半導(dǎo)體材料與技術(shù)精選(九篇)

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第1篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等稱為第二代半導(dǎo)體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。本文介紹了三代半導(dǎo)體的性質(zhì)比較、應(yīng)用領(lǐng)域、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和進(jìn)展情況等。

關(guān)鍵詞

半導(dǎo)體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵

1前言

半導(dǎo)體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金屬和絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎(chǔ)材料[1]，支撐著通信、計(jì)算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是美國(guó)和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來(lái)，我國(guó)電子信息產(chǎn)品以舉世矚目的速度發(fā)展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長(zhǎng)20，產(chǎn)業(yè)規(guī)模是1997年的2.5倍，居國(guó)內(nèi)各工業(yè)部門(mén)首位[3]。半導(dǎo)體材料及應(yīng)用已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。

半導(dǎo)體材料的種類繁多，按化學(xué)組成分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和固溶體半導(dǎo)體;按組成元素分為一元、二元、三元、多元等;按晶態(tài)可分為多晶、單晶和非晶;按應(yīng)用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導(dǎo)體材料單晶制片后直接用于制造半導(dǎo)體材料，這些稱為“體材料”;相對(duì)應(yīng)的“薄膜材料”是在半導(dǎo)體材料或其它材料的襯底上生長(zhǎng)的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問(wèn)題、提高純度和晶體完整性、生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)，能用于制造三維電路等優(yōu)點(diǎn)。許多新型半導(dǎo)體器件是在薄膜上制成的，制備薄膜的技術(shù)也在不斷發(fā)展。薄膜材料有同質(zhì)外延薄膜、異質(zhì)外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、砷化銦、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導(dǎo)體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料[4]。上述材料是目前主要應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，三代半導(dǎo)體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進(jìn)行介紹。

2主要半導(dǎo)體材料性質(zhì)及應(yīng)用

材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)品應(yīng)用的基礎(chǔ)，表1列出了主要半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)及應(yīng)用情況[5]。表中禁帶寬度決定發(fā)射光的波長(zhǎng)，禁帶寬度越大發(fā)射光波長(zhǎng)越短藍(lán)光發(fā)射;禁帶寬度越小發(fā)射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)。其它參數(shù)數(shù)值越高，半導(dǎo)體性能越好。電子遷移速率決定半導(dǎo)體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導(dǎo)體高壓條件下的高頻工作性能。

硅材料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生長(zhǎng)大尺寸高純度晶體等優(yōu)點(diǎn)，處在成熟的發(fā)展階段。目前，硅材料仍是電子信息產(chǎn)業(yè)最主要的基礎(chǔ)材料，95以上的半導(dǎo)體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀(jì)，可以預(yù)見(jiàn)它的主導(dǎo)和核心地位仍不會(huì)動(dòng)搖。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應(yīng)用。

砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時(shí)處理光電信號(hào)，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。隨著高速信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，砷化鎵成為繼硅之后發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，并占據(jù)不可取代的重要地位。

gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應(yīng)用方面具有遠(yuǎn)比硅器件和砷化鎵器件更為優(yōu)良的特性，可制成藍(lán)綠光、紫外光的發(fā)光器件和探測(cè)器件。近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，并開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。與制造技術(shù)非常成熟和制造成本相對(duì)較低的硅半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料目前面臨的最主要挑戰(zhàn)是發(fā)展適合gan薄膜生長(zhǎng)的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長(zhǎng)工藝。

主要半導(dǎo)體材料的用途如表2所示?？梢灶A(yù)見(jiàn)以硅材料為主體、gaas半導(dǎo)體材料及新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料共同發(fā)展將成為集成電路及半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。

3半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1半導(dǎo)體硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽(yáng)能電池的原料，主要生產(chǎn)方法為改良西門(mén)子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導(dǎo)體級(jí)多晶硅。2001年全球多晶硅產(chǎn)能為23900t，生產(chǎn)高度集中于美、日、德3國(guó)。美國(guó)先進(jìn)硅公司和哈姆洛克公司產(chǎn)能均達(dá)6000t/a，德國(guó)瓦克化學(xué)公司和日本德山曹達(dá)公司產(chǎn)能超過(guò)3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國(guó)memc公司和三菱多晶硅公司產(chǎn)能超過(guò)1000t/a，絕大多數(shù)世界市場(chǎng)由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達(dá)到峰值，隨后全球半導(dǎo)體市場(chǎng)滑坡;2001年多晶硅實(shí)際產(chǎn)量為17900t，為產(chǎn)能的75左右。全球多晶硅市場(chǎng)供大于求，隨著半導(dǎo)體市場(chǎng)的恢復(fù)和太陽(yáng)能用多晶硅的增長(zhǎng)，多晶硅供需將逐步平衡。

我國(guó)多晶硅嚴(yán)重短缺。我國(guó)多晶硅工業(yè)起步于50年代，60年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由于技術(shù)水平低、生產(chǎn)規(guī)模太小、環(huán)境污染嚴(yán)重、生產(chǎn)成本高，目前只剩下峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)單晶硅廠2個(gè)廠家生產(chǎn)多晶硅。2001年生產(chǎn)量為80t[7]，僅占世界產(chǎn)量的0.4，與當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場(chǎng)需求急劇增加極不協(xié)調(diào)。我國(guó)這種多晶硅供不應(yīng)求的局面還將持續(xù)下去。據(jù)專家預(yù)測(cè)，2005年國(guó)內(nèi)多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。

峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)單晶硅廠1999年多晶硅生產(chǎn)能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導(dǎo)體材料廠1998年建成的100t/a規(guī)模的多晶硅工業(yè)性生產(chǎn)示范線，提高了各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，使我國(guó)擁有了多晶硅生產(chǎn)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該廠正在積極進(jìn)行1000t/a多晶硅項(xiàng)目建設(shè)的前期工作。洛陽(yáng)單晶硅廠擬將多晶硅產(chǎn)量擴(kuò)建至300t/a，目前處在可行性研究階段。

3.1.2單晶硅

生產(chǎn)單晶硅的工藝主要采用直拉法cz、磁場(chǎng)直拉法mcz、區(qū)熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬于資金密集型和技術(shù)密集型行業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，市場(chǎng)進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期，生產(chǎn)集中在少數(shù)幾家大公司，小型公司已經(jīng)很難插手其中。

目前國(guó)際市場(chǎng)單晶硅產(chǎn)量排名前5位的公司分別是日本信越化學(xué)公司、德瓦克化學(xué)公司、日本住友金屬公司、美國(guó)memc公司和日本三菱材料公司。這5家公司2000年硅晶片的銷售總額為51.47億元，占全球銷售額的70.9，其中的3家日本公司占據(jù)了市場(chǎng)份額的46.1，表明日本在全球硅晶片行業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位[8]。

集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對(duì)半導(dǎo)體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質(zhì)含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔凈度等提出了更加苛刻的要求詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，晶片大尺寸和高質(zhì)量成為必然趨勢(shì)。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過(guò)渡到12英寸晶片，研制水平達(dá)到16英寸。

我國(guó)單晶硅技術(shù)及產(chǎn)業(yè)與國(guó)外差距很大，主要產(chǎn)品為6英寸以下，8英寸少量生產(chǎn)，12英寸開(kāi)始研制。隨著半導(dǎo)體分立元件和硅光電池用低檔和廉價(jià)硅材料需求的增加，我國(guó)單晶硅產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年我國(guó)半導(dǎo)體硅材料的銷售額達(dá)9.06億元，年均增長(zhǎng)26.4。單晶硅產(chǎn)量為584t，拋光片產(chǎn)量5183萬(wàn)平方英寸，主要規(guī)格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應(yīng)集成電路企業(yè)，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬(wàn)美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長(zhǎng)了5.3[7]。目前，國(guó)外8英寸ic生產(chǎn)線正向我國(guó)戰(zhàn)略性移動(dòng)，我國(guó)新建和在建的f8英寸ic生產(chǎn)線有近10條之多，對(duì)大直徑高質(zhì)量的硅晶片需求十分強(qiáng)勁，而國(guó)內(nèi)供給明顯不足，基本依賴進(jìn)口，我國(guó)硅晶片的技術(shù)差距和結(jié)構(gòu)不合理可見(jiàn)一斑。在現(xiàn)有形勢(shì)和優(yōu)勢(shì)面前發(fā)展我國(guó)的硅單晶和ic技術(shù)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

