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第1篇：半導體材料與技術范文

在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅和金剛石等稱為第三代半導體材料。本文介紹了三代半導體的性質比較、應用領域、國內外產業化現狀和進展情況等。

關鍵詞

半導體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵

1前言

半導體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金屬和絕緣體之間的材料。半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎材料[1]，支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。電子信息產業規模最大的是美國和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來，我國電子信息產品以舉世矚目的速度發展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長20，產業規模是1997年的2.5倍，居國內各工業部門首位[3]。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標志。

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

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

2主要半導體材料性質及應用

材料的物理性質是產品應用的基礎，表1列出了主要半導體材料的物理性質及應用情況[5]。表中禁帶寬度決定發射光的波長，禁帶寬度越大發射光波長越短藍光發射;禁帶寬度越小發射光波長越長。其它參數數值越高，半導體性能越好。電子遷移速率決定半導體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導體高壓條件下的高頻工作性能。

硅材料具有儲量豐富、價格低廉、熱性能與機械性能優良、易于生長大尺寸高純度晶體等優點，處在成熟的發展階段。目前，硅材料仍是電子信息產業最主要的基礎材料，95以上的半導體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀，可以預見它的主導和核心地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。

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

gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應用方面具有遠比硅器件和砷化鎵器件更為優良的特性，可制成藍綠光、紫外光的發光器件和探測器件。近年來取得了很大進展，并開始進入市場。與制造技術非常成熟和制造成本相對較低的硅半導體材料相比，第三代半導體材料目前面臨的最主要挑戰是發展適合gan薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長工藝。

主要半導體材料的用途如表2所示。可以預見以硅材料為主體、gaas半導體材料及新一代寬禁帶半導體材料共同發展將成為集成電路及半導體器件產業發展的主流。

3半導體材料的產業現狀

3.1半導體硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料，主要生產方法為改良西門子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導體級多晶硅。2001年全球多晶硅產能為23900t，生產高度集中于美、日、德3國。美國先進硅公司和哈姆洛克公司產能均達6000t/a，德國瓦克化學公司和日本德山曹達公司產能超過3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國memc公司和三菱多晶硅公司產能超過1000t/a，絕大多數世界市場由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達到峰值，隨后全球半導體市場滑坡;2001年多晶硅實際產量為17900t，為產能的75左右。全球多晶硅市場供大于求，隨著半導體市場的恢復和太陽能用多晶硅的增長，多晶硅供需將逐步平衡。

我國多晶硅嚴重短缺。我國多晶硅工業起步于50年代，60年代實現工業化生產。由于技術水平低、生產規模太小、環境污染嚴重、生產成本高，目前只剩下峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠2個廠家生產多晶硅。2001年生產量為80t[7]，僅占世界產量的0.4，與當今信息產業的高速發展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協調。我國這種多晶硅供不應求的局面還將持續下去。據專家預測，2005年國內多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。

峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠1999年多晶硅生產能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導體材料廠1998年建成的100t/a規模的多晶硅工業性生產示范線，提高了各項經濟技術指標，使我國擁有了多晶硅生產的自主知識產權。該廠正在積極進行1000t/a多晶硅項目建設的前期工作。洛陽單晶硅廠擬將多晶硅產量擴建至300t/a，目前處在可行性研究階段。

3.1.2單晶硅

生產單晶硅的工藝主要采用直拉法cz、磁場直拉法mcz、區熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬于資金密集型和技術密集型行業，在國際市場上產業相對成熟，市場進入平穩發展期，生產集中在少數幾家大公司，小型公司已經很難插手其中。

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

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

我國單晶硅技術及產業與國外差距很大，主要產品為6英寸以下，8英寸少量生產，12英寸開始研制。隨著半導體分立元件和硅光電池用低檔和廉價硅材料需求的增加，我國單晶硅產量逐年增加。據統計，2001年我國半導體硅材料的銷售額達9.06億元，年均增長26.4。單晶硅產量為584t，拋光片產量5183萬平方英寸，主要規格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應集成電路企業，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長了5.3[7]。目前，國外8英寸ic生產線正向我國戰略性移動，我國新建和在建的f8英寸ic生產線有近10條之多，對大直徑高質量的硅晶片需求十分強勁，而國內供給明顯不足，基本依賴進口，我國硅晶片的技術差距和結構不合理可見一斑。在現有形勢和優勢面前發展我國的硅單晶和ic技術面臨著巨大的機遇和挑戰。

我國硅晶片生產企業主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峰電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國內領先地位，先后研制出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內市場占有率為40。2000年建成國內第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產線;在北京市林河工業開發區建設了區熔硅單晶生產基地，一期工程計劃投資1.8億元，年產25t區熔硅和40t重摻砷硅單晶，計劃2003年6月底完工;同時承擔了投資達1.25億元的863項目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導體器件的開發、制造及自動化控制系統和儀器儀表開發，近幾年實現了高成長性的高速發展。

