半導(dǎo)體材料與技術(shù)大全11篇

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篇（1）

中圖分類(lèi)號(hào)：O471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

引言

自然界中的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的差異可劃分為導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導(dǎo)電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導(dǎo)體（如鍺、硅、砷化鎵等）。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。它的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照及摻入雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類(lèi)型，這是其廣泛應(yīng)用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據(jù)。

一、半導(dǎo)體材料的概念與特性

當(dāng)今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品普遍進(jìn)入人們的生活，如電視機(jī)，電子計(jì)算機(jī)，電子表，半導(dǎo)體收音機(jī)等都已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｋ豢扇鄙俚募矣秒娖鳌?半導(dǎo)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(dǎo)體材料的概念和特性開(kāi)始。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)物質(zhì)，在某些情形下具有導(dǎo)體的性質(zhì)。 半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用源于它們獨(dú)特的性質(zhì)。 首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開(kāi)發(fā)就是利用了這個(gè)特性；其次，雜質(zhì)參入對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，它們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得 PN 結(jié)形成，進(jìn)而制作出各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)會(huì)因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷器等； 半導(dǎo)體基片可以實(shí)現(xiàn)元器件集中制作在一個(gè)芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路。 這種種特性使得半導(dǎo)體獲得各種各樣的用途， 在科技的發(fā)展和人們的生活中都起到十分重要的作用。

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

（一）硅材料

硅材料是半導(dǎo)體中應(yīng)用廣泛的一類(lèi)材料，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。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（Smart cut）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。

（二）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(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)。

（三）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。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Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nm InGaAs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。

（四）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)lμ蘭左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3．6～4W。1.5 寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石，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(chē)、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)。

三、半導(dǎo)體材料發(fā)展的幾點(diǎn)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)的需求。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。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。

（一）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。

（二）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。可以預(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。

結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和各種電子器件、 產(chǎn)品等要求不斷的提高， 半導(dǎo)體材料在未來(lái)的發(fā)展中依然起著重要的作用。 在經(jīng)過(guò)以 Si、GaAs 為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程后，第三代半導(dǎo)體材料的成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 我們應(yīng)當(dāng)在兼顧第一代和第二代半導(dǎo)體發(fā)展的同時(shí)， 加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料。 目前的半導(dǎo)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(jìn)。 隨著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代逐漸過(guò)渡， 我們需要進(jìn)一步提高半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的研究，開(kāi)創(chuàng)出半導(dǎo)體材料的新領(lǐng)域。 相信不久的將來(lái)，通過(guò)各種半導(dǎo)體材料的不斷探究和應(yīng)用，我們的科技、產(chǎn)品、生活等方面定能得到巨大的提高和發(fā)展！

參考文獻(xiàn)

［1］沈能玨,孫同年,余聲明,張臣.現(xiàn)代電子材料技術(shù).信息裝備的基石［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

［2］靳曉宇.半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與發(fā)展研究［J］.大眾商務(wù),2009,(102).

篇（2）

中圖分類(lèi)號(hào)：O643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（c）-0001-02

隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，各生產(chǎn)、加工行業(yè)對(duì)其各項(xiàng)性能的關(guān)注程度也大大提升，其中針對(duì)半導(dǎo)體材料光催化性能的研究也越來(lái)越多。氧化鋅作為光催化劑有著價(jià)格實(shí)惠、無(wú)毒、高效等優(yōu)點(diǎn)，雖然其催化機(jī)理與氧化鈦相似，但是氧化鋅光催化劑的吸光效率更好，因此有可能會(huì)成為取代氧化鈦的新型光催光劑。

氧化鋅自然條件下，氧化鋅主要以纖鋅礦的結(jié)構(gòu)形式存在，其光電性能、電磁波吸收能力以及熱穩(wěn)定性都非常好，在壓電傳感器、紫外光發(fā)射器、顯示器、導(dǎo)電薄膜、表面波吸收以及太陽(yáng)能電池等方面都有著非常廣泛的應(yīng)用，是一種應(yīng)用潛力很大的新型半導(dǎo)體材料。在對(duì)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)力度不斷加大的未來(lái)，半導(dǎo)體材料的發(fā)展空間更大。

1 半導(dǎo)體光催化的機(jī)理、特點(diǎn)

1.1 半導(dǎo)體光催化的機(jī)理

在半導(dǎo)體中，未被占的高能導(dǎo)帶以及被占的低能價(jià)帶組成了其能帶結(jié)構(gòu)，由于價(jià)帶和導(dǎo)帶處于分離狀態(tài)，它們之間的能級(jí)距離就叫做帶隙寬度。半導(dǎo)體的這種結(jié)構(gòu)就是其光特性的基礎(chǔ)，當(dāng)與半導(dǎo)體帶隙寬度匹配的光波照射半導(dǎo)體光催化劑時(shí)，價(jià)帶電子就會(huì)吸收光的能量而發(fā)生躍遷，直接跨過(guò)能級(jí)距離躍遷到導(dǎo)帶上去，價(jià)帶就會(huì)因此出現(xiàn)空穴，引起光電子和空穴的競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)它們分離時(shí)，能夠運(yùn)動(dòng)到半導(dǎo)體表面，能量匹配的電子就會(huì)被空穴捕獲使得空穴具有強(qiáng)氧化性，而電子本身就具有較強(qiáng)的還原性，因此半導(dǎo)體內(nèi)部就產(chǎn)生了電子對(duì)。

1.2 半導(dǎo)體光催化的特點(diǎn)

首先，半導(dǎo)體所使用的光催化劑的污染小，并且沒(méi)有毒性，催化效率高；其次，半導(dǎo)體光催化幾乎沒(méi)有選擇性，因此適用范圍較廣，降解效率與除凈度都比較高。在光催化過(guò)程中能將大部分有機(jī)污染物氧化，產(chǎn)生水、二氧化碳以及無(wú)機(jī)鹽等無(wú)害物質(zhì)；再次，半導(dǎo)體的光催化反應(yīng)一般在室溫條件下進(jìn)行，條件溫和并且操作簡(jiǎn)單；最后，半導(dǎo)體光催化技術(shù)除了可以利用紫外光，也可以利用太陽(yáng)光進(jìn)行反應(yīng)。在太陽(yáng)的照射下，半導(dǎo)體催化劑可以將太陽(yáng)光吸收并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能或者電能，而由于太陽(yáng)能取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，半導(dǎo)體光催化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用也有了更加廣闊的空間。

2 氧化鋅納米半導(dǎo)體材料包覆材料的制備方法

氧化鋅納米半導(dǎo)體材料的準(zhǔn)備方法主要有兩種，分別是草酸沉淀法和檸檬酸絡(luò)合法。

（1）草酸沉淀法制備氧化鋅納米半導(dǎo)體材料。

將濃度為0.5 mol/L的硝酸鋅溶液置于燒杯中，然后將鋅離子與草酸物質(zhì)量之比為1.0∶1.5的草酸溶液加入其中，產(chǎn)生白色沉淀以后繼續(xù)攪拌2 h，然后對(duì)沉淀進(jìn)行分離、洗滌以及干燥操作，并在500 ℃的溫度下煅燒1 h，就可以得到氧化鋅試樣，將其記為試樣A。