我國(guó)硅晶片生產(chǎn)企業(yè)主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽(yáng)單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峰電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，先后研制出我國(guó)第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率為40。2000年建成國(guó)內(nèi)第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產(chǎn)線;在北京市林河工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)了區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)基地，一期工程計(jì)劃投資1.8億元，年產(chǎn)25t區(qū)熔硅和40t重?fù)缴楣鑶尉В?jì)劃2003年6月底完工;同時(shí)承擔(dān)了投資達(dá)1.25億元的863項(xiàng)目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)、制造及自動(dòng)化控制系統(tǒng)和儀器儀表開(kāi)發(fā)，近幾年實(shí)現(xiàn)了高成長(zhǎng)性的高速發(fā)展。

3.2砷化鎵材料

用于大量生產(chǎn)砷化鎵晶體的方法是傳統(tǒng)的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產(chǎn)法。國(guó)外開(kāi)發(fā)了兼具以上2種方法優(yōu)點(diǎn)的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功制備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見(jiàn)表3。

移動(dòng)電話用電子器件和光電器件市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的要求，使全球砷化鎵晶片市場(chǎng)以30的年增長(zhǎng)率迅速形成數(shù)十億美元的大市場(chǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)20年砷化鎵市場(chǎng)都具有高增長(zhǎng)性。日本是最大的生產(chǎn)國(guó)和輸出國(guó)，占世界市場(chǎng)的7080;美國(guó)在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產(chǎn)線，在砷化鎵生產(chǎn)技術(shù)上領(lǐng)先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產(chǎn)和銷售商，年產(chǎn)gaas單晶30t。美國(guó)axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生產(chǎn)商[8]。世界gaas單晶主要生產(chǎn)商情況見(jiàn)表4。國(guó)際上砷化鎵市場(chǎng)需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產(chǎn)量和市場(chǎng)需求快速增加，已占據(jù)35以上的市場(chǎng)份額。研制和小批量生產(chǎn)水平達(dá)到8英寸。

我國(guó)gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，

4英寸處在產(chǎn)業(yè)化前期，研制水平達(dá)6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路gaas晶片主要依賴進(jìn)口。砷化鎵生產(chǎn)主要原材料為砷和鎵。雖然我國(guó)是砷和鎵的資源大國(guó)，但僅能生產(chǎn)品位較低的砷、鎵材料6n以下純度，主要用于生產(chǎn)光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達(dá)7n，基本靠進(jìn)口解決。

國(guó)內(nèi)gaas材料主要生產(chǎn)單位為中科鎵英、有研硅股、信息產(chǎn)業(yè)部46所、55所等。主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)自國(guó)外。中科鎵英2001年起計(jì)劃投入近2億資金進(jìn)行砷化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化，初期計(jì)劃規(guī)模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬(wàn)片8萬(wàn)片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬(wàn)片3萬(wàn)片，目前該項(xiàng)目仍在建設(shè)期。目前國(guó)內(nèi)砷化鎵材料主要由有研硅股供應(yīng)，2002年銷售gaas晶片8萬(wàn)片。我國(guó)在努力縮小gaas技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，應(yīng)重視具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，發(fā)展我國(guó)的砷化鎵產(chǎn)業(yè)。

3.3氮化鎵材料

gan半導(dǎo)體材料的商業(yè)應(yīng)用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍(lán)光的特性一開(kāi)始就吸引了半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)人員的極大興趣。但gan的生長(zhǎng)技術(shù)和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)應(yīng)用的實(shí)質(zhì)進(jìn)步和突破。由于gan半導(dǎo)體器件在光電子器件和光子器件領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，其廣泛應(yīng)用預(yù)示著光電信息乃至光子信息時(shí)代的來(lái)臨。

2000年9月美國(guó)kyma公司利用aln作襯底，開(kāi)發(fā)出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國(guó)nitronex公司在4英寸硅襯底上制造gan基晶體管獲得成功;2001年8月臺(tái)灣powdec公司宣布將規(guī)模生產(chǎn)4英寸gan外延晶片。gan基器件和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方興未艾。目前進(jìn)入藍(lán)光激光器開(kāi)發(fā)的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂(lè)和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業(yè)的跨國(guó)公司正積極開(kāi)發(fā)白光照明和汽車用gan基led發(fā)光二極管產(chǎn)品。涉足gan基電子器件開(kāi)發(fā)最為活躍的企業(yè)包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美國(guó)等國(guó)家紛紛進(jìn)行應(yīng)用于照明gan基白光led的產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，計(jì)劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據(jù)美國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司strstegiesunlimited分析數(shù)據(jù)，2001年世界gan器件市場(chǎng)接近7億美元，還處于發(fā)展初期。該公司預(yù)測(cè)即使最保守發(fā)展，2009年世界gan器件市場(chǎng)將達(dá)到48億美元的銷售額。

因gan材料尚處于產(chǎn)業(yè)初期，我國(guó)與世界先進(jìn)水平差距相對(duì)較小。深圳方大集團(tuán)在國(guó)家“超級(jí)863計(jì)劃”項(xiàng)目支持下，2001年與中科院半導(dǎo)體等單位合作，首期投資8千萬(wàn)元進(jìn)行g(shù)an基藍(lán)光led產(chǎn)業(yè)化工作，率先在我國(guó)實(shí)現(xiàn)氮化鎵基材料產(chǎn)業(yè)化并成功投放市場(chǎng)。方大公司已批量生產(chǎn)出高性能gan芯片，用于封裝成藍(lán)、綠、紫、白光led，成為我國(guó)第一家具有規(guī)?；芯俊㈤_(kāi)發(fā)和生產(chǎn)氮化鎵基半導(dǎo)體系列產(chǎn)品、并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的企業(yè)。中科院半導(dǎo)體所自主開(kāi)發(fā)的gan激光器2英寸外延片生產(chǎn)設(shè)備，打破了國(guó)外關(guān)鍵設(shè)備部件的封鎖。我國(guó)應(yīng)對(duì)大尺寸gan生長(zhǎng)技術(shù)、器件及設(shè)備繼續(xù)研究，爭(zhēng)取在gan等第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中占據(jù)一定市場(chǎng)份額和地位。

4結(jié)語(yǔ)

不可否認(rèn)，微電子時(shí)代將逐步過(guò)渡到光電子時(shí)代，最終發(fā)展到光子時(shí)代。預(yù)計(jì)到2010年或2014年，硅材料的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展將走向極限，第二代和第三代半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將成為研究和發(fā)展的重點(diǎn)。我國(guó)政府決策部門(mén)、半導(dǎo)體科研單位和企業(yè)在現(xiàn)有的技術(shù)、市場(chǎng)和發(fā)展趨勢(shì)面前應(yīng)把握歷史機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)。

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第2篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

瞬態(tài)光伏技術(shù)（TPV）能夠有效探索半導(dǎo)體功能材料中光生電荷的輸運(yùn)性質(zhì)，是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。簡(jiǎn)述了利用瞬態(tài)光伏技術(shù)探索半導(dǎo)體功能材料的光電性質(zhì)，包括分析功能材料的類型、載流子的傳輸方向、載流子的壽命、分離效率等信息，這對(duì)我們理解半導(dǎo)體功能材料的各種光物理過(guò)程是非常有益的。

關(guān)鍵詞：

瞬態(tài)光伏技術(shù)；光生電荷；光生電子-空穴對(duì)；光生載流子

瞬態(tài)光伏技術(shù)是微區(qū)掃描技術(shù)中表面光電壓的一種。表面光電壓就是半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體的表面被大于其帶隙能的光照射時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶（VB）中的電子由于吸收了光子的能量，躍遷到半導(dǎo)體導(dǎo)帶（CB），價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，這種光生電荷的空間分離產(chǎn)生的電勢(shì)差為光伏效應(yīng)，W.G.Adams在1876年最先觀察到這一現(xiàn)象。1948年以后，半導(dǎo)體領(lǐng)域的開(kāi)拓使得光伏效應(yīng)成為一種檢測(cè)手段，并應(yīng)用于半導(dǎo)體材料特征參數(shù)的表征上。不同于穩(wěn)態(tài)表面光電壓（SPS）檢測(cè)在連續(xù)波長(zhǎng)的光激發(fā)下的光生載流子（電子或空穴）的分離結(jié)果，瞬態(tài)光伏技術(shù)檢測(cè)的是在極短的光（納秒ns或飛秒fs級(jí)別）激發(fā)后的光生載流子的產(chǎn)生、分離、復(fù)合等一系列動(dòng)力學(xué)行為。

