息載體，推動(dòng)了各種信息技術(shù)的誕生和蓬勃發(fā)展。

　　20世紀(jì)70年代，光電子領(lǐng)域的標(biāo)志性成果是低損耗光纖材料、ccD技術(shù)出現(xiàn)和半導(dǎo)體激光器的成熟。這些重要進(jìn)展導(dǎo)致以光纖通信、光纖傳感、光盤信息存儲(chǔ)與顯示以及光信息處理為代表的光信息技術(shù)迅猛發(fā)展。到70年代后期，日本、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)相繼開始建設(shè)光纖通信骨干網(wǎng)。1972年，菲利普公司演示了模擬式激光視盤，美軍則在越南戰(zhàn)場(chǎng)上開始使用激光制導(dǎo)炸彈。

　　20世紀(jì)80年代，隨著超晶格量子阱材料、非線性光學(xué)材料和新型光纖材料的研究進(jìn)展，使得各種高性能新型激光器、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)功能器件、光纖傳感器和光纖放大器等光信息器件相繼問世。到了20世紀(jì)90年代，光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域取得了極大成功，形成了光纖通信產(chǎn)業(yè)，各國(guó)的通信骨干網(wǎng)紛紛實(shí)現(xiàn)了光纖化，并向城域網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)發(fā)展。各種光電子器件的研制取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，各種光無源器件得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，光盤存儲(chǔ)技術(shù)、CD、VCD、DVD已深入到千家萬戶，一些新型光顯示器件如液晶顯示（LCD）、等離子顯示（PDP）也開始走入尋常百姓家，整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

　　到了21世紀(jì)，人類社會(huì)正快速步人信息化社會(huì)，信息與信息交換量的爆炸性增長(zhǎng)對(duì)信息的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)與顯示等均提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展、國(guó)防實(shí)力的增強(qiáng)等都更加依賴于使用信息的廣度、深度和速度。因此，研究和發(fā)展各種高性能信息材料和信息器件，成為世界各國(guó)科技界的重要使命。

　　1．2信息材料的分類

　　信息材料主要用于信息的獲取、存儲(chǔ)、處理、傳遞和顯示等。隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，各種信息材料相繼涌現(xiàn)，并逐漸形成了門類眾多的材料體系，以滿足各類信息器件制造的需求。按照材料的用途，信息材料又可分為信息處理材料、信息傳遞材料、信息存儲(chǔ)材料、信息顯示材料、信息獲取材料，以及制造和使用這些材料所需的信息基礎(chǔ)材料等。

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