半导体材料范文精选
半导体材料范文第1篇
关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：
（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。
（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。
（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。
（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
（2）硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
半导体材料范文第2篇
关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC’s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0．18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm,0．13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4,6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：（1）．增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。(2)．提高材料的电学和光学微区均匀性。（3）．降低单晶的缺陷密度，特别是位错。（4）．GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
(1)Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管(HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW,功率增益6.4db;双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz,HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1．5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄(～0．01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9．1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW。量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3．7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
(2)硅基应变异质结构材料。硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0．9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP,InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3．6～4W。特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED)和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0．5W。在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题,如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可见光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1．5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计算的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料
硅材料作为微电子技术的主导地位至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶
材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体
微结构材料的建议
(1)超晶格、量子阱材料
从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
(2)一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
半导体材料范文第3篇
关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：
（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。
（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。
（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。
（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
（2）硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配
异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。超级秘书网
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
半导体材料范文第4篇
关键词:化合物半导体材料;GaAs;GaN;SiC
中图分类号:TP331文献标识码:A 文章编号: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,半导体器件已被广泛应用到各个领域中。但是随着科技的发展,由于硅的电子移动速度使得硅电路传输速度慢并且难以改善。因此新型半导体材料由此产生,以GaAs、GaN、SiC为代表的的化合物半导体是目前应用最广泛、发展最快。
1 化合物半导体材料优势
化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例,通过比较可得:1化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度,因此,可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。2肖特基势垒特性优越,容易实现良好的栅控特性的MES结构。3本征电阻率高,为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离,工艺简化,适合于微波电路和毫米波集成电路。4禁带宽度大,可以在Si器件难以工作的高温领域工。现在化合物半导体材料已广泛应用:在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面,另外还可用于手机、光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域。
2 化合物半导体器件
GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。以下介绍由这三种材料构成的部分器件。
2.1 GaAs材料
高电子迁移率晶体管(HEMT)器件实在能形成2DEG的异质结上用类似MESFET的工艺制成的场效应晶体管。源漏之间主要由2DEG的导电沟道提供,由势垒层上的肖特基栅施加偏压来改变耗尽区的厚度,从而控制沟道2DEG的浓度及器件的工作状态(如图1)。对这类器件若VGS=0时沟道中已有电子存在,则器件是耗尽型的;若沟道被耗尽则器件是增强型的。I-V特性为强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT都呈现出平方规律的饱和特性。
AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层 高纯GaAs层 n型AlGaAs层 n型GaAs层台面腐蚀隔离有源区制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层淀积Ti/Pt/Au栅电极。(如图2)
图1 GaAs HEMT中2-DEG图2 GaAs HEMT基本结构图3 PHEMT的基本结构
随后发现由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱,它能俘获和放出电子,使得2-DEG浓度随温度而改变,导致阈值电压不稳定。为了解决这个问题,采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2-DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。InGaAs层厚度约为20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之间的晶格失配(约为1%)而产生的应力,在此应力作用下,InGaAs的晶格将被压缩,使其晶格常数大致与GaAs与AlGaAs的相匹配,成为赝晶层。因为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着 i CGaAs层的作用,所以成为“赝”层,这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。