3.2砷化鎵材料

用于大量生產砷化鎵晶體的方法是傳統的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產法。國外開發了兼具以上2種方法優點的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功制備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見表3。

移動電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30的年增長率迅速形成數十億美元的大市場，預計未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產國和輸出國，占世界市場的7080;美國在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產線，在砷化鎵生產技術上領先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產和銷售商，年產gaas單晶30t。美國axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生產商[8]。世界gaas單晶主要生產商情況見表4。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產量和市場需求快速增加，已占據35以上的市場份額。研制和小批量生產水平達到8英寸。

我國gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，

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

國內gaas材料主要生產單位為中科鎵英、有研硅股、信息產業部46所、55所等。主要競爭對手來自國外。中科鎵英2001年起計劃投入近2億資金進行砷化鎵材料的產業化，初期計劃規模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬片8萬片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬片3萬片，目前該項目仍在建設期。目前國內砷化鎵材料主要由有研硅股供應，2002年銷售gaas晶片8萬片。我國在努力縮小gaas技術水平和生產規模的同時，應重視具有獨立知識產權的技術和產品開發，發展我國的砷化鎵產業。

3.3氮化鎵材料

gan半導體材料的商業應用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發藍光的特性一開始就吸引了半導體開發人員的極大興趣。但gan的生長技術和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業應用的實質進步和突破。由于gan半導體器件在光電子器件和光子器件領域廣闊的應用前景，其廣泛應用預示著光電信息乃至光子信息時代的來臨。

2000年9月美國kyma公司利用aln作襯底，開發出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國nitronex公司在4英寸硅襯底上制造gan基晶體管獲得成功;2001年8月臺灣powdec公司宣布將規模生產4英寸gan外延晶片。gan基器件和產品開發方興未艾。目前進入藍光激光器開發的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業的跨國公司正積極開發白光照明和汽車用gan基led發光二極管產品。涉足gan基電子器件開發最為活躍的企業包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美國等國家紛紛進行應用于照明gan基白光led的產業開發，計劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據美國市場調研公司strstegiesunlimited分析數據，2001年世界gan器件市場接近7億美元，還處于發展初期。該公司預測即使最保守發展，2009年世界gan器件市場將達到48億美元的銷售額。

因gan材料尚處于產業初期，我國與世界先進水平差距相對較小。深圳方大集團在國家“超級863計劃”項目支持下，2001年與中科院半導體等單位合作，首期投資8千萬元進行gan基藍光led產業化工作，率先在我國實現氮化鎵基材料產業化并成功投放市場。方大公司已批量生產出高性能gan芯片，用于封裝成藍、綠、紫、白光led，成為我國第一家具有規模化研究、開發和生產氮化鎵基半導體系列產品、并擁有自主知識產權的企業。中科院半導體所自主開發的gan激光器2英寸外延片生產設備，打破了國外關鍵設備部件的封鎖。我國應對大尺寸gan生長技術、器件及設備繼續研究，爭取在gan等第三代半導體產業中占據一定市場份額和地位。

4結語

不可否認，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發展到光子時代。預計到2010年或2014年，硅材料的技術和產業發展將走向極限，第二代和第三代半導體技術和產業將成為研究和發展的重點。我國政府決策部門、半導體科研單位和企業在現有的技術、市場和發展趨勢面前應把握歷史機遇，迎接挑戰。

參考文獻

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[2]http//bjjc.org.cn/10zxsc/249.htm.我國電子信息產業總規模居世界第三.北方微電子產業基地門戶網

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[7]中國電子工業年鑒編委會.中國電子工業年鑒2002[m].

第2篇：半導體材料與技術范文

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

關鍵詞：

瞬態光伏技術；光生電荷；光生電子-空穴對；光生載流子

瞬態光伏技術是微區掃描技術中表面光電壓的一種。表面光電壓就是半導體的光伏效應，當半導體的表面被大于其帶隙能的光照射時，半導體價帶（VB）中的電子由于吸收了光子的能量，躍遷到半導體導帶（CB），價帶中留下空穴，產生光生電子-空穴對，這種光生電荷的空間分離產生的電勢差為光伏效應，W.G.Adams在1876年最先觀察到這一現象。1948年以后，半導體領域的開拓使得光伏效應成為一種檢測手段，并應用于半導體材料特征參數的表征上。不同于穩態表面光電壓（SPS）檢測在連續波長的光激發下的光生載流子（電子或空穴）的分離結果，瞬態光伏技術檢測的是在極短的光（納秒ns或飛秒fs級別）激發后的光生載流子的產生、分離、復合等一系列動力學行為。

