導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇半導體材料設計，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

 

1.半導體材料的概念與特性

當今，以半導體材料為芯片的各種產品普遍進入人們的生活，如電視機，電子計算機，電子表，半導體收音機等都已經成為我們日常所不可缺少的家用電器。半導體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用，這需要我們從了解半導體材料的概念和特性開始。

半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一類物質，在某些情形下具有導體的性質。半導體材料廣泛的應用源于它們獨特的性質。首先，一般的半導體材料的電導率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發就是利用了這個特性；其次，雜質參入對半導體的性質起著決定性的作用，它們可使半導體的特性多樣化，使得PN結形成，進而制作出各種二極管和三極管；再次，半導體的電學性質會因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導體具有較強的溫差效應，可以利用它制作半導體制冷器等；半導體基片可以實現元器件集中制作在一個芯片上，于是產生了各種規模的集成電路。這種種特性使得半導體獲得各種各樣的用途，在科技的發展和人們的生活中都起到十分重要的作用。

2.半導體材料的發展歷程

半導體材料從發現到發展，從使用到創新，也擁有著一段長久的歷史。在20世紀初期，就曾出現過點接觸礦石檢波器。1930年，氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應用，使半導體材料開始受到重視。1947年鍺點接觸三極管制成，成為半導體的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生長技術的開發和集成電路的發明，使得微電子技術得到進一步發展。60年代，砷化鎵材料制成半導體激光器，固溶體半導體材料在紅外線方面的研究發展，半導體材料的應用得到擴展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半導體器件的設計與制造從“雜志工程”發展到“能帶工程”，將半導體材料的研究和應用推向了一個新的領域。90年代以來隨著移動通信技術的飛速發展，砷化鎵和磷化銦等半導體材料得成為焦點，用于制作高速、高頻、大功率及發光電子器件等；近些年，新型半導體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進半導體材料開始體現出其超強優越性，被稱為IT產業新的發動機。

3.各類半導體材料的介紹與應用

半導體材料多種多樣，要對其進一步的學習，我們需要從不同的類別來認識和探究。通常半導體材料分為：元素半導體、化合物半導體、固溶體半導體、非晶半導體、有機半導體、超晶格半導體材料。不同的半導體材料擁有著獨自的特點，在它們適用的領域都起到重要的作用。

3.1元素半導體材料

元素半導體材料是指由單一元素構成的具有半導體性質的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和鍺為典型。硅在在地殼中的含量較為豐富，約占25%，僅次于氧氣。硅在當前的應用相當廣泛，它不僅是半導體集成電路、半導體器件和硅太陽能電池的基礎材料，而且用半導體制作的電子器件和產品已經大范圍的進入到人們的生活，人們的家用電器中所用到的電子器件80%以上元件都離不開硅材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由于鍺的特有性質，使得它的應用主要集中于制作各種二極管，三極管等。而以鍺制作的其他器件如探測器，也具備著許多的優點，廣泛的應用于多個領域。

3.2化合物半導體材料

通常所說的化合物半導體多指晶態無機化合物半導體，即是指由兩種或兩種以上元素確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結構的半導體性質。化合物半導體材料種類繁多，按元素在元素周期表族來分類，分為三五族（如砷化鎵、磷化銦等），二六族（如硒化鋅），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半導體材料已經在太陽能電池、光電器件、超高速器件、微波等領域占據重要的位置，且不同種類具有不同的性質，也得到不同的應用。。

3.3固溶體半導體材料

固溶體半導體材料是某些元素半導體或者化合物半導體相互溶解而形成的一種具有半導體性質的固態溶液材料，又稱為混晶體半導體或者合金半導體。隨著每種成分在固溶體中所占百分比（X值）在一定范圍內連續地改變，固溶體半導體材料的各種性質（尤其是禁帶寬度）將會連續地改變，但這種變化不會引起原來半導體材料的晶格發生變化.利用固溶體半導體這種特性可以得到多種性能的材料。

3.4非晶半導體材料

非晶半導體材料是具有半導體特性的非晶體組成的材料，如α-硅、α-鍺、α-砷化鎵、α-硫化砷、α-硒等。。這類材料，原子排列短程有序，長程無序，又稱無定形半導體，部分稱作玻璃半導體。非晶半導體按鍵合力的性質分為共價鍵非晶半導體和離子鍵非晶半導體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸發或濺射的方法制備。在工業上，非晶半導體材料主要用于制備像傳感器、太陽能電池薄膜晶體管等非晶半導體器件。

3.5有機半導體材料

有機半導體是導電能力介于金屬和絕緣體之間，具有熱激活電導率且電導率在10-10～100S·cm的負一次方范圍內的有機物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡合物等.其中聚丙烯腈等有機高分子半導體又稱塑料半導體。有機半導體可分為有機物、聚合物和給體-受體絡合物三類。相比于硅電子產品，有機半導體芯片等產品的生產能力較差，但是擁有加工處理更方便、結實耐用、成本低廉的獨特優點。目前，有機半導體材料及器件已廣泛應用于手機，筆記本電腦，數碼相機，有機太陽能電池等方面。

3.6超晶格微結構半導體材料

超晶格微結構半導體材料是指按所需特性設計的能帶結構，用分子束外延或金屬有機化學氣相沉積等超薄層生產技術制造出來的具有各種特異性能的超薄膜多層結構材料。由于載流子在超晶格微結構半導體中的特殊運動，使得其出現許多新的物理特性并以此開發了新一代半導體技術。。當前，對超晶格微結構半導體材料的研究和應用依然在研究之中，它的發展將不斷推動許多領域的提高和進步。

4.半導體材料的發展方向

隨著信息技術的快速發展和各種電子器件、產品等要求不斷的提高，半導體材料在未來的發展中依然起著重要的作用。在經過以Si、GaAs為代表的第一代、第二代半導體材料發展歷程后，第三代半導體材料的成為了當前的研究熱點。我們應當在兼顧第一代和第二代半導體發展的同時，加速發展第三代半導體材料。目前的半導體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進。隨著微電子時代向光電子時代逐漸過渡，我們需要進一步提高半導體技術和產業的研究，開創出半導體材料的新領域。相信不久的將來，通過各種半導體材料的不斷探究和應用，我們的科技、產品、生活等方面定能得到巨大的提高和發展！

參考文獻

[1]沈能玨,孫同年,余聲明,張臣.現代電子材料技術.信息裝備的基石[M].北京：國防工業出版社,2002.

[2]靳曉宇.半導體材料的應用與發展研究[J].大眾商務,2009,(102).

[3]彭杰.淺析幾種半導體材料的應用與發展[J].硅谷, 2008,(10).

