半导体材料应用十篇

半导体材料应用篇1

关键词：半导体，超晶格，集成电路，电子器件

 

1.半导体材料的概念与特性

当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用，这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，在某些情形下具有导体的性质。半导体材料广泛的应用源于它们独特的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质参入对半导体的性质起着决定性的作用，它们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作出各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷器等；半导体基片可以实现元器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路。这种种特性使得半导体获得各种各样的用途，在科技的发展和人们的生活中都起到十分重要的作用。

2.半导体材料的发展历程

半导体材料从发现到发展，从使用到创新，也拥有着一段长久的历史。在20世纪初期，就曾出现过点接触矿石检波器。1930年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，使半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生长技术的开发和集成电路的发明，使得微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体材料在红外线方面的研究发展，半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半导体器件的设计与制造从“杂志工程”发展到“能带工程”，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。

3.各类半导体材料的介绍与应用

半导体材料多种多样，要对其进一步的学习，我们需要从不同的类别来认识和探究。通常半导体材料分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、有机半导体、超晶格半导体材料。不同的半导体材料拥有着独自的特点，在它们适用的领域都起到重要的作用。

3.1元素半导体材料

元素半导体材料是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和锗为典型。硅在在地壳中的含量较为丰富，约占25%，仅次于氧气。硅在当前的应用相当广泛，它不仅是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上元件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中于制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他器件如探测器，也具备着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

3.2化合物半导体材料

通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构的半导体性质。化合物半导体材料种类繁多，按元素在元素周期表族来分类，分为三五族（如砷化镓、磷化铟等），二六族（如硒化锌），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池、光电器件、超高速器件、微波等领域占据重要的位置，且不同种类具有不同的性质，也得到不同的应用。。

3.3固溶体半导体材料

固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶体半导体或者合金半导体。随着每种成分在固溶体中所占百分比（X值）在一定范围内连续地改变，固溶体半导体材料的各种性质（尤其是禁带宽度）将会连续地改变，但这种变化不会引起原来半导体材料的晶格发生变化.利用固溶体半导体这种特性可以得到多种性能的材料。

3.4非晶半导体材料

非晶半导体材料是具有半导体特性的非晶体组成的材料，如α-硅、α-锗、α-砷化镓、α-硫化砷、α-硒等。。这类材料，原子排列短程有序，长程无序，又称无定形半导体，部分称作玻璃半导体。非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸发或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器、太阳能电池薄膜晶体管等非晶半导体器件。

3.5有机半导体材料

有机半导体是导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm的负一次方范围内的有机物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物等.其中聚丙烯腈等有机高分子半导体又称塑料半导体。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。相比于硅电子产品，有机半导体芯片等产品的生产能力较差，但是拥有加工处理更方便、结实耐用、成本低廉的独特优点。目前，有机半导体材料及器件已广泛应用于手机，笔记本电脑，数码相机，有机太阳能电池等方面。

3.6超晶格微结构半导体材料

超晶格微结构半导体材料是指按所需特性设计的能带结构，用分子束外延或金属有机化学气相沉积等超薄层生产技术制造出来的具有各种特异性能的超薄膜多层结构材料。由于载流子在超晶格微结构半导体中的特殊运动，使得其出现许多新的物理特性并以此开发了新一代半导体技术。。当前，对超晶格微结构半导体材料的研究和应用依然在研究之中，它的发展将不断推动许多领域的提高和进步。

4.半导体材料的发展方向

随着信息技术的快速发展和各种电子器件、产品等要求不断的提高，半导体材料在未来的发展中依然起着重要的作用。在经过以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料发展历程后，第三代半导体材料的成为了当前的研究热点。我们应当在兼顾第一代和第二代半导体发展的同时，加速发展第三代半导体材料。目前的半导体材料整体朝着高完整性、高均匀性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向迈进。随着微电子时代向光电子时代逐渐过渡，我们需要进一步提高半导体技术和产业的研究，开创出半导体材料的新领域。相信不久的将来，通过各种半导体材料的不断探究和应用，我们的科技、产品、生活等方面定能得到巨大的提高和发展！

参考文献

[1]沈能珏,孙同年,余声明,张臣.现代电子材料技术.信息装备的基石[M].北京：国防工业出版社,2002.

[2]靳晓宇.半导体材料的应用与发展研究[J].大众商务,2009,(102).

[3]彭杰.浅析几种半导体材料的应用与发展[J].硅谷, 2008,(10).

[4]半导体技术天地.2ic.cn/html/bbs.html.

半导体材料应用篇2

关键词：半导体；光电信息功能材料；研究与创新

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.218

0 前言

从远古到现代，从石器时代到如今的信息时代，历史的发展表明信息科学技术发展的先导和基础是半导体信息功能材料的进步，伴随着时展的特征，我们可以很容易的分析出，光电信息功能材料在方方面面深刻的影响着人类的生产和生活方式。现如今，随着光电信息功能材料的不断普及以及各行各业的的综合应用，其技术得到了光速的更新，例如其信息的存储已不再受低级别的限制，其存储量已被提高到KT级别，当然为了使之更好地适应社会，发挥出更大的作用，生产商与使用者对光电信息功能材料的研究与创新从未停止。光电信息功能材料的发展，同样也与国家生产力的发展有着密切的联系，它是国家经济发展的根本保障之一。对于目前正处在快速发展中的我国来说，大力发展半导体光电信息功能材料十分必要。

1 半导体光电信息材料简述

科学技术之所以得到不断发展的原因之一，便是有着信息研究材料的支持，人类对不同材料的研究与创新，是科学技术飞速发展，科学规律不断修正完善的基础。20世纪60～70年代，光导纤维材料和以砷化镓为基础的半导体激光器的发明，是人们进入了光纤通信，高速、宽带信息网络的时代。半导体光电材料――半导体是一种介于绝缘体导体之间的材料，半导体光电材料可以将光能转化为电能，同样也可以将电能转化为光能，并且可以处理加工和扩大光电信号。在当今社会，其应用正在逐步得到普及。半导体信息光电材料，对于我们来说并不陌生，其存在于我们的日常生活中，并且无时无刻的不在影响着我们，所以我们应正确的认识半导体信息光电材料，并且可以为半导体光电信息材料的发展贡献出自己的力量。