1瞬態光伏技術的發展

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

在利用瞬態光伏技術作為研究手段的工作中，德國Th.Dittrich研究小組獲得了令人矚目的成績。他們不僅檢測到時間分辨率為納秒級的光伏結果，同時研究了不同類型半導體材料的瞬態光伏性質，建立了多種模型［4］。V.Duzhko博士在低電導材料方面也做了大量的工作，從單一的Si器件到現在的復雜器件，如染料敏化的TiO2器件、量子點電池器件等［5］。此外，瑞士的AndersHagfeldt小組［6］，英國的BrianC.O'Regan小組［7］和日本的KunioAwaga小組［8］也對半導體材料的瞬態光伏性質有卓越的研究。在國內復旦大學應用表面物理國家重點實驗室的侯曉遠教授課題組和吉林大學光化學與光物理實驗室的王德軍教授領導的科研小組對瞬態光伏技術的研究都取得非常好的研究成果。侯曉遠教授課題組從有機薄膜半導體等瞬態光伏結果發現了極快激子解離過程［9］。王德軍教授課題組在研究功能半導體材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、BiVO4等新興的半導體材料的瞬態光電性質有重要發現［10-13］。

2瞬態光伏技術的裝置及獲得的信息

理想的光伏測試技術可以調節不同的參數對半導體功能材料進行測試，例如，調節系統的溫度、壓力、氣氛等一系列參數，也可以選擇不同的光源（連續光源或者脈沖激光源）進行瞬態光伏（時間分辨的光電壓）的測量，如圖1a中所示。作為一種無損檢測設備，瞬態光伏系統的搭建通常是按照圖1b中的簡圖自組裝搭建。光源為脈沖激光器，測試過程中經過衰減的激光可以通過漸變圓形中性濾光片進行調節，衰減后的激光通過反光鏡直接照射到樣品池中。樣品池的被測信號經過信號放大器，由數字示波器進行檢測記錄。光生電荷的產生是一個極其快速的過程，相比之下，光生電荷載流子的分離、擴散、轉移和復合則較慢，一般時間分辨率在納秒、微秒甚至更長的時間，光生載流子在不同時間分辨率內的傳輸動力學行為對半導體功能材料的活性有著重要的影響。例如，半導體的光電轉換效率就受到半導體光生電子空穴對的分離程度影響；光生載流子的傳輸方向影響功能材料的性質及其應用；同時光生載流子的壽命及其具有的能量可以決定體系的氧化還原性等。因此，通過瞬態光伏技術可以獲得半導體功能材料光生電荷的分離效率、獲得光生載流子（電子或空穴）的擴散方向、光生載流子的擴散壽命等微觀動力學信息。通過這些信息，我們可以分析半導體功能材料的物理化學性質，以及這些性質與材料活性之間的關系，這對進一步提高和優化功能材料的性能是非常重要的。

3瞬態光伏獲得材料類型和載流子傳輸方向

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

4瞬態光伏技術比較材料的分離效率及壽命

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

5瞬態光伏技術的未來及展望

第3篇：半導體材料與技術范文

半導體制冷時的電能消耗更大。半導體制冷的效率是比較低的，制冷的同時，還會產生大量的熱量在散熱器端。反之，制熱時，相對制冷時比較省電了。

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明、大功率電源轉換等領域都有應用，如二極管就是采用半導體制作的器件。無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產品，如計算機、移動電話或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯。

常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種。半導體是指在常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體是指一種導電性可控，范圍從絕緣體到導體之間的材料。從科學技術和經濟發展的角度來看，半導體影響著人們的日常工作生活，直到20世紀30年代這一材料才被學界所認可。

（來源：文章屋網 ）

第4篇：半導體材料與技術范文

關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰略地位

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

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

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

從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

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

2.2GaAs和InP單晶材料

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

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

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

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

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

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

2.3半導體超晶格、量子阱材料

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

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

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

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

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

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

（2）硅基應變異質結構材料。

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

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

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

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

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

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

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

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

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

2.5寬帶隙半導體材料

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

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

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

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配

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

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

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

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

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

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

5發展我國半導體材料的幾點建議

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

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

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

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

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

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

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

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

第5篇：半導體材料與技術范文

關鍵詞：多晶硅；高重頻脈沖；激光損傷；損傷機理

1 概述

多晶硅作為光電探測器的主要材料，也是當今硅太陽能電池的重要組成部分。采用激光技術來制備太陽能電池，有提高效率、降低成本和減少電池生產中的污染等優點，是目前太陽能電池研究和開發的熱點[1]。隨著大功率激光器的發展，在強激光作用下太陽能電池損傷效應成為研究的熱點問題[2]。激光具有單色性好、方向性好、亮度高、相干性好等優點，自從上世紀六十年代第一臺激光器研制成功，激光以其優異的特性被廣泛應用到工業、生物醫療、軍事對抗等眾多領域，且激光的應用都涉及到激光與物質相互作用問題。所以，研究高重復頻率脈沖激光輻照多晶硅材料的損傷機理，對于探尋激光與物質的相互作用機理和優化多晶硅元件的抗激光損傷特性都具有重要的理論和實際意義[3]。多脈沖激光輻照材料時，材料的低燒蝕閾值可能在低脈沖能量高重頻激光加工中應用，以提高加工效率。

