半导体材料论文范文

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篇1

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。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。

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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。

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半导体材料研究的新进展

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。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。

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1.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。

2.半导体材料的发展历程

半导体材料从发现到发展，从使用到创新，也拥有着一段长久的历史。在20世纪初期，就曾出现过点接触矿石检波器。1930年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，使半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生长技术的开发和集成电路的发明，使得微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体材料在红外线方面的研究发展，半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半导体器件的设计与制造从“杂志工程”发展到“能带工程”，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。

3.各类半导体材料的介绍与应用

半导体材料多种多样，要对其进一步的学习，我们需要从不同的类别来认识和探究。通常半导体材料分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、有机半导体、超晶格半导体材料。不同的半导体材料拥有着独自的特点，在它们适用的领域都起到重要的作用。

3.1元素半导体材料

元素半导体材料是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和锗为典型。硅在在地壳中的含量较为丰富，约占25%，仅次于氧气。硅在当前的应用相当广泛，它不仅是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上元件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中于制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他器件如探测器，也具备着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

3.2化合物半导体材料

通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构的半导体性质。化合物半导体材料种类繁多，按元素在元素周期表族来分类，分为三五族（如砷化镓、磷化铟等），二六族（如硒化锌），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池、光电器件、超高速器件、微波等领域占据重要的位置，且不同种类具有不同的性质，也得到不同的应用。。

3.3固溶体半导体材料

固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶体半导体或者合金半导体。随着每种成分在固溶体中所占百分比（X值）在一定范围内连续地改变，固溶体半导体材料的各种性质（尤其是禁带宽度）将会连续地改变，但这种变化不会引起原来半导体材料的晶格发生变化.利用固溶体半导体这种特性可以得到多种性能的材料。

3.4非晶半导体材料

非晶半导体材料是具有半导体特性的非晶体组成的材料，如α-硅、α-锗、α-砷化镓、α-硫化砷、α-硒等。。这类材料，原子排列短程有序，长程无序，又称无定形半导体，部分称作玻璃半导体。非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸发或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器、太阳能电池薄膜晶体管等非晶半导体器件。

3.5有机半导体材料

有机半导体是导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm的负一次方范围内的有机物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物等.其中聚丙烯腈等有机高分子半导体又称塑料半导体。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。相比于硅电子产品，有机半导体芯片等产品的生产能力较差，但是拥有加工处理更方便、结实耐用、成本低廉的独特优点。目前，有机半导体材料及器件已广泛应用于手机，笔记本电脑，数码相机，有机太阳能电池等方面。

3.6超晶格微结构半导体材料

超晶格微结构半导体材料是指按所需特性设计的能带结构，用分子束外延或金属有机化学气相沉积等超薄层生产技术制造出来的具有各种特异性能的超薄膜多层结构材料。由于载流子在超晶格微结构半导体中的特殊运动，使得其出现许多新的物理特性并以此开发了新一代半导体技术。。当前，对超晶格微结构半导体材料的研究和应用依然在研究之中，它的发展将不断推动许多领域的提高和进步。

4.半导体材料的发展方向

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！

参考文献

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）10-0085-02

材料是人类文明的里程碑，其中半导体材料更是现代高科技的基础材料。近年来，半导体材料在国民经济和前沿科学研究中扮演越来越重要的角色，引起了社会的广泛关注。半导体材料作为材料科学与工程专业的核心专业课，主要是通过研究学习Si、Ge、砷化镓等为代表的半导体材料的性质、功能，内容涉及晶体生长、化学提纯、区熔提纯等半导体材料的生长制备方法及半导体材料的结构、缺陷和性能的分析和控制原理。随着现代科技的飞速发展，该学科也更新换代加快，形成了一些新的理论和概念。为了进一步提高对半导体材料课程的教学质量，我们借鉴国内外大学先进的教学理念，对该课程存在的问题进行了总结，并提出了新的教学改革。

一、课程存在的问题

在半导体材料课程的教学实践过程中，存在诸多的问题，例如该课程教材包含的内容非常宽泛，理论强且概念多而抽象；部分内容与其他课程的重复性相对较高，使得学生缺乏学习兴趣；更主要的是教材内容大多注重理论，而忽视了实践的重要性，缺少对前沿科学知识的相关介绍。此外，目前传统的课堂教学方法主要是简单的教师讲述或者板书课件的展示形式，学生被动地接受知识，部分学生只能通过死记硬背的方式来记住教师所传授的基础理论知识，长此以往，只会加重学生对该课程的厌学情绪。此等只会与因材施教背道而驰，扼杀学生的个性和学习的自主性，不利于培养创造新型科学性专业型人才。

