电子信息材料发展趋势

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电子信息材料发展趋势

电子信息材料发展趋势

电子信息材料及产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域。

随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。一、集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展。微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。

1.Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。椎8英吋硅芯片是目前国际的主流产品，椎12英吋芯片已开始上市，GaAs芯片椎4英吋已进入大批量生产阶段，并且正在向椎6英吋生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。

2.在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料———宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe／Si、SOI等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。

3.继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延MBE 和金属有机化合物化学汽相外延 MOCVD 技术将得到进一步发展和更加广泛的应用。

4.高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到lppb～0．1ppb和6N级以上，0．5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个／毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。

二、光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展。光电集成将是21世纪光电子技术发展的一个重要方向。光电子材料是发展光电信息技术的先导和基础。材料尺度逐步低维化———由体材料向薄层、超薄层和纳米结构材料的方向发展，材料系统由均质到非均质、工作特性由线性向非线性，由平衡态向非平衡态发展是其最明显的特征。发展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料。

1.激光晶体材料：向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐以及新波长、多功能应用方向发展。

2.红外探测器材料：大面积高均匀性HgCdTe外延薄膜及大尺寸ZnCdTe衬底材料仍是2010年前红外探测器所用的主要材料。

3.液晶材料：研究发展超扭曲向列型 STN 和薄膜晶体管型 TFT 显示器所用混合液晶，提高性能，降低成本。

4.高亮度发光二极管材料：继规模生产发红、橙、黄色的GaAs基、GaP基外延材料之后，拓宽发光波段，开发发蓝光的GaN基、ZnSe基外延材料将成为研究热点。

5.光纤材料：光纤材料总体发展趋势是向着不断扩展通信容量，降低损耗，增加传输距离，降低色散，提高带宽，抑制非线性效应，实现密集波分复用以及高灵敏度传感方向发展。光纤预制棒的生产制造由单一工艺 LCVD、PCVD、OVD和VAD 向着混合工艺方向发展，不断增大预制棒尺寸单棒拉丝长度。

三、新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展。磁性材料、电子陶瓷材料、压电晶体管材料、绿色电池和材料、信息传感材料和高性能封装材料等将成为发展的重点。

1.磁性材料。从总体上说，永磁材料正在向着高磁能积、高矫顽力、高剩磁方向发展，NdFeB永磁合金最大磁能积已达52MGOe；软磁材料正在向着高饱和磁通密度、高磁导率、低磁损耗、低矫顽力、高截止频率方向发展，正在开发的纳米微晶软磁合金磁导率高达100000H／m，饱和磁感应强度可达1．3T。磁记录器的高密度、低噪音、小型化，要求磁粉的颗粒尺寸由微米向亚微米、纳米方向发展，且颗粒尺寸分布要尽可能窄。磁记录设备和介质在计算机存储领域仍占据绝对优势。据报道，1998年硬盘的年销售量为1．45亿台，年销售收入300．8亿美元，2002年增长到2．53亿台，销售收入达到503．2亿美元；传统软盘的销量在逐年下降，但软盘驱动器年销量仍在l亿台左右，软盘近20亿片；大容量软盘的需求呈迅速增长的趋势，1999年大容量软盘驱动器需求为2100万台，盘片数亿片。世界磁粉年销售近10万吨，产值约10亿美元。由于高密度软盘和数字磁带的发展，近年来对高性能金属磁粉的需求明显增加。

2.电子陶瓷材料。世界各著名大公司加大了对新材料、新品种、新技术、新工艺、新装备的投资力度。日本TDK和京都陶瓷公司的研究开发费为2．93亿美元和2郾3亿美元，分别占销售额的5％和3％；美国AMP公司开发费为5．79亿美元，占销售额的10．6％；大规模生产，正在迅速将传统的陶瓷组件和复合元器件全面推向片式化、小型化，大幅度提高了产品的性能，降低了制造成本。3郾绿色电池用材料。高比能、长寿命、小型化、轻型化、无毒污染的绿色电池的需求快速增长，需要大力发展高性能的镍氢电池、锂离子电池用的MH合金、Ni OH 2以及LiCo02、LiMn2O4和MCMB等电极材料。

4.信息传感材料。信息传感材料是具有信息获取、转换功能的材料，包括多种半导体、功能陶瓷、功能高分子和光纤材料。与早期的机械结构和电气结构型传感器相比，体积小、生产成本低。设计、合成具有新的物理、化学敏感功能，特别是具有生物和复合功能的新材料，进一步提高材料的敏感度和反应滞后及恢复速度，是追求的主要目标。（《技术预测与国家关键技术选择》研究组、新材料领域组）