2 半导体光电信息材料研究的必要性

2.1 电子材料研究的意义

量子论为人们研究电子在原子中的运动规律提供了重要依据，其主要作用是揭示了原子最外层电子的运动规律方面，正是由于此方面研究取得了初步的进展，从而极大地促进了有色合金，不锈钢等金属材料的发现于研究。此外，半导体材料的开发，是得电子信息技术得大了极大地发展，并且逐步兴盛起来，于是出现了我们现在正在普遍应用的采用电子学器件小型化及电子回路集成化等科学技术制造而成的电器，极大地方便了我们的生活。

2.2 光学材料研究的意义

70年代光纤技术的发展，又引起了一轮新的技术浪潮，光学材料的研究正是在此时得到了大力发展，光学材料的研究极大地促进了光纤技术的进步，进而光纤技术的迅速发展，又带动了信息技术的革新，这使得研究材料的范围逐步的被扩大。于是，多媒体电能与光纤通信技术二者逐渐的结合起来，综合应用，从而极大地提高了网络技术的发展速度，大容量的存储，大范围的交流与传输通道，在很大程度上减少了时间与空间对多媒体信息交流的限制。

2.3 技术兴国的意义

在当前信息高能时代，发展对半导体光电信息的研究，在大的方面，能在很大的程度上，帮助我国提高科技水平，进而提高国际地位，争取在国际科技方面的话语权，在小的具体方面，它能帮助政府改善人民生活水平，提高人民生活质量，因此不管于大于小，发展对半导体光电信息功能材料的研究十分必要。

3 半导体光电信息材料研究研究进展

虽然当代国际信息技术水平在不断的发展，各国的科技水平都在提高，但是相对于国际水平或者其他发达国家来说，我国在半导体光电信息材料的研究方面还是相对落后的。我国在其功能材料的研究方面的问题主要有以下几个方面

3.1 科技水平低技术发展受到阻碍

我国科技水平相对于国际科技水平来说相对落后。我国科技发展方面存在的主要问题是发展滞缓，与国际脱节，更新换代慢。然而，科技水平的高低对于半导体光电信息材料的研究起着决定性的作用，所以要想更好地促进半导体光电信息材料的发展，我国首先需要做的便是努力提高科技发展水平，紧跟国际科技发展的步伐。提高自身的科技水平，为半导体光电信息功能材料的研究提供强大的科技后盾。

3.2 技术型人才需予以增加

受我国应试教育的影响，我国高校培养出的人才过于依赖理论，缺少创新意识。然而，半导体光电信息功能材料的研究需要的不仅仅是拥有渊博理论知识的人，其更需要的是拥有灵活大脑，创新意识的人才。因此，我国应改进相关的教育政策制度，鼓励高校培养出更多拥有创新精神、灵活头脑的人。同时，我国在进行技术型人才培养方面要注重其专业性的提高，注重专业素质的培养。从而让更多的具有专业型的人才满足社会需要，满足半导体光电信息材料研究的需要。

3.3 政策缺失

现阶段，处于发展中状态的我国在半导体光电信息材料研究中，各方面政策制度还不够完善，比如在半导体光电信息材料的研究方面，国家并没有明确地提出相应的鼓励措施促进此方面技术的发展。因此，现在国家需要作出努力的便是组织相关部门，制定相关奖励政策，来促进半导体光电信息材料的研究。政策的制定需要立足于我国的现实和实际，相关部门要对半导体光电信息材料进行仔细研究，通过政策的制定很好的指导其发展和拓新。

4 结语

从上文中可以我们可以看出，在当代信息技术高速发展的时期，半导体光电信息功能资料的研究，对一国的生产力发展，经济进步，起着重要的决定性作用，半导体光电信息功能材料普遍存在于一国人民的日常生活当中，每一个人都应当成为半导体光电信息材料研究的推动者，只有全民努力，其材料研究才能得到长足发展。

参考文献：

半导体材料应用篇3

摘　要　本文重点对半导体硅材料，gaas和inp单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料，宽带隙半导体材料，光子晶体材料，量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。

关键词　半导体材料　量子线　量子点材料　光子晶体

1 半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和gaas激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2 几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1 硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（cz－si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后cz－si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（ic’s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0．18μm工艺的硅ulsi生产线已经投入生产，300mm,0．13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅ic’s的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，soi材料，包括智能剥离（smart cut）和simox材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和soi材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅mos集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、sio2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高k介电绝缘材料（如用si3n4等来替代sio2），低k介电互连材料，用cu代替al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ulsi的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和dna生物计算等之外，还把目光放在以gaas、inp为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容gesi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2 gaas和inp单晶材料

gaas和inp与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界gaas单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（vgf）和水平（hb）方法生长的2－3英寸的导电gaas衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4,6和8英寸）的si－gaas发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的si－gaas集成电路生产线。inp具有比gaas更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的inp单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

gaas和inp单晶的发展趋势是：（1）．增大晶体直径，目前4英寸的si－gaas已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的si－gaas也将投入工业应用。(2)．提高材料的电学和光学微区均匀性。（3）．降低单晶的缺陷密度，特别是位错。（4）．gaas和inp单晶的vgf生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3 半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（mbe，mocvd）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