（2）檸檬酸絡(luò)合法制備氧化鋅納米半導(dǎo)體材料。

將濃度為0.5 mol/L的硝酸鋅溶液置于燒杯中，然后將鋅離子與檸檬酸物質(zhì)量之比為1.0∶1.5的檸檬酸溶液加入其中，然后再加入適量的乙二醇，攪拌溶液讓其均勻分散，之后將其置于超聲波中進(jìn)行超聲分散半個(gè)小時(shí)，形成均勻的溶膠，接著在80 ℃的恒溫下讓溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。將凝膠狀態(tài)的混合物置于100 ℃的烤箱中加熱變成干凝膠，然后將其研碎，并在500 ℃的溫度下煅燒一個(gè)小時(shí)，所得到的氧化鋅試樣記為B。

3 氧化鋅納米半導(dǎo)體材料包覆材料的光催化性能研究

納米材料由于粒徑非常小，因此空穴和電子從半導(dǎo)體內(nèi)部躍遷到表面的時(shí)間更短，產(chǎn)生光電子流的速度就更快。此外，半導(dǎo)體材料的比表面積較大，因此催化劑的吸附性能會(huì)更好。因此猜測(cè)，納米半導(dǎo)體材料具有非常好的光催化效果。以下通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其光催化性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了研究氧化鋅的光催化性能，我們還需要將其置于光催化反應(yīng)器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先將15 mg氧化鋅催化劑加入到50 ml質(zhì)量濃度為20 mg/L的甲基橙溶液中，置于超聲波中進(jìn)行超聲分散，15 min以后放到暗處攪拌大約10 min左右時(shí)間，讓氧化鋅催化劑與染料充分混合并達(dá)到吸附與脫附平衡。然后打開(kāi)光催化反應(yīng)器的高壓泵燈，每間隔一定時(shí)間就取一次樣。取來(lái)的試樣首先進(jìn)行離心，然后利用分光計(jì)測(cè)定其吸光度，在吸光度基礎(chǔ)上計(jì)算甲基橙溶液的降解率。此外，為了突出實(shí)驗(yàn)效果，還需要進(jìn)行一組僅有光照以及在暗處加入氧化鋅催化劑的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并在溶液光催化降解以后進(jìn)行可見(jiàn)光吸收光譜測(cè)試。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及光催化性能分析

由圖1、圖2我們可以知道，沒(méi)有光照時(shí)甲基橙的降解率非常低，也就說(shuō)明在無(wú)光照條件下，氧化鋅的催化性能比較差。在僅有光照的情況下，甲基橙幾乎沒(méi)有降解率，而在既有光照也有光催化劑的情況下，甲基橙的降解率明顯升高。并且圖中顯示，光照時(shí)間為30 min時(shí)，試樣A的甲基橙降低率在94.36%，而試樣B的降解率則為81.75%。這說(shuō)明氧化鋅催化劑對(duì)甲基橙的降解作用屬于光降解，并且催化活性非常好。草酸沉淀法制備得到的氧化鋅顆粒由于粒徑較小，并且中間部分空心，比表面積更大，因此光催化性能更好。

4 結(jié)語(yǔ)

在時(shí)代的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步下，研究新型材料來(lái)滿足人們不斷上升的各種需求已經(jīng)是一項(xiàng)非常重要的時(shí)代性課題。而隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，世界各國(guó)均已開(kāi)始投入對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用研究工作中。在這樣的發(fā)展形勢(shì)下，研究新型納米半導(dǎo)體材料及其光催化性能對(duì)于緩解能源危機(jī)有著重要意義。氧化鋅作為一種新型納米半導(dǎo)體材料，有著非常多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)潛力非常大。其制備方法主要有草酸沉淀法以及檸檬酸絡(luò)合法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們知道，氧化鋅催化劑的催化活性非常好，并且兩種氧化鋅半導(dǎo)體的制備方法中，草酸沉淀法不僅操作簡(jiǎn)單，催化效率也更好。

參考文獻(xiàn)

[1] 禹崇菲.新型納米BiVO_4的制備、表征及其光催化性能研究[D].河南師范大學(xué)，2013.

篇（3）

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）04-0169-02

一、引言

當(dāng)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已成為關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家信息安全的重要戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。與日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在電子信息領(lǐng)域，我國(guó)與其尚存在一定的差距。在過(guò)去的幾十年中，半導(dǎo)體科學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，半導(dǎo)體器件在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)我國(guó)今后半導(dǎo)體材料及器件的基礎(chǔ)教育提出了更高的要求。《半導(dǎo)體材料及器件》是能源與電子材料方向本科生的一門(mén)專業(yè)課，在半導(dǎo)體物理學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，將光電子器件和微電子器件結(jié)合起來(lái)，全面系統(tǒng)地講述了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識(shí)以及典型的半導(dǎo)體器件的工作原理及工作性能。《半導(dǎo)體材料及器件》課程涉及一部分的物理知識(shí)，需要學(xué)生有一定程度的物理基礎(chǔ)；并且，面對(duì)各種器件復(fù)雜的工作原理，在教學(xué)時(shí)學(xué)生常會(huì)感到枯燥乏味，抽象難懂，從《半導(dǎo)體材料及器件》的課堂教學(xué)及學(xué)生的整體反映來(lái)看，學(xué)生對(duì)本課程的熱情低，課堂效果差。因此，為了提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)需求，具備自主創(chuàng)新能力的人才，對(duì)《半導(dǎo)體材料及器件》課程進(jìn)行教學(xué)改革。

二、課程開(kāi)設(shè)的目的和意義

材料的發(fā)展在前沿新技術(shù)、新科技的研發(fā)中起到了重要作用。其中，照明、通信、電子領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很大程度上依賴于半導(dǎo)體材料的發(fā)展與應(yīng)用。《半導(dǎo)體材料及器件》課程將理論與應(yīng)用聯(lián)系了起來(lái)，《半導(dǎo)體材料及器件》課程的開(kāi)設(shè)不僅有利于學(xué)生更好的學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而且可以根據(jù)理論理解相應(yīng)器件的工作原理，從而更準(zhǔn)確、更清晰的了解、使用光電子器件和微電子器件。相對(duì)光電子技術(shù)而言，發(fā)展較成熟的微電子技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。微電子技術(shù)與其他學(xué)科結(jié)合誕生的新學(xué)科也成為重要的發(fā)展方向。因此，要求半導(dǎo)體材料及器件方向培養(yǎng)的學(xué)生能適應(yīng)這種跨學(xué)科、多學(xué)科結(jié)合發(fā)展的需求。