2 半導體材料的單脈沖激光損傷機理分析

國內外關于半導體材料的單脈沖激光損傷機理進行大量的研究。1986年El-Adawi M K等研究了激光輻照半導體材料的加熱機理[4]。1997年倪曉武等進行了強激光對半導體材料的破壞研究[5]。1999年，沈中華等對皮秒和納秒脈沖激光作用于半導體材料的加熱機理進行了研究[6]。他們在2001年還對半導體材料硅的單脈沖和多脈沖激光損傷現象進行分析研究[7]。半導體材料對于激光有效的吸收機制主要有：本征吸收、激子吸收、自由載流子吸收和雜質吸收等。本征吸收是半導體材料的主要吸收機制，即價帶電子吸收光子能量躍遷到導帶，從而產生空穴-電子對。激子能級位于接近導帶底的禁帶中，它的電離能很小，在常溫下激子的吸收是很弱的，所以不考慮。激光可以激發產生大量的過剩載流子，因此自由載流子吸收也是半導體材料在與激光相互作用時主要的吸收機制。雜質吸收吸收與電離的雜質數目成正比，只有在重摻雜的情況下，才考慮雜志吸收。半導體材料在被單脈沖激光輻照時，其主要的損傷機制有熱熔破壞、熱致應力損傷、雪崩電離擊穿破壞、多光子吸收電離破壞和自聚焦破壞等。

3 實驗

3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。型號為BR-PLM-1000的重頻可調的皮秒脈沖經過衰減片組合后，被分光鏡分為兩束。85%的激光經過聚焦透鏡后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光經分光鏡反射后被激光功率計探頭實時收集，從而可以對輻照過程中的激光功率進行實時監測。

實驗中所用的多晶硅片尺寸為：20mm×20mm×0.20mm，實驗前將多晶硅片在丙酮和乙醇中清洗。實驗過程中通過調整衰減倍率和改變激光電流來控制激光功率值，多晶硅表面損傷形貌由電子掃描顯微鏡觀測得到。

3.2 實驗結果

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

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

3.3 損傷機理分析

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

4 結束語

文章對高重頻皮秒脈沖輻照多晶硅的損傷進行了實驗研究。高重頻輻照多晶硅材料時，材料表面損傷形貌主要分為熱熔區、熱影響區和無激光作用區三個區域。多晶硅的多脈沖損傷機制主要有熱積累和微缺陷積累。

參考文獻

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[5]倪曉武，沈中華，陸建.強激光對光電器件及半導體材料的破壞研究[J].光電子?激光，1997（6）：487-490.

[6]沈中華，陸建，倪曉武.皮秒和納秒脈沖激光作用于半導體材料的加熱機理研究[J].中國激光，1999，26（9）：859-863.

第6篇：半導體材料與技術范文

【關鍵詞】有機電子器件 光探測器 光敏二極管 光敏晶體管

1 引言

隨著科技的不斷發展，大面積、低成本、柔性、輕巧便攜成為人們對新一代電子器件的追求目標。π共軛有機小分子半導體和聚合物半導體由于可利用低成本高效率的印刷方式制備大面積柔性器件，目前已成為研究的熱門材料。通過分子結構的設計，材料的光電性質也會隨之改變，這也使得有機發光二極管（OLEDs），有機場效應晶體管（OFETs），有機光伏器件（OPVs），有機記憶存儲器及有機傳感器得到了很大的發展。

光探測是有機半導體材料的重大的應用之一。有機半導體的種類繁多，通過分子結構設計可以實現從紫外到近紅外的全波段光的吸收或者特定波段光的吸收。有機半導體可低溫制備的特性使得大面積柔性光電系統的發展成為可能。本文主要介紹了光敏二極管和光敏晶體管這兩類光敏器件的研究現狀，并通過對這兩類光敏器件的研究和歸納展望光電系統的未來發展。

2 光敏二極管

2.1 可見光探測器

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

2.2 全波段光探測器

由于半導體材料對太陽光的吸收性能是提高太陽能電池效率的關鍵因素，因此隨著對光伏器件研究的加深，基于半導體材料光吸收性能的光敏二極管也得到了大力的發展。就聚合物而言，通過稠雜環的聚合反應可以得到能帶間隙較窄的導電聚合物，用于制備全波段的光探測器。2007年，Yang課題組采用酯基改性的聚噻吩（PTT）與PC61BM形成異質結光敏探測器能探測900nm的光（800nm波長時EQE值達到40%）。用類似的方法，Gong等人使用窄帶隙的聚合物PDDTT與PC61BM混合形成異質結制備出能探測300nm到1450nm的全波段光探測器（900nm波長時EQE值達到30%）。對于小分子而言，卟啉類小分子化合物在長波長范圍內有良好的吸收特性。最近報道的采用溶液法制備的卟啉陣列光敏探測器，其中卟啉單元呈帶狀排列，器件的EQE值在1400nm波長時達到了10%。這樣的光敏器件的制備一般需要找到能級匹配的D/A對，混合制備形成異質結。除此之外，若要實現對近紅外部分的光探測一般需要引入雜化體系，如有機小分子與聚合物混合，或者有機材料與無機材料混合。2009年Arnold等人將碳納米管與C60混合制備出了性能優異的光敏探測器，半導體性的碳納米管受光照射激發產生的電子-空穴對在碳納米管與C60的界面處被離解，增加了載流子密度，使光電流明顯增大。在制備過程中，使用共軛聚合物（P3HT或者PPV）包裹碳納米管增加其溶解性，使碳納米管之間能相互分離，并在薄膜上均勻的分布。碳納米管的直徑的高度分散性使器件實現了寬范圍的光吸收（從400nm到1600nm）。