(1)ⅲ－v 族超晶格、量子阱材料。gaaias／gaas，gainas／gaas，aigainp／gaas；galnas／inp，alinas／inp，ingaasp／inp等gaas、inp基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管(hemt），赝配高电子迁移率晶体管（p－hemt）器件最好水平已达fmax=600ghz，输出功率58mw,功率增益6.4db;双异质结双极晶体管（hbt）的最高频率fmax也已高达500ghz,hemt逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1．5μm分布反馈（dfb）激光器和电吸收（ea）调制器单片集成inp基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄(～0．01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nm ingaas带间量子级联激光器，输出功率达5w以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服pn结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年ingaas／inaias／inp量子级联激光器（qcls）发明以来，bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，qcls在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9．1μm的qcls的工作温度高达312k，连续输出功率3mw。量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120k 5μm和250k 8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3．7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，ⅲ－v族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的mbe和m0cvd设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英国卡迪夫的mocvd中心，法国的picogiga mbe基地，美国的qed公司，motorola公司，日本的富士通，ntt，索尼等都有这种外延材料出售。生产型mbe和mocvd设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

(2)硅基应变异质结构材料。硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米si／sio2），硅基sigec体系的si1－ycy/si1－xgex低维结构，ge／si量子点和量子点超晶格材料，si／sic量子点材料，gan／bp／si以及gan／si材料。最近，在gan／si上成功地研制出led发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，gesi／si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。si/gesi modfet和mosfet的最高截止频率已达200ghz，hbt最高振荡频率为160ghz，噪音在10ghz下为0．9db，其性能可与gaas器件相媲美。

尽管gaas／si和inp／si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的gaas外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4 一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如gaalas／gaas，in（ga）as／gaas，ingaas／inalas／gaas，ingaas／inp，in（ga）as／inalas／inp,ingaasp／inalas／inp以及gesi／si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所mbe小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的mbe小组等研制成功的in（ga）as／gaas高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3．6～4w。特别应当指出的是我国上述的mbe小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1w时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本ntt就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150k观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年yauo等人采用0．25微米工艺技术实现了128mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的mbe小组，在继利用mbe技术和sk生长模式，成功地制备了高空间有序的inas／inai（ga）as／inp的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对inas／inalas量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如zno、sno2、in2o3和ga2o3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的lars samuelson教授领导的小组，分别在sio2／si和inas／inp半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5 宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，iii族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（zno等）及固溶体等，特别是sic、gan和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，iii族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（led)和紫、蓝、绿光激光器（ld）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年gan材料的p型掺杂突破，gan基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，gan基蓝绿光发光二极管己商品化，gan基ld也有商品出售，最大输出功率为0．5w。在微电子器件研制方面，gan基fet的最高工作频率（fmax）已达140ghz，ft=67 ghz，跨导为260ms／mm；hemt器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 gan基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸gan单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和gan基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带inasn，ingaasn,ganp和ganasp材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高t0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以cree公司为代表的体sic单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4h和6h sic单晶与外延片，以及3英寸的4h sic单晶己有商品出售；以sic为gan基材料衬低的蓝绿光led业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的gan基发光器件的竟争。其他sic相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

ii－vi族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3m公司成功地解决了ii－vi族的p型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3m公司利用mbe技术率先宣布了电注入（zn，cd）se／znse兰光激光器在77k（495nm）脉冲输出功率100mw的消息，开始了ii－vi族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前znse基ii－vi族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之gan基材料的迅速发展和应用，使ii－vi族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如gan／蓝宝石（sapphire），sic／si和gan／si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除sic单晶衬低材料，gan基蓝光led材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题,如gan衬底，zno单晶簿膜制备，p型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与n型掺杂，ii－vi族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3 光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（fib）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如ag/mno多层膜，再用fib注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒fe2o3，发光纳米颗粒cds和介电纳米颗粒tio2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可见光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1．5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4 量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥rivest，shamir和adlman（rsa）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计算的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mk的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29si）的硅单晶；减小sio2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5 发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1 硅单晶和外延材料

硅材料作为微电子技术的主导地位至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2 gaas及其有关化合物半导体单晶

材料发展建议

gaas、inp等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的si－gaas和3－5吨／年掺杂gaas、inp单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸gaas生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3 发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体

微结构材料的建议

(1)超晶格、量子阱材料

从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强mbe和mocvd两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型mbe和mocvd设备并着重致力于gaalas／gaas，ingaalp／ingap,gan基蓝绿光材料，ingaas／inp和ingaasp／inp等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸gaas生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸mbe和mocvd微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如sic，gan基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及zno等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

(2)一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

半导体材料应用篇4

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

半导体材料应用篇5

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

半导体材料应用篇6

关键词：半导体 LED 灯具 散热

1 散热机构的设计与半导体灯具寿命息息相关

对于半导体灯具设计，散热机构设计是设计中的重要一环，散热机构设计能减少材料从而节约成本、提高LED灯珠的可靠性与寿命，长时间工作使用会比较容易造成每个器件性能降低，半导体灯具急速光衰，并造成安全事故，严重影响用户体验。

2 半导体灯具的散热器制造工艺现状

传统的半导体灯具仅仅将LED灯珠嵌设在铝材质制造而成的散热体内，利用铝材质良好的散热性能，将LED灯珠产生的热量散发出去，进而降低LED灯珠工作时升高的温度。尤其是对于大功率LED灯珠矩阵都会通过配置大型散热体来解决散热问题，然而问题随之而来：一方面，半导体灯具的总功率不断上升，为增加散热面积其对应的散热体也越做越大，е铝诵矶喽钔獬杀究销，灯具的重量也无法接受；另一方面，由于LED灯珠在使用时还需安装于专用光学灯罩内，有时候甚至是安置于一个相对密封的罩体中，由于密封的罩体内热量无法与外界空气形成对流，只能通过简单的辐射和大热阻的空气进行很少的热量传递。因此，现有LED灯珠即使使用散热面积较大的散热体，甚至散热体上加置散热风扇，也无法将LED灯珠发出的热量迅速带走，最终导致热量囤积于散热体上，使散热效果大打折扣，从而影响LED灯珠的使用寿命。目前市面上的半导体光源灯具散热器造型各异，散热器的制作工艺大都是采用铝材压铸成型工艺和挤压型材切割工艺制造，导热系数低、散热器重量较大、耗材多、后加工复杂、生产效率低、生产成本高。