2.2 GaN材料
2.2.1 GaN基HEMT
目前GaN基HEMT器件的主要结构是基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件。由于极化效应,AlGaN/GaN异质结很容易出现2DEG,因此有常见工艺生长的绝大部分HEMT器件是属于耗尽型的。在尽量提高沟道2DEG浓度且保持其迁移率和速度,同时又不引起势垒应变弛豫的原则下,应用于HEMT器件的AlGaN/GaN异质结的结构参数已经优化到一个范围(势垒层的Al含量为0.2~0.3,厚度为20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件还有以下特性:1) 缓冲层漏电小即缓冲层呈高阻态且缺陷密度小形成高的输出阻抗;2) 高的击穿电压,对提高器件的输出功率和功率开关的电压承受能力非常重要;3) 跨导高且和栅压保持良好的线性关系,这与器件的频率特性和开关速度相关;4) 好的夹断特性; 5) 较高的截止频率;6) 良好的散热能力。GaN基HEMT的主要工艺为台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触。
2.2.2 GaN基HBT
异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区,大大提高了发射结的载流子注入效率;基区可以高掺杂(可高达1020cm-3),基区电阻rb可以显著降低,从而增加 fmax ;同时基区不容易穿通,从而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸缩小;发射结浓度可以很低(约1017cm-3),从而发射结耗尽层电容大大减小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研发为微波功率放大器件或高压开关器件,其目标特性为高射极注入系数、长的少子寿命、短的基区渡越时间、高击穿电压。
2.3 SiC材料
SiC基结型场效应晶体管(JFET)和肖特基栅场效应晶体管(MESFET)
SiC基MESFET和JFET的沟道载流子的等效迁移率比较高,因此SiC基MESFET主要被开发为微波功率器件,而JFET则是高压功率开关器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波频段,其性能优势为线性化程度比较理想,输出阻抗高,从而大大降低对匹配网络的要求,降低了制作和设计成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在较高和较低温度以及较高频率下工作。
3 结束语
化合物半导体集成电路和普通半导体集成电路相比具有明显的优势,适合于高频高速电路的要求。并且化合物半导体可以发光,可以实现光电集成。因此化合物半导体有更广泛的发展空间。
参考文献:
[1] 何杰,夏建白.半导体科学与技术[M].北京:科学出版社,2003.
[2] 李效白.砷化镓微波场效应管及其集成电路[M].北京:科学出版社,2005.
半导体材料范文第5篇
【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。
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半导体材料范文第6篇
陈小龙研究员出生于1964年，1984年在山东工业大学获工学学士，1988年在哈尔滨工业大学获工学硕士，1991年获得中国科学院物理研究所的理学博士学位，曾在德国海德堡大学和拜罗伊特大学做洪堡学者。系统的专业基础知识和良好的学术素养训练为他日后的科研道路夯实了基础。陈小龙老师从1993年担任中科院物理研究所副研究员、1997年担任研究员以来，主要开展了宽禁带半导体晶体、新功能晶体探索和物性方面的研究工作，取得了丰硕的科研成果并实现了多项技术突破。1999年，他获得国家杰出青年科学基金、2003年入选中国科学院“百人计划”、2004年起至今兼任中国晶体学会副理事长和国际衍射数据中心(1CDD)中国区主席。于2007年获得“ICDD Fellow”称号，2009年成为“新世纪百千万人才工程”的国家级人选，获得国务院政府特殊津贴，并且在同年获第五届“发明创业奖”特等奖，由他带领的宽禁带半导体材料研究与应用团队还获得了2010年度“中国科学院先进集体”荣誉称号。
陈小龙研究员先后主持了国家“863”、“973”和国家科技支撑计划等23个重大科研项目。他主导并系统开展的碳化硅晶体生长的基础和应用研究工作，解决了多项关键性的科学问题及系列关键技术，成功生长出2N4英寸的高质量晶体，由他带领团队攻克了晶体制备重复性和稳定性等关键的工程化问题，在国内率先实现了碳化硅晶体的产业化；发现非磁性元素铝掺杂在碳化硅晶体中诱导出磁性，通过中子辐照在碳化硅晶体中引入双空位，并从实验和理论上证明了双空位导致磁性，首次在实验上给出直接证据；他还研究发现了一系列新的功能晶体材料，包括新超导体K0.8Fe2Se2和具有潜在应用价值的闪烁晶体YBa3B9O18等，精确测定了大量新化合物的晶体结构，其中120个化合物的衍射数据被ICDD收录为标准衍射数据。新超导体Kn0.8Fe2Se28超导转变机制不同于其它铁基超导体，具有丰富的物理内涵，在引领国际上铁基超导新的研究方向上发挥了作用。