三、教學(xué)改革的措施

1.教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)。傳統(tǒng)的直接對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，容易使學(xué)生感到內(nèi)容枯燥，引起學(xué)生的反感情緒，不利于教學(xué)質(zhì)量的提高。因此，在緒論部分對(duì)半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史以及半導(dǎo)體材料及器件在生活生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)介紹，消除學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體材料及器件的陌生感，提高學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體材料的認(rèn)識(shí)，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣。并且，傳統(tǒng)的教學(xué)方式偏重于對(duì)理論知識(shí)和原理的學(xué)習(xí)，對(duì)新知識(shí)如何在實(shí)際的研究和生產(chǎn)工作中加以應(yīng)用則涉及的較少，增加應(yīng)用型知識(shí)的教授是我校《半導(dǎo)體材料及器件》教學(xué)改革重點(diǎn)實(shí)施的方面。基于此，考慮到實(shí)驗(yàn)課程是本科生動(dòng)手實(shí)踐很好的機(jī)會(huì)，但過(guò)程中難免會(huì)遇到問(wèn)題，在授課時(shí)對(duì)授課內(nèi)容對(duì)應(yīng)部分的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)講解，不僅可以激發(fā)學(xué)生的探索能力，而且在實(shí)踐的基礎(chǔ)上學(xué)生能更充分的理解知識(shí)。我校《半導(dǎo)體材料及器件》課程結(jié)合了半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件兩方面，半導(dǎo)體器件方面又分為光電子器件和微電子器件兩部分。現(xiàn)有的教材或側(cè)重講半導(dǎo)體材料，或側(cè)重講半導(dǎo)體器件，且所講內(nèi)容深淺程度不一，我校師生根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐情況，編寫(xiě)了一本難度適中、適合我校本科生學(xué)習(xí)的教材，本科生使用此教材學(xué)習(xí)半導(dǎo)體材料和光電子器件的知識(shí)，而微電子器件部分則采用標(biāo)準(zhǔn)教材。

2.教師隊(duì)伍的配置。高水平的、穩(wěn)定的教學(xué)隊(duì)伍是提高教學(xué)質(zhì)量的人才保障。針對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，教學(xué)隊(duì)伍實(shí)行“以老帶新、新進(jìn)”的發(fā)展方式。為青年教師配備經(jīng)驗(yàn)豐富的教授，對(duì)青年教師進(jìn)行指導(dǎo)，負(fù)責(zé)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)傳授和教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控，通過(guò)資深教授的幫助和帶領(lǐng)作用，提高青年教師的專業(yè)水平和教學(xué)能力。近幾年，學(xué)院專業(yè)先后吸收了幾位年輕的博士，為課堂教學(xué)和科研工作注入了新鮮血液。青年教師與本科生更具有共同語(yǔ)言，更容易相處和獲得學(xué)生的認(rèn)可，所講授的知識(shí)更容易被學(xué)生理解，課堂教學(xué)質(zhì)量有明顯提高。經(jīng)過(guò)近幾年的改革發(fā)展，我院積極開(kāi)拓引進(jìn)人才的途徑，每個(gè)月都會(huì)邀請(qǐng)相關(guān)學(xué)科的學(xué)者來(lái)我院講學(xué)，開(kāi)拓學(xué)生的視野，擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)，同時(shí)，教師積極與各兄弟院校本專業(yè)教師交流學(xué)習(xí)，通過(guò)不斷地“走出去”與“走進(jìn)來(lái)”，形成了一支綜合實(shí)力強(qiáng)的教學(xué)隊(duì)伍。

3.教學(xué)方法改革。課堂教學(xué)要求教師在有限的時(shí)間內(nèi)講完規(guī)定的知識(shí)，因此，常常會(huì)產(chǎn)生“滿堂灌”、“填鴨式”的教學(xué)模式。在這種模式下，學(xué)生接受理解的知識(shí)非常有限，甚至?xí)龑?duì)本門(mén)學(xué)科失去學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生被迫學(xué)習(xí)。在教學(xué)實(shí)踐中，要改變這種錯(cuò)誤的教學(xué)模式，需要教師對(duì)本學(xué)科有一個(gè)明確地把握。《半導(dǎo)體材料及器件》是一個(gè)涉及知識(shí)廣泛且理論與實(shí)踐并重的交叉學(xué)科，要求教師在授課時(shí)做到“有粗有細(xì)”，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中常用到的知識(shí)做到精講、細(xì)講，對(duì)難以理解的深?yuàn)W理論可以略講，減小學(xué)生的聽(tīng)課負(fù)擔(dān)。面對(duì)抽象的理論原理，器件原理制作成動(dòng)畫(huà)，利用多媒體設(shè)備進(jìn)行講解能提高聽(tīng)課質(zhì)量。《半導(dǎo)體材料及器件》學(xué)科的理論知識(shí)抽象難懂，在有一定半導(dǎo)體材料及器件知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐參觀，走出課堂，走向企業(yè)，通過(guò)參觀學(xué)習(xí)和教師在參觀現(xiàn)場(chǎng)的講解，不僅可以幫助學(xué)生加深理解課堂上學(xué)習(xí)的內(nèi)容，而且有利于理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)情況的統(tǒng)一，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師可在參觀后提出相關(guān)問(wèn)題，留給學(xué)生分組討論，然后由學(xué)生做成PPT在課堂上講解，由其他組的同學(xué)進(jìn)行提問(wèn)，調(diào)動(dòng)全體同學(xué)，使學(xué)生成為課堂的主體，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和團(tuán)結(jié)合作精神。學(xué)期考核時(shí)，提高平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的比例并提前告知學(xué)生，激發(fā)學(xué)生平時(shí)課堂和實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性，使教學(xué)取得更好的效果。

四、改革特色

改革降低了課程的學(xué)習(xí)難度，減輕了學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，但更注重應(yīng)用型知識(shí)的教學(xué)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和分析問(wèn)題能力的培養(yǎng)。“授人以魚(yú)不如授人以漁”，面對(duì)半導(dǎo)體材料及器件方面知識(shí)快速的更新，掌握學(xué)習(xí)方法才能在這個(gè)領(lǐng)域有更好的發(fā)展。將半島體光電子器件和半導(dǎo)體微電子器件單獨(dú)來(lái)講，便于進(jìn)行器件原理和應(yīng)用的對(duì)比和聯(lián)系，對(duì)二者進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。通過(guò)對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和豐富，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行創(chuàng)新性的改革，實(shí)現(xiàn)本科生理論知識(shí)程度與實(shí)際應(yīng)用能力的共同提高，培養(yǎng)具備實(shí)踐能力、分析能力和創(chuàng)新能力的跨學(xué)科綜合性人才。