2.1 铝合金压铸工艺

铝合金压铸工艺和塑料注塑工艺原理接近，都是将原材料加温成液态后填充到模具型腔形成产品，铝合金压铸的材料有ADC12、A380、A360、YL113，常用的材料是ADC12，相对于其他材料，它更加容易成型，优异的后加工和机械性能。

优点：（1）一体化压铸成型，整体性强；（2）外观可设计弧面，有利于工业造型。

缺点：（1）导热系数低（约为96 W/M・K）；（2）表面处理受限制。

2.2 铝挤出成型工艺

铝挤出成型工艺目前在大功率路灯、隧道灯领域相对广泛，近年来室内较少用。常用的材料为AL6063，相对于压铸ADC12材料，它具有很好的导热系数（一般为200 W/M・K）。

优点：（1）导热系数高；（2）容易做表面处理。

缺点：单向挤压型材，外观结构受到限制。

2.3 散热鳍片拼接扣工艺

散热鳍片常用的是五金冲压加工得到，容易实现自动化生产，使用的材料有导热铝合金。

优点：（1）散热面积多，需配合风扇形成空气流效果才能更好；（2）重量轻便。

缺点：成本较高。

2.4 热管结合散热鳍片工艺

热管结合散热鳍片相对来看成本较高，同时对外观和尺寸有一定要求。这将导致市面上一些小型公司放弃使用该项技术。

优点：（1）LED灯珠工作时发出的热能快速传导到散热器散热鳍片；（2）重量轻便。

缺点：（1）工艺相对复杂；（2）成本较高。

2.5 导热塑料注塑成型工艺

导热塑料分为两大类：导热导电塑料和导热绝缘塑料。半导体灯具散热器常用的是导热绝缘塑料。导热绝缘塑料主要成分包括基体材料和填料。基体材料包括PPS、PA6/PA66、PPA、PEEK等，填充材料包括AIN、SIC、AL203、石墨、纤维状高导热碳粉等。

优点：（1）一次成型，光泽度高；（2）绝缘性能优异，宜采用各种不同的电源方案。

缺点：（1）导热系数低；（2）重量相对金属较轻。

2.6 塑包铝结构工艺

市面上现有的塑包铝结构分为两种：（1）导热塑料和铝件是独立分开的2个组件，通常这种做法易成型加工，不需要先把铝块放置注塑模型腔内成型加工得到一体，而是后续通过机械固定结构将独立分开的2个组件固定形成一个整体。（2）导热塑料和铝件是一体注塑成型加工得到的。

优点：表面为导热塑料，绝缘性能好，安全。

缺点：成型工艺复杂。

3 半导体灯具散热

热量的3种传递方式有辐射、对流和传导。一般而言，LED灯珠工作时会产生光和热，散热器通常就是要把LED灯珠工作时产生的热散发出去，从能量层面来看，热并非能量，其实只是传递能量的形式，当外界能量冲击分子，能量就会由高能分子传递到低能分子，从微观层面来看，能力的传递就是热。通常，LED灯珠通过机械结构固定在散热器表面，LED灯珠与散热器的接触良好是决定LED灯珠工作时产生的热量传导到散热器的关键因素，半导体散热器的散热结构还需充分运用空气对流换气，通过传导与对流，使LED灯珠工作时产生的热量散发到空气中。

4 设计优化散热机构

4.1 半导体灯具散热设计方法的选择

散热机构设计通常使用EFD、ANSYS软件仿真，通常流体的固定边界与黏性对流体的阻力所产生的影响，使得流体中的流体元素会小部分受沿程阻力的干扰，另一方面，半导体灯具通常需要增加风扇来加速空气流动，由于风扇的增加会导致半导体灯具机构设计的复杂性，从另一角度来看，也会大大降低半导体灯具的可靠性。因此，半导体灯具的散热器采用被动式自然散热的方式，散热器的外观轮廓依据半导体灯具结构来定，因而直接利用半导体灯具外观从而设计成整体式散热器，针对散热器接触面平整度、基板厚度、散热片状条形状、散热片数量、散热片厚度、散热片与散热片的空气流动、散热片与空气接触的面积等，按照散热器相关设计准则进行优化设计，最后进行打样测试和分析定论。

4.2 被动式散热器设计

参照图1和图2，半导体灯具的散热机构包括基板1和灯体2，基板1经过旋压工艺拉伸出灯体2，再将灯体2上多余部分剪除使灯体2成圆筒状，基板1经过五金冲压扭曲后局部向上隆起形成带拉开片4的散热叶片3并形成通气孔5，基板1上第一围圆形排布设计有14条，第二围圆形排布有36条向散热器外部冲压扭曲的散热叶片3，拉开片4增加了基板1与散热叶片3的接触面积并且垂直分布，结合热量向上散发的特性，从而加快散热速度，提高整体性能。

5 结语

目前，半导体灯具得到广泛应用，其具有体积小、重量轻、使用寿命长和节能效果极佳等优点，但是半导体灯具跟半导体一样普遍存在发热量大、热量不易散发的问题，热量的积累容易导致半导体光源寿命减少、发光效率降低。上述优化后的被动式散热器设计具有制作工艺简单、易一次性成型加工、扭曲过程中较少废料、材料利用率高、生产成本低等优点。

参考文献

[1]游志.大功率LED散热鳍片扩撒热阻研究[J].电子工业专用设备，2010，39（9）：37-40.