除此之外，選擇性光探測器是采用本身對光具有選擇性吸收的半導體材料作為活性層制備而成，其中紫外光探測是光敏探測研究的一大重點，被廣泛用于科學，商業和軍事領域。但是由于紫外光能量較高，對有機半導體材料有破壞作用，因此對紫外探測器件的穩定性考量是器件制備過程中十分重要的一步。

3 有機光敏晶體管

起初，基于共軛有機小分子和聚合物半導體的光敏晶體管的報道并沒有引起太大的關注，因為與無機光敏晶體管相比，這些有機晶體管的R值小，光敏開關比Ilight/Idark低，載流子遷移率也比較低。隨后，Noh等人制備的基于BPTT半導體的改進型的光敏晶體管的開關比能達到無定型硅基光敏晶體管的100倍，這成為對有機光敏晶體管進行深入的研究與發展的開端。有機光敏晶體管常用的小分子材料有并五苯、酞菁銅等。采用并五苯與酞菁銅作為活性材料的光敏晶體管器件其R值分別是10-50A/W和1.5-2.4A/W。除了小分子有機光敏晶體管外，利用聚合物半導體作為活性層有望制備全有機的柔性光敏晶體管。Narayan等人采用P3OT作為半導體，PVA作為絕緣層制備的柔性器件，其在1μW時光敏開關比達到100倍，遠高于傳統的兩端二極管器件。另外，D/A異質結也被引入用于光敏晶體管的制備。通常是將兩種能級匹配的半導體材料混合作為晶體管的活性材料部分，由于晶體管的第三端作用往往會使光電流大大增加，使光敏晶體管器件的性能更好。

4 結論

有機光信號探測器作為一種極具成本效益的電子器件，可用于短范圍內的數據傳輸，數碼成像和傳感等。它的優點是易調控，可集成和可實現對光波段的選擇性。簡單的制備方式，大量的有機半導體的材料儲備，較高的量子產率和光響應速度使得有機光信號探測器具備廣泛的應用前景。

第7篇：半導體材料與技術范文

關鍵詞：半導體器件；物理；教學改革

半導體器件物理是微電子學、電子科學與技術等專業的重要專業基礎課程，也是應用型本科院校培養新興光電產業所需的應用技術人才必備的理論與實踐基礎課程。該課程是連接半導體材料性質和器件應用的橋梁學科，在新興產業應用技術人才的知識結構中具有重要的基礎地位。因此，探討教學中存在的問題，改革教學的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學中產生的問題及原因分析

1.學生聽課效率低，學習興趣淡薄，考試成績低

以某大學光電行業方向工科專業近三年半導體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學生成績均顯示出60分左右的人數最多，以60分為原點，其高分和低分兩側的人數呈現出逐漸降低的正態分布。從表1中還可以看出，成績低分人數逐年增多，成績偏離理想狀況較多。

2.針對問題分析原因

導致表1結果的原因有以下三方面：

（1）學生的物理基礎參差不齊，知識結構存在斷層

近年來，由于高考制度的改革，部分學生參加高考時未選報物理，物理僅作為會考科目使得相當一部分高中學生輕視物理的學習。當學生進入大學，有些專業大學物理成為必修課，由于學生高中物理基礎差別很大，因此，同一班級的學生物理學習能力就表現得參差不齊。

對于一般工科專業的學生（包括面向新興光電產業的工科專業）來說，他們大二或大三開始學習半導體器件物理課程（或半導體物理課程）時，他們的物理基礎只有在高中學過的普通物理和大學學過大學物理，其內容也僅涉及經典物理學中的力學、熱學、電學和光學的基本規律，而近代物理中的實物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導體器件物理課程的接受對象，不僅在物理基礎上參差不齊，而且在物理知識結構上還存在斷層，這給該課程的教和學增加了難度。

另外，即使增加學習該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識和固體物理的基礎內容，但由于課程課時的限制，也決定了該課程在學習時存在較大的知識跨度，很多學生難以跟上進度。

