半导体材料十篇

时间:2023-03-14 20:36:23

半导体材料

半导体材料篇1

1、常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等,以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。

2、半导体材料是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

(来源:文章屋网 )

半导体材料篇2

【关键词】半导体材料;发展;现状

半导体材料这一概念第一次被提出是在二十世纪,被维斯和他的伙伴考尼白格首次提及并使用,半导体材料从那时起便不断的进步发展,伴随着现代化的生活方式对一些数字产品的应用需求,社会对半导体材料推出了更高的要求,这使得半导体材料得到了飞跃性的发展【1】。本篇论文就半导体材料的概念性理解,半导体材料的历史性发展,新一代半导体材料的举例以及发展应用现状等方面展开了基本论述,谈论我国在半导体材料这一领域的应用与发展的实际情形。

1.对半导体材料的概念性理解

对半导体材料的理解不能脱离当今二十一世纪这个有着高需求和高速度特点的时代,这个时代同时也是崇尚环保观念,倡导能源节约的时代,因此新的信息时代下半导体的发展要脱离以往传统的发展模式,向新的目标迈进。

首先,我们要了解什么是半导体材料,这将为接下来的论述打下概念性的基础。众所周知,气体,液体,固体等状态都可称之为物质的存在状态,还有一些绝缘体,绝缘体是指导热性或者导电性较差的物质,比如陶瓷和琥珀,通常把F,银,金,铜等导热性和导电性较好的一类物质成为导体,所以顾名思义,半导体既不属于绝缘体,也不属于导体,它是介于导体和绝缘体性质之间的一种物质【2】。半导体没有导体和绝缘体发现的时间早,大约在二十世纪三十年代左右才被发现,这也是由于技术原因,因为鉴定物质的导热性和导电性的技术到了一定的时期才得到发展,而且对半导体材料的鉴定需要利用到提纯技术,因此,当对物质材料的提纯技术得到升级到一定水平之后,半导体的存在才真正意义上在学术界和社会上被认可。

2.半导体材料的历史发展及早期应用

对半导体材料的现代化研究离不开对这一材料领域的历史性探究,只有知道半导体材料是怎样,如何从什么样的情形下发展至今的,才能对当今现代半导体材料形成完整的认识体系。对半导体材料的接触雏形是先认识到了半导体材料的四个特性。论文接下来将会具体介绍,并对半导体材料早期应用做出详细解释。

2.1半导体材料发现之初的特性

半导体材料第一个被发现的特性,在一般的情况之下,金属材料的电阻都是随着温度的升高而增加的,但是巴拉迪,这位英国的科学研究学者发现硫化银这一物质的电阻随着温度的升高出现了降低的情况,这就是对半导体材料特性的首次探索,也是第一个特性。

半导体材料的第二个特性是由贝克莱尔,一位伟大的法国科学技术研究者发现的,他发现电解质和半导体接触之后形成的结会在施加光照条件之下产生一个电压,这是后来人们熟知的光生伏特效应的前身,也是半导体材料最初被发现的第二个特性。

半导体材料的第三个特性是由德国的科学研究学者布劳恩发现的,他发现一些硫化物的电导和所加电场的方向有着紧密的联系,也就是说某些硫化物的导电是有方向性的,如果在两端同时施加正向的电压,就能够互相导通,如果极性倒置就不能实现这一过程,这也就是我们现在知道的整流效应,也是半导体材料的第三个特性。

半导体材料的第四个特性是由英国的史密斯提出的,硒晶体材料在光照环境下电导会增加,这被称作光电导效应,也是半导体材料在早期被发现的第四个特性【3】。

2.2半导体材料在早期的应用情况

半导体材料在早期被应用在一些检测性质的设备上,比如由于半导体材料的整流效应,半导体材料被应用在检波器领域。除此之外,大家熟知的光伏电池也应用了早期的半导体材料,还有一些红外探测仪器,总之,早期被发现的半导体材料的四个重要的特性都被应用在了社会中的各个领域,半导体材料得到初步的发展。

直到晶体管的发明,使得半导体材料在应用领域被提升到一个新的高度,不再仅仅是应用在简单的检测性质的设备中或者是电池上,晶体管的发明引起了电子工业革命,在当今来看,晶体管的发明并不仅仅只是带来了这一电子革命,最大的贡献在于它改变着我们的生活方式,细数我们现在使用的各种电器产品,都是有晶体管参与的。因此晶体管的发明在半导体材料的早期应用发展上有着举足轻重的位置,同时也为今后半导体材料的深入发展做足了准备,具有里程碑式的意义与贡献【4】。

3.现代半导体材料的发展情况

以上论文简单的介绍了半导体材料以及其早期的发现与应用,接下来就要具体探讨第三代半导体材料这一新时代背景下的产物。第三代半导体材料是在第一和第二代半导体材料的发展基础之上衍生出的更加适应时代要求和社会需要的微电子技术产物。本篇论文接下来将介绍我国半导体材料领域的发展情况,并介绍一些新型的半导体材料的应用与发展情况。