1瞬態(tài)光伏技術(shù)的發(fā)展

瞬態(tài)光伏的說(shuō)法源于英文Transientphotovoltage。這種檢測(cè)方法也有許多其他的表達(dá)方式，如時(shí)間分辨光伏等。最早利用瞬態(tài)光伏技術(shù)的是E.O.Johanson［1］，1957年Johnson通過(guò)此技術(shù)探索了多種半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的壽命。瞬態(tài)光伏技術(shù)的發(fā)展依賴檢測(cè)儀器中光源的使用，Johnson采用的光源為電火花隙（Sparkgap），它的時(shí)間分辨率在微秒范圍內(nèi)。J.Hlavka和R.Svehla［2］使用發(fā)光二極管作為光源，將測(cè)試裝置從等效電路上進(jìn)行分析，得到的時(shí)間分辨率為100ns。這一技術(shù)的改進(jìn)對(duì)未來(lái)瞬態(tài)光伏技術(shù)的迅速發(fā)展起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用。隨著具有超快時(shí)間分辨率的脈沖激光器作為光源，瞬態(tài)光伏的時(shí)間分辨率也逐漸提高，在各類型的半導(dǎo)體材料中都有應(yīng)用，探索這些半導(dǎo)體材料的光電性質(zhì)，獲得了很多優(yōu)異的成果。例如2004年，B.Mahrov等人研究了空穴導(dǎo)體CuSCN等和電子導(dǎo)體TiO2等的瞬態(tài)光伏，分析得知不同的半導(dǎo)體類型（空穴或電子導(dǎo)體）導(dǎo)致了電荷注入方式不同［3］。

在利用瞬態(tài)光伏技術(shù)作為研究手段的工作中，德國(guó)Th.Dittrich研究小組獲得了令人矚目的成績(jī)。他們不僅檢測(cè)到時(shí)間分辨率為納秒級(jí)的光伏結(jié)果，同時(shí)研究了不同類型半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光伏性質(zhì)，建立了多種模型［4］。V.Duzhko博士在低電導(dǎo)材料方面也做了大量的工作，從單一的Si器件到現(xiàn)在的復(fù)雜器件，如染料敏化的TiO2器件、量子點(diǎn)電池器件等［5］。此外，瑞士的AndersHagfeldt小組［6］，英國(guó)的BrianC.O'Regan小組［7］和日本的KunioAwaga小組［8］也對(duì)半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光伏性質(zhì)有卓越的研究。在國(guó)內(nèi)復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的侯曉遠(yuǎn)教授課題組和吉林大學(xué)光化學(xué)與光物理實(shí)驗(yàn)室的王德軍教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組對(duì)瞬態(tài)光伏技術(shù)的研究都取得非常好的研究成果。侯曉遠(yuǎn)教授課題組從有機(jī)薄膜半導(dǎo)體等瞬態(tài)光伏結(jié)果發(fā)現(xiàn)了極快激子解離過(guò)程［9］。王德軍教授課題組在研究功能半導(dǎo)體材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、BiVO4等新興的半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光電性質(zhì)有重要發(fā)現(xiàn)［10-13］。

2瞬態(tài)光伏技術(shù)的裝置及獲得的信息

理想的光伏測(cè)試技術(shù)可以調(diào)節(jié)不同的參數(shù)對(duì)半導(dǎo)體功能材料進(jìn)行測(cè)試，例如，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度、壓力、氣氛等一系列參數(shù)，也可以選擇不同的光源（連續(xù)光源或者脈沖激光源）進(jìn)行瞬態(tài)光伏（時(shí)間分辨的光電壓）的測(cè)量，如圖1a中所示。作為一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，瞬態(tài)光伏系統(tǒng)的搭建通常是按照?qǐng)D1b中的簡(jiǎn)圖自組裝搭建。光源為脈沖激光器，測(cè)試過(guò)程中經(jīng)過(guò)衰減的激光可以通過(guò)漸變圓形中性濾光片進(jìn)行調(diào)節(jié)，衰減后的激光通過(guò)反光鏡直接照射到樣品池中。樣品池的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器，由數(shù)字示波器進(jìn)行檢測(cè)記錄。光生電荷的產(chǎn)生是一個(gè)極其快速的過(guò)程，相比之下，光生電荷載流子的分離、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移和復(fù)合則較慢，一般時(shí)間分辨率在納秒、微秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，光生載流子在不同時(shí)間分辨率內(nèi)的傳輸動(dòng)力學(xué)行為對(duì)半導(dǎo)體功能材料的活性有著重要的影響。例如，半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換效率就受到半導(dǎo)體光生電子空穴對(duì)的分離程度影響；光生載流子的傳輸方向影響功能材料的性質(zhì)及其應(yīng)用；同時(shí)光生載流子的壽命及其具有的能量可以決定體系的氧化還原性等。因此，通過(guò)瞬態(tài)光伏技術(shù)可以獲得半導(dǎo)體功能材料光生電荷的分離效率、獲得光生載流子（電子或空穴）的擴(kuò)散方向、光生載流子的擴(kuò)散壽命等微觀動(dòng)力學(xué)信息。通過(guò)這些信息，我們可以分析半導(dǎo)體功能材料的物理化學(xué)性質(zhì)，以及這些性質(zhì)與材料活性之間的關(guān)系，這對(duì)進(jìn)一步提高和優(yōu)化功能材料的性能是非常重要的。

3瞬態(tài)光伏獲得材料類型和載流子傳輸方向

利用瞬態(tài)光伏技術(shù)可以判斷功能材料的類型。例如圖2所示，2a中為n型Si的瞬態(tài)光伏譜圖。它顯示當(dāng)材料的表面受到光照以后，n型半導(dǎo)體的瞬態(tài)光伏信號(hào)為正，光生電子向材料的體相遷移，光生空穴向表面遷移，并在表面大量聚集，因此表現(xiàn)為正信號(hào)。2b中p型Si的瞬態(tài)光伏信號(hào)為負(fù)。當(dāng)p型材料受到光激發(fā)以后，光生電子向材料的表面移動(dòng)，光生空穴向體相移動(dòng)，因此信號(hào)為負(fù)［14］。

4瞬態(tài)光伏技術(shù)比較材料的分離效率及壽命

利用瞬態(tài)光伏技術(shù)可以分析半導(dǎo)體功能材料的光生電荷分離效率和光生載流子的擴(kuò)散壽命。在光催化應(yīng)用中，光生載流子的分離效率及壽命影響著催化劑的活性。光生電子-空穴對(duì)的分離效率越高，載流子的壽命越長(zhǎng)，說(shuō)明在光催化降解過(guò)程中參與氧化還原反應(yīng)的載流子越多，催化活性越高。如在C摻雜的TiO2材料（C-TiO2）中［10］，不同的煅燒溫度獲得的樣品，由于光電性質(zhì)的不同，催化活性具有明顯差異。如圖3a所示，瞬態(tài)光伏信號(hào)在最大值處（P2峰）歸因于光生電荷載流子的擴(kuò)散，與P25的瞬態(tài)光電壓曲線相比，在130℃、150℃、180℃煅燒溫度制備下C摻雜TiO2樣品P2峰位的響應(yīng)時(shí)間分別是19ms、32ms、30ms，C的摻雜使得樣品的擴(kuò)散光伏壽命明顯延長(zhǎng)，說(shuō)明C-TiO2的光生載流子的分離效率更高，光生載流子的復(fù)合更慢，因此有更多的載流子參與光催化的氧化還原反應(yīng)，催化活性更高，如圖3b。

5瞬態(tài)光伏技術(shù)的未來(lái)及展望

第3篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

半導(dǎo)體制冷時(shí)的電能消耗更大。半導(dǎo)體制冷的效率是比較低的，制冷的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量在散熱器端。反之，制熱時(shí)，相對(duì)制冷時(shí)比較省電了。

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都有應(yīng)用，如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。

常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中最具有影響力的一種。半導(dǎo)體是指在常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可控，范圍從絕緣體到導(dǎo)體之間的材料。從科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體影響著人們的日常工作生活，直到20世紀(jì)30年代這一材料才被學(xué)界所認(rèn)可。

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第4篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進(jìn)一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開(kāi)發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來(lái)替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來(lái)提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國(guó)莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。

（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。

2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門(mén)子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極?。ā?.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開(kāi)展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來(lái)光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無(wú)線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過(guò)渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。

2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料

基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。

目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的MBE小組，2001年通過(guò)在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過(guò)5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見(jiàn)國(guó)外報(bào)道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開(kāi)關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。

王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開(kāi)采以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)帯Ｆ渌鸖iC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開(kāi)始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過(guò)1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)題。

寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配

異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開(kāi)辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。

4量子比特構(gòu)建與材料

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來(lái)越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開(kāi)密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。

這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無(wú)雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無(wú)序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過(guò)程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位

至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開(kāi)展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開(kāi)發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國(guó)應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。超級(jí)秘書(shū)網(wǎng)

5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開(kāi)盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬(wàn)平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。

寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開(kāi)發(fā)工作。

（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想。基于低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地?？梢灶A(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。

