導論

　　科學技術的發(fā)展是人類社會進步的一個重要推動力。人類社會的每一次科學技術革命都對社會發(fā)展和變革起著巨大的作用。托夫勒（A．Toffler）把人類社會歷史概括為三次浪潮，第一次浪潮為農業(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，以電子信息產業(yè)為代表的高科技產業(yè)異軍突起，在整個國民經濟領域中越來越占據重要的地位，人類社會正在踏入信息社會時代。

　　所謂信息社會，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濟活動迅速擴大，逐漸取代工業(yè)生產活動而成為國民經濟活動的主要內容。信息經濟在國民經濟中占據主導地位，并構成社會信息化的物質基礎。以計算機、微電子、光電子和通信技術為主的信息技術革命是社會信息化的動力源泉。信息技術正在從根本上改變人們的生活方式、行為方式和價值觀念。

　　在現實社會中，信息產業(yè)已逐漸成為世界強國的重要支柱產業(yè)之一，人類越來越依賴于各種信息網絡和信息產品工作、學習和生活。運用現代信息技術對各種信息的收集、存儲、處理、傳遞和顯示，使得人類能以前所未有的速度、深度和廣度去認識自然、改造社會和創(chuàng)新歷史。信息技術領域的每一次進步和革命都成為促進各國經濟、文化和軍事發(fā)展的重要推動力，而這些進步和革命又與相關材料領域的創(chuàng)新和發(fā)展不可分割。

　　材料是構成整個物質社會的基礎，人類在認識、使用和制造材料領域的每一次進步都成為促進社會生產力發(fā)展的重要推動力。隨著現代科學技術的快速發(fā)展，人類在材料領域的創(chuàng)新越來越快，各種各樣的新材料大量涌現。這些新材料的研究、生產和應用正成為各國科技和工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。

　　材料的分類方法有多種。如按材料的性質來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料等；而按材料的應用來分，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、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的基礎和先導，信息材料領域的每一次創(chuàng)新都會推動信息技術和產業(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和光電子信息技術的發(fā)展歷程。

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

　　微電子技術是在傳統(tǒng)的電子技術的基礎上發(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電子三極管，這種真空玻璃管式電子器件的出現推動了無線電、雷達、導航、廣播、電視、電子計算機等各種電子技術和設備的發(fā)展，開辟了人類歷史的一個新紀元。但是電子管技術存在著許多缺陷：體積大、能耗高、成本高、速度慢，與電子技術發(fā)展的需求相差甚大。隨著半導體材料、尤其是半導體硅材料的研究進展，給電子技術的發(fā)展提供了新的機遇。1947年巴�。↗．Bardeen）和沃爾特布拉頓（w．H．Brattain）研制出世界上第一個點接觸型晶體三極管；1949年肖克利（w．B．Shockley）提出了P—N結理論，并研制出實用化的結型晶體三極管，由此推動了晶體管技術的工業(yè)化生產；1952年達默（G．w．Dummer）首先提出制造單塊半導體集成電路的思想；1958年，美國得克薩斯儀器公司的基比爾（J．s．Kilby）和仙童半導體公司的諾伊斯（R．Noyce）幾乎同時發(fā)明了第一塊鍺集成電路和硅集成電路。集成電路的出現為微電子技術的發(fā)展打下了基礎，進而大大推動了現代高新技術的飛速發(fā)展。

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

　　集成電路技術的飛速發(fā)展，得益于微電子材料研究的大力支持。20世紀50～60年代，隨著集成電路平面工藝的出現，導致硅材料和鍺材料在半導體技術中的地位發(fā)生逆轉。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薄膜兼有雜質擴散掩膜、絕緣膜和保護膜三重功能，很適合集成電路平面工藝；硅的受主和施主的擴散系數幾乎相同，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)質的界面。硅材料的這些優(yōu)點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的最重要的基礎材料。

　　早期的集成電路都是雙極型的，1962年后出現了由金屬一氧化物一半導體（M0s）場效應晶體管組成的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，在整個集成電路領域中占的份額越來越大。在早期的MOs技術中，鋁柵P溝MOS晶體管是最主要的技術。20世紀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80年代以后，CMOS（互補金屬氧化物一氧化物一半導體）技術迅速成為超大規(guī)模集成電路（VLSI）的主流技術。由于CMOS具有功耗低、可靠性高、集成度高等特點，已成為集成電路領域的主流。

　　隨著集成電路規(guī)模的不斷提高，對硅片的直徑要求越來越大，而線寬則越來越小。硅片的制造技術從20世紀80～90年代的6in（線寬1～0．5Um）、8in（0．5～0．18Um），到2001年開始生產12in（0．13UM）。預計2008年將可以生產直徑為18in、線寬為0.07～0.05Um的下一代硅片。在硅片生產工藝水平不斷提高的同時，在硅材料的基礎上發(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，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。

　　光電子技術則是在20世紀50年代發(fā)展起來的，最早得到實際應用的是光電探測器。20世紀50年代中期，可見光波段的CdS、（2dSe光敏電阻和短波紅外PbS光電探測器投入實際應用，幾年后美軍將光電探測器應用于響尾蛇空一空導彈，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紅寶石激光器，并獲得了694．3nm的激光，引起了科學界的轟動。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。激光的發(fā)明把電子學推到了光譜頻段，并開創(chuàng)了光電子材料和技術迅猛發(fā)展的時代。與電子技術相比，光電子技術具有波長短、相干性好、分辨率高、存儲和通信容量大等特點，因而在信息技術領域迅速得到廣泛應用。

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

　　20世紀70年代，光電子領域的標志性成果是低損耗光纖材料、ccD技術出現和半導體激光器的成熟。這些重要進展導致以光纖通信、光纖傳感、光盤信息存儲與顯示以及光信息處理為代表的光信息技術迅猛發(fā)展。到70年代后期，日本、美國、英國等國相繼開始建設光纖通信骨干網。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)場上開始使用激光制導炸彈。

　　20世紀80年代，隨著超晶格量子阱材料、非線性光學材料和新型光纖材料的研究進展，使得各種高性能新型激光器、光學雙穩(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90年代，光電子技術在通信領域取得了極大成功，形成了光纖通信產業(yè)，各國的通信骨干網紛紛實現了光纖化，并向城域網、區(qū)域網發(fā)展。各種光電子器件的研制取得了實質性的進展。半導體激光器實現了產業(yè)化，各種光無源器件得到了長足的發(fā)展，光盤存儲技術、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，整個信息產業(yè)進入了高速發(fā)展時期。

　　到了21世紀，人類社會正快速步人信息化社會，信息與信息交換量的爆炸性增長對信息的采集、傳輸、處理、存儲與顯示等均提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，國民經濟與社會的發(fā)展、國防實力的增強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、處理、傳遞和顯示等。隨著信息產業(yè)的迅猛發(fā)展，各種信息材料相繼涌現，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材料等。

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