五、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合《半導(dǎo)體材料及器件》課程的教學(xué)實(shí)踐和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，從實(shí)際情況出發(fā)，本文對(duì)《半導(dǎo)體材料及器件》課程的授課內(nèi)容、教師隊(duì)伍配備和教學(xué)方法進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，希望能夠增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的分析能力，培養(yǎng)出與時(shí)俱進(jìn)，具有自主學(xué)習(xí)能力和科研、實(shí)踐能力的綜合型人才，滿足科學(xué)研究和社會(huì)生產(chǎn)的需求。

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The Teaching Reform and Practice for "Semiconductor Materials" and Devices Course

DUAN Li，ZHANG Ya-hui，F(xiàn)AN Ji-bin，YU Xiao-chen，ZHANG Yan，CHENG Xiao-jiao，HE Feng-ni

篇（4）

OTFT的研究歷程

OTFT遷移率和開(kāi)關(guān)電流比是其兩個(gè)重要的參數(shù):晶體管的遷移率越大，實(shí)際運(yùn)作速度越快;開(kāi)關(guān)電流比越大，所驅(qū)動(dòng)的器件的對(duì)比度越好。

1980年年初，人們將有機(jī)半導(dǎo)體聚噻吩引入晶體管中，開(kāi)創(chuàng)了有機(jī)薄膜晶體管的研究。但令人遺憾的是當(dāng)時(shí)器件的遷移率只有1×10-5 cm2/V•s，工作頻率只有1 Hz左右，開(kāi)關(guān)電流比102～103。在近20年的研究過(guò)程中，為提高器件的載流子遷移率、工作頻率和降低驅(qū)動(dòng)電壓，人們?cè)趯ふ倚碌挠袡C(jī)材料、改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)和制備工藝等方面進(jìn)行了大量的工作。

1997年，人們利用并五苯作為有機(jī)材料采用層積法制作的有機(jī)薄膜場(chǎng)晶體管的遷移率達(dá)到了0.7 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比為1×108，這足以和無(wú)定形硅薄膜晶體管（遷移率0.5 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比為1×108）相媲美。2000年，Bell實(shí)驗(yàn)室的J.H.Schon等人利用并四苯單晶作有源層，利用雙場(chǎng)效應(yīng)制成有機(jī)電注入激光器，在室溫下器件的載流子遷移率達(dá)到2 cm2/V•s，低溫下可達(dá)到1×103～1×105 cm2/V•s，開(kāi)辟了新的有機(jī)器件的研究領(lǐng)域。2001年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用高純的并五苯單晶使載流子遷移率達(dá)到3.2 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到1×109，工作頻率達(dá)到700 kHz～11 MHz。

聚合物材料中，六噻吩是目前發(fā)現(xiàn)的遷移率最高的有機(jī)材料，利用做有機(jī)半導(dǎo)體制作的OTFT中，電子和空穴的遷移率分別達(dá)到0.7 cm2/V•s和1.1 cm2/V•s。1994年，利用打印法制備了全聚合物的OTFT，得到的晶體管載流子遷移率達(dá)到0.06 cm2/V•s，為OTFT的廉價(jià)和大面積制備打下了基礎(chǔ)。最近，劍橋大學(xué)和愛(ài)普生公司利用噴墨打印法，采用由于親水性和疏水性而產(chǎn)生自組織化特性的聚合物P3HT制成晶體管，器件的電極都為高分子材料，溝道長(zhǎng)度達(dá)5～10 mm，載流子遷移率達(dá)到0.02～0.1 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到1×105，工作頻率達(dá)到250 Hz。這使得有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的低成本、批量生產(chǎn)成為可能。目前，器件的載流子遷移率可達(dá)到1 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到1×107。

OTFT的制作工藝

從制作方式來(lái)區(qū)分，OTFT有真空沉淀和溶液處理兩種方式。

真空沉淀技術(shù)一般用于有機(jī)小分子材料，經(jīng)常使用的方法有兩種：一種是熱蒸鍍；另一種是氣相沉淀。其中，熱蒸鍍是將有機(jī)材料置于坩鍋中，加熱至材料的升華溫度，使得材料在基板上沉淀。利用真空蒸鍍制備有機(jī)器件是目前最廣泛使用的工藝。有機(jī)材料的純度對(duì)于晶體的生長(zhǎng)有相當(dāng)大的影響，為了提高純度，可以使用熱梯度法。

而氣相沉淀與熱蒸鍍最大的差別在于利用惰性氣體為媒介氣體，將有機(jī)蒸汽帶到基板上。并且基板擺放也與熱蒸鍍相反，基板位于腔體下方，有機(jī)蒸汽經(jīng)過(guò)蒸汽噴頭由下而上至基板。

溶液處理方式可用于聚合物和可溶解的有機(jī)小分子，包括旋轉(zhuǎn)涂布和噴墨打印等方法。旋轉(zhuǎn)噴涂是將有機(jī)材料溶于有機(jī)溶劑，均勻地涂在基板上，經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)形成有機(jī)薄膜。溶液的濃度和旋轉(zhuǎn)的速度影響有機(jī)薄膜的厚度和均勻性。印刷技術(shù)包括屏幕打印、噴墨打印和接觸打印等方法。國(guó)際上，已有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室用印刷技術(shù)制備有機(jī)薄膜晶體管，其中研制印刷用試劑是關(guān)鍵，各種有機(jī)半導(dǎo)體或絕緣體都可按某種花樣圖案，一層一層地印制在柔性襯底上，最后成為一個(gè)完整有機(jī)薄膜晶體管。目前，研究集中在打印技術(shù)方面，其線寬可小于1 μm。其中噴墨打印法就是像打印機(jī)打字一樣將有機(jī)打印到襯底材料上。用噴墨打印頭制備的有機(jī)晶體管陣列的級(jí)延遲小于40 μs，雖無(wú)法和硅器件相比，但已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展為大規(guī)模、大尺寸產(chǎn)品生產(chǎn)提供了工藝方法。

OTFT的材料

OTFT最關(guān)鍵的技術(shù)之一是有機(jī)半導(dǎo)體材料。有機(jī)薄膜晶體管對(duì)所用的有機(jī)半導(dǎo)體材料有著特殊的要求：高遷移率、低本征電導(dǎo)率。高遷移率是為了保證器件的開(kāi)關(guān)速度，低本征電導(dǎo)率是為了盡可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開(kāi)關(guān)比，增加器件的可靠性。

按照材料傳輸載流子電荷的不同，可分為N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料。N型半導(dǎo)體是指載流子電荷為負(fù)，即載流子為電子；P型半導(dǎo)體是指載流子電荷為正，即載流子為空穴。