多年来，陈小龙研究员研发并申请的国家发明专利共计45项，其中已经授权的有16项，在国际学术刊物上300余篇，被引用3200多次。
引领创新之路
陈小龙研究员目前主要的研究方向包括：宽禁带半导体碳化硅、氮化铝等晶体生长、物性及应用研究；大尺寸、高质量石墨烯制备和应用研究；多晶×射线衍射结构分析和应用等多个方面。坚持自主创新、引导技术产业化是他一直以来的心愿和努力的方向。
在当今时代，碳化硅作为重要的宽禁带半导体材料，是制作高温、高频、大功率、抗辐射电子和光电器件的理想材料，在军工、航天、固态照明和电力电子等领域具有非常重要的应用价值，对于军事科技、民用工业的发展至关重要。国际权威市场调查报告显示，2009年全球对碳化硅晶片的消耗量为43.5万片，至2015年这一数字将增加到至少200万片，其蓬勃发展将在世界范围内产生极为深远的影响。
但是，碳化硅晶体生长和加工技术被一些发达国家垄断，对我国实行技术封锁，甚至产品禁运。基于我国对碳化硅晶片的迫切需求以及碳化硅基半导体产业的巨大市场、应用前景，陈小龙研究员于1999年带领团队开始开展碳化硅晶体生长的研究工作。十余年间，在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院等国家部委和各级地方政府的大力支持和亲切关怀下，陈小龙研究员带领团队坚持自主创新、刻苦钻研，不断进行技术攻关，终于取得了重大突破。
国外销售的碳化硅晶体生长设备价格极其昂贵，而且难以调整所生长晶体的尺寸，难以满足国内大规模产业化的需求。陈小龙研究员带领研究人员自主研发碳化硅晶体生长设备，通过创新性的设计和持续的结构优化，研制出了具有自主知识产权的感应线圈内置式碳化硅晶体生长炉；可以兼容生长2～4英寸的碳化硅晶体；实现了坩埚的轴向运动和自传，可以保持温场的均匀性；采用了流动气氛，能够在10-10000Pa实现动态压力的精确自动控制，线性度高。而具备了这些优势的晶体生长设备制造成本大大低于国外同类设备。
陈小龙研究员带领团队充分利用自主研发的碳化硅晶体生长平台，经过无数次的实验、模拟和总结，终于在碳化硅晶体生长和加工技术上取得了一系列的突破，包括：重点攻克了碳化硅晶体缺陷控制、电阻率调控和化学机械抛光等关键技术，掌握了晶体生长和加工的核心技术，形成了一整套从原料合成、晶体生长、加工、检测到清洗封装的技术路线；成功研制出高质量2-4英寸6H碳化硅和4H碳化硅晶片：微管密度最低可小于1个／c、X-射线摇摆曲线半高宽小于30弧秒、位错密度小于104／c、半绝缘晶片的电阻率大于106Q・cm、导电4H碳化硅晶片的电阻率控制在0.02 Q・cm以下，产品技术指标达到国际同类产品先进水平。在科研攻关的同时，陈小龙研究员高度重视知识产权保护，已经先后申请相关的国家发明专利24项，其中已授权6项，并且提交行业标准草案2项，同时正在申请美国和日本专利。
实现成果产业化
在中国科学院和新疆生产建设兵团的大力支持下，2006年9月，陈小龙研究员团队开发的碳化硅晶体生长相关技术成功进行了产业化，成立了北京天科合达蓝光半导体有限公司，这标志着我国在该领域实现了零的突破。在产业化的过程中，陈小龙研究员的团队实现了产研结合，建立了拥有48台晶体生长炉的碳化硅晶体生长和加工线，形成了年产3万片的能力，成功地将实验室晶体生长和加工的研究成果推广到大规模的工业化生产，并保证了生产的稳定性和重复性。陈小龙研究员主导的研发中心在大尺寸(4英寸)碳化硅晶体生长和提高晶体质量方面取得了快速进展。目前天科合达公司生产的2-4英寸导电碳化硅晶片、半绝缘碳化硅晶片成功销往20多个国家和地区，广受好评。自2009年以来，公司连续被国际著名半导体咨询机构YOLE公司列为全球碳化硅晶片主要制造商之一。
半导体材料范文第7篇
关键词：有机半导体 材料 应用
1、前言
半导体材料是在室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电，室温时电导率一般在105～107欧·米之间[1]。有机半导体材料的系统研究始于20世纪60年代，并且在近几十年来取得长足进步，2000年度诺贝尔化学奖授予白川英树等三位从事导电聚合物研究的科学家，这标志着有机半导体材料科学已经进入新的发展阶段[3]。
有机半导体材料与传统的无机半导体材料相比有一定的相似性，它们在电导率、载流子迁移率[4]和能隙等方面存在着较多的类似点，应用领域[5]也有一定的相似性。但是有机半导体材料又具有许多不同于无机半导体材料的新特点，有机半导体材料具有质量轻、柔韧易加工性、可低温大面积成膜等特点，将低成本的有机半导体材料用于微电子及光电子器件的研究近年来受到高度重视。近几年来建立起来的超快光谱技术和超微结构表征方法为研究有机半导体的激发态提供了手段，使有机半导体激发态性质、激发态结构[6]的基础研究和应用研究迅速发展。成为目前国际上最活跃的研究领域之一。