3.1我国半导体材料领域的发展情形

半导体材料的发展属于微电子行业,针对我国的国情和社会现状,我国微电子行业的发展不能急于求成,这将会是一个很复杂的过程,也必定是一个长期性的工程。从现在半导体材料发展的情况来看,想要使半导体材料更加满足受众的需求,关键要在技术层面上寻求突破。我国大陆目前拥有的有关半导体材料的技术,比如IC技术还只能达到0.5微米,6英寸的程度,相较于国际上的先进水平还有较大的差距。

虽然我国目前在半导体材料领域的发展水平与国际先进水平存在着较大的差距,但是这也同时意味着我国在半导体材料领域有着更大的发展空间和更好的前景,而且当今不论是国内环境还是国际环境,又或者是政治环境影响下的我国的综合性发展方面而言,对中国微电子行业半导体领域的发展还是十分有利的,相信我国在半导体材料这一领域一定会在未来有长足的发展。

3.2新型半导体材料的发展介绍

前文提到,第三代半导体材料如今已经成为半导体材料领域的主要发展潮流,论文接下来将会选取几种关键的三代半导体材料展开论述。

第一种是碳化硅材料。它属于一种硅基化合物半导体材料,这一类材料的优越性体现在其较其他种类半导体材料有着更强的热导性能。因此被应用在广泛的领域,比如军工领域,,也会被应用在太阳能电池,卫星通信等领域。

第二种是氧化锌材料。氧化锌材料被广泛的应用到了传感器和光学材料领域中,这是因为它具备一些关键性的特性,集成度高,灵敏度高,响应速度快等,这些特征恰恰是传感等应用范围广泛的领域中所看中的关键点,不仅如此,氧化锌半导体材料不仅性能好,而且这类材料的原料丰富,所以价格低廉,还具有较好的环保性能【5】。

4.结语

近年来,半导体照明产业得到了飞跃式的发展,被越来越广泛的应用到人们的日常生活中,而支撑这一产业的核心材料正是以碳化硅等半导体材料为主的某些微电子材料,半导体材料利用下的各项技术已经在全球范围内占领者新的战略高地。我国半导体材料领域虽然起步晚,发展水平较国际水平有差距,但是前景光明,尤其是第三代半导体材料的出现和应用,在人们的生活中有着更加广泛和有建设性的应用,改变着人们的生活方式,不断推动着半导体材料的发展。

参考文献:

[1]甘倩.浅谈LED路灯在城市道路照明中的应用[J].建筑工程技术与设计,2014,(12):477-477.

[2]黄裕贤.浅谈157nm激光微加工工艺及自动化编程[J].科学与财富,2015,(7):560-560.

[3]胡凤霞.浅谈半导体材料的性能与应用前景[J].新教育时代电子杂志(教师版),2016,(13):267.

半导体材料篇3

关键词:半导体材料 发展趋势

中图分类号:O47文献标识码: A 文章编号:

半导体信息功能材料和器件是信息科学技术发展的物质基础和先导。半导体材料是最重要最有影响的功能材料之一,它在微电子领域具有独占的地位,同时又是光电子领域的主要材料。半导体技术的迅速发展,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。

一、几种主流的半导体材料简介

(一)半导体硅材料

硅是当前微电子技术的基础材料,预计到本世纪中叶都不会改变。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。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,包括智能剥离和SIMOX材料等也发展很快。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。

(二)半导体超晶格、量子阱材料

以GaAs和InP为基的晶格匹配和应变补偿的超晶格、量子阱材料已发展得相当成熟,并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。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。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。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、法、美、日等尖端科技公司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。

(三)光子晶体半导体材料及其发展趋势

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。有科学家提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体,并取得了进展。

半导体材料篇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(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。

5.2 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。

半导体材料篇5

关键词:半导体物理与材料;思政元素;教学改革

1引言

电子信息产业的规模和水平已成为衡量一个国家整体科学技术和综合实力的重要标志,相应学科的发展密切关系到国家微电子、智能信息、光电子等前沿领域的发展,涉及国家“十三五”重点发展的领域。本课程主要介绍半导体物理与材料方面基础知识和基本规律,是半导体集成电路行业产业发展的科学基础[1]。学好本课程,对于国家科技事业的发展和服务于南京市地方经济有着重要意义。将思政元素有机融入到专业课的教学中,已有部分尝试[2-5]。在掌握原有课程体系教学大纲规定的专业知识和专业技能的基础上,带领学生开展并参与了诸如课程教研讨论、课后实践总结、专业知识竞赛以及全国大学生集成电路双创大赛等一系列思政与专业相结合的实践活动,充分发挥课程思政德育功能与价值导向引领作用,在培养半导体集成电路行业产业应用型人才的智育育人与德育树人目标达成方面,取得了良好效果。

