目前全世界硅單晶的產量大約是一萬噸，我國每年大約是1000噸。制備硅單晶的原材料是多晶硅，而我國多晶硅的年產量不足100噸，僅占全世界的千分之幾。從目前我國硅材料的發展勢頭來看，估計到2010年，我國的微電子的技術會有一個大發展，大概可能達到世界百分之二十左右的水平。從集成電路的線寬來看，我國目前集成電路工藝技術水平在0.35－0.25微米，而國際上目前的生產技術已達到0.13-0.09微米，在實驗室70納米的技術也已經通過考核。去年，在北京建成投產的（中芯國際）集成電路技術已進入0.13微米，并即將升級到0.09微米，因而我國的微電子集成電路技術同國外的差距也縮短到1－2代了。 

 

　　硅微電子技術

 

　　硅微電子技術是不是可以按照《摩爾定律》永遠發展下去呢？目前硅的集成電路大規模生產技術已經達到0.13－0.09微米，進一步將到0.07微米，也就是70個納米甚至更小。根據預測，到2022年，硅集成電路技術的線寬可能達到10個納米，這個尺度被認為是硅集成電路的“物理極限”。就是說，尺寸再減小，就會遇到有很多難以克服的問題。當然這里說的10納米，并不是一個最終的結論。隨著技術的發展，特別是納米加工技術的發展，也可能把這個“極限”尺寸進一步減小；但總有一天，當代的硅微電子技術會走到盡頭。

 

　　隨著集成電路線寬的進一步減小，硅微電子技術必然要遇到許多難以克服的問題，如CMOS器件溝道摻雜原子的統計分布漲落問題。比如說長度為100個納米的源和漏電極之間，摻雜原子也只有100個左右，如何保證這100個原子在成千上萬個器件里的分布保持一致，顯然是不可能的，至少也是非常困難的。也就說雜質原子分布的漲落，將導致器件性能不一，性質的不一致，就難保證電路的正常工作。又如MOS器件的柵極下面的絕緣層就是二氧化硅，它的厚度隨著器件尺寸的變小而變小，當溝道長度達到0.1個微米時，SiO2的厚度大概也在一個納米左右。盡管上面加的柵電壓很低，如一個納米上加0.5伏或者是一伏電壓，但是加在其上的電場強度就要達到每厘米5-10兆伏以上，超過了材料的擊穿電壓。當這個厚度非常薄的時候，即使不發生擊穿，電子隧穿的幾率也很高，將導致器件無法正常工作。 

 

　　隨著集成電路集成度的提高，芯片的功耗也急劇增加，使其難以承受；現在電腦CPU的功耗已經很高，如果說將來把它變成“納米結構”，即不采用新原理，只是按《摩爾定律》走下去，進一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉！另外一個問題是光刻技術，目前大約可以做到0.1微米，雖然還有些正在發展的光刻技術，如X光、超紫外光刻技術等，但要滿足納米加工技術的需求，還相差很遠。再者，就是電路器件之間的互連問題，對每一個芯片來說，每一個平方厘米上有上千萬、上億只管子，管子與管子之間的聯線的長度要占到器件面積的60—70％，現在的連線就多達8層到10多層，盡管兩個管子之間的距離可以做得很小，但是從這個管子到另外一個管子，電子走的路徑不是直線，而要通過很長的連線。我們知道線寬越窄，截面越小，電阻越大，加上分布電容，電子通過引線所需的時間就很長，這就使CPU的速度變慢。另外納米加工的制作成本也很高，由于這些原因，硅基微電子技術最終將沒有辦法滿足人類對信息量不斷增長的需求。

 

　　人們要想突破上述的“物理極限”，就要探索新原理、開發新技術，如量子計算、光計算機等，它們的工作原理是與現在的完全不同，尚處于初始的探索階段。在目前這個過渡期間，人們把希望放在發展新型半導體材料和開發新技術上，比如說GaAs、InP和GaN基材料體系，采用這些材料，可以提高器件和電路的速度以及解決由于集成度的提高帶來的功耗增加出現的問題。

 

　　GaAs和InP單晶材料

 

　　化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）為例，有以下幾個特點，一是發光效率比較高，二是電子遷移率高，同時可在較高溫度和在其它惡劣的環境下工作，特別適合于制作超高速、超高頻、低噪音的電路，它的另一個優勢是可以實現光電集成，即把微電子和光電子結合起來，光電集成可大大的提高電路的功能和運算的速度。

 

　　寬帶隙半導體材料 

 

　　氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導體材料，因為它的禁帶寬度都在3個電子伏以上，在室溫下不可能將價帶電子激發到導帶。器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以工作到600攝氏度；金剛石如果做成半導體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集相關需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環境中有重要應用。現在的廣播電臺、電視臺，唯一的大功率發射管還是電子管，沒有被半導體器件代替。這種電子管的壽命只有兩三千小時，體積大，且非常耗電；如果用碳化硅的高功率發射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會大大增加，所以高溫寬帶隙半導體材料是非常重要的新型半導體材料。

 

　　現在的問題是這種材料非常難生長，硅上長硅，砷化鎵上長GaAs，它可以長得很好。但是這種材料大多都沒有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長。比如說氮化鎵在藍寶石襯底上生長，藍寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數和晶格常數相差很大，長出來的外延層的缺陷很多，這是最大的問題和難關。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。目前科學家正在著手解決這個問題。如果這個問題一旦解決，就可以為我們提供一個非常廣闊的發現新材料的空間。

 

　　低維半導體材料

 

　　實際上這里說的低維半導體材料就是納米材料，之所以不愿意使用這個詞，主要是不想與現在熱炒的所謂的納米襯衣、納米啤酒瓶、納米洗衣機等混為一談！從本質上看，發展納米科學技術的重要目的之一，就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來控制和制造功能強大、性能優越的納米電子、光電子器件和電路，納米生物傳感器件等，以造福人類。可以預料，納米科學技術的發展和應用不僅將徹底改變人們的生產和生活方式，也必將改變社會政治格局和戰爭的對抗形式。這也是為什么人們對發展納米半導體技術非常重視的原因。

 

　　電子在塊體材料里，在三個維度的方向上都可以自由運動。但當材料的特征尺寸在一個維度上比電子的平均自由程相比更小的時候，電子在這個方向上的運動會受到限制，電子的能量不再是連續的，而是量子化的，我們稱這種材料為超晶格、量子阱材料。量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運動，另外兩個方向上受到限制；量子點材料是指在材料三個維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小，電子在三個方向上都不能自由運動，能量在三個方向上都是量子化的。

 

　　由于上述的原因，電子的態密度函數也發生了變化，塊體材料是拋物線，電子在這上面可以自由運動；如果是量子點材料，它的態密度函數就像是單個的分子、原子那樣，完全是孤立的函數分布，基于這個特點，可制造功能強大的量子器件。

 

　　現在的大規模集成電路的存儲器是靠大量電子的充放電實現的。大量電子的流動需要消耗很多能量導致芯片發熱，從而限制了集成度，如果采用單個電子或幾個電子做成的存儲器，不但集成度可以提高，而且功耗問題也可以解決。目前的激光器效率不高，因為激光器的波長隨著溫度變化，一般來說隨著溫度增高波長要紅移，所以現在光纖通信用的激光器都要控制溫度。如果能用量子點激光器代替現有的量子阱激光器，這些問題就可迎刃而解了。