篇2

半導體材料的發展，是在器件需要的基礎上進行的，但從另一個角度來看，隨著半導體新材料的出現，也推動了半導體新器件的發展。近幾年，電子器件發展的多朝向體積小、頻率高、功率大、速度快等幾個方面[1]。除了這些之外，還要求新材料能夠耐輻射、耐高溫。想要滿足這些條件，就要對材料的物理性能加大要求，同時，也與材料的制備，也就是晶體生長技術有關。因此，在半導體材料的發展過程中，不僅要發展擁有特殊優越性能的品種，還要對晶體發展的新技術進行研究開發。

1 半導體電子器件需要的材料1.1 固體組件所需材料

目前，半導體電子所需要的材料依然是以鍺、硅為主要的材料，但是所用材料的制備方法卻不一樣，有的器件需要使用拉制的材料，還有的器件需要外延的材料，采用外延硅單晶薄膜制造的固體組件，有對制造微電路有著十分重要的作用。

1.2 快速器件所需材料

利用硅外延單晶薄膜或者外延鍺的同質結，可以制造快速開關管。外延薄膜單晶少數載流子只能存活幾個微秒[2]，在制造快速開關管的時候，采用外延單晶薄膜來制造，就可以解決基區薄的問題。

1.3 超高頻和大功率晶體管的材料

超高頻晶體管對材料的載流子有一定的要求，材料載流子的遷移率要大，在當前看來，鍺就是一種不錯的材料，砷化鎵也是一種較好的材料，不過要先將晶體管的設計以及制造工藝進行改變。大功率的晶體管就對材料的禁帶寬度有了一定的要求，硅的禁帶寬度就要大于鍺的禁帶寬度，碳化硅、磷化鎵、砷化鎵等材料，也都具有一定的發展前途。如果想要制造超高頻的大功率晶體管，就會對材料的禁帶寬度以及載流子遷移率都有一定的要求。但是，目前所常用的化合物半導體以及元素半導體，都不能完全滿足要求，只有固溶體有一定的希望。例如，砷化鎵-磷化鎵固溶體中，磷化鎵的含量為5%，最高可以抵抗500℃以上的高溫，禁帶寬度為1.7eV，當載流子的濃度到達大約1017/cm3的時候，載流子的遷移率可以達到5000cm3/ v.s[3]，能夠滿足超高頻大功率晶體的需要。

1.4 耐熱的半導體材料

目前比較常見的材料主要有：氧化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、碳化硅和磷化鎵等。但是只有碳化硅的整流器、碳化硅的二極管以及磷化鎵的二極管能夠真正做出器件。因為材料本身的治療就比較差，所以做出的器件性能也不盡人意。所以，需要對耐高溫半導體材料的應用進行更進一步的研究，滿足器件的要求。

1.5 耐輻射的半導體材料

在原子能方面以及星際航行方面所使用的半導體電子器件，要有很強的耐輻照性。想要使半導體電子器件具有耐輻照的性能，就要求半導體所用的材料是耐輻照的。近幾年來，有許多國家都對半導體材料與輻照之間的關系進行了研究，研究的材料通常都是硅和鍺，但是硅和鍺的耐輻射性能并不理想。據研究表明，碳化硅具有較好的耐輻照性，不過材料的摻雜元素不同，晶體生長的方式也就不一樣，耐輻照的性能也就不盡相同[4]，這個問題還需要進一步研究。

2 晶體生長技術

2.1 外延單晶薄膜生長的技術

近年來，固體組件發展非常迅速，材料外延的雜質控制是非常嚴格的，由于器件制造用光刻技術之后，對外延片的平整度要求也較高，在技術上還存在著許多不足。除了硅和鍺的外延之外，單晶薄膜也逐漸開展起來。使用外延單晶制造的激光器，可以在室內的溫度下相干，這對軍用激光器的制造有著重要的意義。

2.2 片狀晶體的制備

在1964年的國際半導體會議中，展出了鍺的薄片單晶，這個單晶長為2米，寬為8至9毫米，厚為0.3至0.5毫米，每一米長內厚度的波動在100微米以內，單晶的表面非常光滑并且平整，位錯的密度為零[5]。如果在制造晶體管的時候，使用這種單晶薄片，就可以免去切割、拋光等步驟，不僅能夠減少材料的浪費，還可以提升晶體表面的完整程度，從而提高晶體管的性能，增加單晶的利用率。對費用的控制有重要的意義。

3 半導體材料的展望

3.1 元素半導體

到目前為止，硅、鍺單晶制備都得到了很大程度的發展，晶體的均勻性和完整性也都達到了比較高的水平，在今后的發展過程中，要注意以下幾點：①對晶體生長條件的控制要更加嚴格；②注重晶體生長的新形式；③對摻雜元素的種類進行擴展。晶體非常重要的一方面就是其完整性，晶體的完整性對器件有著較大的影響，切割、研磨等步驟會破壞晶體的完整度，經過腐蝕之后，平整度也會受到影響。片狀單晶的完整度和平整度都要優于晶體，能夠避免晶體的缺陷。使用片狀單晶制造擴散器件，不僅能夠改善器件的電學性能，還可以降低器件表面的漏電率，所以，要對片狀單晶制備的研究進行加強。

3.2 化合物半導體

化合物半導體主要有砷化鎵單晶和碳化硅單晶。通過幾年的研究發展，砷化鎵單晶在各個方面都得到了顯著的提高，但是仍然與硅、鍺有很大的差距，因此，在今后要將砷化鎵質量的提升作為研究中重要的一點，主要的工作內容有：①改進單晶制備的技術，提高單晶的完整度和均勻度；②提高砷化鎵的純度；③提高晶體制備容器的純度；④通過多種渠道對晶體生長和引入的缺陷進行研究；⑤分析雜質在砷化鎵中的行為，對高阻砷化鎵的來源進行研究[6]。對碳化硅單晶的研制則主要是在完整性、均勻性以及純度等三個方面進行。

4 結論

半導體器件的性能直接受半導體材料的質量的影響，半導體材料也對半導體的研究工作有著重要的意義。想要提高半導體材料的質量，就要將工作的質量提高，提高超微量分析的水平，有利于元素純度的提高，得到超純的元素。要提高單晶制備所使用容器的純度。還要對材料的性能以及制備方法加大研究，促進新材料的發展。半導體材料的發展也與材料的制備，也就是晶體生長技術有關。因此，在半導體材料的發展過程中，不僅要發展擁有特殊優越性能的品種，也要對晶體發展的新技術進行研究開發。

參考文獻

[1] 李忠杰.中國化工新材料產業存在的問題分析與對策[J].中國新技術新產品. 2011（02）：15-16

[2] 張方，趙立群.“石油和化學工業‘十二五’規劃思路報告會”特別報導（三） 我國化工新材料發展形勢分析[J].化學工業.2011（07）：55-57

[3] 原磊，羅仲偉.中國化工新材料產業發展現狀與對策[J].中國經貿導刊.2010（03）：32-33

篇3

引 言

隨著經濟的發展，全球能耗劇增，能源資源幾近危機，想要降低能耗，實現可持續發展，研究和開發新型的環境友好型技術就成為了必須。半導體制冷起源于20世紀50年代，由于它結構簡單、通電制冷迅速，受到家電廠家的青睞。但是由于當時局限于材料元件性能的不足而沒有普遍使用。近年來，科學技術迅猛發展，半導體制冷器件的各個技術難題逐步攻破，使半導體制冷的優勢重新顯現出來，廣泛應用于軍事、航空航天、農業、工業等諸多領域。