2半导体物理与材料的教学改革

2.1课程建设的目标。本课程主要介绍半导体物理与材料方面基础知识和基本规律,是半导体行业产业发展的科学基础。通过本课程学习,使学生掌握半导体晶格结构、电子和空穴分布以及电荷输运原理等,掌握半导体材料性质、性能参数测试以及设计方法。本课程着力培养学生的基础知识技能、工程实践创新能力以及科学研究素养,为微电子领域从事电子器件制作、电路与系统测试应用打下坚实基础。培养学生的团队协作能力、奉献精神和集体观念,学生在思想境界与人格品质上得到进一步的提升,价值取向得到进一步端正,自身爱国情怀与民族自豪感得到进一步的增强,担当起科技强国的使命和责任;最终达到为国家培养出电子信息行业应用型人才的智育育人与德育树人目标效果。2.2教学改革的方法。本课程在课程思政教学改革实施过程中,主要采取了下列方法步骤。(1)实施“专业课中融入思想政治教育”,注重关注电子信息行业动态,关注我国相关行业发展以及相应的就业机遇与挑战;授课与课程设计过程中推进德育教育音视频及动画教学。(2)将思政内容融入到教学大纲修订中,注重集成电路应用专业知识点与思政育人的有效结合。比如将我国半导体产业以及相关IC制造企业从无到有,从小到大,直到做大做强的艰辛发展历程实例融入。(3)通过课堂教学讨论,在教学生掌握专业知识点的同时,深度挖掘知识点中蕴含的思政元素,用正确方式把社会主义价值观和思维方法传授给学生,使学生树立正确的人生观、价值观、世界观。(4)将课程思政理念有机地融入学生的课堂作业与课程学习实践报告中,将每阶段专业知识点与我国实际行业产业情况相联系,引导学生积极思考,激发同学们的爱国情怀、学习激情与创业热情,总结自己自身情况,勇于担当科技强国的重大使命和责任。(5)聘请相关行业专家与马列学院思政教师作为课程思政指导教师,定期开展专业知识讲座;教学过程中,整合专业课程教师、学生管理队伍,各成员之间相互沟通总结经验。(6)通过举办课程思政示范课程知识竞赛,让学生更深入了解半导体集成电路相关知识;通过带领学生参加半导体集成电路学科竞赛,让学生切身体验半导体集成电路行业产业最新动态。2.3课程建设解决的问题与取得的成效。本课程在课程思政教学改革实施过程中,主要取得了下列初步成效。(1)课程设计、教案。半导体物理与材料授课过程中,推进德育教育音视频以及动画教学,引入了习主席鼓励青年学生的讲话、我国半导体行业科技工作者取得的创新成果与成就等;引入并加强了现代化教学手段与信息化建设,推进建设开放共享的网络教学平台,立体化提升了智育德育效果与效率。(2)教学大纲修订。在完成课程智育目标体系基础上,融入了课程思政育人目标与具体切入点,修订的教学大纲中,明确标注了思政内容融入相关专业知识点的情况,实现了专业知识点与思政育人的有效结合。修订晶体材料这个章节时,将我国半导体行业产业发展面临的机遇与挑战融入。修订电荷输运这章时,将我国集成电路芯片制造企业如中芯、华为等发展历程融入。修订PN结时,融入我国太阳能电池与LED行业企业从无到有、从弱到强直到赶超国际先进的实例。(3)课堂讨论与实践报告。深度挖掘半导体集成电路方面的专业知识点中蕴含的思政元素,老师在课堂上提出论题,学生分组讨论,激发同学们的爱国情怀、学习激情与创业热情,勇于担当IC领域科技强国使命和责任,引导学生做好归纳总结。定期分阶段布置给学生课程学习实践报告,注意将每阶段的专业知识点与我国半导体集成电路行业产业的发展状况相结合,加深对我国半导体集成电路行业发展的机遇与挑战,以及中美贸易战对我国IC芯片产业的影响等的理解,使课程思政理念有机融入到学生的课程实践报告中。(4)知识竞赛与学科竞赛。2019年6月份举办了本课程的课程思政示范课程知识竞赛,采用网络在线答题、实时判分并投屏获奖公示,获得了师生的一致好评。暑期分别带队参加了由工信部举办的“第三届全国大学生集成电路创新创业大赛”NI杯的分决赛与全国总决赛,入围总决赛并荣获全国二等奖。(5)课程思政示范课程工作室平台。聘请了半导体行业专家与思政方面的教授学者作为思政育人顾问,组建多学科背景互相支撑、良性互动的课程教学团队。教学过程中,整合专业课程教师、学生管理队伍,各成员之间相互沟通总结经验,使思想政治教育从专人向全员的创造性转化。2.4课程建设的不足。由于课程思政教学改革仍处于尝试阶段,不足之处主要有以下三方面。(1)尚未形成一支稳定的课程思政示范课程教学团队,相应建设规范与方法、思政育人质量评价、激励机制等有待进一步健全。(2)在课程设计、大纲修订以及教案编写等方面,还没有系统性地形成与融入一个课程思政的方案方法。(3)课程思政教学改革的调研工作不够充分,工作总结不够及时,没有形成相应的理论调研报告、建设总结报告以及教学改革方案。2.5改进措施。(1)邀请马克思主义学院的思政专家进课堂,将课程思政与思政课程进一步有机结合[4,5]。在半导体物理与材料课程思政示范课程建设工作中,除聘请本院专家学者担任指导教师,加入课堂教学并进行理论指导,同时,聘请马院专家担任思政指导教师,邀请他们过来深入地开展学术讲座。(2)教学改革前期与相应的行业企业结合较少,后期应着重跟进与相关企业(比如台积电等)的产学研合作,以行业需求为起点,结合学科体系内在规律,优化课程所需的知识技能与素质要求,将最新产业技术嵌入到课程教学中。(3)推进“学生中心、成果导向、持续改进”的工程教育理念。利用网络教学平台,引入行动导向课程,在此基础上推进翻转课堂,进一步优化网络教学平台。注重学生个性化发展,借助校企合作平台,招收有潜力、有志趣的学生参与产学研项目,培养他们的创新意识与行业能力。