2、常见的有机半导体材料
已知的有机半导体[7]有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等。有机半导体器件[8]对所有有机半导体材料有两点要求[9]：（1）高迁移率，以保证器件的开关速度；（2）低本征电导率，尽可能地降低器件漏电流，从而提高器件的开关比。
2.2 有机半导体材料分类
2.2.1 根据载流子传输类型划分
根据载流子传输类型[10～11]来划分半导体材料，无机半导体材料和有机半导体材料的划分标准是不同的。对无机半导体材料而言，它的N、P型主要取决于半导体中密度占优势的载流子类型，这是因为载流子是通过离域带（导带或价带）来传输的。因而，电子占多数的半导体为N型材料，空穴占多数则为P型材料。而对于有机半导体来说，对半导体类型的定义只能根据载流子输运能力大小来划分，这是因为有机半导体内部电子与空穴密度不存在明显差别，而且载流子是通过定域传输的，因而若一种有机半导体对电子输运能力“明显”优于对空穴的输运能力，则定义这种半导体为N型材料，反之则为P型材料。另外，如果对空穴和电子的传输能力相当，则把这种有机半导体材料称之为双极型材料。通常在有机半导体领域中也称N型有机半导体为电子传输材料，P型有机半导体为空穴传输材料。
2.2.1.1 P—型有机半导体材料
P型高聚物典型代表为烷基取代的聚噻吩，如典型的P型高聚物为区域规整聚32烷基噻吩能形成高度三维有序的聚合物分子链，但其场效应行为强烈地依赖于成膜所使用的溶剂。P型低聚物以噻吩及其衍生物为代表。实际上，历史上第一个制备出的OFET就是采用低聚噻吩为场效应材料。低聚物分子[12]由于可通过灵活改变分子链长度和引入官能团来调节分子轨道能级，因而在OFET中占重要地位。P型有机小分子[13]则拥有聚合物无法比拟的优点，如易于提纯，分子间的平面结构则大大降低了分子间的势垒，从而有利于载流子高速迁移；又因为其成膜工艺多，制备的半导体薄膜质量较好，目前部分有机半导体，如并五苯等已能制备成单晶，这大大提高了载流子场效应迁移率，拓展了OFET的应用空间。典型的P型有机小分子通常有并五苯、酚箐类化合物、苝、红荧烯等。
有机半导体材料中以P型有机半导体材料[14]为主，因此P型场效应材料研究进展比较迅速，种类也较多。另外，P型有机半导体材料的载流子迁移率和开关比，采用真空成膜的OFET性能大多比较优良。如单晶并五苯的OFET性能最好，大大超过了其它OFET性能，也大大超过了非晶硅薄膜晶体管。
2.2.1.2 N—型有机半导体材料
1990年第一个N—沟道OFET被报道，它采用双酞菁镥为场效应材料[15]，其器件性能一般，载流子迁移率为2×10—4cm2v—1·s—1（典型载流子迁移率约为1 cm2·v—1·s—1）。N—型有机半导体化合物对氧和湿度较敏感，从而造成场效应迁移率低和晶体管工作性能不稳定，因此N型有机场效应材料在数目上大大少于P型有机场效应材料。
为提高N型场效应材料[16]的稳定性和场效应迁移率，通常可通过调节其电子亲合能，如引入强吸电子基团—CN、—NO2或—F等来降低其LUMO能级，使得电子的注入和运输成为可能，这是目前获得高效N—沟道半导体材料的主要途径，或在其表面加一钝化层或完全包裹封装来实现。由于N型半导体材料较少、稳定性达不到要求，但它又是双极晶体管的重要组成部分，因而对稳定的高性能的N型场效应材料的研制是具有非常重要意义的。
同样地，N型场效应材料也分为高聚物、低聚物和有机小分子三类。目前，N型高聚物半导体材料不是很多。通过离子注入对PPV（聚乙烯）进行掺杂后，可以得到优良的工作性能和加工性能的N—沟道有机半导体材料。直到2000年采用蒸镀制膜，得到并五苯OFET的μe达到2.4 cm2/（V·s），Ion/Ioff达到108，分子晶体管的实现为晶体管微型化、大规模集成和超大规模集成奠定了坚实的基础。器件[17]的稳定性也有了很大提高，其中单晶二萘嵌苯的OFET性能最好，也超过非晶薄膜晶体管的载流子迁移率。
2.2.1.3 双极型材料
半导体材料范文第8篇
【关键词】宽带半导体材料 电子机构 性质
Ⅱ-Ⅲ2-Ⅳ4型三元化合物，为具有缺陷黄铜矿结构的宽带半导体材料，材料电子机构优化性强，弹性以及光学性质好，用于光学设备乃至电光器件等的制造中，在提高设备性能方面，价值显著。本文以密度泛函理论为基础，对缺陷黄铜矿结构半导体CdAl2S4的电子机构、弹性及光学性质进行了分析：
1 宽带半导体材料模拟计算方法
以密度泛函理论为基础进行模拟计算。将CdAl2S4拆分开来，分为Cd、Al以及S三个部分，三者的价电子组态存在一定差异，Cd电子组态为4d105s2、Al电子组态为3s23p2、S电子组态为3s23p4。电子与电子之间存在的交换关联势，以PBE泛函作为基础进行描述。参数设计情况如表1。
从表1中可以看出，半导体材料参数如下：
（1）动能截断值：500eV。
（2）布里渊区k点网格8×8×4。
（3）原子作用收敛标准：10-3eV/A。
（4）自洽精度：10-6eV/atom。
2 宽带半导体材料的电子机构与性质
2.1 宽带半导体材料的电子机构