第5篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：多晶硅；高重頻脈沖；激光損傷；損傷機(jī)理

1 概述

多晶硅作為光電探測(cè)器的主要材料，也是當(dāng)今硅太陽(yáng)能電池的重要組成部分。采用激光技術(shù)來(lái)制備太陽(yáng)能電池，有提高效率、降低成本和減少電池生產(chǎn)中的污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前太陽(yáng)能電池研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[1]。隨著大功率激光器的發(fā)展，在強(qiáng)激光作用下太陽(yáng)能電池?fù)p傷效應(yīng)成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。激光具有單色性好、方向性好、亮度高、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，自從上世紀(jì)六十年代第一臺(tái)激光器研制成功，激光以其優(yōu)異的特性被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、生物醫(yī)療、軍事對(duì)抗等眾多領(lǐng)域，且激光的應(yīng)用都涉及到激光與物質(zhì)相互作用問(wèn)題。所以，研究高重復(fù)頻率脈沖激光輻照多晶硅材料的損傷機(jī)理，對(duì)于探尋激光與物質(zhì)的相互作用機(jī)理和優(yōu)化多晶硅元件的抗激光損傷特性都具有重要的理論和實(shí)際意義[3]。多脈沖激光輻照材料時(shí)，材料的低燒蝕閾值可能在低脈沖能量高重頻激光加工中應(yīng)用，以提高加工效率。

2 半導(dǎo)體材料的單脈沖激光損傷機(jī)理分析

國(guó)內(nèi)外關(guān)于半導(dǎo)體材料的單脈沖激光損傷機(jī)理進(jìn)行大量的研究。1986年El-Adawi M K等研究了激光輻照半導(dǎo)體材料的加熱機(jī)理[4]。1997年倪曉武等進(jìn)行了強(qiáng)激光對(duì)半導(dǎo)體材料的破壞研究[5]。1999年，沈中華等對(duì)皮秒和納秒脈沖激光作用于半導(dǎo)體材料的加熱機(jī)理進(jìn)行了研究[6]。他們?cè)?001年還對(duì)半導(dǎo)體材料硅的單脈沖和多脈沖激光損傷現(xiàn)象進(jìn)行分析研究[7]。半導(dǎo)體材料對(duì)于激光有效的吸收機(jī)制主要有：本征吸收、激子吸收、自由載流子吸收和雜質(zhì)吸收等。本征吸收是半導(dǎo)體材料的主要吸收機(jī)制，即價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生空穴-電子對(duì)。激子能級(jí)位于接近導(dǎo)帶底的禁帶中，它的電離能很小，在常溫下激子的吸收是很弱的，所以不考慮。激光可以激發(fā)產(chǎn)生大量的過(guò)剩載流子，因此自由載流子吸收也是半導(dǎo)體材料在與激光相互作用時(shí)主要的吸收機(jī)制。雜質(zhì)吸收吸收與電離的雜質(zhì)數(shù)目成正比，只有在重?fù)诫s的情況下，才考慮雜志吸收。半導(dǎo)體材料在被單脈沖激光輻照時(shí)，其主要的損傷機(jī)制有熱熔破壞、熱致應(yīng)力損傷、雪崩電離擊穿破壞、多光子吸收電離破壞和自聚焦破壞等。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。型號(hào)為BR-PLM-1000的重頻可調(diào)的皮秒脈沖經(jīng)過(guò)衰減片組合后，被分光鏡分為兩束。85%的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光經(jīng)分光鏡反射后被激光功率計(jì)探頭實(shí)時(shí)收集，從而可以對(duì)輻照過(guò)程中的激光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)中所用的多晶硅片尺寸為：20mm×20mm×0.20mm，實(shí)驗(yàn)前將多晶硅片在丙酮和乙醇中清洗。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整衰減倍率和改變激光電流來(lái)控制激光功率值，多晶硅表面損傷形貌由電子掃描顯微鏡觀測(cè)得到。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為激光重頻為1kHz，激光輻照時(shí)間為10s，激光峰值功率密度為2.74*1010W/cm2時(shí)，多晶硅表面的損傷形貌。（a），（b）分別為顯微倍率為200x，2000x時(shí)，多晶硅被激光輻照區(qū)域SEM圖。

從圖2（a）可以看到，多晶硅表面激光輻照區(qū)域可以分為三個(gè)區(qū)域。激光光束中心輻照區(qū)域顏色較深，該區(qū)域稱為熱熔區(qū)。從（b）可以看到該區(qū)域形成一個(gè)完全將多晶硅擊穿的損傷坑，這是由于高斯光束光斑中心超高能量使材料發(fā)生了嚴(yán)重程度融化，還可以看到損傷坑邊緣發(fā)黑，這是由于激光的熱作用使材料發(fā)生了氧化反應(yīng)。熱熔區(qū)白色區(qū)域即為熱影響區(qū)。熱影響區(qū)域的形成可以解釋為激光中心吸收激光能量導(dǎo)致其表面溫度迅速升高，材料內(nèi)部晶格的熱傳遞使該區(qū)域發(fā)生了輕微氧化反應(yīng)。熱影響區(qū)的是激光無(wú)影響區(qū)，該區(qū)域內(nèi)存在一些沉積物，這是激光與多晶硅作用過(guò)程中光束中心輻照部分融化物質(zhì)向外噴濺造成的。

3.3 損傷機(jī)理分析

高重頻皮秒脈沖激光損傷實(shí)際上是一個(gè)多脈沖損傷過(guò)程。雖然單脈沖能量較低，甚至遠(yuǎn)低于材料的蒸發(fā)閾值，但由于激光輻照過(guò)程中的脈沖積累使材料發(fā)生了損傷。多脈沖的主要的損傷機(jī)制有熱積累和脈沖積累。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率不變時(shí)，熱積累是較低損傷閾值的原因被廣泛接受。高重頻激光具有較短的脈沖間隔，第一個(gè)脈沖作用材料后，材料吸收激光能量使其表面溫度升高，源源不斷的后續(xù)激光脈沖輻照多晶硅后，使多晶硅表面溫度逐漸升高，最后使材料發(fā)生熔融燒蝕。微缺陷積累是另一種主要的損傷機(jī)制。多晶硅材料在制備與加工的過(guò)程中，存在大量的微觀缺陷，這些缺陷具有比多晶硅本征吸收大的多的吸收率。因此對(duì)于高重頻激光損傷而言，雖然單個(gè)脈沖的激光能量較小，不能使材料發(fā)生宏觀損傷，但可能引起材料內(nèi)微觀缺陷的爆炸和發(fā)展，每次微觀缺陷的爆炸和發(fā)展，將增加材料對(duì)后續(xù)激光能量的吸收，最終微缺陷的積累導(dǎo)致材料發(fā)生宏觀損傷。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)高重頻皮秒脈沖輻照多晶硅的損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。高重頻輻照多晶硅材料時(shí)，材料表面損傷形貌主要分為熱熔區(qū)、熱影響區(qū)和無(wú)激光作用區(qū)三個(gè)區(qū)域。多晶硅的多脈沖損傷機(jī)制主要有熱積累和微缺陷積累。

參考文獻(xiàn)

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第6篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

【關(guān)鍵詞】有機(jī)電子器件 光探測(cè)器 光敏二極管 光敏晶體管

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，大面積、低成本、柔性、輕巧便攜成為人們對(duì)新一代電子器件的追求目標(biāo)。π共軛有機(jī)小分子半導(dǎo)體和聚合物半導(dǎo)體由于可利用低成本高效率的印刷方式制備大面積柔性器件，目前已成為研究的熱門(mén)材料。通過(guò)分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，材料的光電性質(zhì)也會(huì)隨之改變，這也使得有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs），有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFETs），有機(jī)光伏器件（OPVs），有機(jī)記憶存儲(chǔ)器及有機(jī)傳感器得到了很大的發(fā)展。

光探測(cè)是有機(jī)半導(dǎo)體材料的重大的應(yīng)用之一。有機(jī)半導(dǎo)體的種類繁多，通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)從紫外到近紅外的全波段光的吸收或者特定波段光的吸收。有機(jī)半導(dǎo)體可低溫制備的特性使得大面積柔性光電系統(tǒng)的發(fā)展成為可能。本文主要介紹了光敏二極管和光敏晶體管這兩類光敏器件的研究現(xiàn)狀，并通過(guò)對(duì)這兩類光敏器件的研究和歸納展望光電系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展。