目前用于有機(jī)薄膜晶體管的N型材料主要以富勒烯（C60）為代表。它的電荷遷移率遠(yuǎn)高于其他N型材料，利用這種材料制備的有機(jī)薄膜晶體管的遷移率可以達(dá)到0.1 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比超過(guò)105。其他材料有C70、 四羧酸類(lèi)材料等，但性能并不理想。同時(shí)由于這類(lèi)N型半導(dǎo)體材料對(duì)空氣和水比較敏感，所以制備的器件的性能不穩(wěn)定。

多數(shù)有機(jī)材料都是P型半導(dǎo)體，包括金屬配合物、寡聚材料、聚合物。酞菁類(lèi)化合物是制備OTFT最早使用的材料，也是常用材料之一。通過(guò)取代中間的金屬，可以得到各種配位化合物，所制備的器件的遷移率在10-4～10-2 cm2/V•s的范圍內(nèi)。寡聚噻吩是寡聚材料的代表，在OTFT的研究中被大量使用，它可以通過(guò)調(diào)整分子的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度來(lái)控制載流子的傳輸，也可以通過(guò)修飾分子以改善分子的連接形式。曾被使用過(guò)的材料有并四苯、并五苯、并六苯、紅熒烯和蒽等，其中并五苯所制作的器件的特性是現(xiàn)階段最優(yōu)秀的，遷移率超過(guò)2 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到108。聚合物也是較早使用在OTFT中的材料，包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯酚、聚2,5噻吩乙炔等。第一個(gè)OTFT所用的半導(dǎo)體材料也是高分子半導(dǎo)體材料，但當(dāng)時(shí)的載流子遷移率只有10-5 cm2/V•s。在人們的不斷改進(jìn)下，聚合物器件性能不斷提高，目前利用聚合物半導(dǎo)體材料制備的OTFT的載流子遷移率達(dá)到了0.1 cm2/V•s。

除有機(jī)半導(dǎo)體材料外，絕緣層材料和電極也對(duì)OTFT的性能有重大影響。

由于半導(dǎo)體材料一般沉淀到絕緣層上，因此絕緣層表面的性質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料成膜的形貌和載流子傳輸都有重要的影響。按照材料的元素不同，可分為無(wú)機(jī)絕緣材料和有機(jī)絕緣材料。無(wú)機(jī)材料包括SiO2、SiNx、Al2O3等。與無(wú)機(jī)材料相比，有機(jī)絕緣材料具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、可制作在柔性基板上等優(yōu)點(diǎn)，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰亞胺（PI）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯基苯酚（PVP）等。對(duì)絕緣層表面進(jìn)行加工和修飾也可以提高器件的性能。

選擇金屬電極材料的基本原則是電極可以與有機(jī)半導(dǎo)體形成很好的能級(jí)匹配。對(duì)于p型有機(jī)半導(dǎo)體材料，要求電極的功函數(shù)與材料的HOMO能級(jí)之間的勢(shì)壘較小；而對(duì)于n型材料，要求電極的功函數(shù)與材料的LOMO能級(jí)之間的勢(shì)壘較小，以減少因勢(shì)壘存在而導(dǎo)致器件性能下降，提高載流子的注入效率。常用電極材料有金屬的鋁、金、鉑、鉻、ITO、石墨等。

OTFT的發(fā)展方向

篇（5）

中圖分類(lèi)號(hào)：O47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

半導(dǎo)體信息功能材料和器件是信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。半導(dǎo)體材料是最重要最有影響的功能材料之一，它在微電子領(lǐng)域具有獨(dú)占的地位，同時(shí)又是光電子領(lǐng)域的主要材料。半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，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>

一、幾種主流的半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介

（一）半導(dǎo)體硅材料

硅是當(dāng)前微電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變。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)。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，包括智能剝離和SIMOX材料等也發(fā)展很快。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(lèi)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)。

（二）半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

以GaAs和InP為基的晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償?shù)某Ц瘛⒘孔于宀牧弦寻l(fā)展得相當(dāng)成熟，并成功地用來(lái)制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。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(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。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。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、法、美、日等尖端科技公司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。

（三）光子晶體半導(dǎo)體材料及其發(fā)展趨勢(shì)

篇（6）

自然界中的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的差異可劃分為導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導(dǎo)電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導(dǎo)體（如鍺、硅、砷化鎵等）。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。它的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照及摻入雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類(lèi)型，這是其廣泛應(yīng)用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據(jù)。

下面就其半導(dǎo)體的發(fā)展與應(yīng)用加以介紹。

一、半導(dǎo)體材料的發(fā)展

第一代半導(dǎo)體是“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣泛，一般用硅基半導(dǎo)體來(lái)代替元素半導(dǎo)體的名稱。

第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等為代表，包括許多其它III―V族化合物半導(dǎo)體。這些化合物中，商業(yè)半導(dǎo)體器件中用得最多的是砷化鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP）、磷化銦（InP）、砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。其中砷化鎵技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣泛。

二、半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料的早期應(yīng)用：半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用就是利用它的整流效應(yīng)作為檢波器，就是點(diǎn)接觸二極管（也俗稱貓胡子檢波器，即將一個(gè)金屬探針接觸在一塊半導(dǎo)體上以檢測(cè)電磁波）。除了檢波器之外，在早期，半導(dǎo)體還用來(lái)做整流器、光伏電池、紅外探測(cè)器等，半導(dǎo)體的四個(gè)效應(yīng)都用到了。從1907年到1927年，美國(guó)的物理學(xué)家研制成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池。1932年，德國(guó)先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，在二戰(zhàn)中用于偵測(cè)飛機(jī)和艦船。二戰(zhàn)時(shí)盟軍在半導(dǎo)體方面的研究也取得了很大成效，英國(guó)就利用紅外探測(cè)器多次偵測(cè)到了德國(guó)的飛機(jī)。

今天，半導(dǎo)體已廣泛地用于家電、通訊、工業(yè)制造、航空、航天等領(lǐng)域。1994年，電子工業(yè)的世界市場(chǎng)份額為6910億美元，1998年增加到9358億美元。而其中由于美國(guó)經(jīng)濟(jì)的衰退，導(dǎo)致了半導(dǎo)體市場(chǎng)的下滑，即由1995年的1500多億美元，下降到1998年的1300多億美元。經(jīng)過(guò)幾年的徘徊，目前半導(dǎo)體市場(chǎng)已有所回升。

三、第二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展方向

當(dāng)前化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

1.消費(fèi)類(lèi)光電子。光存貯、數(shù)字電視與全球家用電子產(chǎn)品裝備無(wú)線控制和數(shù)據(jù)連接的比例越來(lái)越高，音視頻裝置日益無(wú)線化。再加上筆記本電腦的普及，這類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)為化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用帶來(lái)了龐大的新市場(chǎng)。

2.汽車(chē)光電子市場(chǎng)。目前汽車(chē)防撞雷達(dá)已在很多高檔車(chē)上得到了實(shí)用，將來(lái)肯定會(huì)越來(lái)越普及。汽車(chē)防撞雷達(dá)一般工作在毫米波段，所以肯定離不開(kāi)砷化鎵甚至磷化銦，它的中頻部分才會(huì)用到鍺硅。由于全球汽車(chē)工業(yè)十分龐大，因此這是一個(gè)必定會(huì)并發(fā)的巨大市場(chǎng)。