从晶格结构、能带结构方面，对宽带半体材料CdAl2S4的电子机构进行了研究：
2.1.1 晶格结构
宽带半导体材料CdAl2S4的原子中，不同原子的空间占位不同，具体如表2。
考虑不同原子在空间占位方面存在的差异，应首先采用晶格优化的方法，提高材料结构本身的稳定性，CdAl2S4的晶格结构参数以及键长如下：Cd-S键长2.577、Al1-S键长2.279、Al2-S键长2.272。a实验值2.553，计算值5.648。
2.1.2 能带结构
宽带半导体材料CdAl2S4的能带结构如图1。
图1显示，宽带半导体材料CdAl2S4的价带主要由三部分所构成，分别为低价带、高价带与最高价带：
（1）低价带：低价带即能量最低的价带，包括S的s态以及Al的s态等部分，通过对半导体材料CdAl2S4的低价带的观察可以发现，S与Al两者中所包含的原则，具有较高的结合性质。
（2）高价带：与低价带相比，高价带的能量相对较高，判断与Cd原子有关。观察图1可以看出，半导体材料CdAl2S4高价带Cd-d态的局域性较强。
（3）最高价带：最高价带的能量最高，一般在-5.4-0eV之间，该价带包括上下两部分，两部分所包含的能态各不相同。以导带部分为例，其能态一般在3.395eV-6.5eV之间。
2.2 宽带半导体材料的性质
从弹性性质、光学性质两方面，对宽带半导体材料CdAl2S4的性质进行了分析：
2.2.1 弹性性质
晶体相邻原子的成键性质等，与弹性性质存在联系。从宽带半导体材料CdAl2S4的各向异性因子，该材料的弹性性质呈现各向异性的特点。
宽带半导体材料CdAl2S4的延展性与脆性，与弹性同样存在联系，简单的讲，材料的延展性与弹性呈正相关，材料脆性与弹性，则呈负相关。通常情况下，材料的延展性与脆性如何，可以采用体模量与剪切模量之间的比值来确定，当两者之间的比值在1.75以下时，说明材料的延展性较差，脆性较强，弹性性质较差。相反，当两者之间的比值在1.75以上时，则说明材料的延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强。
通过对宽带半导体材料CdAl2S4体模量与剪切模量之间的比值的计算可以发现，比值为1.876，较1.75大，可以认为，该材料的延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强。
2.2.2 光学性质
半导体材料的光学性质，属于其物理性质中极其重要的一方面，在光学仪器等的研制过程中，对半导体材料的光学性质十分重视。宽带半导体材料CdAl2S4的本质来看，该材料晶体为四方晶系单光轴晶体，各向异性显著。
将光谱能量确定为0-20eV，对材料的光学性质进行了研究，发现半导体材料CdAl2S4的光子能量在3.5eV以下以及12.5eV以上的区域，而不存在在两者之间，可以认为，该材料晶体的光学性质具有各向异性。另外，研究显示，该材料的反射系数可达到0.85，强放射峰在紫外区域，可以认为，宽带半导体材料CdAl2S4具有紫外探测以及紫外屏蔽的光学性质。
3 讨论
宽带半导体材料CdAl2S4电子机构相对稳定，延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强，具有紫外探测以及紫外屏蔽的光学性质。未来，应对宽带半导体材料的性质进行进一步的研究，以开发出该材料的更多功能，确保其价值能够得到更好的发挥。
4 结论
鉴于宽带半导体材料CdAl2S4在电子机构以及弹性性质和光学性质方面存在的特点及优势，可以将其应用到紫外探测以及紫外屏蔽等材料的研制过程中，使之优势能够得到充分的发挥，为社会各领域的发展发挥价值。
参考文献
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半导体材料范文第9篇
关键词半导体；材料；芯片；发展；应用；技术；
中图分类号：O471 文献标识码：A 文章编号：
引言
自然界中的物质，根据其导电性能的差异可划分为导电性能良好的导体（如银、铜、铁等）、几乎不能导电的绝缘体（如橡胶、陶瓷、塑料等）和半导体（如锗、硅、砷化镓等）。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。它的导电能力会随温度、光照及掺入杂质的不同而显著变化，特别是掺杂可以改变半导体的导电能力和导电类型，这是其广泛应用于制造各种电子元器件和集成电路的基本依据。
一、半导体材料的概念与特性
当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。 半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用， 这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，在某些情形下具有导体的性质。 半导体材料广泛的应用源于它们独特的性质。 首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质参入对半导体的性质起着决定性的作用，它们可使半导体的特性多样化，使得 PN 结形成，进而制作出各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷器等； 半导体基片可以实现元器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路。 这种种特性使得半导体获得各种各样的用途， 在科技的发展和人们的生活中都起到十分重要的作用。