半导体材料应用篇7

关键词：半导体有机半导体电学性能

一、从有机半导体到无机半导体的探索

1.1有机半导体的概念及其研究历程

什么叫有机半导体呢?众所周知，半导体材料是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料，这类材料具有独特的功能特性。以硅、锗、砷化嫁、氮化嫁等为代表的半导体材料已经广泛应用于电子元件、高密度信息存储、光电器件等领域。随着人们对物质世界认识的逐步深入，一批具有半导体特性的有机功能材料被开发出来了，并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。

在1574年，人们就开始了半导体器件的研究。然而，一直到1947年朗讯(Lueent)科技公司所属贝尔实验室的一个研究小组发明了双极晶体管后，半导体器件物理的研究才有了根本性的突破，从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。在发明晶体管之后，随着硅平面工艺的进步和集成电路的发明，从小规模、中规模集成电路到大规模、超大规模集成电路不断发展，出现了今天这样的以微电子技术为基础的电子信息技术与产业，所以晶体管及其相关的半导体器件成了当今全球市场份额最大的电子工业基础。，半导体在当今社会拥着卓越的地位，而无机半导体又是是半导体家族的重中之重。

1.2有机半导体同无机半导体的区别及其优点

与无机半导体相比，有点半导体具有一定的自身独特性，表现在：

(l)、有机半导体的成膜技术更多、更新，如真空蒸镀，溶液甩膜，Langmtrir一Blodgett(LB)技术，分子自组装技术，从而使制作工艺简单、多样、成本低。利用有机薄膜大规模制备技术，可以制备大面积的器件。

(2)、器件的尺寸能做得更小(分子尺度)，集成度更高。分子尺度的减小和集成度的提高意味着操作功率的减小以及运算速度的提高。

(3)、以有机聚合物制成的场效应器件，其电性能可通过对有机分子结构进行适当的修饰(在分子链上接上或截去适当的原子和基团)而得到满意的结果。同时，通过化学或电化学掺杂，有机聚合物的电导率能够在绝缘体(电阻率一10一Qcm)到良导体这样一个很宽的范围内变动。因此，通过掺杂或修饰技术，可以获得理想的导电聚合物。

(4)、有机物易于获得，有机场效应器件的制作工艺也更为简单，它并不要求严格地控制气氛条件和苛刻的纯度要求，因而能有效地降低器件的成本。

(5)、全部由有机材料制备的所谓“全有机”的场效应器件呈现出非常好的柔韧性，而且质量轻。

(6)通过对有机分子结构进行适当的修饰，可以得到不同性能的材料，因此通过对有机半导体材料进行改性就能够使器件的电学性能达到理想的结果。

1.3有机半导体材料分类

有机半导体层是有机半导体器件中最重要的功能层，对于器件的性能起主导作用。所以，有机半导体器件对所用有机半导体材料有两点要求:

(l)、高迁移率；(2)、低本征电导率。

高的迁移率是为了保证器件的开关速度，低的本征电导率是为了尽可能地降低器件的漏电流，从而提高器件的开关比。用作有机半导体器件的有机半导体材料按不同的化学和物理性质主要分为三类:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚噬吩;二是低聚物，如咪嗯齐聚物和噬吩齐聚物;三是有机小分子化合物，如并苯类，C6。，金属酞著化合物，蔡，花，电荷转移盐等。

二、制作有机半导体器件的常用技术

有机半导体性能的好坏多数决定于半导体制作过程因此实验制备技术就显得尤为重要。下面将对一些人们常用器件制备的实验技术做简要的介绍：

(1)、真空技术。它是目前制备有机半导体器件最普遍采用的方法之一，主要包括真空镀膜、溅射和有机分子束外延生长(OMBE)技术。

(2)、溶液处理成膜技术。它被认为是制备有机半导体器件最有发展潜力的技术，适用于可溶性的有机半导体材料。常用的溶液处理成膜技术主要包括电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、分子自组装技术、印刷技术等。

三、有机半导体器件的场效应现象

为了便于说明有机半导体器件的场效应现象，本文结合有机极性材料制作有机半导体器件对薄膜态有机场效应进行分析。试验中，将有机极性材料经过真空热蒸镀提纯之后溶在DMF溶液中，浓度是20Omg/ml，使用超声波清洗机促进它们充分并且均匀的溶解，经过真空系统中沉积黄金薄膜作为器件的源极和漏极。在类似条件下，在玻璃衬底上制作了极性材料的薄膜形态晶粒，研究发现：

在有机极性材料形态，有块状、树枝状和针状。不同的薄膜态形态，在不同栅极电压VG的作用下有不同的Ids(流过器件的源极和漏极的电流)一Vds(加在器件的源极和漏极之间的电压)曲线。

1、块状形貌结构的薄膜态有机器件的Ids－Vds(性能曲线，变化范围是从－150V到15OV、栅极电压的变化范围是从－200V到200V。当栅极电压Vg以100V的间隔从－200V变化到200V时，Ids随着Vds的增加而增加，此时没有场效应现象。

2、针状形貌结构的薄膜态有机器件的Ids－Vds性能曲线，当Vds从－75V增加到75V，栅极电压VG的变化范围是一200V~20OV，递增幅度是5OV。此时器件具有三种性能规律:(1)在固定的栅极电压Vg下，当从Vds－75V增加到75V时，电流Ids也随之增加;(2)在固定的外加电压Vds下，当栅极电压Vg从－2O0V增加到2OOV时，电流Ids也随之增加;(3)如果没有对器件施加Vds电压，只要栅极电压Vds存在，就会产生Ids电流，产生电池效应。

通过上述的解说我们对有机半导体器件的电学性能已有一定的了解了。下面我们即将通过试验来揭开其神秘的面纱。

四、有机半导体的光电性能探讨——以纳米ZnO线(棒)的光电性能研究为例

近年来，纳米硅的研究引起了社会的广泛的关注，本文中我们将采用场发射系统，测试利用水热法制备的硅基阵列化氧化锌纳米丝的场发射性能。图11是直径为30和100nm两个氧化锌阵列的场发射性能图,其中图11a和b分别是上述两个样品的I_V图和F_N图。从图11a中可以看出氧化锌纳米丝的直径对场发射性能有很大的影响,直径为30nm的氧化锌阵列的开启场强为2V/μm门槛场强为5V/μm;而直径为100nm的氧化锌阵列的开启场强为3V/μm,门槛场强大于7V/μm。并且从图11b中可以知道,ln(J/E2)和1/E的关系近似成线性关系,可知阴极的电子发射与F_N模型吻合很好,表明其发射为场发射,其性能比文献报道的用热蒸发制备的阵列化氧化锌的场发射性能要好[25]。这主要是由于氧化锌的二次生长,导致所得氧化锌阵列由上下两层组成,具有较高的密度以及较小的直径,在电场的作用下,更多的电子更容易从尖端的氧化锌纳米丝发射,从而降低了它们的开启场强和门槛场强。