二、课程改革的必要性

《半导体材料》课程以介绍半导体材料领域的基础理论为目的，从常见半导体的性质，揭示不同半导体材料性能和制备工艺之间的关系，全面阐述各半导体材料的共性基础知识与其各自适应用于的领域。在当今信息时代科技的飞速发展中，只有结合理论和实践才能发挥半导体的最大效用，才能更有效地掌握其深度和广度，这些对后续课程的实施也有着一定的影响。作为材料科学与工程专业的重要专业课程之一，除了让学生学习理论知识，更重要的是培养学生的科学实践能力和职业技能，以适应当今社会的发展。针对以上存在的问题，半导体材料的教学改革迫在眉睫。由此才可以改变学生的学习现状，调动和提高学生的学习兴趣，提高教学质量，使得我们所学知识真正为我们所用。

三、教学内容的改革

1.内容的改革。对传统的半导体材料教学内容的改革，从根本上来看最重要的是引入前沿知识，实现内容的创新，并且使得理论联系实际。下图是目前我校的半导体材料的基本内容，如下：

目前我校的半导体材料课程内容主要由以上几个部分组成，其中A、B两部分的内容为重要部分，整个学期都在学习；而C部分相对来说比较次要，在学习过程中大概讲述一至两种半导体材料，剩下的部分属于自学部分，也不在考试范围内；至于专业课的实验，也相对较少且没有代表性。该课程是在大三上学期开设的，对于处于这个阶段的学生来说，面临这考研或就业的选择与准备过程中。所以作为一门专业课，除了注重半导体材料的特性、制备和应用方面的知识外，更重要的是半导体材料的应用领域和研究现状相结合，增加其实用性，不管对考研，还是就业的同学来说，都有一定的帮助。对于改革后的教学内容，除了增加对图1中C部分的重视度，其次，应增加各模块：目前半导体材料的热点应用领域及研究现状。还有图1中的A、B部分可适当地减少，因为在其他的专业课程都有学习过，对于重复的知识巩固即可，没必要再重点重复学习。对于实验课，相对于实验室来说，能够操作的实验往往没有多大的挑战性，有条件的话能够进入相关企业观摩，身临其境的感受有意义得多。

在实际的课程教学过程中，除了学习常见半导体材料的发展历史和研究方法外，介绍一些新型的半导体材料及其应用领域，例如半导体纳米材料、光电材料、热电材料、石墨烯、太阳能电池材料等，使学生能够区分不同半导体各自的优缺点；除了介绍晶体生长、晶体缺陷类型的判定及控制的理论知识外，介绍几种生产和科研中常见的材料检测方法，如X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱仪、荧光光谱等。此外，还可以介绍当前国内外的半导体行业的现状和科技前沿知识，让学生清楚半导体行业存在的一些问题需要他们去完成，以激发学生的使命感和责任感。在讲授各种外延生长的设备和原理时，应介绍一些相关的科学研究工作，如真空镀膜、磁控溅射等。另外，可以以专题的形式，介绍一些前沿内容，如半导体纳米材料、石墨烯方面的研究进展和应用前景等，拓宽学生的知识面，以激发学生的研究兴趣和培养创新意识。

2.教材参考书的选择。《半导体材料》课程内容较多，不同的教材的侧重点不一样，所以仅仅学习教材上的内容往往不够，所以根据课程的改革要求和《半导体材料》课程自身的特点，需要与本课程密切相关的、配套齐全的参考教程，例如半导体器件物理（第二版）、微电子器件与IC设计基础（第二版）、半导体器件原理等。