3.半導(dǎo)體照明技術(shù)的迅猛發(fā)展。基于半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的半導(dǎo)體光源具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快、環(huán)保、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒(méi)有污染，可平面封裝、易開(kāi)發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，具有重大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)價(jià)值和市場(chǎng)前景。特別是基于LED的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，在全球能源資源有限和保護(hù)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的雙重背景下，將在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場(chǎng)劃時(shí)代的照明革命，成為繼白熾燈、熒光燈之后的新一代電光源，進(jìn)入到千家萬(wàn)戶。目前LED已廣泛用于大屏幕顯示、交通信號(hào)燈、手機(jī)背光源等，開(kāi)始應(yīng)用于城市夜景美化亮化、景觀燈、地?zé)簟⑹蛛娡病⒅甘九频龋S著單個(gè)LED亮度和發(fā)光效率的提高，即將進(jìn)入普通室內(nèi)照明、臺(tái)燈、筆記本電腦背光源、LCD顯示器背光源等，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商機(jī)。

4.新一代光纖通信技術(shù)。新一代的40Gbps光通信設(shè)備不久將會(huì)推向市場(chǎng)，代替25Gbps設(shè)備投入大量使用。而這些設(shè)備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺硅等化合物半導(dǎo)體集成電路。

5.移動(dòng)通信技術(shù)正在不斷朝著有利于化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的方向發(fā)展。目前二代半（2.5G）技術(shù)成為移動(dòng)通信技術(shù)的主流，同時(shí)正在逐漸向第三代（3G）過(guò)渡。二代半技術(shù)對(duì)功放的效率和散熱有更高的要求，這對(duì)砷化鎵器件有利。3G技術(shù)要求更高的工作頻率，更寬的帶寬和高線性，這也是對(duì)砷化鎵和鍺硅技術(shù)有利的。目前第四代（4G）的概念已明確提出來(lái)了。4G技術(shù)對(duì)手機(jī)有更高的要求。它要求手機(jī)在樓內(nèi)可接入無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN），即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動(dòng)終端。從系統(tǒng)小巧來(lái)說(shuō)，當(dāng)然會(huì)希望實(shí)現(xiàn)單芯片集成（SOC），但單一的硅技術(shù)無(wú)法在那么多功能和模式上都達(dá)到性能最優(yōu)。要把各種優(yōu)化性能的功能集成在一起，只能用系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP），即在同一封裝中用硅、鍺硅、砷化鎵等不同工藝來(lái)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)不同功能，這就為砷化鎵帶來(lái)了新的發(fā)展前景。

篇（7）

中圖分類(lèi)號(hào)：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2011）31-0056-02

當(dāng)四探針測(cè)試儀的電流探針向被測(cè)半導(dǎo)體材料注入電流的時(shí)候，被測(cè)半導(dǎo)體樣品的熱平衡狀態(tài)就被破壞了，而進(jìn)入了非平衡狀態(tài)。此時(shí)，由于有外界的載流子通過(guò)電流源流入被測(cè)半導(dǎo)體材料而引起了非平衡過(guò)剩載流子的注入，這一現(xiàn)象對(duì)半導(dǎo)體材料本身的電阻率會(huì)產(chǎn)生一定影響。

一、非平衡載流子的注入

非平衡載流子是半導(dǎo)體中比熱平衡時(shí)多出的額外載流子。非平衡載流子的注入方法通常有光注入和電注入兩種方法。進(jìn)行薄層電阻的四探針測(cè)試時(shí)，測(cè)試探針上被施加電壓或有電流通過(guò)，當(dāng)探針接觸被測(cè)硅片樣品表面就會(huì)向樣品中注入非平衡載流子。

二、小注入條件

在小注入的條件下，由于注入的過(guò)剩載流子濃度的數(shù)量級(jí)與熱平衡狀態(tài)的多數(shù)載流子濃度相比十分有限，所以對(duì)于多數(shù)載流子而言其濃度的變化量并不明顯，但是對(duì)于少數(shù)載流子來(lái)說(shuō)，由于平衡時(shí)本身數(shù)量較少，則通過(guò)電注入的過(guò)剩少子對(duì)于總的少子數(shù)量的改變就變得不可忽略了。譬如對(duì)于n型的被測(cè)半導(dǎo)體材料，熱平衡時(shí)其內(nèi)部載流子濃度滿足n0>p0，通過(guò)電注入的過(guò)剩電子濃度為δn，過(guò)剩空穴濃度為δp，且符合小注入條件，則濃度滿足δn=δp

影響。

三、注入的影響分析

對(duì)于一個(gè)二維的n型半導(dǎo)體薄層樣品，從探針這個(gè)點(diǎn)電流源注入薄層的少子空穴應(yīng)該滿足二維連續(xù)性方程：

（1）

式（1）中，Dp為空穴的擴(kuò)散系數(shù)，μp為空穴的遷移率，τp為過(guò)剩空穴的壽命。若忽略少子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，則；若注入的過(guò)程穩(wěn)定，則，式（1）可以簡(jiǎn)化寫(xiě)為：

（2）

探針垂直于被測(cè)半導(dǎo)體表面，則電流垂直注入被測(cè)樣品，以探針注入電流的點(diǎn)為中心，作一個(gè)在垂直方向上的封閉的圓柱，根據(jù)電流密度與電場(chǎng)滿足的關(guān)系，可以得到：

（3）

若考慮到樣品為無(wú)窮大的薄層，以探針為中心作封閉的圓柱面，沿著圓柱的橫截面有均勻的電場(chǎng)，則：

（4）

式（4）中d為薄層的厚度，結(jié)合（3）和（4）兩式可以得到：

（5）

所以有。根據(jù)一維空間中少子的分布：

（6）

可以知道，少子空穴在薄層表面二維空間中的分布滿足方程：

（7）

式（7）中，，，則式（7）改

寫(xiě)為：

所以，，即，將前面已經(jīng)求出的帶入就可以得到二維空間中少子的分布情況，即：

（8）

四、結(jié)果分析

根據(jù)上文的分析并結(jié)合式（6）和（8），可以看出無(wú)窮大薄層半導(dǎo)體中，注入的過(guò)剩少子濃度的衰減速度在二維情況下比在一維情況下快的多。圖1示出的是一維和二維空間下通過(guò)探針注入的過(guò)剩少子濃度隨距離變化的情況：