1、半導體制冷國內外研究現狀

從國內外文獻研究來看，半導體制冷技術的理論研究已基本成熟。隨著半導體物理學的發展， 前蘇聯科學院半導體研究所約飛院士發現摻雜的半導體材料 ， 有良好的發電和制冷性。這一發現引起學者們對熱電現象的重視， 開啟了半導體材料的新篇章， 各國的研究學者均致力于尋找新的半導體材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半導體材料系數2.4。宜向春等人又對影響半導體材料優值系數的因素進行了詳細的分析。指出半導體材料的優值系數除與電極材料有關，也與電極的截面和長度有關， 不同電阻率和導熱率的電極應有不同的幾何尺寸， 只有符合最優尺寸才能獲得最大優值系數的半導體制冷器。

2、半導體制冷的工作原理

半導體制冷又稱熱電制冷，系統僅包括冷熱端、電源、電路等設備。P型半導體元件和N型半導體元件構成熱電對，熱電對兩端均有金屬片導流條。如圖1所示：當電流流經熱電對時，就會發射帕爾貼效應，電流在上端由N流向P，溫度降低形成冷端，從外界吸熱；電流在下端有P流向N，溫度升高形成熱端，向外界放熱。

3、半導體制冷效率的影響因素

半導體制冷的研究涉及傳熱學原理、熱力學定律以及帕爾貼效應， 還要考慮多種因素， 同時影響半導體制冷的各種因素都是相輔相成的， 不是獨立的。所以半導體制冷的研究一直是國內外學者關注的熱點， 但也面臨諸多難點，其中影響其制冷效率主要有兩個基本因素：

（1） 半導體材料優值系數Z

半導體制冷的核心部件是熱電堆，熱電堆的半導體制冷材料熱電轉換效率不高，是半導體制冷空調器效率較低的主要原因。決定熱電材料性能優劣的是優值系數Z 。若要半導體制冷效率達到機械制冷效率水平，制冷材料優值系數必須從3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如圖2 給出了不同優值Z時，半導體制冷與機械式制冷制冷系數的比較結果。

（2） 半導體制冷裝置熱端散熱效果的影響。

熱電堆熱端的散熱效果是影響熱電堆性能的重要因素。實際應用的半導體制冷裝置總要通過熱交換器與冷、熱源進行不斷的熱交換才能維持工作。而熱端散熱比冷端更為關鍵，如若設制冷器冷端散熱量為Q1，熱端散熱量為Q2，系統工作消耗的電功為W0。

顯然，Q2=Q1+W0

4、提高半導體制冷效率的途徑

制冷效率低成為半導體制冷最大的不足，這限制了半導體制冷的推廣和應用。為了提高半導體制冷的效率，就要從上文所介紹的兩個影響因素入手，找出有效的解決方法。

（1）尋找高優值系數Z的半導體材料：研制功能性非均質材料、方鈷礦的研究、帶量子空穴的超晶格研究。

（2）優化設計半導體制冷熱端散熱系統，以保證熱端的散熱處于良好的狀態。

5、半導體制冷應用與前景

隨著低溫電子學得到迅速的發展， 在多種元器件和設備冷卻上， 半導體制冷有獨特的作用。 采用半導體制冷技術， 對電子元件進行冷卻， 能有效改善其參數的穩定性， 或使信噪比得到改善， 從而提高放大和測量裝置的靈敏度和準確度。 半導體制冷器可以用直接制冷方式和間接制冷方式來冷卻電子器件和設備。

為了解決石油資源匱乏的問題，部分車輛使用天然氣、乙醇作為燃料，但與使用汽油相比，汽車空調運行比較困難。半導體制冷空調冷熱一體，獨立運行，可直接利用車輛直流電源，因而系統簡單，且與車輛具有很好的兼容性，因此半導體制冷在汽車領域內有較好的發展前景。

千瓦級以上的半導體制冷空調成本比壓縮制冷空調成本要高的多。但百瓦級的小型空調裝置的成本與壓縮制冷空調的成本相差不大，且無制冷劑、調控方便、無噪音等特點，用于某些特殊的小型空間非常方便；而十瓦級的微型空調裝置的成本則遠低于壓縮制冷裝置，在電子設備冷卻、局部微環境溫度控制方面，具備壓縮制冷裝置無法替代的優勢，使中小型半導體制冷空調器進入民用領域成為可能。

在半導體制冷技術的應用中，需要因地制宜，根據不用的使用要求，設計出不用的性能，以拓展該技術的應用領域，可以堅信，半導體制冷技術的未來會發展得越來越好，越來越廣。■

參考文獻

[1]謝玲，湯廣發。半導體制冷技術的發展與應用[J]。潔凈與空調技術，2008，01：68-71。

[2]羅清海，湯廣發，李濤。半導體制冷空調的應用與發展前景[J]。制冷與空調，2005，06：5-9。

[3]宣向春，王維揚。 半導體制冷材料的發展[J]。 制冷技術，2001，02：37-41+48

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

[5] 張文杰1 熱電器件的熱彈性應力分析及外加電、磁場環境下的性能測試[ D] 1 甘肅： 蘭州大學， 2010

[6]馬喬矢。半導體制冷技術的應用和發展[J]。沈陽建筑工程學院學報，1999，01：83-87。

[7]陳振林，孫中泉。半導體制冷器原理與應用[J]。微電子技術，1999，05：63-65。

篇4

它的應用范圍覆蓋半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等朝陽領域。

它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料，將引領光電產業的新一輪革命。

它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導體材料，如今世界各國爭相布局的戰略高地。

在世界范圍內，第三代半導體材料在各個領域的產業成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實驗室研發階段。盡管我國起步較晚，發展較緩，無論基礎研究還是產業化推進都仍有很長的路要走，但這并未影響該領域內科研人員潛心攻關、奮起直追的決心。

哈爾濱工業大學基礎與交叉科學研究院宋波教授，就是奮戰在我國第三代半導體材料研究最前沿的優秀科研人員之一。

他L期從事第三代寬禁帶半導體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質量輸運動態平衡控制及溫場調控等關鍵科學問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學優化、關鍵工藝參數控制與物理性質調控等相互關聯的科學問題開展了系統研究，成果頗豐。

雛鳳新聲，結緣寬禁帶半導體

一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導體產業已經得到印證。

以硅（Si）為代表的第一代半導體材料，引發了電子工業大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料，則拓展了半導體在高頻、光電子等方面的應用，使人類進入光纖通信、移動通信的新時代。而如今，正是第三代半導體材料“大展身手”的時代。

第三代半導體材料又叫寬禁帶半導體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現出的高溫下的穩定性、高效的光電轉化能力、更低的能量損耗等絕對優勢，吸引了業界的普遍關注，有望全面取代傳統半導體材料，開啟半導體新時代。