四、教学方法的改革

由于传统的教学观念的影响，半导体材料课程的仍是以板书课件为主的传统的教学方法。这种单一枯燥的教学方式忽视了学生的学习兴趣和学习的主观能动性，极大地阻碍了对学生创新能力的培养。此外，该课程的考核方式单一，以期末考试为主，一定程度使学生养成了为考试而学的心态，对所学知识死记硬背，没有做到真正的融会贯通、学以致用的目的。大部分学生以修学分为目的，期末考试后对所学知识所知无几，学一门丢一门的心态，严重影响了教学效果，更重要的对学生今后的研究和工作没有任何的帮助。可见，对这种灌输知识的教学方式和考核机制的改革迫在眉睫。在教学过程中采用小组式讨论，网络教学平台，专题式讲解，实验教学等多种教学方式，将有益于改善教学效果。

1.小组讨论式教学。为了充分发扬学生的个性特点和体现教学的人性化，使得学生真正成为主体，必须提供新颖、易于讨论的课程环境，从而培养学生自主创新的意识和能力。小组讨论式教学模式就很好地体现了这一点，在小组讨论中，可以使学生发表自己所思所想，相互学习，集思广益，取长补短。教师在教学过程中应鼓励学生质疑的精神，使其敢于突破传统，思维独到，鼓励学生在错误中积累宝贵经验；给予学生正能量，引起学生的学习热情和兴趣，营造轻松、积极的课堂环境。

2.网络教学平台。在多媒体盛行的时代，开放式、多媒体式教学方式备受关注，即建设一个融入教师教和学生学为一体的、便于师生互动的网络教学平台。在网络教学平台上可以提供各种学习辅助资料和学习支持服务。例如一对一的视频辅导、课堂直播、网上答疑、学习论坛、名师讲解等形式。学生可根据自身的学习爱好和学习习惯自主选择学习时间。通过这种便利的人机交互学习，为学习者提供了一个针对性强、辅助有利、沟通及时、互动充分、独立自主的学习环境，同时提供了丰富的学习资源。

3.专题式讲解。半导体材料课程包含的内容很广泛，有许多的分支；由于教学内容的增多，往往会给学生造成错乱，理不清思绪。专题式讲解是更系统的学习，使学习过程有条不紊。专题式讲解既可以由教师主讲，也可以由学生自己学习整理，再以PPT的形式将所学所思讲给同学听。既锻炼了学生的自学能力，又锻炼了学生的口语和实践能力。

4.实验教学。实验是一种提高学生感性认识的有效手段，实验教学将有助于学生深入理解所学理论知识，并在实验中应用相关理论，为学生获得新的理论知识打下良好的基础。例如，可以通过实践教学方法来传授半导体材料的生长制备、结构表征、性能测试以及应用等方面的知识。合理安排实验，通过在实验设计过程中制定实验方案、实验操作、实验报告或论文撰写等环节，不仅提高了学生的动手能力，对学生创新能力的培养也起到极大的促进作用。对实验过程中出现的实验偏差、操作失误、环境改变等对实验结果的影响分析，为将来的科研工作打下坚实的基础。此外，建立校企合作新机制，依托企业、行业、地方政府在当地建立多个学生教学实习基地，为加强实践教学提供有力支撑，让学生有实地模拟学习的机会，提高教学效果，增强学习兴趣。

五、结论

《半导体材料》课程是材料科学与工程专业的重要专业课程。半导体材料课程的教学改革，对提高材料专业的人才培养质量具有一定的意义。依据科学技术的发展，及时更新教学内容改革教学方法，因材施教。同时在教学实践中，我们将半导体材料的新理论、新应用和一些科学研究成果引入到教学内容当中，处理好基础性和创新性、先进性、经典和现代的关系，加强理论联系实际的教学环节建设，有利于提高教学质量，加强学生的学习效果，培养出具有扎实理论基础、较强的实践能力的应用技术型人才和一定科研能力的研究型人才。