圖1 過(guò)剩少子濃度與距離的關(guān)系圖

從圖1可以看出，當(dāng)離探針距離為r’ 處注入的少子濃度衰減為其最大值的倍，。

所以由探針注入的過(guò)剩少子幾乎只存在于以探針為圓心，半徑為r’的圓面積范圍以內(nèi)，超過(guò)這一距離被測(cè)樣品中注入的少子濃度明顯減少甚至可以忽略不計(jì)，所以若被測(cè)樣品尺寸相對(duì)較小則少子注入產(chǎn)生的后果較為明顯。

參考文獻(xiàn)

篇（8）

中圖分類(lèi)號(hào)：O611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）26-0060-02

1 概述

電阻率是半導(dǎo)體材料的重要特性參數(shù)之一。微區(qū)薄層電阻的均勻性和電學(xué)特性受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此這對(duì)材料電阻率測(cè)量的精度就有了更高的要求。我們通常使用四探針測(cè)試儀測(cè)量半導(dǎo)體材料的電阻率。造成測(cè)試儀測(cè)量產(chǎn)生誤差的原因有很多方面，如測(cè)試環(huán)境的影響、探針的問(wèn)題、測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)以及被測(cè)對(duì)象自身的影響等。本文主要分析光照對(duì)測(cè)量精度的影響。

2 光的吸收

半導(dǎo)體材料通常能強(qiáng)烈地吸收光能，具有數(shù)量級(jí)約為105cm-1的吸收系數(shù)。吸收系數(shù)的大小可以反映半導(dǎo)體材料吸收光能的能力，通常用α來(lái)表示。材料吸收光的能力常常與入射光子能量有關(guān)。若外界有穩(wěn)定的一定波長(zhǎng)的光照作用在被測(cè)硅片表面，半導(dǎo)體材料吸收光輻射能量，從而導(dǎo)致價(jià)帶中的電子獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，這樣在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程也被稱為本征吸收。要使半導(dǎo)體材料發(fā)生本征吸收，入射光子的能量需要滿足hν≥Eg的條件，否則電子的躍遷則不能發(fā)生。被測(cè)硅片樣品對(duì)不同能量的光子的吸收能力是不同的。圖1所示的是硅材料的吸收系數(shù)α和入射光子能量hν之間的關(guān)系。

3 測(cè)試條件

測(cè)試所用樣品的外延層和襯底之間要有pn結(jié)隔離，或者外延層的電阻率要比襯底的電阻率小得多。測(cè)試儀探針的導(dǎo)電性能要好，與被測(cè)材料的接觸電勢(shì)差要小，同時(shí)，探針的位置要固定，防止探針游移。

在測(cè)量過(guò)程中，電流源提供的電流的相對(duì)變化不能超過(guò)0.05%。工作電流的選擇主要取決于被測(cè)樣品的電阻率大小。如果選取的工作電流過(guò)小，則測(cè)量電壓的難度將提升；選取較大的工作電流可以測(cè)得較高的電壓值，這可以提高測(cè)量的精確性，但是工作電流過(guò)大會(huì)使得被測(cè)樣品發(fā)熱，樣品的電阻率隨之發(fā)生變化，這又降低了測(cè)量的精度。所以為了選取合適的工作電流，需要先獲得被測(cè)樣品的I-V特性關(guān)系，根據(jù)I-V關(guān)系將工作電流控制在線性較好的范圍內(nèi)，這樣被測(cè)樣品的電阻率就不會(huì)隨著電流的變化有過(guò)大變化，測(cè)量的精度可以得到保證。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于具有較大電阻率的樣品，工作電流要選得小一些，而電阻率較小的樣品則工作電流可以選得大一些。而在確保電流和電壓有足夠測(cè)量精度的前提下，工作電流應(yīng)當(dāng)盡可能選得小一些。

5 光照對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的分析

6 結(jié)語(yǔ)

總體而言，隨著入射光子能量的增加，硅樣品的吸收系數(shù)逐漸增大，即表示材料對(duì)光子能量較大或頻率較大的光吸收能力較強(qiáng)。當(dāng)入射的光子能量較大，被測(cè)硅樣品越能吸收入射光的能量，這樣則能產(chǎn)生越多的光生載流子，從而使被測(cè)樣品的電導(dǎo)率升高，電阻率和方塊電阻減小，這樣就使得電阻率實(shí)際的測(cè)量值越偏離標(biāo)稱值。當(dāng)入射光子能量較小或頻率較小時(shí)，情況則正好相反。另外當(dāng)入射光頻率一定，光強(qiáng)越強(qiáng)產(chǎn)生的光生載流子也越多，也可以使被測(cè)樣品的實(shí)測(cè)電阻值小于標(biāo)稱值。正因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)，半導(dǎo)體樣品不可避免地會(huì)處在一定光照條件下，測(cè)量過(guò)程中光照條件不一樣就會(huì)使測(cè)量電阻率出現(xiàn)的測(cè)量誤差有所差異。

參考文獻(xiàn)

[1] 宗祥福，李川.電子材料實(shí)驗(yàn)[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.

[2] 劉恩科，朱秉升，羅晉生，等.半導(dǎo)體物理學(xué)（第四版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

篇（9）

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(lèi)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(lèi)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(lèi)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。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(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)極薄（～0.01μm）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(lèi)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(lèi)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。

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半導(dǎo)體材料研究的新進(jìn)展

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(chē)、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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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。

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。

篇（10）

安艷清：公司轉(zhuǎn)型看上去很突然，但背后的邏輯是，IC半導(dǎo)體材料和光伏硅材料同屬半導(dǎo)體材料，是同種物質(zhì)的兩種用途存在方式。公司1988年就已經(jīng)開(kāi)始從事太陽(yáng)能級(jí)半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)制造，因此公司只是將光伏領(lǐng)域的太陽(yáng)能半導(dǎo)體材料實(shí)施了放大。而且，由于用于芯片的IC半導(dǎo)體材料在技術(shù)方面的要求遠(yuǎn)高于用于太陽(yáng)能電池的硅材料，因此在光伏領(lǐng)域有著技術(shù)方面的先天優(yōu)勢(shì)。

另外，公司專注于半導(dǎo)體硅材料的研發(fā)、生產(chǎn)和制造，是公司的主業(yè)，IC半導(dǎo)體材料不但沒(méi)有做不下去，而且做得非常好。在全球范圍內(nèi)我們的區(qū)熔單晶硅（FZ）綜合實(shí)力排名前三，2010年我們的市場(chǎng)份額為12%至18%，2011年底我們占全球區(qū)熔單晶硅（FZ）市場(chǎng)份額約為20%。

《投資者報(bào)》：國(guó)內(nèi)做半導(dǎo)體的企業(yè)不少，為何是中環(huán)率先掌握最領(lǐng)先的技術(shù)，你認(rèn)為中環(huán)技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)自于哪些方面？