（2）課程理論性強，較難理解的知識點集中

半導體器件物理課程以半導體材料的基本性質和應用為基本內容，內容編排上從理想本征半導體的性質和半導體的摻雜改性，到P型半導體和N型半導體結合形成半導體器件的核心單元，再到各種PN結的設計和控制，采取層層推進的方式，邏輯嚴密，理論性強，對學生的要求也高，每一部分的核心內容都要扎實掌握才能跟上學習的進度。同時，在各章內容講解過程中幾乎都有若干較難的知識點，如本征半導體性質部分的有效質量、空穴的概念、能帶的形成、導帶和價帶的概念等；半導體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級、受主能級、半導體中的載流子分布規律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴散運動；簡單PN結部分的平衡PN結、非平衡PN結、PN結的能帶和工作原理；不同專業在PN結的設計和控制這部分會根據所設專業選取不同的章節進行學習，面向光電行業的本科專業則通常選取半導體的光學性質和發光這部分來講授，該部分包含半導體的躍遷類型，以及半導體光生伏特效應和發光二極管等的工作原理。這些知識點分布集中，環環相套，步步遞進，因此理解難度較大。

（3）學習態度不端正的現象普遍存在

近幾年，在社會大環境的影響下，學習態度不端正現象在本科各專業學生中普遍存在。無故遲到曠課情況經常發生，作業抄襲現象嚴重，學生獨立思考積極性差。電子產品的普及也嚴重影響到了學生上課的積極性，很多學生成了手機控，即使坐在課堂上也頻頻看手機、上網。有些學生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點、難點。特別是半導體器件物理這門課程涉及的知識點密集，重點、難點較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對于不認真聽講的部分學生來說，很快就跟不上進度了。另外，學生畏難情緒較嚴重，課下也不注意復習答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領進門，修行在個人。”在課時緊張、學生積極性差、課程理論性強等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學效率。

二、改進方法的探討

針對教學過程中發現的問題，本文從教學方法和教學手段兩個方面入手來探討該課程教學的改進。

1.教學方法的改革

半導體器件物理課程教學改革以建設完整的半導體理論體系和實踐應用體系為目標，一方面，著重在教學觀念、教學內容、教學方法、教師隊伍、教學管理和教材方面進行建設和改革，形成適合應用型本科專業學生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉型發展時期，圍繞應用型人才培養目標，按照“專業設置與產業需求相對接、課程內容與職業標準相對接、教學過程與生產過程相對接”的原則，半導體器件物理課程改革重視基礎知識和基本技能教學，力爭構建以能力為本的課程體系，做到與時俱進。本課程改革具體體現在以下六個方面：

（1）轉變教學觀念

改變傳統向學生灌輸理論知識的教學觀念，以學習與新興行業相關的基礎知識和關鍵應用技術為導向，確定該課程在整個專業課程體系中承上啟下的基礎性地位，在教學觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學內容

為構建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎知識和基本技能的教學、合理構建應用型人才的知識體系的同時，力爭使學生了解半導體器件制作和應用的職業標準及其發展的熱點問題，并積極實現“產學研”一體化的教學模式，故此本課程改革分幾個層次組織教學內容。

第一層次為基礎知識鋪墊。為解決學生知識結構不完整的問題，在講授半導體器件物理之前要進行固體物理學課程知識的鋪墊，還要增加近論物理學知識，如原子物理和量子力學的知識，為學生構建完整的知識框架，降低認知落差。

第二層次為半導體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導體材料的基本性質、半導體PN結的工作原理、常見半導體結構的工作原理和半導體的光電及發光現象和應用。

第三層次為課內開放性實驗。在理工科學生必修的基礎物理實驗項目（如“電阻應變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應及其應用”等）的基礎上，結合專業方向設置若干實驗讓學生了解半導體電子和光電器件的類型、結構、工作原理及制作的工藝流程以及職業要求和標準，還有行業熱點問題，激發其學習興趣，提高動手能力和實踐能力。

第四層次為開展課題式實踐教育，實現“產學研”一體化。為解決傳統教學理論和實踐脫節問題，以基礎物理實驗項目和針對各專業方向設置的與半導體器件應用相關的實驗項目為實踐基礎，開展大學生科技創新活動，鼓勵學生利用課余時間進入實驗室和工廠企業，利用已學理論對行業熱點問題進行思考和探究，加強實踐教學。

（3）調整教學方法

一方面，要正確處理物理模型和數學分析的關系，不追求公式推導的嚴密性，強調對物理結論的正確理解和應用。另一方面，充分利用現代化的教學設施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發式和探究式教學，調動學生積極性和主動性。

（4）建設教學隊伍

對國內知名院校的相關專業進行考察和調研，學習先進教學理念和教學方法，邀請國內外相關專業的專家進行講座，邀請企業高級技術人才和管理人才作為兼職教授來為學生講授當前最前沿、最先進的技術及產品，并參與教學大綱及教學內容的修訂。另外，鼓勵教師團隊充分利用產學研踐習的機會深入企業，提高教師隊伍的實踐經驗和綜合素質，為培養雙師型教師打下基礎。

（5）完善教材體系

教材是保證教學質量的重要環節，也是提高專業教學水平的有效方法。針對理工科專業特色方向及學生培養的目標，除選用經典的國家級規劃教材――《半導體物理學》以外，還組織精干力量編寫專業特色方向的相關教材，以形成完善的半導體理論和實踐相結合的教材體系，在教材中融入學校及專業特色，注重理論和實踐相結合，增加案例分析，體現學以致用。