篇5

中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0067-02

在过去的十几年里，关于InN半导体材料的研究引起了人们极大的兴趣。InN是一种重要的直接带隙Ⅲ族氮化物半导体材料，与同族的GaN、AlN相比，InN具有最小的有效质量和最高的载流子迁移率、饱和漂移速率，其低场迁移率可达3200 cm2/V・s，峰值漂移速率可达4.3×107cm/s，这些特性使InN在高频厘米和毫米波器件应用中具有独特的优势[1-8]。制备高质量的InN外延薄膜是InN半导体材料研究与应用的前提，但InN薄膜的制备有两大困难，一方面是InN的分解温度较低，约为600 ℃左右，而作为N源的NH3的分解温度则要求很高，一般在1000 ℃左右，因此如何控制InN的生长温度就产生了矛盾，一般传统的MOCVD技术要求温度在800 ℃以上，限制了InN的生长温度问题，本研究采用了自制的电子回旋共振-等离子增强有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）设备[9-11]，大大降低了外延温度，使生长温度控制在500 ℃以下；另一方面，一般InN薄膜都生长在蓝宝石等一些基片上。众所周知，蓝宝石基片的价格较高，用它作为InN材料的衬底，使InN材料基的器件的成本很难降下来，严重阻碍了InN材料器件的发展。为解决上述InN器件成本高的问题，本研究采用在廉价康宁玻璃衬底上沉积制备InN外延薄膜，但是InN外延层与廉价康宁玻璃衬底之间还存在严重的晶格失配等问题，而AlN可以成为一种理想的InN外延中间层材料。首先，AlN与InN具有相似的晶体结构，可以作为InN与廉价康宁玻璃之间的缓冲层。其次，AlN的沉积制备在廉价康宁玻璃上的工艺已经被该研究小组所掌握，而且与其他反应源相比，AlN反应源材料很便宜，廉价，这样就进一步降低了器件的成本。所以AlN成为InN与廉价康宁玻璃之间缓冲层的首选材料。所以在此基础上，在较低的温度下，在廉价的衬底材料上最终制备出高质量、稳定的InN薄膜。

由于InN薄膜的沉积制备需要较高的沉积温度，当前ECR-PEMOCVD技术以及相关设备，都没有用于生产InN光电薄膜，因此如何利用ECR-PEMOCVD技术优点，用AlN薄膜作为缓冲层在廉价康宁玻璃衬底上以较低的温度下生产出性能优异的InN光电薄膜是我们所研究的难点。

1 实验

将普通康宁玻璃基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5 min后，用氮气吹干送入反应室；采用ECR-PEMOCVD系统，将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa，改变不同基片沉积温度400 ℃，500 ℃，600 ℃，向反应室内通入氢气携带的三甲基铝、氮气，其二者流量为1.5 sccm和120 sccm，由质量流量计控制；控制气体总压强为1.2 Pa；在电子回旋共振频率为650 W，得到在普通康宁玻璃基片的AlN缓冲层薄膜，其AlN缓冲层薄膜厚度为200 nm。继续采用ECR-PEMOCVD系统，将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa，将基片加热至500 ℃，向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气，其二者流量比为2∶150，分别为2 sccm和150 sccm，由质量流量计控制；控制气体总压强为1.2 Pa；在电子回旋共振频率为650 W，沉积制备InN薄膜，得到在AlN缓冲层薄膜/普通康宁玻璃结构上的InN光电薄膜。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

在其他反应条件不改变的情形下，改变不同基片沉积温度400 ℃，500 ℃，600 ℃，该研究论文在AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜。3个不同基片沉积温度的样品都被测试了，只有沉积温度500 ℃条件下制备的InN薄膜样品质量较好，其他条件下质量很不理想，表明沉积温度过高与过低都不利于薄膜的沉积制备。我们分析沉积温度500 ℃时的XRD图像，由图1可知，除了AlN缓冲层的峰值外，其制备的InN薄膜的则有取向较好，没有太多其他衍射峰出现，表明AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜，其晶体结构较优异。但是薄膜半峰宽较大，需要进一步进行实验工艺的优化。

2.2 AFM分析

为了研究InN薄膜的形貌，我们测试了沉积温度500 ℃条件下，AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜样品。由图2可知，实验准备的InN薄膜表面上的岛状团簇非常均匀，没有明显的界面缺陷，呈现出一个光滑的表面且表面平整。此外，为了以后制备大功率器件的要求，沉积温度是500℃时制备的InN薄膜的样品进行了其表面均方根平整度检测。测试结果说明沉积温度在500℃时沉积制备的InN薄膜样品的平整度在纳米数量级，满足对器件制备的要求。

2.3 SEM分析

进行了AFM分析之后，我们又对沉积温度500 ℃条件下，AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜样品的SEM进行了测试分析，由图3可知，实验制备的InN薄膜样品颗粒明显形成，基本铺满整个实验基片衬底，没有明显缺陷存在，表明该实验条件下的InN薄膜具有优异的表明形貌特性。其结果同上述AFM分析一致。