1. 引言

随着信息技术的不断进步，人们所能获取并便用的数据和信息急剧增长，这使得人们对于信息的载体--存储技术提出了更高的要求: 更大的存储容量、更高的存储密度和更快的存取速度。当然，这也是从事存储研究和生产的诸多研究人员和工程师们不断追求的目标。随着信息技术的不断进步，人们所能获取并便用的数据和信息急剧增长，这使得人们对于信息的载体--存储技术提出了更高的要求: 更大的存储容量、更高的存储密度和更快的存取速度。在各种未来高密度光存储技术中，全息光存储以其所具有的高存储容量、高存储密度、高信息存储冗余度和赶快存取速度等优点一直为人们所重视。

2. 全息存储原理

在全息光存储中，数据信息是以全息图的形式被记录在存储材料中。与目前其它光存储方法所不同的是，由于全息存储材料上保存数据信息的全息图所记录的是物光和参考光的干涉图样，因此它不仅保存了物光的振幅信息，而且还保存了其完整的空间位相信息。全息图记录与再现的基本原理。来自物方携带有调制信号（欲实现存储的信息）的光称为物光，另一束光称为参考光。物光和参考光是由同一激光器输出的激光束经分光镜而得到的，因此满足形成干涉所需的相干

条件。当物光和参考光相遇时就会产生干涉，从而在空间形成光的干涉图样。令物光和参考光在全息光存储材料中相遇并发生干涉，干涉图样会使存储材料的化学或物理特性发生改变，存储材料在折射率或者吸收率上的相应变化就作为干涉图样的复制品而存储下来。通过参考光照射光栅，可以再现事物本身的全息图像。

3. 全息存储中的复用技术

储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。

3.1 空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。空间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于平面型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬盘和光盘。空间复用技术的优点是：由于相邻的全息图在空间并不重叠，因此再现出的页面之间可以完全避免串扰噪声，每个全息图的衍射效率也都可以达到单个全息图所能达到的最大衍射效率。单纯空间复用技术的主要缺点是不能充分利用存储材料的厚度来增加系统的存储容量，因此没有充分利用全息存储技术的潜力实现最大存储容量。

3.2 为了弥补空间复用技术的缺陷，人们提出了体积复用技术。体积复用技术分为三种：角度复用、位相复用和波长复用。

角度复用：这是一种使用最早、研究最为充分的复用技术，它利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量。

位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交位相编码复用技术。在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的，而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，从而使寻址过程更快。

波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也是全息光存储的主要复用方式之一。波长复用也是基于全息光存储所具有的布喇格角选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录和读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。

4. 全息存储材料

全息光存储的存储容量、传输速度、存储数据的稳定性和系统体积都受制于存储材料。对全息光存储材料性能的要求是高的光学质量、折射率变化大、高灵敏度和稳定的存储性能。常用的全息存储材料包括：银盐材料、光致抗蚀剂、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料。

4.1 银盐材料。超微粒的银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨率，有较宽广的光谱灵敏范围，并已重复性好、保存期长，具有很强的通用性。目前，超微粒的银盐乳胶已经具有成熟的制备技术，稳定的商品化产品——全息干板。银盐材

料的缺点主要在于：不能擦除后重复使用，湿显影处理程序较为繁琐，且对于位相型全息图，其较高的衍射效率却往往带来噪声的增加和图像质量的下降。

4.2 光致抗蚀剂。这种材料也可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蚀剂中将发生化学变化，且随着曝光量的不同，发生变化的部分将具有不同的溶解力。选用合适的溶剂显影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息图。为了获得较好的图像质量，需要对负性光致抗蚀剂进行足够曝光，但这往往与全息图成像的最佳曝光量相矛盾，从而使负性光致抗蚀剂存储的全息图的精细线条往往由于曝光量不够，而在显影时被腐蚀掉，影响全息图的质量。

4.3 光折变材料。光折变材料是通过光折变效应来存储全息图的，即当受到非均匀的光强度照射时，材料局部折射率的变化与入射光强成正比。光折变材料具有动态范围大、存储持久性长、可以固定以及生长工艺成熟等优点，且有机光折变聚合物也没有光致聚合物的体积变化问题。光折变材料主要有无机存储材料和有机存储材料两类。常见的光折变无机材料主要有掺铁铌酸锂晶体（LiNb3：Fe）、铌酸锶钡（SBN）、和钛酸钡（BaTiO3）；而常见的有机光折变聚合物则有PMMA 等。

4.4 光致聚合物。光致聚合物主要由单体、聚合体和光敏剂组成。记录光照射聚合物后，光敏剂被激发，并引发曝光过程；然后，自由基引发单体分子聚合，最后在材料中形成位相型全息图。光致聚合物具有较高感光灵敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比，可用完全干法处理及快速显影，记录的生息图具有很高的几何保真度，并易于长期保存。光致聚合物的本要缺点在于其体积容易受到影响而发生变化。

4.5 光致变色材料。这是由于光致变色膜层内的分子极化特性发生改变，会导致膜层折射率的变化。尤其记录波长与介质吸收谱非共振时，膜层内部可产生显著的折射率变化。光致变色材料具有无颗粒特征，分辨率仅受记录光波长和光学系统的影响。但是光致变色材料存储的全息图的衍射效率并不高。