（6）加強教學管理

良好的教學管理是提高教學質量的必要手段。首先根據學生特點以及本課程的教學目標合理制訂教學大綱及教學計劃。在授課過程中充分發揮學生主體作用，積極與學生交流，了解學生現狀，建立學生評價體系，改進教學方法、教學手段及教學內容等，提高教學質量。

2.教學手段改革

（1）采用類比的教學方法

課堂上將深奧理論知識與現實中可比事物進行類比，讓學生易于理解基本理論。例如，在講半導體能帶中電子濃度計算時，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級，將不規則就座的學生類比為占據能級的電子，計算導帶中電子的濃度類比為計算教室中各排上學生數量總和再除以教室體積。讓學生從現實生活中找出例子與抽象的半導體理論進行形象化類比，幫助學生理解半導體的基本概念和理論。

（2）采用理論實踐相結合的方法

在教學中時刻注意理論聯系實際的教學方法，例如，根據學生專業方向，在講述寬帶隙半導體材料的發光性能時，給學生總結介紹了LED芯片材料的類型和對應的發光波長，讓學生體會到材料性質是器件應用的基礎。

（3）構建網上學習系統

建立紙質、網絡教學資源的一體化體系，及時更新、充實課程資源與信息，通過網絡平臺建設，實現課程的網絡輔助教學和優秀資源共享。這些資源包括與本課程相關的教學大綱、教材、多媒體課件、教學示范、習題、習題答案、參考文獻、學生作業及半導體行業發展前沿技術講座等。

（4）開展綜合創新的實踐

充分利用現有的實驗條件，為學生提供實踐條件。同時積極開拓校外實踐基地，加強校企合作，為學生實習、實踐提供良好的平臺，使課程教學和實踐緊密結合。鼓勵學生根據所學內容，與教師科研結合，申請大學生創新項目，以提高學生實踐創新能力及應用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評價方式，多角度衡量、綜合評定教學效果。

參考文獻：

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

第8篇：半導體材料與技術范文

關鍵詞 MOCVD；HVPE；氮化鎵

中圖分類號TK124 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）83-0115-03

0 引言

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

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

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

HVPE技術具有設備簡單、成本低、生長速度快等優點，可以生長均勻、大尺寸GaN厚膜，作為進一步用MOCVD生長器件結構的襯底。HVPE法中Ga源先在800℃左右的溫區與HCl反應生成GaCl，GaCl再與NH3混合在1 050℃左右的高溫區反應生成GaN[4-5]，因此對應的設備需提供兩個溫區。

對于以上兩種主流的GaN薄膜制備方法，本文提出一種在結構上可兼容兩種工藝的新式實驗型GaN外延設備。在充分考慮了氣體密度、導熱系數、比熱容、粘性系數等參數與溫度的關系， 建立了二維和三維熱流耦合有限元模型，對襯底溫度、氣相溫度、流場分布等進行了系統分析。

2 結果討論和分析

2.1 MOCVD模型的二維有限元分析

本文提出的HVPE結構部分是可以進行拆裝的，把這部分結構去掉，調整襯底基座與進氣口的相對位置，可以得到適合MOCVD工藝的設備構架。

另外，從反應腔內流線的分布可以看出，在襯底基座上方，氣體處于層流狀態，這將為外延層的生長提供了非常有利的穩定流場環境。

2.2 HVPE模型的三維有限元分析

考慮模型的對稱關系，選取完整模型的四分之一進行計算，在兩個對稱平面設置對稱邊界條件，以減少有限元模型的網格數目，提高運算效率。計算得到溫度分布云圖如圖5所示。

3 結論

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

2）設計可拆裝的HVPE結構，在共享MOCVD構架的基礎上作出適當的調整，使得一臺設備適用于不同的工藝方法，并且在多物理場耦合有限元模型上得到了理論論證；

3）在進行有限元建模時，應注意建模策略，根據模型幾何特點，可簡化成二維軸對稱模型或者四分之一的幾何模型。如此，可在保證模型準確性的前提下，減少有限元模型的網格數目，提高運算效率。

參考文獻

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

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

第9篇：半導體材料與技術范文

關鍵詞 納米ZnO薄膜；特性；進展

中圖分類號：O484 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0008-02

純ZnO及其摻雜薄膜具有優異的晶格和光電性能，易于產生缺陷和進行雜質摻雜，并且具有價格低、無毒性、良好的機電耦合性能，低的電子誘生缺陷等優勢，使其在光電元器件領域得到廣泛開發和應用。