我们测试了硅基阵列化纳米ZnO的光致荧光谱,如图12所示。从图中可知,600~700℃和300~400℃下热蒸发合成的阵列化ZnO纳米丝的峰位分别在393nm(虚线)及396nm(实线)。PL谱上强烈的紫外光的峰证明:合成的ZnO纳米丝有较好的结晶性能和较少的氧空位缺陷。由于在高温区合成的纳米丝有较细的尖端,故有少量蓝移。

通过上述针对纳米ZnO线(棒)的试验，我们能对硅基一维纳米的电学性能进行了初步的探讨。相信这些工作将为今后的硅基一维纳米材料在光电方面的应用提供一个良好的基础。

参考文献

[1]DuanXF,HuangY,CuiY,etal.Indiumphos-phidenanowiresasbuildingblocksfornanoscaleelectronicandoptoelectronicdevices.Nature,2001.

[2]WangJF,GudiksenMS,DuanXF,etal.HighlypolarizedphotoluminescenceandphotodetectionfromsingleIndiumPhosphideNanowires.Science,2001.

半导体材料应用篇8

关键词：多晶硅；高重频脉冲；激光损伤；损伤机理

1 概述

多晶硅作为光电探测器的主要材料，也是当今硅太阳能电池的重要组成部分。采用激光技术来制备太阳能电池，有提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染等优点，是目前太阳能电池研究和开发的热点[1]。随着大功率激光器的发展，在强激光作用下太阳能电池损伤效应成为研究的热点问题[2]。激光具有单色性好、方向性好、亮度高、相干性好等优点，自从上世纪六十年代第一台激光器研制成功，激光以其优异的特性被广泛应用到工业、生物医疗、军事对抗等众多领域，且激光的应用都涉及到激光与物质相互作用问题。所以，研究高重复频率脉冲激光辐照多晶硅材料的损伤机理，对于探寻激光与物质的相互作用机理和优化多晶硅元件的抗激光损伤特性都具有重要的理论和实际意义[3]。多脉冲激光辐照材料时，材料的低烧蚀阈值可能在低脉冲能量高重频激光加工中应用，以提高加工效率。

2 半导体材料的单脉冲激光损伤机理分析

国内外关于半导体材料的单脉冲激光损伤机理进行大量的研究。1986年El-Adawi M K等研究了激光辐照半导体材料的加热机理[4]。1997年倪晓武等进行了强激光对半导体材料的破坏研究[5]。1999年，沈中华等对皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理进行了研究[6]。他们在2001年还对半导体材料硅的单脉冲和多脉冲激光损伤现象进行分析研究[7]。半导体材料对于激光有效的吸收机制主要有：本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收等。本征吸收是半导体材料的主要吸收机制，即价带电子吸收光子能量跃迁到导带，从而产生空穴-电子对。激子能级位于接近导带底的禁带中，它的电离能很小，在常温下激子的吸收是很弱的，所以不考虑。激光可以激发产生大量的过剩载流子，因此自由载流子吸收也是半导体材料在与激光相互作用时主要的吸收机制。杂质吸收吸收与电离的杂质数目成正比，只有在重掺杂的情况下，才考虑杂志吸收。半导体材料在被单脉冲激光辐照时，其主要的损伤机制有热熔破坏、热致应力损伤、雪崩电离击穿破坏、多光子吸收电离破坏和自聚焦破坏等。

3 实验

3.1 实验装置

实验装置如图1所示。型号为BR-PLM-1000的重频可调的皮秒脉冲经过衰减片组合后，被分光镜分为两束。85%的激光经过聚焦透镜后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光经分光镜反射后被激光功率计探头实时收集，从而可以对辐照过程中的激光功率进行实时监测。

实验中所用的多晶硅片尺寸为：20mm×20mm×0.20mm，实验前将多晶硅片在丙酮和乙醇中清洗。实验过程中通过调整衰减倍率和改变激光电流来控制激光功率值，多晶硅表面损伤形貌由电子扫描显微镜观测得到。

3.2 实验结果

图2为激光重频为1kHz，激光辐照时间为10s，激光峰值功率密度为2.74*1010W/cm2时，多晶硅表面的损伤形貌。（a），（b）分别为显微倍率为200x，2000x时，多晶硅被激光辐照区域SEM图。

从图2（a）可以看到，多晶硅表面激光辐照区域可以分为三个区域。激光光束中心辐照区域颜色较深，该区域称为热熔区。从（b）可以看到该区域形成一个完全将多晶硅击穿的损伤坑，这是由于高斯光束光斑中心超高能量使材料发生了严重程度融化，还可以看到损伤坑边缘发黑，这是由于激光的热作用使材料发生了氧化反应。热熔区白色区域即为热影响区。热影响区域的形成可以解释为激光中心吸收激光能量导致其表面温度迅速升高，材料内部晶格的热传递使该区域发生了轻微氧化反应。热影响区的是激光无影响区，该区域内存在一些沉积物，这是激光与多晶硅作用过程中光束中心辐照部分融化物质向外喷溅造成的。

3.3 损伤机理分析

高重频皮秒脉冲激光损伤实际上是一个多脉冲损伤过程。虽然单脉冲能量较低，甚至远低于材料的蒸发阈值，但由于激光辐照过程中的脉冲积累使材料发生了损伤。多脉冲的主要的损伤机制有热积累和脉冲积累。当脉冲重复频率不变时，热积累是较低损伤阈值的原因被广泛接受。高重频激光具有较短的脉冲间隔，第一个脉冲作用材料后，材料吸收激光能量使其表面温度升高，源源不断的后续激光脉冲辐照多晶硅后，使多晶硅表面温度逐渐升高，最后使材料发生熔融烧蚀。微缺陷积累是另一种主要的损伤机制。多晶硅材料在制备与加工的过程中，存在大量的微观缺陷，这些缺陷具有比多晶硅本征吸收大的多的吸收率。因此对于高重频激光损伤而言，虽然单个脉冲的激光能量较小，不能使材料发生宏观损伤，但可能引起材料内微观缺陷的爆炸和发展，每次微观缺陷的爆炸和发展，将增加材料对后续激光能量的吸收，最终微缺陷的积累导致材料发生宏观损伤。