半导体材料篇6

关键词:防火设计 防爆设计 耐火等级 安全疏散 材料选择与构造节点设计

一、工程概况

某半导体材料厂的生产工艺在世界上属先进水平,且具有部分我国自主知识产权。该行业如此规模的生产厂房国内外上尚无先例可循。厂房占地面积28000m2,总建筑面积31380m2,根据工艺条件,此厂房共有两大功能,一是实验室办公部分(共三层,首层面积约3980m2,二层面积约2200m2,三层面积约3750m2),二是生产车间部分(首层为设备用房,面积约6970m2,二层为管道设备层,面积约7920m2,三层为工艺用房,面积约6500m2)。建筑外形尺寸:东西向长约150m,南北向长约90m,主体建筑是两幢三层高厂房,厂房中间由一两层高底层架空的连接体连接(底层空间可兼做消防车道),厂房柱顶标高为24.25m,钢筋混凝土框架结构,护结构采用加气混凝土砌块,局部屋面和墙面采用压型钢板材料(压型钢板用于有泄爆要求部位),内隔墙采用200厚的加气混凝土砌块 (图1-3为该厂房的平面布置示意图)。

图1一层平面图

1、电气用房12、电气用房23、电气用房34、空调室5、维修室 6、实验室部分

7、管道夹层8、仪表机柜室9、工艺用房10、图中阴影部分为实验室

图2二层平面图

图3三层平面图

二、对相关要点的定性分析

1.火灾危险性分类、耐火等级及防火分区的确定

对于厂房的建筑防火设计,首先要确定的就是其生产的火灾危险性分类和耐火等级,这是各专业开展消防设计的基础条件。工艺专业提供的设计条件说明,在车间工艺用房及管道夹层部分有氢气泄露的可能,根据《建筑设计防火规范》(GB 50016―2006)第3.1.1条表3.1.1及其条文说明, 氢气属于爆炸下限小于10%的气体,其生产的火灾危险性类别为甲类。

工艺设计考虑到厂房的规模和生产特点,提出了大面积、大空间厂房的设计条件。但从防火设计考虑,为限制发生火灾时火势的蔓延,保证人员的安全撤退,利于火灾扑救和减少火灾损失,根据《建筑设计防火规范》(GB 50016―2006)对防火分区的规定,甲类厂房的最低耐火等级为二级,二级耐火等级的最大防火分区面积为2000 m2,一级耐火等级的最大防火分区面积为3000 m2。依据工程实际情况,位于南面的生产车间三层的工艺用房原本是一个整体,整层的建筑面积达到6500 m2左右,超过了一级耐火等级甲类建筑的最大允许防火面积的两倍,由于工艺条件的限制,不允许我们设置自动喷淋来增加防火面积,比较可行的解决办法就是将原来的一个工艺用房彻底分成两个独立的一级耐火等级的工作区域,或是彻底分成三个独立的二级耐火等级的工作区域,其间用双道防火防爆墙体分隔,工艺设备的管道也随之分成几个相应独立的单元,结合工艺的具体生产情况,最后设计选用了设置两个一级防火分区的方案,达到规范的要求。

2.防爆设施与泄压面积的确定

此厂房车间工艺用房及管道夹层部分,设备一旦发生泄漏,氢气在空气中很容易达到爆炸浓度而造成危险,根据《建筑设计防火规范》(GB 50016―2006)规定,应设置泄压设施,有爆炸危险的厂房设置足够的泄压面积后,可大大减轻爆炸时的破坏强度,避免因主体结构遭受破坏而造成重大人员伤亡和经济损失,且在甲、乙类厂房内不应设置办公室、休息室等设施,当必须与厂房贴邻建造时,其耐火等级不应低于二级,并应采用耐火极限不低于3.00h 的不燃烧体防爆墙隔开和设置独立的安全出口。通过“规范” (GB 50016―2006),有爆炸危险的甲、乙类厂房应首选采用敞开或半敞开式,其泄压面积应根据“规范” (GB 50016―2006)3.6.3条中规定的氢气泄压比值,通过计算得到厂房泄压面积的数值,泄压设施宜采用轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等。在本厂房的具体设计中,两个一级防火分区之间、实验室非危险区域与生产厂房危险区域之间的墙体都采用了砖墙配筋作为防爆设施,在工艺用房及管道夹层两个危险区域采用了以下方法设置了必要的泄压设施:位于二层的管道夹层部分,首先采用了半敞开式无围护墙体,考虑到跨度较大,中间连接部分又比较封闭的因素(由于工艺原因,此部分必须紧贴设备房间,无法做到敞开或半敞开),在二层的顶棚设计中,除保留了工艺必要的交通运输走廊,其余部分均采用了压型钢板屋面,尽可能地通过增加顶棚泄压面积,缓解厂房中间连接部分墙体泄压面积的不足;三层工艺用房部分,因有一定洁净要求不允许采取敞开或半敞开形式,则采用了轻质压型钢板墙面,易于泄压的塑钢窗和轻质压型钢板屋面的方式满足厂房泄压面积的要求,而在工艺运输走廊和疏散通道部分,还是采用实体墙作为防爆设施,保证疏散通道的安全。实际计算证明,尽可能地扩大屋面和顶棚的泄压面积是满足爆炸危险厂房泄压面积的一条有效途径。