二、几种主要半导体材料的发展现状与趋势
（一）硅材料
硅材料是半导体中应用广泛的一类材料，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。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。
（二）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。
（三）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。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Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。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。
（四）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lμ蘭左右，单管室温连续输出功率高达3．6～4W。1.5 宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料主要指的是金刚石，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。
三、半导体材料发展的几点建议
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求。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。发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料。
（一）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。
（二）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。
结束语
随着信息技术的快速发展和各种电子器件、 产品等要求不断的提高， 半导体材料在未来的发展中依然起着重要的作用。 在经过以 Si、GaAs 为代表的第一代、第二代半导体材料发展历程后，第三代半导体材料的成为了当前的研究热点。 我们应当在兼顾第一代和第二代半导体发展的同时， 加速发展第三代半导体材料。 目前的半导体材料整体朝着高完整性、高均匀性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向迈进。 随着微电子时代向光电子时代逐渐过渡， 我们需要进一步提高半导体技术和产业的研究，开创出半导体材料的新领域。 相信不久的将来，通过各种半导体材料的不断探究和应用，我们的科技、产品、生活等方面定能得到巨大的提高和发展！
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半导体材料范文第10篇
关键词：铋系半导体材料 光催化 改性
1. 铋系半导体光催化材料简介
自上世纪70年代首次发现二氧化钛（TiO2）可以光照分解水这一现象以来，越来越多的研究者投入到光催化领域中来。TiO2具有无毒、催化活性较好以及稳定性高等优点，在光催化领域应用十分广泛。但在可见光区域没有响应，禁带宽度大等缺点同时也限制了它的应用。因此，研究者的研究方向主要集中在对TiO2的改性以及开发新型的半导体光催化材料上。铋系半导体材料由于其独特的晶体结构与电子结构引起了研究者的注意，并取得了一系列研究成果。
铋系光催化材料有两个很明显的优点，其一，Bi的外层电子结构为6s26p3，因此，Bi元素主要有两个价态，+3和+5，且可以通过不同的实验方法合成其他的中间价态。当Bi失去外层电子时，可以与其他元素（如O元素）复合并杂化，在半导体中形成价带顶端，从而形成s-p杂化轨道，降低其禁带宽度，有利于光生电子与空穴的传递，抑制光生载流子的复合，从而可以提高光催化性能。其二，铋系半导体材料有很多的微观形貌，如纳米片、纳米棒、纳米花等，大多为多层结构，比表面积高，有利于和其他半导体材料复合，从而提高其光催化性能。
2. 铋系半导体光催化材料的改性
铋系半导体光催化材料的性能虽然较其他一些催化材料有很明显的优势，但依然有上升空间。因此对铋系半导体光催化材料进行改性以提高其光催化性能成了目前的研究热点。铋系光催化材料的改性主要集中在合成新型半导体光催化材料、与其他半导体光催化剂复合形成异质结以及掺杂一些元素进行改性。