2 光敏二極管

2.1 可見(jiàn)光探測(cè)器

可見(jiàn)光范圍的有機(jī)光探測(cè)器的研究在上個(gè)世紀(jì)90年代已有一些初期的報(bào)道，從那以后，越來(lái)越多的研究成功的制備出涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍的有機(jī)光探測(cè)器。無(wú)論是基于有機(jī)小分子還是聚合物，大部分器件都是建立在Donor/Acceptor （D/A）異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)之上。對(duì)于有機(jī)小分子半導(dǎo)體器件而言，分子束沉積技術(shù)使得分子的納米結(jié)構(gòu)和形貌得到了良好的控制。較為復(fù)雜的是采用溶液法制備的光敏器件，其異質(zhì)結(jié)的形貌很難在納米尺度上進(jìn)行控制，且相容性較好的D/A對(duì)的選擇也起著關(guān)鍵的作用。其中為人熟知的溶液法制備的聚3-己基噻吩（P3HT）/富勒烯衍生物（PC61BM）異質(zhì)結(jié)對(duì)，具有較寬的光譜吸收范圍（從400nm到600nm），較高的載流子遷移率，其外量子效率（EQE）能達(dá)到70%。另外，有研究報(bào)道PC61BM的類似物PC71BM在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具備更寬的光吸收。除此之外，新興的導(dǎo)電高分子如聚芴的衍生物及其共聚化合物也可成為供體（D）或者受體（A）的替代材料。與藍(lán)綠光的探測(cè)器相比，針對(duì)紅光的光敏二極管的研究相對(duì)較少。這是由于對(duì)紅光敏感的材料往往能帶間隙比較小，其合成比較困難，其溶解性和穩(wěn)定性較差。另外，由于能級(jí)間隙變小，要想找到能級(jí)匹配的D/A組合就變得更加困難。盡管如此，基于紅光-近紅外探測(cè)的器件在應(yīng)用上仍然得到了較大的發(fā)展，比如在光通訊領(lǐng)域，遠(yuǎn)程控制，環(huán)境控制或者生物醫(yī)療領(lǐng)域。

2.2 全波段光探測(cè)器

由于半導(dǎo)體材料對(duì)太陽(yáng)光的吸收性能是提高太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵因素，因此隨著對(duì)光伏器件研究的加深，基于半導(dǎo)體材料光吸收性能的光敏二極管也得到了大力的發(fā)展。就聚合物而言，通過(guò)稠雜環(huán)的聚合反應(yīng)可以得到能帶間隙較窄的導(dǎo)電聚合物，用于制備全波段的光探測(cè)器。2007年，Yang課題組采用酯基改性的聚噻吩（PTT）與PC61BM形成異質(zhì)結(jié)光敏探測(cè)器能探測(cè)900nm的光（800nm波長(zhǎng)時(shí)EQE值達(dá)到40%）。用類似的方法，Gong等人使用窄帶隙的聚合物PDDTT與PC61BM混合形成異質(zhì)結(jié)制備出能探測(cè)300nm到1450nm的全波段光探測(cè)器（900nm波長(zhǎng)時(shí)EQE值達(dá)到30%）。對(duì)于小分子而言，卟啉類小分子化合物在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)有良好的吸收特性。最近報(bào)道的采用溶液法制備的卟啉陣列光敏探測(cè)器，其中卟啉單元呈帶狀排列，器件的EQE值在1400nm波長(zhǎng)時(shí)達(dá)到了10%。這樣的光敏器件的制備一般需要找到能級(jí)匹配的D/A對(duì)，混合制備形成異質(zhì)結(jié)。除此之外，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外部分的光探測(cè)一般需要引入雜化體系，如有機(jī)小分子與聚合物混合，或者有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料混合。2009年Arnold等人將碳納米管與C60混合制備出了性能優(yōu)異的光敏探測(cè)器，半導(dǎo)體性的碳納米管受光照射激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在碳納米管與C60的界面處被離解，增加了載流子密度，使光電流明顯增大。在制備過(guò)程中，使用共軛聚合物（P3HT或者PPV）包裹碳納米管增加其溶解性，使碳納米管之間能相互分離，并在薄膜上均勻的分布。碳納米管的直徑的高度分散性使器件實(shí)現(xiàn)了寬范圍的光吸收（從400nm到1600nm）。

除此之外，選擇性光探測(cè)器是采用本身對(duì)光具有選擇性吸收的半導(dǎo)體材料作為活性層制備而成，其中紫外光探測(cè)是光敏探測(cè)研究的一大重點(diǎn)，被廣泛用于科學(xué)，商業(yè)和軍事領(lǐng)域。但是由于紫外光能量較高，對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料有破壞作用，因此對(duì)紫外探測(cè)器件的穩(wěn)定性考量是器件制備過(guò)程中十分重要的一步。

3 有機(jī)光敏晶體管

起初，基于共軛有機(jī)小分子和聚合物半導(dǎo)體的光敏晶體管的報(bào)道并沒(méi)有引起太大的關(guān)注，因?yàn)榕c無(wú)機(jī)光敏晶體管相比，這些有機(jī)晶體管的R值小，光敏開(kāi)關(guān)比Ilight/Idark低，載流子遷移率也比較低。隨后，Noh等人制備的基于BPTT半導(dǎo)體的改進(jìn)型的光敏晶體管的開(kāi)關(guān)比能達(dá)到無(wú)定型硅基光敏晶體管的100倍，這成為對(duì)有機(jī)光敏晶體管進(jìn)行深入的研究與發(fā)展的開(kāi)端。有機(jī)光敏晶體管常用的小分子材料有并五苯、酞菁銅等。采用并五苯與酞菁銅作為活性材料的光敏晶體管器件其R值分別是10-50A/W和1.5-2.4A/W。除了小分子有機(jī)光敏晶體管外，利用聚合物半導(dǎo)體作為活性層有望制備全有機(jī)的柔性光敏晶體管。Narayan等人采用P3OT作為半導(dǎo)體，PVA作為絕緣層制備的柔性器件，其在1μW時(shí)光敏開(kāi)關(guān)比達(dá)到100倍，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的兩端二極管器件。另外，D/A異質(zhì)結(jié)也被引入用于光敏晶體管的制備。通常是將兩種能級(jí)匹配的半導(dǎo)體材料混合作為晶體管的活性材料部分，由于晶體管的第三端作用往往會(huì)使光電流大大增加，使光敏晶體管器件的性能更好。

4 結(jié)論

有機(jī)光信號(hào)探測(cè)器作為一種極具成本效益的電子器件，可用于短范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)碼成像和傳感等。它的優(yōu)點(diǎn)是易調(diào)控，可集成和可實(shí)現(xiàn)對(duì)光波段的選擇性。簡(jiǎn)單的制備方式，大量的有機(jī)半導(dǎo)體的材料儲(chǔ)備，較高的量子產(chǎn)率和光響應(yīng)速度使得有機(jī)光信號(hào)探測(cè)器具備廣泛的應(yīng)用前景。

第7篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件；物理；教學(xué)改革

半導(dǎo)體器件物理是微電子學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)新興光電產(chǎn)業(yè)所需的應(yīng)用技術(shù)人才必備的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)課程。該課程是連接半導(dǎo)體材料性質(zhì)和器件應(yīng)用的橋梁學(xué)科，在新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)中具有重要的基礎(chǔ)地位。因此，探討教學(xué)中存在的問(wèn)題，改革教學(xué)的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學(xué)中產(chǎn)生的問(wèn)題及原因分析

1.學(xué)生聽(tīng)課效率低，學(xué)習(xí)興趣淡薄，考試成績(jī)低

以某大學(xué)光電行業(yè)方向工科專業(yè)近三年半導(dǎo)體器件物理考試成績(jī)分布情況為例，表1中近三年學(xué)生成績(jī)均顯示出60分左右的人數(shù)最多，以60分為原點(diǎn)，其高分和低分兩側(cè)的人數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的正態(tài)分布。從表1中還可以看出，成績(jī)低分人數(shù)逐年增多，成績(jī)偏離理想狀況較多。

2.針對(duì)問(wèn)題分析原因

導(dǎo)致表1結(jié)果的原因有以下三方面：

（1）學(xué)生的物理基礎(chǔ)參差不齊，知識(shí)結(jié)構(gòu)存在斷層

近年來(lái)，由于高考制度的改革，部分學(xué)生參加高考時(shí)未選報(bào)物理，物理僅作為會(huì)考科目使得相當(dāng)一部分高中學(xué)生輕視物理的學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)，有些專業(yè)大學(xué)物理成為必修課，由于學(xué)生高中物理基礎(chǔ)差別很大，因此，同一班級(jí)的學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力就表現(xiàn)得參差不齊。

對(duì)于一般工科專業(yè)的學(xué)生（包括面向新興光電產(chǎn)業(yè)的工科專業(yè)）來(lái)說(shuō)，他們大二或大三開(kāi)始學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件物理課程（或半導(dǎo)體物理課程）時(shí)，他們的物理基礎(chǔ)只有在高中學(xué)過(guò)的普通物理和大學(xué)學(xué)過(guò)大學(xué)物理，其內(nèi)容也僅涉及經(jīng)典物理學(xué)中的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)的基本規(guī)律，而近代物理中的實(shí)物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規(guī)律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導(dǎo)體器件物理課程的接受對(duì)象，不僅在物理基礎(chǔ)上參差不齊，而且在物理知識(shí)結(jié)構(gòu)上還存在斷層，這給該課程的教和學(xué)增加了難度。