三、建筑防火设计要点

1.总平面布局

总平面的防火设计主要是控制防火间距并合理设置消防车道。根据此半导体材料厂房及其周围建筑物的生产类别和耐火等级,查“规范” (GB 50016―2006)确定防火间距。该厂房的生产类别为甲类,根据“规范” (GB 50016―2006)6.0.6条,“工厂、仓库区内应设置消防车道。占地面积大于3000m2 的甲、乙、丙类厂房或占地面积大于1500m2 的乙、丙类仓库,应设置环形消防车道”,在厂房的两幢建筑之间设置了26m的消防通道,最小柱间距为6m,二层净高高于5m,使得两幢建筑都有环行消防通道,其总平面设计均满足防火设计要求。

2.厂房的安全疏散设计

厂房的安全疏散设计主要包括两个方面,一个是疏散出口数目的确定,另一个是疏散出口的位置。

2.1疏散出口的数目

根据厂房的平面面积和布置,其底层的高压电气用房都有单独对外的出口,而低压电气用房和其他设备用房都保证有不少于两个的疏散出口,二层设备夹层及实验室部分分别设置了12部室外疏散楼梯和两部室内封闭楼梯间,由于受工艺条件的限制,在二层设备夹层内部不允许设置封闭楼梯间,此处用室外金属梯作为有爆炸危险的工段区域的疏散出口,还在夹层的两旁各设置了1.5 m宽的疏散通道,直接通往各个室外金属梯,尽量避免人员疏散时在危险区域的行走路线。三层的情况与二层的类似,也是通过在厂房两侧分别设置疏散门直接通往室外金属梯,并在厂房与金属梯相连的走廊两侧设置实体墙作为防爆设施,确保疏散走廊的安全。

3.建筑构件及节点处理

由于该厂房底部两层采用了钢筋混凝土框架结构,外维护墙体为300厚的加气混凝土砌快,内墙为200厚的加气混凝土砌快,能满足非承重外墙0.75h,疏散走道两侧的隔墙1.0h,房间隔墙0.75h耐火等级的要求;三层采用了轻钢结构屋面体系,金属本身的耐火性能较差,因此,一定要根据建筑耐火等级检验建筑各部位材料是否达到要求。如:一般的钢梁钢屋架耐火极限为0.25h,在本工程中因其耐火极限为一级,所以,其梁的耐火极限应不低于2.0h,屋顶承重构件的耐火极限应不低于1.5h,因此,屋面体系的各部分构件都应进行防火处理使其达到相应的耐火极限。本厂房的钢屋架部分采用了喷涂薄型防火涂料的方式。

结语

以上是对某半导体材料厂房建筑防火设计的分析要点,随着新材料新技术在工业建筑中的广泛应用,其建筑防火设计也面临着诸多新问题,例如随着项目规模的逐渐扩大,工艺设计更趋向于联合厂房的布置形式,即把相关联的生产车间紧密连在一起,钢结构厂房现代化的外观、较短的建设周期、灵活的布置,厂房建设设计也更趋向于钢结构形式,在这些情况下,厂房的消防设计就更复杂,防火分区和消防疏散成为难题。作为设计人员,不能违反强制性条文,又要满足主体专业和业主的使用功能,在这种情况下,我们应紧跟时展,用新思路新方法处理新问题,以满足生产生活的需要。

参考文献:

[1]《建筑设计防火规范》(GB 50016―2006)

半导体材料篇7

关键词:半导体制冷 研究现状 制冷效率 应用与前景

引 言

随着经济的发展,全球能耗剧增,能源资源几近危机,想要降低能耗,实现可持续发展,研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷起源于20世纪50年代,由于它结构简单、通电制冷迅速,受到家电厂家的青睐。但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来,科学技术迅猛发展,半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破,使半导体制冷的优势重新显现出来,广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。

1、半导体制冷国内外研究现状

从国内外文献研究来看,半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随着半导体物理学的发展, 前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半导体材料 , 有良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重视, 开启了半导体材料的新篇章, 各国的研究学者均致力于寻找新的半导体材料。2001年,Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体材料系数2.4。宜向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细的分析。指出半导体材料的优值系数除与电极材料有关,也与电极的截面和长度有关, 不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸, 只有符合最优尺寸才能获得最大优值系数的半导体制冷器。

2、半导体制冷的工作原理

半导体制冷又称热电制冷,系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型半导体元件和N型半导体元件构成热电对,热电对两端均有金属片导流条。如图1所示:当电流流经热电对时,就会发射帕尔贴效应,电流在上端由N流向P,温度降低形成冷端,从外界吸热;电流在下端有P流向N,温度升高形成热端,向外界放热。

3、半导体制冷效率的影响因素

半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应, 还要考虑多种因素, 同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的, 不是独立的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点, 但也面临诸多难点,其中影响其制冷效率主要有两个基本因素:

(1) 半导体材料优值系数Z

半导体制冷的核心部件是热电堆,热电堆的半导体制冷材料热电转换效率不高,是半导体制冷空调器效率较低的主要原因。决定热电材料性能优劣的是优值系数Z 。若要半导体制冷效率达到机械制冷效率水平,制冷材料优值系数必须从3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如图2 给出了不同优值Z时,半导体制冷与机械式制冷制冷系数的比较结果。

(2) 半导体制冷装置热端散热效果的影响。

热电堆热端的散热效果是影响热电堆性能的重要因素。实际应用的半导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。而热端散热比冷端更为关键,如若设制冷器冷端散热量为Q1,热端散热量为Q2,系统工作消耗的电功为W0。

显然,Q2=Q1+W0

4、提高半导体制冷效率的途径

制冷效率低成为半导体制冷最大的不足,这限制了半导体制冷的推广和应用。为了提高半导体制冷的效率,就要从上文所介绍的两个影响因素入手,找出有效的解决方法。

(1)寻找高优值系数Z的半导体材料:研制功能性非均质材料、方钴矿的研究、带量子空穴的超晶格研究。

(2)优化设计半导体制冷热端散热系统,以保证热端的散热处于良好的状态。

5、半导体制冷应用与前景

随着低温电子学得到迅速的发展, 在多种元器件和设备冷却上, 半导体制冷有独特的作用。 采用半导体制冷技术, 对电子元件进行冷却, 能有效改善其参数的稳定性, 或使信噪比得到改善, 从而提高放大和测量装置的灵敏度和准确度。 半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷却电子器件和设备。

为了解决石油资源匮乏的问题,部分车辆使用天然气、乙醇作为燃料,但与使用汽油相比,汽车空调运行比较困难。半导体制冷空调冷热一体,独立运行,可直接利用车辆直流电源,因而系统简单,且与车辆具有很好的兼容性,因此半导体制冷在汽车领域内有较好的发展前景。

千瓦级以上的半导体制冷空调成本比压缩制冷空调成本要高的多。但百瓦级的小型空调装置的成本与压缩制冷空调的成本相差不大,且无制冷剂、调控方便、无噪音等特点,用于某些特殊的小型空间非常方便;而十瓦级的微型空调装置的成本则远低于压缩制冷装置,在电子设备冷却、局部微环境温度控制方面,具备压缩制冷装置无法替代的优势,使中小型半导体制冷空调器进入民用领域成为可能。

在半导体制冷技术的应用中,需要因地制宜,根据不用的使用要求,设计出不用的性能,以拓展该技术的应用领域,可以坚信,半导体制冷技术的未来会发展得越来越好,越来越广。■

参考文献

[1]谢玲,汤广发。半导体制冷技术的发展与应用[J]。洁净与空调技术,2008,01:68-71。

[2]罗清海,汤广发,李涛。半导体制冷空调的应用与发展前景[J]。制冷与空调,2005,06:5-9。

[3]宣向春,王维扬。 半导体制冷材料的发展[J]。 制冷技术,2001,02:37-41+48

[4] Venkatasubramanian R, etal[ J]1Nature12001, 413- 597

[5] 张文杰1 热电器件的热弹性应力分析及外加电、磁场环境下的性能测试[ D] 1 甘肃: 兰州大学, 2010

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[8]李冰。半导体制冷技术及其发展[J]。山西科技,2009,04:95+101。

半导体材料篇8

在大家的不懈努力下,有机半导体技术和材料都取得了很大的发展,这个学科集合了材料学、物理和化学等等很多学科,是一个交叉学科,半导体技术正在不断发展,将来还会以更快的速度发展。一些专家认为,有机半导体材料开发出的各种器件正在改变未来高科技的发展。

1 有机太阳电池

传统的太阳电池是化合物薄膜太阳电池,而新型的太阳电池要采用新型的技术,有机太阳电池将作为一种新型产物摆在大家的面前,有机太阳电池的生产流程很简单,而且可以通过讲解来减少对环境的污染,由于这些优点符合当代社会的需要,所以有机太阳电池越来越受到大家的关注。如此廉价的太阳电池会让世界的能源发生巨大的改变。有机太阳电池比传统的电池更薄,重量更轻,受光面积在不断增加,所以可以大大提高光电的使用效率,在电脑等小型设备当中可以当作电源来用。可以使用有机太阳电池作为OLED屏幕的电源,可以大大减少重量。虽然太阳电池很薄、很轻,也很有柔性,但是它的效率不高,而且寿命也比较短,通过研究,改变太阳电池的缺点,使得效率达到10%,寿命也可以超过5年。

2 有机半导体晶体管

有机半导体材料的晶体管是有机电子器件当中很重要的一种器件,比如OFET。当前OFET的技术主要有聚合物、小分子蒸发或者是小分子溶液铸模等等。OFET的优点是成本低、柔性大等等,有很好的发展前景。OFET的发展很迅速,无论是材料还是制备工艺方面都有了突破,它可以使OLED发光,形成逻辑电路,发光场效应晶体管以及单晶场效应晶体管等等器件都已经开发出来。世界各个国家都在研究有机半导体晶体管,2009年,日本的专家使用液相外延工艺生产了并五苯单晶,几乎是没有任何缺陷的,之后使用这种单晶制成了OFET,场效应的迁移率可以得到0.6cm2/(V.s)。2010年法国研究人员研究出一种能够模仿神经元突触功能的有机存储场效应晶体管,有机半导体晶体管会有希望成为新一代集成电子器件。