安艷清：一方面來(lái)自公司這些年在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域上的技術(shù)積淀。早在2002年，環(huán)歐公司在國(guó)內(nèi)率先采用多線切割技術(shù)切割半導(dǎo)體及太陽(yáng)能硅片。2007年至2009年期間，環(huán)歐公司采用國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的晶體生長(zhǎng)模擬技術(shù)開(kāi)始研發(fā)新一代的太陽(yáng)能晶體生長(zhǎng)技術(shù)及設(shè)備。

另一方面，也離不開(kāi)公司總經(jīng)理沈浩平和技術(shù)團(tuán)隊(duì)多年的潛心研究。沈總1983年物理系畢業(yè)時(shí)，畢業(yè)論文就是關(guān)于薄膜電池的研究，并在重量級(jí)學(xué)術(shù)刊物上刊載，此后沈總一直在中環(huán)旗下全資子公司環(huán)歐公司從事技術(shù)研發(fā)，即便后來(lái)?yè)?dān)任環(huán)歐公司副總經(jīng)理，他也一直在一線工作，堅(jiān)持在一線工作19年。并帶出一大批技術(shù)骨干，形成了有著核心競(jìng)爭(zhēng)力的團(tuán)隊(duì)，這才是中環(huán)技術(shù)不斷創(chuàng)新和升級(jí)的最重要源泉。

《投資者報(bào)》：目前光伏行業(yè)一片慘淡，中環(huán)股份受到的沖擊有多大？你如何看待這次光伏行業(yè)調(diào)整？

安艷清：這個(gè)行業(yè)前期是一窩蜂式涌入的跟風(fēng)行業(yè)，只要有資金，各行各業(yè)的人都可以進(jìn)入，不管是專業(yè)的還是非專業(yè)的，大家都能賺到錢(qián)。在這樣的時(shí)候，像我們這樣擁有技術(shù)優(yōu)勢(shì)但規(guī)模不太大的企業(yè)是體現(xiàn)不出優(yōu)勢(shì)的，只有那些大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)才有優(yōu)勢(shì)。但這樣一個(gè)人人參與人人賺錢(qián)的行業(yè)一定是不正常的，調(diào)整和洗牌是必然的。

現(xiàn)在中環(huán)一半的利潤(rùn)貢獻(xiàn)來(lái)自光伏，當(dāng)然不可能不受影響，但我們主要做單晶硅，而且是品質(zhì)較高的高端產(chǎn)品，影響相對(duì)較小。2011年下半年，30%的企業(yè)處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀態(tài)，70%的處于產(chǎn)閉狀態(tài)。但我們目前一直處于滿產(chǎn)狀態(tài)。

《投資者報(bào)》：公司受影響小的原因是什么？

安艷清：我們受影響小的原因是這個(gè)行業(yè)經(jīng)歷一輪瘋狂發(fā)展后，下游客戶的需求發(fā)生了變化，前兩年是需求大供方少，上游廠商生產(chǎn)什么樣的產(chǎn)品都有市場(chǎng)，但現(xiàn)在下游客戶變得理性了，也變得挑剔了，需求開(kāi)始向高端發(fā)展，那些產(chǎn)品品質(zhì)好的、有信譽(yù)的而高端需求在向高端企業(yè)靠攏，我們這種有長(zhǎng)久技術(shù)實(shí)力，有市場(chǎng)資源和和管理資源的企業(yè)才會(huì)勝出。

但在這個(gè)洗牌過(guò)程中，無(wú)論是資本市場(chǎng)的人，還是行業(yè)外的人，分不清哪個(gè)是真李逵哪個(gè)是假李逵，在這種情況下，對(duì)我們公司有質(zhì)疑是可以理解的，我們也希望通過(guò)我們的業(yè)績(jī)說(shuō)話，通過(guò)市場(chǎng)表現(xiàn)說(shuō)話。

《投資者報(bào)》：一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程比較復(fù)雜，得先試生產(chǎn)，再小批量生產(chǎn)，最后才能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)里面的大規(guī)模生產(chǎn)。公司直拉區(qū)熔技術(shù)正式應(yīng)用到光伏領(lǐng)域并轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)？對(duì)公司業(yè)績(jī)的貢獻(xiàn)有多少？

安艷清：公司CFZ技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)不存在任何的瓶頸，因?yàn)镃FZ產(chǎn)品技術(shù)是公司CZ技術(shù)和FZ技術(shù)兩種技術(shù)的融合，而且公司CZ和FZ的規(guī)模化生產(chǎn)歷史超過(guò)20年。

我們不會(huì)擔(dān)心市場(chǎng)，公司的產(chǎn)品都是以市場(chǎng)為導(dǎo)向的，事實(shí)上，是因?yàn)楫?dāng)前時(shí)點(diǎn)已經(jīng)有了客戶資源，我們才宣布要規(guī)模化生產(chǎn)的。對(duì)公司的業(yè)績(jī)會(huì)有大的貢獻(xiàn)。

《投資者報(bào)》：是因?yàn)橘Y金有限還是擔(dān)心行業(yè)低谷產(chǎn)品市場(chǎng)受限？

安艷清：目前公司CFZ沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化生產(chǎn)的真正瓶頸來(lái)自于資金，我們的計(jì)劃不是一次性投資之后一次性投產(chǎn)，而是循序漸進(jìn)，一邊增加投入一邊擴(kuò)大產(chǎn)能。

關(guān)于行業(yè)低谷產(chǎn)品市場(chǎng)受限的問(wèn)題，我個(gè)人認(rèn)為，如同手機(jī)市場(chǎng)中的蘋(píng)果，沒(méi)有人能阻擋蘋(píng)果手機(jī)的市場(chǎng)。

《投資者報(bào)》：從2009年開(kāi)始，中環(huán)股份的管理層也作了調(diào)整理，現(xiàn)在看來(lái)，新的管理層為公司帶來(lái)了哪些變化？

安艷清：2009年我們七個(gè)高管中新上任四個(gè)，而且來(lái)自不同的行業(yè)，我認(rèn)為對(duì)公司經(jīng)營(yíng)和管理注入了一些活力，這些人不僅僅追求穩(wěn)定，也屬于“折騰型”的高管，喜歡多做些事。從業(yè)務(wù)層面看，一方面依托公司此前的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，將半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模放大了，通過(guò)中環(huán)領(lǐng)先項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了從材料到器件的樞紐，也布局了新能源項(xiàng)目，這三年里產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與布局基本完成，并步入一個(gè)良性的發(fā)展通道。

《投資者報(bào)》：在經(jīng)營(yíng)層面和市值管理方面，公司有何近期和中長(zhǎng)期的戰(zhàn)略規(guī)劃？

篇（11）

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(lèi)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(lèi)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（Smart cut）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(lèi)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)。

2.2 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(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。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(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)極薄（～0.01μm）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(lèi)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980nm InGaAs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120K 5μm和250K 8μm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(lèi)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Picogiga MBE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/GeSi MODFET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Lars Samuelson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(chē)、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=67 GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256 GaN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(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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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。

5.2 GaAs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。可以預(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。