3 结语

该研究论文利用可精确控制的低温沉积的ECR-PEMOCVD技术，在AlN/普通康宁玻璃基片衬底结构上沉积制备出高质量的InN光电薄膜，并结合实际生产中器件成本不理想可能出现的问题以及晶格失配问题，提出一系列的解决方案策略，对基于InN薄膜器件产业化有很大的研究意义。该研究论文的在AlN/普通康宁玻璃基片结构上的InN光电薄膜产品具有良好电学性能以及结晶质量，廉价的成本价格以及易于制备出高频率大功率器件的优势。

参考文献

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[3] S.Inoue，T.Namazu，T.Suda， K.Koterazawa.InN films deposited by rf reactive sputtering in pure nitrogen gas. Vacuum[Z].2004，74：443-448.

[4] V.M.Polyakov， F.Schwierz. Low-field electron mobility in wurtzite InN. Appl Phys Lett[Z].2006，88.

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篇6

1 教学内容的选材

在教学内容的选材方面，我们综合考虑了以下几个因素：

首先，学生必须能够有所学，开设一门课程才是有意义的。光电材料是功能材料的一种，为了便于学生循序渐进地吸收理解光电材料的专业知识点，教学内容分成三个方面：光功能材料、电功能材料、光电材料及器件。首先，讲解光功能材料和电功能材料方面的知识点，在具有这些知识的基础上，再讲解光电材料及器件方面的知识，学生们就比较容易理解。

其次，我们结合现在的就业情况及研究热点。我们设置的教学内容，既考虑了学生们以后的就业，也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究工作。光功能材料方面的教学内容包含了激光材料、发光材料、红外材料及光纤材料。电功能材料方面的教学内容包含了导电材料、半导体材料、介电材料、铁电材料及超导材料，其实半导体材料也是一种导电材料，之所以把半导体材料单独作为一个章节，是因为半导体材料是太阳能电池和LED照明灯的核心材料，这也是为后面的光电材料及器件的讲解做铺垫。光电材料及器件方面的教学内容包含了光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料、光伏材料与太阳能电池及光电显示材料。

2 教学方法的探索

光电材料的内容更新很快，现在的学生不仅应该掌握传统基础的材料知识，更应该掌握最新的知识点，更应该了解光电材料的最新研究进展，而使用多媒体教学能够及时地更新课件的内容，使得教学内容能够跟上最新的研究成果[2]，也能让学生及时了解学习最新的材料知识。

多媒体教学还有助于激发学生学习的兴趣[3]，因为它在视觉上能够让学生很直观的学习知识，比如：太阳能电池的工作原理，我们可以在Powerpoint（PPT）上给出太阳能电池工作原理图，然后再对照图给学生详细讲解其原理，学生将更深刻的理解其原理。再比如，在讲解光纤的传输原理时，可以通过多媒体技术使用动画，让学生很直观地了解光纤的原理。

但是多媒体教学应该和传统的板书结合起来，因为有些知识仅仅通过多媒体展示，学生可能比较难理解，还需要老师再次将其中的重点和难点板书出来详细讲解，同时也可以加深同学的印象。

同时，我们在整个的教学过程中，采用的是启发式及提问式的教学方法。通过对学生进行提问，启发学生自主思考，加深学生对知识点的理解。

3 课程考核方式的选择

课程考核的成绩包含两个方面，一个是平时成绩的考核，一个是期末成绩的考核。

平时成绩的考核，我们通过上课提问、课后习题、出勤率等方面进行考核。上课提问可以考查学生对上节课内容的掌握程度，还可以考查学生是否认真听讲、是否认真思考问题。课后习题包括两个方面，一个是对课上内容的考查，帮助学生巩固课上知识，另一个是对课外知识的拓展，督促学生课后查阅文献，培养学生的学习能力。

期末成绩的考核，我们采用撰写科技论文的形式进行考核。《光电材料导论》开设在大四上学期，总共24个课时。因为光电材料的内容更新比较快，而教学课时比较有限，通过撰写科技论文的形式，既可以督促学生去更全面的了解光电材料最新的研究进展，又可以锻炼学生查阅文献的能力，培养学生总结文献的能力，有利于大四学生在下学期更快进入本科毕业论文的工作。