1 薄膜的特性

ZnO晶體為II-VI族六方纖鋅礦結構寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度約為3.37eV，ZnO的另一個特點是激子結合能（60meV）高，能有效地工作于室溫及更高溫度。ZnO的熔點為1975℃，化學穩定性和熱穩定性較高，500℃以下就可以制備出ZnO薄膜，這比SiC、GaN和其他II-VI族寬禁帶半導體材料的制備溫度要低很多。這使ZnO成為室溫短波長光電子材料的研究熱點。本征態的ZnO理論上是絕緣體，但事實上由于ZnO中鋅間隙和氧空位的存在，為n型半導體。優質的ZnO薄膜具有c軸擇優取向生長。ZnO薄膜在可見光區透過率高達90%，電阻率低至10-4Ω?cm，是一種理想的透明導電薄膜。

2 薄膜的發光機理

2.1 紫外光的發射

一般認為ZnO的紫外發射與帶邊激子對的復合有關，其發射強度由化學配比、晶格完整性和結晶質量決定，結晶質量越好的ZnO薄膜紫外發射強度越高。

2.2 綠光的發射

ZnO薄膜的藍-綠發光一直是人們研究的熱點。不同于紫外發射，人們對綠光發射持有不同見解。通常認為綠光源于氧空位與價帶空穴間的復合躍遷[1]和氧空位與鋅空位間的躍遷[2]。還有研究認為鋅間隙與綠光有關。近幾年的研究認為綠光來自導帶底到氧位錯缺陷能級間的躍遷[3]。對于確切的哪種點缺陷在綠光發射中占據主導作用學者們仍在探究。

2.3 其他光的發射

圖1 利用全勢線性多重軌道的方法計算的ZnO本征缺陷能級[7]

在研究ZnO薄膜的發光中，還常伴有紫光、黃光、橙光和紅光。其機理為：紫光源于晶界產生的輻射缺陷能級與價帶之間的躍遷[4]。黃光與氧間隙[5]或一種ZnO2的配比結構有關。橙、紅光與富氧的ZnO 結構[6]或沉積過程中形成的自然缺陷相關。

文獻[7]是利用全勢線性多重軌道的方法計算ZnO本征缺陷能級水平，這對發光機理的研究起到了推動性作用。

3 ZnO薄膜的研究現狀及展望

ZnO以其優異的性能（主要是低閾值高效光電特性、強烈的紫外吸收和紫外激光發射、量子限域效應、光催化和壓電等性能）在半導體氧化物中獨占鰲頭，ZnO薄膜以其原料廉價易得，生長溫度相對低，成膜質量高，較易實現摻雜，成為了應用廣泛的透明導電薄膜。自1997年發現ZnO薄膜具有紫外受激發射的特性以來，此后在室溫下觀測到具有納米結構的微晶薄膜光泵激光發射，因其激子結合能（60meV）比同是寬禁帶材料的ZnSe（20meV）、GaN（28meV）高出許多，能有效工作于室溫（26mev）及更高溫度，且制備溫度比GaN和其他II-VI族半導體寬禁帶材料的制備溫度低很多，使得薄膜與襯底原子的互擴散得到了大大降低。ZnO成為繼GaN之后新的短波長半導體材料的研究熱點。ZnO薄膜在可見光范圍內透過率高達90%，可以應用于優質的太陽能電池透明電極。在紫外和紅外光譜范圍內具有強烈的吸收作用，可做為相應光譜區的阻擋層。目前ZnO薄膜在表面聲波器件和壓電傳感器領域已投入應用，隨電阻率變化的氣敏元件正在研發中，但從實驗室研究向大生產轉化還需時日。

3.1 摻雜和PN結的制作

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

ZnO薄膜作為一種光電半導體材料，制作出p-n 結是實現應用的關鍵。制備出穩定的可重復的高性能的p型ZnO薄膜異常困難，大多存在著高電阻率、低遷移率、低載流子濃度和不穩定等問題。其原因一是ZnO中氧空位、鋅間隙及生長中引入的H雜質等大量施主缺陷，對摻雜的受主缺陷的補償。二是ZnO中受主能級較深，室溫狀態離化產生空穴太難。三是一些受主雜質元素在薄膜中的固溶度低，難以提高載流子濃度。目前Minegishi等已經制備出了p型摻雜的ZnO薄膜，但其少子密度較低，且遠低于實現pn結所需要的濃度。高質量、低電阻、穩定的p型ZnO薄膜仍亟待研究。

制備出高濃度p型摻雜的ZnO從而制作出pn結是目前學者們的努力方向。除了努力實現高濃度p型摻雜之外，由于GaN和ZnO晶格匹配性較好，且p-GaN已經實現，因此利用p- GaN和n-ZnO來制作pn結相對容易實現。

3.2 應用前景

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

4 ZnO薄膜的制備方法

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

5 結論

納米ZnO薄膜性能優異、應用廣泛、價格低廉，且其制備方法相對簡單多樣、易于實現摻雜且與硅IC兼容，利于實現電子元器件的集成，這些元器件已成為各類光學器件的重要組成部分，是極具開發前景的光電薄膜材料之一。隨著研究的不斷開展，ZnO薄膜的技術及應用必將更廣泛地影響到人們的生產和生活。

參考文獻

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