另外，即使增加學(xué)習(xí)該門(mén)課程所必需的近代物理、量子物理初步知識(shí)和固體物理的基礎(chǔ)內(nèi)容，但由于課程課時(shí)的限制，也決定了該課程在學(xué)習(xí)時(shí)存在較大的知識(shí)跨度，很多學(xué)生難以跟上進(jìn)度。

（2）課程理論性強(qiáng)，較難理解的知識(shí)點(diǎn)集中

半導(dǎo)體器件物理課程以半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)和應(yīng)用為基本內(nèi)容，內(nèi)容編排上從理想本征半導(dǎo)體的性質(zhì)和半導(dǎo)體的摻雜改性，到P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合形成半導(dǎo)體器件的核心單元，再到各種PN結(jié)的設(shè)計(jì)和控制，采取層層推進(jìn)的方式，邏輯嚴(yán)密，理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的要求也高，每一部分的核心內(nèi)容都要扎實(shí)掌握才能跟上學(xué)習(xí)的進(jìn)度。同時(shí)，在各章內(nèi)容講解過(guò)程中幾乎都有若干較難的知識(shí)點(diǎn)，如本征半導(dǎo)體性質(zhì)部分的有效質(zhì)量、空穴的概念、能帶的形成、導(dǎo)帶和價(jià)帶的概念等；半導(dǎo)體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級(jí)、受主能級(jí)、半導(dǎo)體中的載流子分布規(guī)律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；簡(jiǎn)單PN結(jié)部分的平衡PN結(jié)、非平衡PN結(jié)、PN結(jié)的能帶和工作原理；不同專業(yè)在PN結(jié)的設(shè)計(jì)和控制這部分會(huì)根據(jù)所設(shè)專業(yè)選取不同的章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)，面向光電行業(yè)的本科專業(yè)則通常選取半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光這部分來(lái)講授，該部分包含半導(dǎo)體的躍遷類型，以及半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)和發(fā)光二極管等的工作原理。這些知識(shí)點(diǎn)分布集中，環(huán)環(huán)相套，步步遞進(jìn)，因此理解難度較大。

（3）學(xué)習(xí)態(tài)度不端正的現(xiàn)象普遍存在

近幾年，在社會(huì)大環(huán)境的影響下，學(xué)習(xí)態(tài)度不端正現(xiàn)象在本科各專業(yè)學(xué)生中普遍存在。無(wú)故遲到曠課情況經(jīng)常發(fā)生，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，學(xué)生獨(dú)立思考積極性差。電子產(chǎn)品的普及也嚴(yán)重影響到了學(xué)生上課的積極性，很多學(xué)生成了手機(jī)控，即使坐在課堂上也頻頻看手機(jī)、上網(wǎng)。有些學(xué)生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點(diǎn)、難點(diǎn)。特別是半導(dǎo)體器件物理這門(mén)課程涉及的知識(shí)點(diǎn)密集，重點(diǎn)、難點(diǎn)較多，知識(shí)連貫性要求高，如果一些知識(shí)點(diǎn)漏掉了，前后可能就連貫不起來(lái)，容易使疑難問(wèn)題堆積起來(lái)，對(duì)于不認(rèn)真聽(tīng)講的部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，很快就跟不上進(jìn)度了。另外，學(xué)生畏難情緒較嚴(yán)重，課下也不注意復(fù)習(xí)答疑，迎難而上的精神十分少見(jiàn)。俗話說(shuō)，“師傅領(lǐng)進(jìn)門(mén)，修行在個(gè)人?！痹谡n時(shí)緊張、學(xué)生積極性差、課程理論性強(qiáng)等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學(xué)效率。

二、改進(jìn)方法的探討

針對(duì)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，本文從教學(xué)方法和教學(xué)手段兩個(gè)方面入手來(lái)探討該課程教學(xué)的改進(jìn)。

1.教學(xué)方法的改革

半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)改革以建設(shè)完整的半導(dǎo)體理論體系和實(shí)踐應(yīng)用體系為目標(biāo)，一方面，著重在教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教師隊(duì)伍、教學(xué)管理和教材方面進(jìn)行建設(shè)和改革，形成適合應(yīng)用型本科專業(yè)學(xué)生的課程體系。另一方面，我國(guó)本科院校正處于教育的轉(zhuǎn)型發(fā)展時(shí)期，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，按照“專業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求相對(duì)接、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)接、教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)接”的原則，半導(dǎo)體器件物理課程改革重視基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能教學(xué)，力爭(zhēng)構(gòu)建以能力為本的課程體系，做到與時(shí)俱進(jìn)。本課程改革具體體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：

（1）轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念

改變傳統(tǒng)向?qū)W生灌輸理論知識(shí)的教學(xué)觀念，以學(xué)習(xí)與新興行業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)為導(dǎo)向，確定該課程在整個(gè)專業(yè)課程體系中承上啟下的基礎(chǔ)性地位，在教學(xué)觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學(xué)內(nèi)容

為構(gòu)建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的教學(xué)、合理構(gòu)建應(yīng)用型人才的知識(shí)體系的同時(shí)，力爭(zhēng)使學(xué)生了解半導(dǎo)體器件制作和應(yīng)用的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題，并積極實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化的教學(xué)模式，故此本課程改革分幾個(gè)層次組織教學(xué)內(nèi)容。

第一層次為基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊。為解決學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整的問(wèn)題，在講授半導(dǎo)體器件物理之前要進(jìn)行固體物理學(xué)課程知識(shí)的鋪墊，還要增加近論物理學(xué)知識(shí)，如原子物理和量子力學(xué)的知識(shí)，為學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)框架，降低認(rèn)知落差。

第二層次為半導(dǎo)體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)、半導(dǎo)體PN結(jié)的工作原理、常見(jiàn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作原理和半導(dǎo)體的光電及發(fā)光現(xiàn)象和應(yīng)用。

第三層次為課內(nèi)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。在理工科學(xué)生必修的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（如“電阻應(yīng)變傳感器”、“太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)量”、“光電傳感器基本特性測(cè)量”、“霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用”等）的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)方向設(shè)置若干實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解半導(dǎo)體電子和光電器件的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理及制作的工藝流程以及職業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)，還有行業(yè)熱點(diǎn)問(wèn)題，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，提高動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。

第四層次為開(kāi)展課題式實(shí)踐教育，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化。為解決傳統(tǒng)教學(xué)理論和實(shí)踐脫節(jié)問(wèn)題，以基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和針對(duì)各專業(yè)方向設(shè)置的與半導(dǎo)體器件應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為實(shí)踐基礎(chǔ)，開(kāi)展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和工廠企業(yè)，利用已學(xué)理論對(duì)行業(yè)熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行思考和探究，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。

（3）調(diào)整教學(xué)方法

一方面，要正確處理物理模型和數(shù)學(xué)分析的關(guān)系，不追求公式推導(dǎo)的嚴(yán)密性，強(qiáng)調(diào)對(duì)物理結(jié)論的正確理解和應(yīng)用。另一方面，充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)設(shè)施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，采用討論式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性。

（4）建設(shè)教學(xué)隊(duì)伍

對(duì)國(guó)內(nèi)知名院校的相關(guān)專業(yè)進(jìn)行考察和調(diào)研，學(xué)習(xí)先進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)方法，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)專業(yè)的專家進(jìn)行講座，邀請(qǐng)企業(yè)高級(jí)技術(shù)人才和管理人才作為兼職教授來(lái)為學(xué)生講授當(dāng)前最前沿、最先進(jìn)的技術(shù)及產(chǎn)品，并參與教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容的修訂。另外，鼓勵(lì)教師團(tuán)隊(duì)充分利用產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)的機(jī)會(huì)深入企業(yè)，提高教師隊(duì)伍的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)雙師型教師打下基礎(chǔ)。

（5）完善教材體系

教材是保證教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是提高專業(yè)教學(xué)水平的有效方法。針對(duì)理工科專業(yè)特色方向及學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)，除選用經(jīng)典的國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材――《半導(dǎo)體物理學(xué)》以外，還組織精干力量編寫(xiě)專業(yè)特色方向的相關(guān)教材，以形成完善的半導(dǎo)體理論和實(shí)踐相結(jié)合的教材體系，在教材中融入學(xué)校及專業(yè)特色，注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，增加案例分析，體現(xiàn)學(xué)以致用。