3 OLED技术

与LCD技术比较,OLED不仅可以做到折叠和随身携带,还具有更好的可适度、更好的图像质量以及更薄的显示器。现在OLED已经开始应用到手机、以及数码相机等小型设备当中。当前在OLED显示器开发的市场当中占有很大优势的企业有三星、LG以及柯达等等。2010年初,三星展出了OLED笔记本电脑,还推出了带有OLED平面的MP3播放器。预计未来五年智能手机会促使OLED显示器呈现出快速发展的势头。随着OLED技术的快速发展,未来很可能会应用到显示器、照明当中。由于OLED的刷新速率很高,这使得视频图像更加逼真,还可以随时进行图像的更新。未来的报纸也有可能成为OLED显示器,能够更新新闻,还能够卷起来。有机半导体技术已经在很多领域都占有自己的重要位置,很多企业已经开始开发半导体技术的产品。使用OLED技术的玻璃窗在电源关闭的时候和普通的玻璃没区别,但是在接通电源之后就会变成显示器。使用OLED技术的汽车挡风玻璃也不仅仅是挡风,还能够提供其它的帮助。

有机半导体材料作为一种新型材料,经过不断开发和研究,已经进入商品化的阶段,并且会有很好的发展。有机半导体器件成本低,操作流程简单,而且功耗小,这是很多无机半导体器件没有的特点,所以有机半导体器件有很大的发展。但是有机半导体器件在寿命已经性能方面还需要改进。哟及半导体器件的速度比较慢,这使得它取代传统的半导体的可能性不大,所以在这方面需要解决,但是有机半导体更加经济,成本更低,值得推广。

参考文献

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[2]刘明,谢常青,王丛舜,龙世兵,李志钢,易里成荣,涂德钰.纳米加工和纳米电子器件[J]. 微纳电子技术,2005(9).

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半导体材料篇9

关键词:太阳能电池;半导体 ;非晶硅薄膜材料;

【分类号】:TK519;TK121

一、太阳能电池半导体工作原理

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池材料可分为:1、硅太阳能电池材料;2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶材料太阳能电池等。

二、太阳能电池材料的严格要求

不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:1、半导体材料的禁带不能太宽;2、要有较高的光电转换效率;3、材料本身对环境不造成污染;4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上 几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主 的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其它村料为基础的 太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

三、太阳能电池产业化发展

太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的光电池 。以太阳电池组成的地面发电系统, 管理简单、使用可靠、易于实现无人值守。 由于组件框架式结构 ,质量轻 ,运输 、安装 、拆卸都很方便。安装时对场地基础要求不高,建设工期短,运行时无噪声、无振动 。作为一种特殊的供电装置,受到广大无电地区的用户欢迎。近年来全球太阳能电池产量增长迅速,1994 年产量为 72.7M w ,1995 年产量为 90M w 。国内市场也 出现需求旺盛 ,产量同步增长的情况。

四、薄膜太阳能电池材料的发展状况

为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池材料的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池材料,其中多晶硅薄膜太阳能电池材料和非晶硅薄膜太阳能电池材料就是典型代表。

1、多晶硅薄膜材料电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350~450μm 的高质量硅片上制成的, 这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省 材料,人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的 硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。 解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚 的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主 要有固相结晶法和中区熔再结晶法。

2、非晶硅薄膜太阳能电池

开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜材料太阳能电池的成本低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得到 迅速发展,其实早在 70 年代初,Carlson 等就已经开始了对非晶硅材料电池的研 制工作,近几年它的研制工作得到了迅速发展,目前世界上己有许多家公司在此种 材料的基础上生产该种电池产品。 非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料,但由于其光学带隙为 1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样一来就限制了非晶 硅太阳能电池的转换效率。此外,其光电效率会随着光照时间的延续而衰减,即 所谓的光致衰退 S 一 W 效应,使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池,叠层太阳能电池是由在制备的 p、i、n 层单结太阳能电池 上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于:①它把不同禁带宽度的材科组台在一起,提高了光谱的响应范围;②顶电池的 i 层较薄,光照产生的电场强度变化不大,保 证 i 层中的光生载流子抽出;③底电池产生的载流子约为单电池的一半,光致衰 退效应减小;④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。 非晶硅薄膜材料太阳能电池的制备方法有很多,其中包括反应溅射法、 PECVD 法、LPCVD 法等,反应原料气体为 H2 稀释的 SiH4,衬底主要为玻璃及 不锈钢片, 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。

3、化合物薄膜太阳能电池

3.1 碲化镉太阳能电池

碲化镉( Cd Te)材料成本低、效率高.且光谱响应与太阳光谱分吻合。薄膜的 生长工艺主要有丝网印刷烧结法、近空间升华法、真空蒸发法等。碲化镉半导体 光伏材料理论转换效为 30 % o。Cd Te 电池实验室效率 16. 4%大规模生产的商业 化电池平均效率 8%一 10%。四川大学制备出的电池率达 11.6 %。以 cd Te 吸收 层,CdS 作窗口层的结构为:减反射膜/玻璃/ SnOz : F/ CdS/ P-CdTe/背电极,这种 电池转换效率达 16 %。