宋波進入這一領域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學院物理研究所，師從我國著名晶體結構專家陳小龍研究員開展研究。當時國內寬禁帶半導體研究起步不久，各項研究都非常薄弱。

2008年，宋波回到家鄉哈爾濱，并在哈爾濱工業大學韓杰才院士引薦下加入該校基礎與交叉科學研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎研究領域著手，改善我國關鍵性、基礎性戰略材料依賴進口的局面，促進寬禁帶半導體材料和器件產業的發展，提升產業核心競爭力，縮小與西方國家的差距。

在近十年的研究過程中，宋波作為課題負責人承擔了包括國家自然科學基金項目、總裝“十二五”預先研究重點項目、科技部國際科技合作項目等在內的20多項科研項目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國際著名SCI學術雜志上100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權發明專利13項。特別是在SiC基稀磁半導體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創新性成果，引領了國內外相關研究的進步，在行業內形成了一定的影響力。

層層深入，攻關SiC基稀磁半導體

稀磁半導體是自旋電子學的材料基礎，能夠同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導體和磁性的性質，新穎而獨特，是第三代半導體材料的熱點研究之一。

現階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導體的研究已經取得了突破性進展，但仍無法滿足人們對自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現恰逢其時。宋波在這一前沿方向進行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進展。

他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導體，在200 K觀察到了玻璃態的鐵磁有序，同時實現了4H-SiC晶型的穩定可控。首次提出了非磁性元素摻雜AlN基稀磁半導體的研究思路，有效地避免磁性雜質的引入，為探討稀磁半導體的磁性來源提供了理想的實驗體系。

論文在2009年發表后，至今已被他引50余次，得到不少業內專業人士的直接認可，認為其啟迪了思考。中國科學院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來自磁性雜質而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉變的過程中所導致。

隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境――

同樣在2009年，他利用在h-BN中的實驗結果證實了美國布法羅州立大學Peihong Zhang教授等人的理論預言，即在帶隙寬度達5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導的內稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學院物理研究院O. Volnianska教授在內的業界專家的正面引用和廣泛認可。

2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復合摻雜SiC基稀磁半導體的研究思路。在Al摻雜穩定4H-SiC晶型的基礎之上，同時摻雜磁性過渡金屬元素，來獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導體。

2011年，他提出了采用缺陷工程調控半導體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實驗上給出了硅-碳雙空位導致鐵磁性的證據，并從理論上揭示了雙空位產生磁性的物理機制，證實了磁性元素并非半導體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導體的磁性起源提供了新的科學認識。在此之后，國內外有超過18個研究小組開展了缺陷誘導半導體磁性的研究工作，并在相關論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導致磁性的典型例子。

把握前沿，初探AIN晶體生長

AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等現代化軍事和航天裝備等領域急需的電子器件。

宋波介紹，與其它的半導體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導致對其新性質和新應用的探索受到了較大的制約。

因此，深入開展生長動力學研究，探究生長過程中質量輸運-溫場分布-成核動力學的內在關聯，從微觀機理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應，成為制約寬禁帶半導體發展的關鍵科學問題，同時也是一項亟待開展的基礎性研究工作。

在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績――

（一）在AlN機理生長方面，首次發現本征的六重螺旋生長機制。

他@得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結構、AlN平面六邊形環等新穎納米結構，系統性研究首次發現AlN納米/微米結構和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉生長機制。

這一發現極大地豐富了人們對于AlN晶生長機理的認識，對調控AlN生長形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價值。

（二）在AlN新物理性質探索方面，他首次在AlN微米螺旋結構中發現了時間長達300秒的長余輝效應。

研究中，他分別從理論和實驗上對AlN螺旋結構中氮空位和鋁間隙耦合效應進行了研究。首次發現氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導出新的能級，進而導致長余輝效應的顯現。這一發現，豐富了人們對于AlN基本物理性質的認識，為設計和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導。

在AlN納米線螺旋結構的力學測試中首次發現了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發現為制備AlN基納米器件提供了進一步的認識。

（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項關鍵技術，包括形核溫度控制技術、晶粒長大過程控制技術、形核控制技術等。

研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術、多型缺陷濃度控制技術以及晶體質量穩定性控制技術等在內的多項關鍵技術，獲得了高質量的晶體材料。

他所獲得的直徑達35mm的雙面拋光片，位錯密度小于107個/cm2，申報了國家發明專利7項，研究水平居于國內領先地位。

他重新設計和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補充系統和垂直梯度坩堝。試驗結果表明，采用新的生長組合系統大大提高了AlN的晶體質量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個數量級，電阻率提高了約2個數量級，為進一步獲得高質量的AlN晶體提供了技術支撐。

多年來，宋波非常在意與國際學者的交流與合作，不僅承擔了科技部國際科技合作項目，還在多年的研究中與美國威斯康星大學麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關系。特別值得一提的，是在對俄對烏合作方面，宋波與俄羅斯科學院固體物理研究所國際知名晶體學家Vladimir Kurlov教授、國際SiC晶體生長專家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學院西伯利亞分院半導體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關科研機構，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻。

篇5

中圖分類號:TP331文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)05-1238-02

On The Compound Semiconductor Materials

HAO Bin, WEN Kai

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)

Abstract: Compound semiconductor integrated circuits with ultra-high speed, low power, multi-functional, anti-radiation properties is widely used, GaAs, GaN, SiC as the main application of compound semiconductor materials. This article describes the advantages of compound semiconductor materials, and from GaAs, GaN, SiC formed part of the device.

Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC

目前,半導體器件已被廣泛應用到各個領域中。但是隨著科技的發展,由于硅的電子移動速度使得硅電路傳輸速度慢并且難以改善。因此新型半導體材料由此產生,以GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導體是目前應用最廣泛、發展最快。

1 化合物半導體材料優勢

化合物半導體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例,通過比較可得:1化合物半導體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度,因此,可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度。2肖特基勢壘特性優越,容易實現良好的柵控特性的MES結構。3本征電阻率高,為半絕緣襯底。電路工藝中便于實現自隔離,工藝簡化,適合于微波電路和毫米波集成電路。4禁帶寬度大,可以在Si器件難以工作的高溫領域工。現在化合物半導體材料已廣泛應用:在軍事方面可用于智能化武器、航天航空雷達等方面,另外還可用于手機、光纖通信、照明、大型工作站、直播通信衛星等商用民用領域。

2 化合物半導體器件

GaAs、GaN、SiC為主要應用的化合物半導體材料。以下介紹由這三種材料構成的部分器件。

2.1 GaAs材料

高電子遷移率晶體管(HEMT)器件實在能形成2DEG的異質結上用類似MESFET的工藝制成的場效應晶體管。源漏之間主要由2DEG的導電溝道提供,由勢壘層上的肖特基柵施加偏壓來改變耗盡區的厚度,從而控制溝道2DEG的濃度及器件的工作狀態(如圖1)。對這類器件若VGS=0時溝道中已有電子存在,則器件是耗盡型的;若溝道被耗盡則器件是增強型的。I-V特性為強電場下工作的耗盡型HEMT和增強型HEMT都呈現出平方規律的飽和特性。

AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs緩沖層 高純GaAs層 n型AlGaAs層 n型GaAs層臺面腐蝕隔離有源區制作Au/Ge合金的源、漏歐姆接觸電極干法選擇腐蝕去除柵極位置n型GaAs層淀積Ti/Pt/Au柵電極。(如圖2)

圖1 GaAs HEMT中2-DEG圖2 GaAs HEMT基本結構圖3 PHEMT的基本結構

隨后發現由于n-AlGaAs層存在一種所謂DX中心的陷阱,它能俘獲和放出電子,使得2-DEG濃度隨溫度而改變,導致閾值電壓不穩定。為了解決這個問題,采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2-DEG的溝道材料制成了贗高電子遷移率晶體管。InGaAs層厚度約為20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配(約為1%)而產生的應力,在此應力作用下,InGaAs的晶格將被壓縮,使其晶格常數大致與GaAs與AlGaAs的相匹配,成為贗晶層。因為InGaAs薄層是一層贗晶層且在HEMT中起著 i CGaAs層的作用,所以成為“贗”層,這種HEMT也就相應地成為贗HEMT。

2.2 GaN材料

2.2.1 GaN基HEMT

目前GaN基HEMT器件的主要結構是基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件。由于極化效應,AlGaN/GaN異質結很容易出現2DEG,因此有常見工藝生長的絕大部分HEMT器件是屬于耗盡型的。在盡量提高溝道2DEG濃度且保持其遷移率和速度,同時又不引起勢壘應變弛豫的原則下,應用于HEMT器件的AlGaN/GaN異質結的結構參數已經優化到一個范圍(勢壘層的Al含量為0.2~0.3,厚度為20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件還有以下特性:1) 緩沖層漏電小即緩沖層呈高阻態且缺陷密度小形成高的輸出阻抗;2) 高的擊穿電壓,對提高器件的輸出功率和功率開關的電壓承受能力非常重要;3) 跨導高且和柵壓保持良好的線性關系,這與器件的頻率特性和開關速度相關;4) 好的夾斷特性; 5) 較高的截止頻率;6) 良好的散熱能力。GaN基HEMT的主要工藝為臺面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸。

2.2.2 GaN基HBT

異質結雙極性晶體管器件具有寬帶隙發射區,大大提高了發射結的載流子注入效率;基區可以高摻雜(可高達1020cm-3),基區電阻rb可以顯著降低,從而增加 fmax ;同時基區不容易穿通,從而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸縮小;發射結濃度可以很低(約1017cm-3),從而發射結耗盡層電容大大減小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研發為微波功率放大器件或高壓開關器件,其目標特性為高射極注入系數、長的少子壽命、短的基區渡越時間、高擊穿電壓。

2.3 SiC材料

SiC基結型場效應晶體管(JFET)和肖特基柵場效應晶體管(MESFET)

SiC基MESFET和JFET的溝道載流子的等效遷移率比較高,因此SiC基MESFET主要被開發為微波功率器件,而JFET則是高壓功率開關器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波頻段,其性能優勢為線性化程度比較理想,輸出阻抗高,從而大大降低對匹配網絡的要求,降低了制作和設計成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在較高和較低溫度以及較高頻率下工作。

3 結束語

化合物半導體集成電路和普通半導體集成電路相比具有明顯的優勢,適合于高頻高速電路的要求。并且化合物半導體可以發光,可以實現光電集成。因此化合物半導體有更廣泛的發展空間。

參考文獻:

[1] 何杰,夏建白.半導體科學與技術[M].北京:科學出版社,2003.

篇6

實驗教學作為高校教學環節中的一個重要組成部分，不僅因為其是課堂教學的延伸，更由于通過實驗教學，可以加深學生對理論知識的理解，培養學生的動手能力，拓展學生的創造思維［1，2］。實驗教學分為基礎實驗和專業實驗兩部分［3，4］:基礎實驗面向全校學生，如大學物理實驗、普通化學實驗等，其主要任務是鞏固學生對所學基礎知識和規律的理解，旨在提高學生的觀察、分析及解決問題的能力，提供知識儲備［5，6］;與基礎實驗不同，專業實驗僅面向某一專業，是針對專業理論課程的具體學習要求設計的實驗教學內容，對于學生專業方向能力的提高具有極強的促進作用［7～8］。通過專業實驗教學使學生能夠更好的理解、掌握和應用基礎知識和專業知識，提高分析問題的能力并解決生活中涉及專業的實際問題，為學生開展專業創新實踐活動打下堅實的基礎［9～11］。

1半導體物理實驗課程存在的問題與困難

半導體物理實驗是物理學專業電子材料與器件工程方向必修的一門專業實驗課，旨在培養學生對半導體材料和器件的制備及測試方法的實踐操作能力，其教學效果直接影響著后續研究生階段的學習和畢業工作實踐。通過對前幾年本專業畢業生的就業情況分析，發現該專業畢業生缺乏對領域內前沿技術的理解和掌握。由于沒有經過相關知識的實驗訓練，不少畢業生就業后再學習過程較長，融入企事業單位較慢，因此提升空間受到限制。1．1教學內容簡單陳舊。目前，國內高校在半導體物理實驗課程教學內容的設置上大同小異，基礎性實驗居多，對于新能源、新型電子器件等領域的相關實驗內容完全沒有或涉及較少。某些高校還利用虛擬實驗來進行實驗教學，其實驗效果遠不如學生實際動手操作。我校的半導體物理實驗原有教學內容主要參照上個世紀七、八十年代國家對半導體產業人才培養的要求所設置，受技術、條件所限，主要以傳統半導體物理的基礎類實驗為主，實驗內容陳舊。但是在實驗內容中添加新能源、新型電子器件等領域的技術方法，對于增加學生對所學領域內最新前沿技術的了解，掌握現代技術中半導體材料特性相關的實驗手段和測試技術是極為重要的。1．2儀器設備嚴重匱乏。半導體物理實驗的教學目標是使學生熟練掌握半導體材料和器件的制備、基本物理參數以及物理性質的測試原理和表征方法，為半導體材料與器件的開發設計與研制奠定基礎。隨著科學技術的不斷發展，專業實驗的教學內容應隨著專業知識的更新及行業的發展及時調整，從而能更好的完成課程教學目標的要求，培養新時代的人才。實驗內容的調整和更新需要有新型的實驗儀器設備做保障，但我校原有實驗教學儀器設備絕大部分生產于上個世紀六七十年代，在長期實驗教學過程中，不少儀器因無法修復的故障而處于待報廢狀態。由于儀器設備不能及時更新，致使個別實驗內容無法正常進行，可運行的儀器設備也因為年代久遠，實驗誤差大、重復性低，有時甚至會得到錯誤的實驗結果，只能作學生“按部就班”的基礎實驗，難以進行實驗內容的調整，將新技術新方法應用于教學中。因此，在改革之前半導體物理實驗的實驗設計以基礎類實驗為主，設計性、應用性、綜合性等提高類實驗較少，且無法開展創新類實驗。缺少自主設計、創新、協作等實踐能力的訓練，不僅極大地降低學生對專業實驗的興趣，且不利于學生實踐和創新創業能力的培養，半導體物理實驗課程的改革勢在必行。