（6）加強(qiáng)教學(xué)管理

良好的教學(xué)管理是提高教學(xué)質(zhì)量的必要手段。首先根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)以及本課程的教學(xué)目標(biāo)合理制訂教學(xué)大綱及教學(xué)計(jì)劃。在授課過(guò)程中充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，積極與學(xué)生交流，了解學(xué)生現(xiàn)狀，建立學(xué)生評(píng)價(jià)體系，改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)內(nèi)容等，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.教學(xué)手段改革

（1）采用類比的教學(xué)方法

課堂上將深?yuàn)W理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)中可比事物進(jìn)行類比，讓學(xué)生易于理解基本理論。例如，在講半導(dǎo)體能帶中電子濃度計(jì)算時(shí)，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級(jí)，將不規(guī)則就座的學(xué)生類比為占據(jù)能級(jí)的電子，計(jì)算導(dǎo)帶中電子的濃度類比為計(jì)算教室中各排上學(xué)生數(shù)量總和再除以教室體積。讓學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活中找出例子與抽象的半導(dǎo)體理論進(jìn)行形象化類比，幫助學(xué)生理解半導(dǎo)體的基本概念和理論。

（2）采用理論實(shí)踐相結(jié)合的方法

在教學(xué)中時(shí)刻注意理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法，例如，根據(jù)學(xué)生專業(yè)方向，在講述寬帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)光性能時(shí)，給學(xué)生總結(jié)介紹了LED芯片材料的類型和對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)，讓學(xué)生體會(huì)到材料性質(zhì)是器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（3）構(gòu)建網(wǎng)上學(xué)習(xí)系統(tǒng)

建立紙質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的一體化體系，及時(shí)更新、充實(shí)課程資源與信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)課程的網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)和優(yōu)秀資源共享。這些資源包括與本課程相關(guān)的教學(xué)大綱、教材、多媒體課件、教學(xué)示范、習(xí)題、習(xí)題答案、參考文獻(xiàn)、學(xué)生作業(yè)及半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)講座等。

（4）開(kāi)展綜合創(chuàng)新的實(shí)踐

充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，為學(xué)生提供實(shí)踐條件。同時(shí)積極開(kāi)拓校外實(shí)踐基地，加強(qiáng)校企合作，為學(xué)生實(shí)習(xí)、實(shí)踐提供良好的平臺(tái)，使課程教學(xué)和實(shí)踐緊密結(jié)合。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，與教師科研結(jié)合，申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，以提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力及應(yīng)用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統(tǒng)以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評(píng)價(jià)方式，多角度衡量、綜合評(píng)定教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉秋香，王銀海，趙韋人，等.“半導(dǎo)體物理學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐與探索[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010（10）：87-88，94.

[2]徐煒煒，黃靜.從半導(dǎo)體物理課程教學(xué)談高素質(zhì)人才培養(yǎng)[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8（4）：97-99.

[3]王印月，趙猛.改革半導(dǎo)體課程教學(xué)融入研究性學(xué)習(xí)思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

第8篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

關(guān)鍵詞 MOCVD；HVPE；氮化鎵

中圖分類號(hào)TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）83-0115-03

0 引言

GaN 材料具有良好的電學(xué)特性[1]，如寬帶隙(3.39 eV)、高電子遷移率(室溫 1 000 cm 2 /V·s)、高擊穿電壓(3×106 V/cm)等，其優(yōu)良的特性，誘人的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力，引來(lái)各國(guó)激烈的研究熱潮[2]。

氣相淀積生長(zhǎng)法易于控制薄膜的厚度、組分和摻雜，是目前制備GaN薄膜的主流方法，其中主要有金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法和氫化物氣相外延（HVPE）法。

GaN 的MOCVD法工藝是液態(tài)的TMGa由載氣(H2或N2)攜帶進(jìn)腔體與另一路由載氣攜帶的NH3在溫度1100℃左右的襯底上反應(yīng)沉積得到[3]。MOCVD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，通常要考慮系統(tǒng)密封性，流量、溫度控制要精確，組分變換要迅速，系統(tǒng)要緊湊等。

HVPE技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以生長(zhǎng)均勻、大尺寸GaN厚膜，作為進(jìn)一步用MOCVD生長(zhǎng)器件結(jié)構(gòu)的襯底。HVPE法中Ga源先在800℃左右的溫區(qū)與HCl反應(yīng)生成GaCl，GaCl再與NH3混合在1 050℃左右的高溫區(qū)反應(yīng)生成GaN[4-5]，因此對(duì)應(yīng)的設(shè)備需提供兩個(gè)溫區(qū)。

對(duì)于以上兩種主流的GaN薄膜制備方法，本文提出一種在結(jié)構(gòu)上可兼容兩種工藝的新式實(shí)驗(yàn)型GaN外延設(shè)備。在充分考慮了氣體密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、粘性系數(shù)等參數(shù)與溫度的關(guān)系， 建立了二維和三維熱流耦合有限元模型，對(duì)襯底溫度、氣相溫度、流場(chǎng)分布等進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

2 結(jié)果討論和分析

2.1 MOCVD模型的二維有限元分析

本文提出的HVPE結(jié)構(gòu)部分是可以進(jìn)行拆裝的，把這部分結(jié)構(gòu)去掉，調(diào)整襯底基座與進(jìn)氣口的相對(duì)位置，可以得到適合MOCVD工藝的設(shè)備構(gòu)架。

另外，從反應(yīng)腔內(nèi)流線的分布可以看出，在襯底基座上方，氣體處于層流狀態(tài)，這將為外延層的生長(zhǎng)提供了非常有利的穩(wěn)定流場(chǎng)環(huán)境。

2.2 HVPE模型的三維有限元分析

考慮模型的對(duì)稱關(guān)系，選取完整模型的四分之一進(jìn)行計(jì)算，在兩個(gè)對(duì)稱平面設(shè)置對(duì)稱邊界條件，以減少有限元模型的網(wǎng)格數(shù)目，提高運(yùn)算效率。計(jì)算得到溫度分布云圖如圖5所示。

3 結(jié)論

1）對(duì)于襯底基座的上表面，不同區(qū)域的功率損耗也不同。為保證表面溫度均勻性，可設(shè)置不同的加熱源，提供相匹配的加熱功率；

2）設(shè)計(jì)可拆裝的HVPE結(jié)構(gòu)，在共享MOCVD構(gòu)架的基礎(chǔ)上作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使得一臺(tái)設(shè)備適用于不同的工藝方法，并且在多物理場(chǎng)耦合有限元模型上得到了理論論證；

3）在進(jìn)行有限元建模時(shí)，應(yīng)注意建模策略，根據(jù)模型幾何特點(diǎn)，可簡(jiǎn)化成二維軸對(duì)稱模型或者四分之一的幾何模型。如此，可在保證模型準(zhǔn)確性的前提下，減少有限元模型的網(wǎng)格數(shù)目，提高運(yùn)算效率。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧志杰，鄭安生.半導(dǎo)體材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]李寶珠.寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010(187):05-10.

[3]孫玉芹.用于固態(tài)照明的非極性a面GaN薄膜的MOCVD生長(zhǎng)及表征[D].華中科技大學(xué)，2011.

[4]Akinori K，Miho M，et al.Journal of Crystal Growth，246(3-4)，(2002)：230-236.

[5]Wei T B，Hu Q，Duan R F，et al.Journal of CrystalGrowth，2009，311(17)：4153-4157.