3.2砷化镓太阳能电池

1954 年.首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应,1974 年砷化镓电池效率的 理论值达 22 %~25 %。实验室条件下在 CaA s 单结电池效率已超过 25 %。目前 研究的砷化镓系列太阳能电池有单品砷化镓、多品砷化镓 , 镓铝砷一砷化镓异 质结、金属一半导体砷化镓、金属一绝缘体半导体砷化镓等。材料的制备类似于 硅半导体的制备,有晶体生长法、直.接拉制法、气相生长法、液相外延法等。 另外 III-V 族三、四元化合物( CaInP ,Al CaInP , CaInA s 等)半导体材料的技术日 益成熟,可通过设计电池结构来提高效率和降低成本。双结电池的效率最高为 30%,三结电池为 38%,四结电池为 41 %。

4、聚合物薄膜太阳能电池

以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向.具有分子结构自行设计合成、易加工、毒性小、成本低等特点。目前制作聚合物半导体层主要是:真空技术,主要包括真空镀膜溅射和分子束外延生长技术; 溶液处理成膜技术.主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装技术、印刷技 术等;单品技术.主要有电化学法、扩散法和气相法。 Heeger 等发现.聚乙炔用 Iz ,AsFs 掺杂后电导率明显增高。口前 P3 H T/ PCB M 体系最高的光电转化效率为 4% 。使带双嚓嗯乙烯撑边链的二维共 扼聚嚓吩与 PCB M 共混时.能量转换效率达 3. 18%。虽然聚合物电池有着众多优点,但性能无法与传统太阳能电池相比。

参考文献: [1]梁宗存.沈辉.李戮洪.太 GR 能电池及材料}J(ufJ l.

[2]耿新华.张建军.硅基薄膜太阳电池新进展[[J].

半导体材料篇10

关键词:光照;电阻率;半导体;光子能量

中图分类号:O611 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2012)26-0060-02

1 概述

电阻率是半导体材料的重要特性参数之一。微区薄层电阻的均匀性和电学特性受到越来越多的关注,因此这对材料电阻率测量的精度就有了更高的要求。我们通常使用四探针测试仪测量半导体材料的电阻率。造成测试仪测量产生误差的原因有很多方面,如测试环境的影响、探针的问题、测试设备的校准以及被测对象自身的影响等。本文主要分析光照对测量精度的影响。

2 光的吸收

半导体材料通常能强烈地吸收光能,具有数量级约为105cm-1的吸收系数。吸收系数的大小可以反映半导体材料吸收光能的能力,通常用α来表示。材料吸收光的能力常常与入射光子能量有关。若外界有稳定的一定波长的光照作用在被测硅片表面,半导体材料吸收光辐射能量,从而导致价带中的电子获得足够能量从价带跃迁到导带,在价带中留下空穴,这样在半导体中产生了电子-空穴对,这个过程也被称为本征吸收。要使半导体材料发生本征吸收,入射光子的能量需要满足hν≥Eg的条件,否则电子的跃迁则不能发生。被测硅片样品对不同能量的光子的吸收能力是不同的。图1所示的是硅材料的吸收系数α和入射光子能量hν之间的关系。

3 测试条件

测试所用样品的外延层和衬底之间要有pn结隔离,或者外延层的电阻率要比衬底的电阻率小得多。测试仪探针的导电性能要好,与被测材料的接触电势差要小,同时,探针的位置要固定,防止探针游移。

在测量过程中,电流源提供的电流的相对变化不能超过0.05%。工作电流的选择主要取决于被测样品的电阻率大小。如果选取的工作电流过小,则测量电压的难度将提升;选取较大的工作电流可以测得较高的电压值,这可以提高测量的精确性,但是工作电流过大会使得被测样品发热,样品的电阻率随之发生变化,这又降低了测量的精度。所以为了选取合适的工作电流,需要先获得被测样品的I-V特性关系,根据I-V关系将工作电流控制在线性较好的范围内,这样被测样品的电阻率就不会随着电流的变化有过大变化,测量的精度可以得到保证。

一般来说,对于具有较大电阻率的样品,工作电流要选得小一些,而电阻率较小的样品则工作电流可以选得大一些。而在确保电流和电压有足够测量精度的前提下,工作电流应当尽可能选得小一些。

5 光照对测试结果影响的分析

6 结语

总体而言,随着入射光子能量的增加,硅样品的吸收系数逐渐增大,即表示材料对光子能量较大或频率较大的光吸收能力较强。当入射的光子能量较大,被测硅样品越能吸收入射光的能量,这样则能产生越多的光生载流子,从而使被测样品的电导率升高,电阻率和方块电阻减小,这样就使得电阻率实际的测量值越偏离标称值。当入射光子能量较小或频率较小时,情况则正好相反。另外当入射光频率一定,光强越强产生的光生载流子也越多,也可以使被测样品的实测电阻值小于标称值。正因为在实际测量时,半导体样品不可避免地会处在一定光照条件下,测量过程中光照条件不一样就会使测量电阻率出现的测量误差有所差异。

参考文献

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