2.1 合成新型半导体光催化材料
在铋系化合物中，Bi2WO6、BiVO4、Bi2MoO6等一些二元复合氧化物以及卤氧化铋材料已经被发现并得到了广泛研究。因此研究者们又把目光转向了新材料的开发上，以此来拓宽研究范围并不断提高铋系材料的光催化性能。
Bi2S3是近几年被报道的用于光催化领域的一种半导体，其晶体结构与Bi2O3很相似，据文献报道，Bi2S3的禁带宽度为1.4eV左右，在光电催化方面活性较好。Bi2S3的制备方法也很多，包括水热法、化学沉积法、超声化学法等，在制备过程中，通过不断调节实验条件，例如加入表面活性剂、调节pH值以及控制反应时间等，可以合成不同形貌的Bi2S3。目前所合成的形貌有纳米片。纳米花、纳米线等等。沈林等人[1]用水热法，在实验过程中加入EDTA并调节溶液的pH值，合成出了各种形貌的Bi2S3。
NaBiO3也是近几年研究的热点，其光催化性能较Bi2O3有明显的提升，在光催化领域有着巨大的应用前景。在NaBiO3中，Na的3s轨道和O的2p轨道发生杂化反应形成s-p轨道，可以加快光生电子和空穴的传递，抑制光生载流子的复合，从而增强其光催化活性。谌春林等人[2]用热处理的方法在不同条件下处理商品铋酸钠，并对所得的样品进行光催化活性测试。实验结果显示，铋酸钠对甲基橙、亚甲基蓝以及苯酚等污染物均有一定的降解活性，并且经过热处理过得铋酸钠的活性较之前有所提高。
碱土金属铋酸盐也是一类新型的可见光催化剂，文献报道不多，因此发展空间很大。在化合物中，Bi3+的孤对电子使化合物呈现出Bi-O的三维网络片状结构。继Tang等人首次发现CaBi2O4在可见光的照射下可以降解亚甲基蓝以及甲醛以后，其他碱土金属铋酸盐也相继被报道出来，例如CaBi6O13以及SrBi2O4等。
2.2 与其他半导体材料复合
在提高铋系化合物光催化活性方面，除了发现新型化合物，使用最多的应该是与其他半导体光催化剂复合。复合主要包括铋系化合物与其他化合物的复合以及铋系化合物与贵金属的复合等几个方面。
Shang等人将Bi2WO6负载在TiO2纳米纤维薄膜上，成功的制备出了Bi2WO6/TiO2异质结，并对其光催化活性进行了测试。实验结果表明，该异质结催化剂在可见光条件下，降解活性远高于Bi2WO6和TiO2。
除了以上两个方法外，与贵金属的复合也应用的十分广泛。在光催化过程中，贵金属一般作为助催化剂，加快光生电子的传递来提高光催化活性。Pugazhenthiran等人采用超声法将Au与Bi2O3复合，实验结果显示，所制备的复合光催化剂能够在可见光下降解酸性橙-10。
与其他半导体材料的复合为铋系半导体催化剂材料在光催化领域的发展提供了更为广阔的前景。
2.3 与其他元素掺杂
在铋系半导体的材料改性方面，元素掺杂也是很重要的一方面。Xu等人用水热法合成出了BiVO4之后，用浸渍法掺杂不同的稀土元素并改变其比例，合成了一批样品。通过光催化活性测试，Gd3+-BiVO4的活性最好，尤其当Gd的含量为8at.%时，光催化活性达到最高。
3. 铋系半导体光催化材料的应用
铋系半导体材料在光催化方面的主要集中在降解有机染料、抗生素以及分解水等几个方面。
随着经济的发展以及人民生活水平的提高，在工业生产过程中会产生很多工业废水，其中就包括很多有机染料，例如罗丹明B、甲基橙、亚甲基蓝、甲基紫等。这些染料废水对人们的生产以及生活带来很大的危害。而铋系光催化材料在这方面的表现极为优异。Ping等人采用溶剂法法，以1-丁基-3-甲基咪唑碘为原料，合成出了BiOI纳米片。实验结果表明，该样品在可见光下对罗丹明B的降解性能十分优异。
抗生素的滥用也是目前的一大问题，这直接导致了水体中出现了大量的抗生素残留，包括环丙沙星、四环素、氯酚以及微囊藻毒素等等。Ling等人以Bi2O3以及TiO2为原料，采用高温固相法合成出了钛酸盐Bi4Ti3O12。在后续的光催化实验中，研究者用所得产物降解氯酚（4-CP）以及微囊藻毒素（MC-RR）。结果显示，当4-CP的浓度为1.25×10-5mol/L时，降解活性最高。同时在后期的表征中显示，反应中起主要作用的活性物种为羟基自由基和超氧自由基。
除环境问题外，能源短缺也是当今社会的一大问题。化石能源的过渡开采必然导致能源紧缺，因此开发新能源，例如氢能、太阳能以及潮汐能等也是一项迫切的任务。铋系半导体材料大多可以在可见光的照射下分解水产生氧气，因此，在铋系材料的基础上复合可以分解水产氢且价导带匹配的化合物就能够实现全分解水的过程。Kudo等人于1998年首次发现BiVO4在可见光的照射下，可以分解水。在此基础上，研究者又经过不断努力，合成了更多可以分解水的异质结。
除了上述在降解污染物以及能源方面的应用，铋系光催化材料还广泛的应用于光催化还原以及光催化氧化等方面。
4. 结语
到目前为止，有大量关于铋系半导体材料在光催化领域的应用的文章的报道。但由于其制备过程不适宜大规模生产且一些材料成本太高，不利于工业生产。在未来的科研工作中，可以将目光主要集中在对铋系半导体材料的工业化应用方面，通过制备方法的改进以及原材料的选择上降低其成本，提高重复利用率，进而推广到工业生产上。
参考文献