第9篇：半導(dǎo)體材料與技術(shù)范文

關(guān)鍵詞 納米ZnO薄膜；特性；進(jìn)展

中圖分類號(hào)：O484 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0008-02

純ZnO及其摻雜薄膜具有優(yōu)異的晶格和光電性能，易于產(chǎn)生缺陷和進(jìn)行雜質(zhì)摻雜，并且具有價(jià)格低、無(wú)毒性、良好的機(jī)電耦合性能，低的電子誘生缺陷等優(yōu)勢(shì)，使其在光電元器件領(lǐng)域得到廣泛開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1 薄膜的特性

ZnO晶體為II-VI族六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度約為3.37eV，ZnO的另一個(gè)特點(diǎn)是激子結(jié)合能（60meV）高，能有效地工作于室溫及更高溫度。ZnO的熔點(diǎn)為1975℃，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較高，500℃以下就可以制備出ZnO薄膜，這比SiC、GaN和其他II-VI族寬禁帶半導(dǎo)體材料的制備溫度要低很多。這使ZnO成為室溫短波長(zhǎng)光電子材料的研究熱點(diǎn)。本征態(tài)的ZnO理論上是絕緣體，但事實(shí)上由于ZnO中鋅間隙和氧空位的存在，為n型半導(dǎo)體。優(yōu)質(zhì)的ZnO薄膜具有c軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)。ZnO薄膜在可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率高達(dá)90%，電阻率低至10-4Ω?cm，是一種理想的透明導(dǎo)電薄膜。

2 薄膜的發(fā)光機(jī)理

2.1 紫外光的發(fā)射

一般認(rèn)為ZnO的紫外發(fā)射與帶邊激子對(duì)的復(fù)合有關(guān)，其發(fā)射強(qiáng)度由化學(xué)配比、晶格完整性和結(jié)晶質(zhì)量決定，結(jié)晶質(zhì)量越好的ZnO薄膜紫外發(fā)射強(qiáng)度越高。

2.2 綠光的發(fā)射

ZnO薄膜的藍(lán)-綠發(fā)光一直是人們研究的熱點(diǎn)。不同于紫外發(fā)射，人們對(duì)綠光發(fā)射持有不同見(jiàn)解。通常認(rèn)為綠光源于氧空位與價(jià)帶空穴間的復(fù)合躍遷[1]和氧空位與鋅空位間的躍遷[2]。還有研究認(rèn)為鋅間隙與綠光有關(guān)。近幾年的研究認(rèn)為綠光來(lái)自導(dǎo)帶底到氧位錯(cuò)缺陷能級(jí)間的躍遷[3]。對(duì)于確切的哪種點(diǎn)缺陷在綠光發(fā)射中占據(jù)主導(dǎo)作用學(xué)者們?nèi)栽谔骄俊?/p>

2.3 其他光的發(fā)射

圖1 利用全勢(shì)線性多重軌道的方法計(jì)算的ZnO本征缺陷能級(jí)[7]

在研究ZnO薄膜的發(fā)光中，還常伴有紫光、黃光、橙光和紅光。其機(jī)理為：紫光源于晶界產(chǎn)生的輻射缺陷能級(jí)與價(jià)帶之間的躍遷[4]。黃光與氧間隙[5]或一種ZnO2的配比結(jié)構(gòu)有關(guān)。橙、紅光與富氧的ZnO 結(jié)構(gòu)[6]或沉積過(guò)程中形成的自然缺陷相關(guān)。

文獻(xiàn)[7]是利用全勢(shì)線性多重軌道的方法計(jì)算ZnO本征缺陷能級(jí)水平，這對(duì)發(fā)光機(jī)理的研究起到了推動(dòng)性作用。

3 ZnO薄膜的研究現(xiàn)狀及展望

ZnO以其優(yōu)異的性能（主要是低閾值高效光電特性、強(qiáng)烈的紫外吸收和紫外激光發(fā)射、量子限域效應(yīng)、光催化和壓電等性能）在半導(dǎo)體氧化物中獨(dú)占鰲頭，ZnO薄膜以其原料廉價(jià)易得，生長(zhǎng)溫度相對(duì)低，成膜質(zhì)量高，較易實(shí)現(xiàn)摻雜，成為了應(yīng)用廣泛的透明導(dǎo)電薄膜。自1997年發(fā)現(xiàn)ZnO薄膜具有紫外受激發(fā)射的特性以來(lái)，此后在室溫下觀測(cè)到具有納米結(jié)構(gòu)的微晶薄膜光泵激光發(fā)射，因其激子結(jié)合能（60meV）比同是寬禁帶材料的ZnSe（20meV）、GaN（28meV）高出許多，能有效工作于室溫（26mev）及更高溫度，且制備溫度比GaN和其他II-VI族半導(dǎo)體寬禁帶材料的制備溫度低很多，使得薄膜與襯底原子的互擴(kuò)散得到了大大降低。ZnO成為繼GaN之后新的短波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的研究熱點(diǎn)。ZnO薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)透過(guò)率高達(dá)90%，可以應(yīng)用于優(yōu)質(zhì)的太陽(yáng)能電池透明電極。在紫外和紅外光譜范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的吸收作用，可做為相應(yīng)光譜區(qū)的阻擋層。目前ZnO薄膜在表面聲波器件和壓電傳感器領(lǐng)域已投入應(yīng)用，隨電阻率變化的氣敏元件正在研發(fā)中，但從實(shí)驗(yàn)室研究向大生產(chǎn)轉(zhuǎn)化還需時(shí)日。

3.1 摻雜和PN結(jié)的制作

純ZnO由于載流子濃度較低，電阻率較高，可以通過(guò)摻雜改變其性能。目前n型ZnO研究較多的是鋁摻雜氧化鋅（AZO），但由于Al原子半徑比Zn原子半徑大，摻雜中晶格畸變較大，會(huì)影響到薄膜的光電特性，而且Al較活潑，易被氧化。因此AZO在高溫下氧缺位會(huì)因Al的氧化而消失，從而抑制了Al的摻雜效率，使薄膜的電阻率升高，影響薄膜的穩(wěn)定性。但在溫度相對(duì)低的情況，Al的摻雜提高其電導(dǎo)率，又不影響光的透過(guò)率。AZO薄膜在活性氫和氫等離子體環(huán)境中穩(wěn)定性高，不易降低太陽(yáng)能電池材料的活性，且廉價(jià)易得，在太陽(yáng)能電池、平板顯示器、半導(dǎo)體器件領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?？梢?jiàn)摻雜是ZnO薄膜改性的手段，不同物質(zhì)和條件下的摻雜使ZnO薄膜具備不同的特性。

ZnO薄膜作為一種光電半導(dǎo)體材料，制作出p-n 結(jié)是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。制備出穩(wěn)定的可重復(fù)的高性能的p型ZnO薄膜異常困難，大多存在著高電阻率、低遷移率、低載流子濃度和不穩(wěn)定等問(wèn)題。其原因一是ZnO中氧空位、鋅間隙及生長(zhǎng)中引入的H雜質(zhì)等大量施主缺陷，對(duì)摻雜的受主缺陷的補(bǔ)償。二是ZnO中受主能級(jí)較深，室溫狀態(tài)離化產(chǎn)生空穴太難。三是一些受主雜質(zhì)元素在薄膜中的固溶度低，難以提高載流子濃度。目前Minegishi等已經(jīng)制備出了p型摻雜的ZnO薄膜，但其少子密度較低，且遠(yuǎn)低于實(shí)現(xiàn)pn結(jié)所需要的濃度。高質(zhì)量、低電阻、穩(wěn)定的p型ZnO薄膜仍亟待研究。

制備出高濃度p型摻雜的ZnO從而制作出pn結(jié)是目前學(xué)者們的努力方向。除了努力實(shí)現(xiàn)高濃度p型摻雜之外，由于GaN和ZnO晶格匹配性較好，且p-GaN已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，因此利用p- GaN和n-ZnO來(lái)制作pn結(jié)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 應(yīng)用前景

ZnO薄膜在光電、晶格、氣敏、壓敏、壓電等方面性能優(yōu)異且熱穩(wěn)定性高，目前，ZnO薄膜的應(yīng)用主要有：制作紫外光器件、制作表面聲波器件、LED（發(fā)光二極管）、液晶顯示、LD（激光二極管）、氣敏和壓敏器件、可與GaN互作緩沖層、用于光電器件的單片集成，納米ZnO薄膜以其無(wú)毒穩(wěn)定且廉價(jià)易得的特性，有替代太陽(yáng)能電池材料ITO（氧化銦錫）和二氧化錫等透明導(dǎo)電薄膜的趨勢(shì)，推動(dòng)了廉價(jià)太陽(yáng)電池的發(fā)展。還可做為玻璃窗的熱反射涂層，提高建筑物的熱量利用率。用作紫外光阻擋層有效妨害紫外線輻射等。

4 ZnO薄膜的制備方法

有射頻磁控濺射、分子束外延（MBE）、溶膠凝膠（Sol-gel）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、脈沖激光沉積（PLD）等。脈沖激光沉積由于其工藝參數(shù)易于控制，沉積溫度相對(duì)低，沉積薄膜的成分更接近于靶材，即使是多種成份的合金靶也可以用此方法獲得，且成膜質(zhì)量高，薄膜與襯底粘結(jié)度高。采用激光器做光源，避免了污染等優(yōu)點(diǎn)。此法已廣泛應(yīng)用于制備高質(zhì)量的ZnO薄膜。

5 結(jié)論

納米ZnO薄膜性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉，且其制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單多樣、易于實(shí)現(xiàn)摻雜且與硅IC兼容，利于實(shí)現(xiàn)電子元器件的集成，這些元器件已成為各類光學(xué)器件的重要組成部分，是極具開(kāi)發(fā)前景的光電薄膜材料之一。隨著研究的不斷開(kāi)展，ZnO薄膜的技術(shù)及應(yīng)用必將更廣泛地影響到人們的生產(chǎn)和生活。

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