2半導體物理實驗課程改革的內容與舉措

半導體物理實驗開設時間為本科大四秋季學期，該實驗課與專業理論課半導體物理學、半導體器件、薄膜物理學在同一學期進行。隨著半導體技術日新月異發展的今天，對半導體物理實驗的教學內容也提出了新的要求，因此，要求這門實驗課程不僅能夠通過對半導體材料某些重要參數和特性的觀測，使學生掌握半導體材料和器件的制備及基本物理參數與物理性質的測試方法，而且可以在鋪墊必備基礎和實際操作技能的同時，拓展學生在電子材料與器件工程領域的科學前沿知識，為將來獨立開展產品的研制和科學研究打下堅實的基礎。2．1實驗基礎設施的建設。2013年年底，基于我校本科教學項目的資金支持，半導體物理實驗教學團隊通過調研國內外高校現行半導體物理實驗教學資料，結合我校實驗教學的自身特點，按照創新教育的要求重新設計了半導體物理實驗內容，并根據所開設實驗教學內容合理配置相應的實驗儀器設備，新配置儀器設備具有一定的前瞻性，品質優良，數量合理，保證實驗教學質量。由于作為一門專業實驗課，每學年只有一個學期承擔教學任務，為了提高儀器設備的利用率，做到實驗設備資源的不浪費，計劃成立一間半導體物理實驗專屬的實驗室，用于陳放新購置的實驗設備，在沒有教學任務的學期，該實驗室做為科研實驗室和創新創業實驗室使用。通過近三年的建設，半導體物理實驗專屬實驗室———新能源材料與電子器件工程創新實驗室建成并投入使用，該實驗室為電子材料與器件工程方向的本科生畢業論文設計以及全院本科生的創新創業實驗設計提供了基本保障，更為重要的是該實驗室的建成極大地改善了半導體物理實驗的原有教學條件，解決了實際困難，使得半導體物理實驗教學效果顯著提升。不僅加強了學生對專業核心知識理解和掌握，而且啟發學生綜合運用所學知識創造性地解決實際問題，有效提高學生的實踐動手能力、創新能力和綜合素質。2．2實驗教學內容的更新。半導體物理實驗是一門72學時的實驗課，在專屬實驗室建成后，按照重視基礎、突出綜合、強調創新、提升能力的要求，逐步培養與提高學生的科學實驗素質和創新能力，構建了“九—八—五”新的實驗內容體系，包括如下三個層次(表1)。第一層次為“九”個基礎型實驗，涵蓋對半導體材料的物理性質(結構、電學、光學)的測定，通過對物理量的測量驗證物理規律，訓練學生觀察、分析和研究半導體物理實驗現象的能力，掌握常用基本半導體物理實驗儀器的原理、性能和測量方法等。第二層次為“八”個提高型實驗(綜合、應用性實驗)，學生通過第一層次的實驗訓練后，已掌握了基本的實驗方法和技能，在此基礎上，開展綜合性實驗，可以培養學生綜合運用所學知識以及分析和解決問題的能力。通過應用性實驗培養學生將來利用設備原理從事生產或者技術服務的能力。第三層次為“五”個設計創新型實驗，學生需運用多學科知識、綜合多學科內容，結合教師的科研項目進行創新研究，通過設計型實驗可以鍛煉學生組織和自主實驗的能力，著力培養學生創新實踐能力和基本的科研素質。每個基礎型實驗4學時，提高型實驗8學時，創新型實驗12學時，規定基礎型為必修實驗，提高型、創新型為選作實驗。九個基礎型實驗全部完成后，學生可根據興趣和畢業設計要求在提高型、創新型實驗中各分別選做一定數量的實驗，在開課學期結束時完成至少72個學時的實驗并獲得成績方為合格。2．3實驗教學方式的優化。在教學方式上，建立以學生為中心、學生自我訓練為主的教學模式，充分調動學生的主觀能動性。將之前老師實驗前的講解轉變為學生代表講解實驗內容，然后老師提問并補充完善，在整個實驗安排過程中，實驗內容由淺入深、由簡單到綜合、逐步過渡至設計和研究創新型實驗。三個層次的實驗內容形成連貫的實驗梯度教學體系，在充分激發學生學習興趣的同時，培養學生自主學習、自發解決問題的能力。2．4實驗考核機制的改革。目前大部分實驗課的成績由每次實驗后的“實驗報告”的平均成績決定，然而單獨一份實驗報告并不能夠完整反應學生的實際動手操作能力和對實驗內容的熟悉程度。因此，本課程將此改革為總成績由每次“實驗”的平均成績決定。每次實驗成績包括實驗預習、實驗操作和實驗報告三部分，實驗開始前通過問答以及學生講解實驗內容來給出實驗預習成績;實驗操作成績是個團隊成績反映每組實驗學生在實驗過程中的動手能力以及組員之間的相互協助情況;針對提高型和創新性實驗，特別是創新性實驗，要求以科技論文的形式來撰寫實驗報告，以此來鍛煉本科生的科技論文寫作能力。通過三部分綜合來給出的實驗成績更注重對知識的掌握、能力的提高和綜合素質的培養等方面的考核。

3半導體物理實驗課程改革后的成效

半導體物理實驗在我校本科教學項目的支持下，購置并更新了實驗設備建立了專屬實驗室，構建了“九—八—五”新實驗內容體系，并采用新的教學方式和考核機制，教師和學生普遍感覺到新實驗教學體系的目的性、整體性和層次性都得到了極大的提高。教學內容和教學方式的調整，使學生理論聯系實際的能力得到增強，提高了學生的積極性和主動性。實驗中學生實際動手的機會增多，對知識的渴求程度明顯加強，為了更好地完成創新設計實驗，部分本科生還會主動去查閱研中英文科技文獻，真正做到了自主自覺的學習。通過實驗課程的教學，學生掌握了科技論文的基本格式，數據處理的圖表制作，了解了科學研究的過程，具備了基本的科研能力，也為學生的畢業設計打下了良好的基礎。與此同時，利用新購置的實驗設備建立的實驗室，在做為科研實驗室和創新創業實驗室使用時，也取得了優異的成績。依托本實驗室，2015年“國家級大學生創新創業訓練計劃”立項3項，2016年“國家級大學生創新創業訓練計劃”立項4項。