4 结束语

文章对高重频皮秒脉冲辐照多晶硅的损伤进行了实验研究。高重频辐照多晶硅材料时，材料表面损伤形貌主要分为热熔区、热影响区和无激光作用区三个区域。多晶硅的多脉冲损伤机制主要有热积累和微缺陷积累。

参考文献

[1]张陆成，王学孟，沈辉.激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用[J].激光与光电子学进展，2009，46（5）：41-46.

[2]田秀芹.飞秒激光照射下硅/砷化镓太阳能电池的光电特性研究[D].中南大学，2014.

[3]Stuart B C， Feit M D， Herman S， et al. Nanosecond -to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics [J].PhysRev，1996，B53（4）：749-1761.

[4]El Adawi M K， Elshehawey E F. Heating a slab induced by a time dependent laser irradiance-An exact solution[J]. Journal of applied physics， 1986，60（7）：2250-2255.

[5]倪晓武，沈中华，陆建.强激光对光电器件及半导体材料的破坏研究[J].光电子・激光，1997（6）：487-490.

[6]沈中华，陆建，倪晓武.皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理研究[J].中国激光，1999，26（9）：859-863.

半导体材料应用篇9

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

一、纳米材料的特殊性质

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。

（二）磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。

（三）电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

（四）热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。

二、纳米材料在化工行业中的应用

（一）在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

（二）在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

（三）在精细化工方面的应用

半导体材料应用篇10

GaN、AlN、InN及其合金等材，是作为新材料的GaN系材料。对衬底材料进行评价要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是发展GaN基技术的重要目标。评价衬底材料要综合考虑衬底与外延膜的晶格匹配、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配、衬底与外延膜的化学稳定性匹配、材料制备的难易程度及成本的高低的因素。InN的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的。自支撑同质外延衬底的研制对发展自主知识产权的氮化物半导体激光器、大功率高亮度半导体照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发”文稿介绍了氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发的部分内容。

氮化物衬底材料与半导体照明的应用前景

GaN是直接带隙的材料，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级。因此，宽带隙的GaN基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用前景；对环保，其还是很适合于环保的材料体系。

1994年，日本的Nicha公司在GaN/Al2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次实现商品化。1998年，GaN基发光二极管LED市场规模为US$5.0亿，2000年，市场规模扩大至US$13亿。据权威专家的预计，GaN基LED及其所用的Al2O3衬底在国际市场上的市场成长期将达到50年之久。GaN基LED及其所用的Al2O3衬底具有独特的优异物化性能，并且具有长久耐用性。预计，2005年GaN基器件的市场规模将扩大至US$30亿，GaN基器件所用的Al2O3衬底的市场规模将扩大至US$5亿。

半导体照明产业发展分类所示的若干主要阶段，其每个阶段均能形成富有特色的产业链：

（1）第一阶段

第一阶段（特种照明时代，2005年之前），其中有：仪器仪表指示；金色显示、室内外广告；交通灯、信号灯、标致灯、汽车灯；室内长明灯、吊顶灯、变色灯、草坪灯；城市景观美化的建筑轮廓灯、桥梁、高速公路、隧道导引路灯，等等。

（2）第二阶段

第二阶段（照明时代，2005~2010年），其中有：CD、DVD、 H-DVD光存储；激光金色显示；娱乐、条型码、打印、图像记录；医用激光；开拓固定照明新领域，衍生出新的照明产业，为通用照明应用打下基础，等等。

（3）第三阶段

第三阶段（通用照明时代，2010年之后），包括以上二个阶段的应用，并且还全面进入通用照明市场，占有30~50%的市场份额。

到达目前为止（处于第一阶段，特种照明时代），已纷纷将中、低功率蓝色发光二极管(LED)、绿色LED、白光LED、蓝紫色LED等实现了量产，走向了商业市场。高功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段InN-GaN等，将会引发新的、

更加大的商机，例如，光存储、光通讯等。实现高功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段InN-GaN实用化，并且达到其商品化，这需要合适的衬底材料。因此，GaN材料及器件发展，需要寻找到与GaN匹配的衬底材料，进一步提高外延膜的质量。

另外，就基础研究和中长期计划考虑，科技发展越来越需要把不同体系的材料结合到一起，即称之为异质结材料。应用协变衬底可以将晶格和热失配的缺陷局限在衬底上，并且为开辟新的材料体系打下基础。已提出了多种协变衬底的制备技术，例如，自支撑衬底、键合和扭曲键合、重位晶格过渡层，以及SOI和VTE衬底技术等。预计，在今后的10~20年中，大尺寸的、协变衬底的制备技术将获得突破，并且广泛应用于大失配异质结材料生长及其相联系的光电子器件制造。

世界各国现在又投入了大量的人力、财力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此领域的制高点。

氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发

GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作为新材料的GaN系材料。对衬底材料进行评价，要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是作为发展GaN基技术的重要目标。

一、评价衬底材料综合考虑因素

评价衬底材料要综合考虑以下的几个因素：

（1）衬底与外延膜的晶格匹配

衬底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二个内容：

· 外延生长面内的晶格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜的匹配；

· 沿衬底表面法线方向上的匹配。

（2）衬底与外延膜的热膨胀系数匹配

热膨胀系数的匹配也很重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。

（3）衬底与外延膜的化学稳定性匹配

衬底材料需要有相当好的化学稳定性，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。

（4）材料制备的难易程度及成本的高低

考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，而且其成本不宜很高。

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二、InN的外延衬底材料的研究与开发

InN的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的，其中有：InN；α－Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si ；GaAs(111)等。

Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如，GaN、AlN、InN，这些材料都有二种结晶形式：一种是立方晶系的闪锌矿结构，而另一种是六方晶系的纤锌矿结构。以蓝光辐射为中心形成研究热点的是纤锌矿结构的氮化镓、氮化铝、氮化铟，而且主要是氮化镓、氮化铝、氮化铟的固溶体。这些材料的禁带是直接跃迁型，因而有很高的量子效率。用氮化镓、氮化铝、氮化铟这三种材料按不同组份和比例生成的固溶体，其禁带宽度可在2.2eV到6.2eV之间变化。这样，用这些固溶体制造发光器件，是光电集成材料和器件发展的方向。

（1）InN和GaN

因为异质外延氮化物薄膜通常带来大量的缺陷，缺陷损害了器件的性能。与GaN一样，如果能在InN上进行同质外延生长，可以大大减少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飞跃。

自支撑同质外延GaN，AlN和AlGaN衬底是目前最有可能首先获得实际应用的衬底材料。

（2）蓝宝石(α-Al2O3)和6H-SiC

α-Al2O3单晶，即蓝宝石晶体。(0001)面蓝宝石是目前最常用的InN的外延衬底材料。其匹配方向为：InN(001)// α－Al2O3(001)，InN[110]// α－Al2O3[100][11，12]。因为衬底表面在薄膜生长前的氮化中变为AlON，InN绕α－Al2O3(0001)衬底的六面形格子结构旋转30°，这样其失匹配度就比原来的29%稍有减少。虽然(0001)面蓝宝石与InN晶格的失配率高达25%，但是由于其六方对称，熔点为2050℃，最高工作温度可达1900℃，具有良好的高温稳定性和机械力学性能，加之对其研究较多，生产技术较为成熟，而且价格便宜，现在仍然是应用最为广泛的衬底材料。

6H-SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。同蓝宝石相比，6H-SiC与InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，这就使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，因而增强了6H-SiC作为衬底材料的竞争力。又由于6H-SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构；但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。

（3）镁铝尖晶石(MgAl2O4)

MgAl2O4晶体，即铝酸镁晶体。MgAl2O4晶体是高熔点(2130℃)、高硬度（莫氏8级）的晶体材料，属面心立方晶系，空间群为Fd3m， 晶格常数为0.8085nm。MgAl2O4晶体是优良的传声介质材料，在微波段的声衰减低，用MgAl2O4晶体制作的微波延迟线插入损耗小。MgAl2O4晶体与Si的晶格匹配性能好，其膨胀系数也与Si相近，因而外延Si膜的形变扭曲小，制作的大规模超高速集成电路速度比用蓝宝石制作的速度要快。此外，国外又用MgAl2O4晶体作超导材料，有很好的效果。近年来，对MgAl2O4晶体用于GaN的外延衬底材料研究较多。由于MgAl2O4晶体具有良好的晶格匹配和热膨胀匹配，(111)面MgAl2O4晶体与GaN晶格的失配率为9%，具有优良的热稳定性和化学稳定性，以及良好的机械力学性能等优点，MgAl2O4晶体目前是GaN较为合适的衬底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高质量的GaN膜，并且已研制成功蓝光LED和LD。此外，MgAl2O4衬底最吸引人之处在于可以通过解理的方法获得激光腔面。

在前面的研究基础上，近来把MgAl2O4晶体用作InN的外延衬底材料的研究也陆续见之于文献报道。其之间的匹配方向为：InN(001)//MgAl2O4(111)，InN[110]//MgAl2O4[100]，InN绕MgAl2O4(111)衬底的四方、六方形格子结构旋转30°。研究表明(111)面MgAl2O4晶体与InN晶格的失配率为15%，晶格匹配性能要大大优于蓝宝石，(0001)面蓝宝石与InN晶格的失配率高达25%。而且，如果位于顶层氧原子层下面的镁原子占据有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么这样可以有希望将晶格失配率进一步降低至7%，这个数字要远远低于蓝宝石。所以MgAl2O4晶体是很有发展潜力的InN的外延衬底材料。

（4）LiAlO2和LiGaO2

以往的研究是把LiAlO2 和LiGaO2用作GaN的外延衬底材料。LiAlO2 和LiGaO2与GaN的外延膜的失配度相当小，这使得LiAlO2 和LiGaO2成为相当合适的GaN的外延衬底材料。同时LiGaO2作为GaN的外延衬底材料，还有其独到的优点：外延生长GaN后，LiGaO2衬底可以被腐蚀，剩下GaN外延膜，这将极大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶体中的锂离子很活泼，在普通的外延生长条件下（例如，MOCVD法的化学气氛和生长温度）不能稳定存在，故其单晶作为GaN的外延衬底材料还有待于进一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延衬底材料。

（5）MgO

MgO晶体属立方晶系，是NaCl型结构，熔点为2800℃。因为MgO晶体在MOCVD气氛中不够稳定，所以对其使用少，特别是对于熔点和生长温度更高的InN薄膜。

（6）GaAs

GaAs(111)也是目前生长InN薄膜的衬底材料。衬底的氮化温度低于700℃时，生长InN薄膜的厚度小于0.05μm时，InN薄膜为立方结构，当生长InN薄膜的厚度超过0.2μm时，立方结构消失，全部转变为六方结构的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111)

衬底上的核化方式与在α－Al2O3(001)衬底上的情况有非常大的差别，InN薄膜在GaAs(111)衬底上的核化方式没有在白宝石衬底上生长InN薄膜时出现的柱状、纤维状结构，表面上显现为非常平整。

（7）Si

单晶Si，是应用很广的半导体材料。以Si作为InN衬底材料是很引起注意的，因为有可能将InN基器件与Si器件集成。此外，Si技术在半导体工业中已相当的成熟。可以想象，如果在Si的衬底上能生长出器件质量的InN外延膜，这样则将大大简化InN基器件的制作工艺，减小器件的大小。

（8）ZrB2