4 需要改进的地方

作为本专业开设的新课，在教学的探索与实践过程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我们去反省和改进。我们自己对此进行了总结，具体包括以下三个方面：

（1）在多媒体教学过程中，我们不仅只是使用了PPT这个软件，还应该引入视频，比如，在讲解使用直拉法制备单晶硅时，就可以引入一段视频，让学生更直观地了解使用直拉法是如何制备单晶硅的。

（2）在教学的过程中，我们还应该出示实物，让学生能够直接接触，加深印象。可以出示实物包括光纤、发光二极管LED，单晶硅片和多晶硅片（这时，还可以教学生从宏观上如何分辨单晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、闪锌矿及纤锌矿结构模型等，不但增强生学习光电材料的兴趣，而且让他们对光电材料实体有直接的感性认识[4]。

篇7

中图分类号：TF703.5+1文献标识码： A 文章编号：

一．前言

为治理废水污染，保护水环境，人们经过长期努力，已经建立了许多净化处理废水的技术方法，并已广泛应用于实际的废水处理工程中，这些技术方法通常可以分为物理法、化学法、物化法、生化法等。常用的技术方法各有自身的优点，同时也不同程度地存在着某些不足之处。例如,有的技术方法对难降解污染物净化不彻底、处理速度慢，而有的可能造成二次污染，有的设备投资大、处理费用高等。随着国家推进削减主要污染物排放总量工作的开展以及逐步提高污染物排放标准，现有的技术方法难以满足更高的要求，因此有必要探索更加经济有效、便于推广应用的新技术。

光催化氧化技术原理

光催化氧化技术利用光激发氧化将O2、H2O2等氧化剂与光辐射相结合。所用光主要为紫外光，包括uv-H2O2、uv-O2等工艺，可以用于处理污水中CHCl3、CCl4、多氯联苯等难降解物质。另外，在有紫外光的Feton体系中，紫外光与铁离子之间存在着协同效应，使H2O2分解产生羟基自由基的速率大大加快，促进有机物的氧化去除。所谓光化学反应，就是只有在光的作用下才能进行的化学反应。该反应中分子吸收光能被激发到高能态，然后电子激发态分子进行化学反应。光催化氧化还原以n型半导体为催化剂，如TiO2、ZnO、Fe2O3、SnO2、WO3等。TiO2由于化学性质和光化学性质均十分稳定，且无毒价廉，货源充分，所以光催化氧化还原去除污染物通常以TiO2作为光催化剂。光催化剂氧化还原机理主要是催化剂受光照射，吸收光能，发生电子跃迁，生成“电子—空穴”对，对吸附于表面的污染物，直接进行氧化还原，或氧化表面吸附的羟基OH-，生成强氧化性的羟基自由基OH将污染物氧化。当用光照射半导体光催化剂时，如果光子的能量高于半导体的禁带宽度,则半导体的价带电子从价带跃迁到导带，产生光致电子和空穴。如半导体TiO2的禁带宽度为312 eV，当光子波长小于385 nm 时，电子就发生跃迁，产生光致电子和空穴( TiO2 + hνe-+ h+)。对半导体光催化反应的机理，不同的研究者对同一现象也提出了不同的解释。氘同位素试验和电子顺磁共振（ ESR）研究均已证明，水溶液中光催化氧化反应主要是通过羟基自由基（·OH）反应进行的，·OH 是一种氧化性很强的活性物质。水溶液中的OH- 、水分子及有机物均可以充当光致空穴的俘获剂，具体的反应机理如下（以TiO2为例）：

TiO2 + hνh++ e-

h++ e-热量

H2OOH-+H+

h++OH-OH

h++ H2O + O2- ·OH + H++ O2-

h++ H2O ·OH + H+

e-+ O2 O2-

O2- + H+ HO2·

2 HO2·O2 + H2O2

H2O2 + O2- OH + OH- + O2

H2O2 + hν2 OH

Mn+(金属离子) + ne+M

光催化氧化技术反应的特点1、适用范围广，处理效果好。光催化过程中产生的·OH是起主要作用的活性氧化物种，氧化能力很强，能有效地氧化分子结构复杂的难降解有机污染物，可广泛应用于有机合成化工废水、染料废水、农药废水、焦化废水、制药废水、造纸废水等难降解有机废水的处理中。