篇7

近幾年來，寬禁帶半導體發光材料引起人們極大的興趣，是因為這些材料在藍光及紫外光發光二極管、半導體激光器和紫外光探測器上有重要的應用價值。這些器件在光信息存儲、全色顯示和紫外光探測上有巨大的市場需求，人們已經制造出III族氮化物和ZnSe等藍光材料，并用這些材料制成了高效率的藍光發光二極管和激光器，這使全色顯示成為可能。量子點（QuantumDot）憑借自身獨特的光電特性越來越受到人們的重視，成為研究的熱點。

由于量子點所具有的量子尺寸、量子隧穿、庫侖阻塞、量子干涉、多體關聯和非線性光學效應非常明顯，故在低維量子結構的研究中，對載流子施以盡可能多的空間限制，制備零維量子點結構并開發其應用，受到世界各國科學家和企業家的高度重視。

1、半導體量子點的制備方法

高質量半導體量子點材料的制備是量子器件和電路應用的基礎，如何實現對無缺陷量子點的形狀、尺寸、面密度、體密度和空間分布有序性等的可控生長，一直是材料科學家追求的目標和關注的熱點。

應變自組裝量子點結構生長技術是指在半導體外延生長過程中，由于襯底和外延層的晶格失配及表面、界面能不同，導致外延層島狀生長而制得量子點的方法。這種生長模式被稱為SK生長模式。外延過程的初期為二維平面生長，平面生長厚度通常只有幾個原子層厚，稱為浸潤層。隨浸潤層厚度的增加，應變能不斷積累，當達到某一臨界層厚度時，外延生長則由二維平面生長向三維島狀生長過渡，由此形成直徑為幾十納米、高度為幾納米的小島，這種材料若用禁帶較寬的材料包圍起來，就形成量子點。用這種方法制備的量子點具有尺寸小、無損傷的優點。用這種方法已經制備出了高質量的GaN量子點激光器。

化學自組裝量子點制備方法是一種通過高分子偶聯劑將形成量子點的團簇或納米顆粒聯結起來，并沉積在基質材料上來制備量子點低維材料的方法。隨著人們對量子線、量子點制備和應用的迫切需求，以上物理制備方法顯得費時費力，特別是在批量制備時更是如此，化學自組裝為納米量子點的平面印刷和納米有機-無機超晶格的制備提供了可能。由于化學自組裝量子點的制備具有量子點均勻有序、制備速度快、重復性好等優點，且選用不同的偶聯劑可以對不同的量子點前驅顆粒進行不同對稱性的組裝，從而能制備出不同的量子點。它的出現為批量制備高功率半導體量子器件和激光器提供了一種有效的途徑，因此這種方法被認為是制備量子點最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半導體量子點的發光原理和發光特性

2.1 發光原理

半導體量子點的發光原理（如圖1-1所示），當一束光照射到半導體材料上，半導體材料吸收光子后，其價帶上的電子躍遷到導帶，導帶上的電子還可以再躍遷回價帶而發射光子，也可以落入半導體材料的電子陷阱中。當電子落入較深的電子陷阱中的時候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數的電子以光子的形式躍遷回價帶或吸收一定能量后又躍遷回到導帶。因此當半導體材料的電子陷阱較深時，它的發光效率會明顯降低。

2.2 發光特性

由于受量子尺寸效應和介電限域效應的影響，半導體量子點顯示出獨特的發光特性。主要表現為：（1）半導體量子點的發光性質可以通過改變量子點的尺寸來加以調控；（2）半導體量子點具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對稱的熒光譜峰（半高全寬只有40nm）；（3）半導體量子點具有較高的發光效率。半導體量子點的發光特性，除了量子點的三維量子限制作用之外，還有其他諸多因素需要考慮。不過人們通過大膽嘗試與努力探索，已在量子點的發光特性研究方面取得了很大的進展。

3、量子點材料的應用

鑒于量子點的獨特理化性質，科學工作者就量子點材料的應用研究開展了大量的工作，研究領域主要集中在納米電子學、光電子學、生命科學和量子計算等領域，下面介紹一下量子點在這些方面的應用。

3.1量子點激光器

用量子線或量子點設計并制作微結構激光器的新思想是由日本的兩名年輕的科學家在1982年提出了，但是由于制備工藝的難度很大而擱淺。隨著技術的進步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技術，通過 Stranski―Krastanow（S―K）模式生長In（Ga）As/GaAs自組裝量子點等零維半導體材料有了突破性的進展，生長出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發射率較高的InAs量子點，并于1994年制備出近紅外波段In（Ga）As/GaAs量子點激光器。

3.2量子點紅外探測器

半導體材料紅外探測器的研究一直吸引人們非常廣泛的興趣。以量子點作為有源區的紅外探測器從理論上比量子阱紅外探測器具有更大的優勢，這些優勢包括：（1）量子點探測器可以探測垂直入射的光，無需像量子阱探測器那樣要制作復雜的光柵；（2）量子點分立態的間隔大約為50meV-70meV，由于聲子瓶頸效應，電子在量子點分立態上的弛豫時間比在量子阱能態上長，這有利于制造工作溫度高的器件；（3）三維載流子限制降低了熱發射和暗電流；（4）探測器不需冷卻，這將會大大減少陣列和成像系統的尺寸及成本。因此，量子點探測器已經成為光探測器研究的前沿，并取得了重大進展。

3.3 單電子器件

電子器件是基于庫侖阻塞效應和單電子隧道效應的基本原理，通過控制在微小隧道結體系中單個電子的隧穿過程來實現特定功能的器件，是一種新型的納米電子器件。

3.4 量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合單電子量子點上的自旋態來構造量子比特，實現信息傳遞的方法。

除此之外，量子點在生物化學、分子生物學、細胞生物學、基因組學、蛋白質組學、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應用前景。

結束語 我們相信量子點技術應用的未來出現很多奇跡，隨著對量子點的深入研究，其在各個領域的應用前景還將更加廣闊。

參考文獻

[1] Hong S， Hanada T， Makino H， Chen Y， Ko H， Yao T， et al. Band alignment at a ZnO/GaN （0001） heterointerface [J]. Appl. Phys. Lett. ， 2001， 78（21）： 3349-3351.

篇8

關鍵詞 半導體 材料 量子線 量子點 材料 光子晶體

1半導體材料的戰略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

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發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，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成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smart cut）和SIMOX材料等也發展很快。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發中。

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對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，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，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2 GaAs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；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特的優勢。

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

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

（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基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，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fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，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展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的Picogiga MBE基地，美國的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。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

（2）硅基應變異質結構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。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低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止頻率已達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是實現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等不同造成的高密度失配位錯而導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，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個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展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

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展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，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構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對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出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的Lars Samuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導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，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，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140GHz，fT=67 GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256 GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來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，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6H SiC單晶與外延片，以及3英寸的4H SiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，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與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內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構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（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，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態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，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如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展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態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密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2 GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）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MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

（2）一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。

篇9

1半導體材料的戰略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

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發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，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成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。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發中。

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對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，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，這也是目前半導體材料研發的重點。

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；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特的優勢。

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

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

（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基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，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fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，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展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的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。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

（2）硅基應變異質結構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。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低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，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是實現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等不同造成的高密度失配位錯而導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，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個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展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

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展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，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構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對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出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導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，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，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140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來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，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

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基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配

異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，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與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內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構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（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，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態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，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如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展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態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密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。超級秘書網

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）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MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

篇10

中圖分類號：TN782 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 11-0000-02

準確可靠的觸發是脈沖功率技術研究的重要內容。隨著脈沖功率技術的發展，觸發源技術也日新月異，新型觸發源不僅要求快導通前沿、高重復頻率還要有高穩定度。上世紀70年代在線性和非線性兩種模式下，它對控制光脈沖有很好的響應，幾乎可以實現與光同步，它帶領著脈沖功率觸發技術走到了另一個時代。

一、光導開光

光導半導體開關（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脈沖激光器和光電半導體相結合形成的新型器件，通過觸發光對半導體材料電導率的控制實現開關的關斷和導通。PCSS具有響應速度快（小于0.6ps），重復率高（GHz量級）、易于精確同步（觸發晃動僅ps量級）、不易受電磁干擾（光電隔離）、耐高壓、寄生電感電容小、結構簡單靈活等優點。隨著研究的不斷深入，至今已能利用光導開光技術研制太赫茲脈沖發生器，結合fs激光觸發，光導開光可以產生高功率皮秒脈沖和脈寬在ps量級的電磁輻射，擁有從接近直流到THz級的超寬頻帶，為超寬帶雷達的實現提供了可能。

GaAs光電導開關是由脈沖激光器與半絕緣GaAs相結合形成的器件，如圖1所示，基于內光電效應工作原理。

（一）光導開光結構

常見的光導開關結構有橫向結構、平面結構和相對電極結構。根據光電導開關的偏置電場和觸發光脈沖的入射方向關系可將開關分為橫向開關和縱向開關兩種基本結構，如圖2所示。當觸發光脈沖入射方向與開關偏置電場方向相互垂直時，為橫向結構的光電導開關。當觸發光脈沖入射方向與開關偏置電場方向相互平行時，為縱向結構的光電導開關。

橫向光電導開關光作用區域面積大。無論光的吸收深度是幾微米還是幾百微米，所有光都被激活區吸收。在線性模式均勻光照條件下，開關的峰值電流、上升時間和脈寬僅僅依賴于觸發光脈沖的幅值、脈寬、載流子復合時間和開關所處電路結構。橫向光電導開關的缺點是在工作時，由于偏置電場穿通開關整個表面，從而使得開關的表面擊穿場強遠小于材料的本征擊穿強度。開關常常會出現表面閃絡或沿面放電等現象，從而大大限制了開關的耐壓能力和功率容量。

縱向結構開關可以減少開關表面電場，從而提高開關的擊穿電壓。但這種開關的主要缺點是開關至少需要一個透明電極，而這種透明電極的制作工藝非常復雜。此外開關芯片的吸收深度對開關的瞬態特性有較大影響。

橫向開關和縱向開關各有優缺點，具體選用哪一種結構的開關，要根據開關的具體應有來決定。由于橫向光電導開關制作簡單，有較大光照面積和電導通道，可以用較寬波長范圍的光來觸發，因而在制作大功率光電導開關時主要采用橫向結構的開關。

（二）光導開關半導體材料

光導開關的發展與半導體材料技術的發展密切相關。在半導體材料的發展過程中，一般將以硅（Si）為代表的半導體材料稱為第一代半導體材料；將以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導體稱為第二代半導體材料：將以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶化合物半導體稱為第三代半導體材料。與之相對應，相繼出現了Si光導開關、GaAs光導開關和SiC光導開關。

Si光導開關，由于Si禁帶寬度窄，載流子遷移率低等特點不適合制作超快大功率光導開關；GaAs光導開關，雖然GaAs的大暗態電阻率和寬禁帶有利于制作大功率器件，但由于GaAs熱導率低、抗高輻射性能較差，運行過程中容易出現熱奔和鎖定效應，限制了GaAs光導開關窄高溫、高重復速率、高功率和高輻射環境中的使用；SiC光導開關可以將觸發光的能力大大降低，但其在高電壓下容易擊穿，在高重復頻率下容易出現熱擊穿，且只能工作在線性模式下。

二、皮秒脈沖源

項目主要任務就是研制一個高穩定度快脈沖源裝置，該裝置的主要功能是：接到系統給出的觸發指令后，打開電光開關，輸出脈寬約為2ns的光脈沖，驅動光導開關輸出高壓脈沖信號。要求輸出的高壓脈沖信號前沿小于200ps，幅度為3～5kV，系統晃動時間不大于250ps。

本方案的基本工作原理如圖3所示：利用高壓電源對儲能電容充電，充電完成后，激光器在接到觸發脈沖指令時，發出脈寬為2ns的光脈沖信號驅動光導開關，儲能電容內存儲的能量通過光導開關釋放到取樣電阻上，輸出高壓脈沖信號。

本項目技術關鍵點主要在于兩個方面：a.主脈沖波形的質量，包括主脈沖的峰值、脈寬、前后沿以及穩定性；b.觸發脈沖至主脈沖1的時間間隔T1的穩定性。為了獲得滿足技術指標要求的主脈沖信號，主放電回路擬采用光導開關對貯能元件進行放電。由于光導開關具有高速導通和關斷、高穩定性的特點，只要選擇合適的基本回路參數可以確保獲得高質量的滿足指標要求的主脈沖信號。電路基本參數仿真機波形如圖4、5、6所示。

三、結論

光導開關在2ns激光脈沖控制下，輸出高壓脈沖與控制光脈沖響應良好，上升時間169ps，脈寬2ns。利用光導開關設計的皮秒脈沖發生器可以在重復頻率下工作，圖7為75kHz下高壓脈沖輸出波形。

參考文獻：

[1]袁建強,劉宏偉.等.50 kV半絕緣GaAs光導開關[J].強激光與粒子束,2009,21（5）:783-785

[2]袁建強,謝衛平,等.光導開關研究進展及其在脈沖功率技術中的應用[J].強激光與粒子束,2008,20(1):171-176

[3]謝玲玲,龔仁喜,黃陽.吸收因子對GaAs光導開關輸出電壓幅值的影響[J].半導體技術,2008,33（7）:596-599

[4]Auston D H. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon[J].Appl Phys Lett,1975,26(3):101-103

[5]紀建華,費元春,等.超寬帶皮秒級脈沖發生器[J].兵工學報,2007,28（10）:1243-1245

[6]James R. Andrews. Picosecond Pulse Generators for UWB Radars.Picosecond Pulse Labs,2000

[7]Lee C H. Picosecond optoelectronic switching in GaAs[J].Appl Phys Lett,1977,30(2):84-86

[8]Cho P S，Goldhar J,Lee C H.Photoconductive and photovoltaic response of high-dark-resistivity 6H-SiC devices[J].JAppl Phys,1995,77(4):1591-1599