2、反应易于控制且反应过程不产生二次污染。与化学氧化剂不同，光催化氧化反应中没有加入其它化学药剂，因此不会产生二次污染；另外在反应过程中，有机物彻底降解为CO2和H2O，也无须考虑反应产物的后续处置问题。3、反应速度快。在性能良好的催化剂的作用下，废水中污染物质的降解一般仅需要几分钟到几小时，远小于采用其他传统方法的反应时间。4、反应成本低且反应条件温和。光催化反应可使用太阳光或紫外光作为光源，是一种高效节能的废水处理技术。四、主要的光催化剂及其应用光催化剂是引发和促进光催化氧化反应的必要条件。常用的光催化剂有TiO2、ZnO、CdS、WO3等，及由它们组合成的复合光催化剂。这些物质均属于半导体材料，具有能带结构，其价带和导带之间的能量壁垒（即能阶E）g只有几eV。价带与导带之间由禁带分开，当用能量等于或大于禁带的光照射半导体材料表面时，价带上的电子受到激发，跃迁到导带，同时在价带形成空穴，分布在表面的空穴h+可以将吸附在材料表面的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基HO·。HO·的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，将其最终降解为CO2、H2O等无害物质，甚至能够氧化细菌体内的有机物并生成CO2和H2O。

TiO2催化剂的应用由于TiO2原料易得，耐腐蚀性能好，对光的稳定性强，且具有较强的光催化氧化能力，因此是使用最多的光催化剂。高温热处理后的TiO2光催化活性更大，在紫外光的照射下能降低黑液的色度以及COD值，对次氯酸盐漂白产生的有机氯有除毒净化的作用。在紫外光照射下，用其作光催化剂对制浆黑液进行降解处理，实验结果表明，在持续通氧的情况下，溶胶—凝胶法TiO2对制浆黑液有着很好的光催化降解作用。在体系中添加少量的该TiO2，经反应数小时后，可以将原本深棕色的污水变得清澈无色，其化学需氧量（CODc）r可由反应前的近1000mg/L下降至不到400 mg/L，基本符合国家要求的二类水域的排放标准。

ZnO催化剂的应用ZnO与TiO2具有相近的带隙，其光催化活性应该与TiO2相接近，可应用于催化氧化法的催化剂。

五．提高光催化利用效率的方法

1、纳米光催化剂TiO2的应用

在光催化反应中，催化剂表面的OH-基团的数目将直接影响催化效果。TiO2 浸入水溶液中，表面要经历羟基化过程。晶粒尺寸越小，粒子中原子数目也相应减少，表面原子比例增大，表面OH-基团的数目也随之增加，从而提高反应效率。由于量子效应，近年来，新的研究方向就是研制纳米半导体材料—纳米光催化剂。纳米光催化材料比一般光催化材料在促进光催化反应的活性作用上，主要体现在2个方面。

（一）从光催化机理来看，氧化、还原作用的强弱取决于光生电子和空穴的浓度。显然，光催化剂颗粒尺寸越小，总表面积越大，光吸收效率越高，并且电子和空穴移动到表面的几率也越大。同时随着尺寸的减小，比表面积增大，表面键态和电子态的活性增多，有利于对反应物的吸附，从而增大反应几率。

（二）从能带理论角度上分析，任何氧化电位在半导体价带电位以上的物质原则上都可以被光生空穴氧化；同理，任何还原电位在半导体导带以下的物质，原则上都可以被光生电子还原。N型半导体材料，当其尺寸小于50 nm时，会产生所谓量子尺寸效应，使带间能隙增大，导带电位更负，价带电位更正，加强了光催化剂氧化、还原能力，提高光催化活性。如果TiO2 晶粒尺寸从30 nm 减小到10 nm 时，其光催化降解苯酚的活性提高了近45%。

2、固定化TiO2技术应用

悬浮态TiO2 虽然具有较高的降解效率，但其具有反应后TiO2 难以分离的缺点，这不仅影响出水水质，而且随着反应的持续进行，需不断补充TiO2，从而造成处理成本的增加。为此，一些研究者将TiO2 粉末固定化于其他材料之上，如玻璃球、钛板、钛网。杨莉[5]等采用溶胶—凝胶法制备TiO2溶胶，将其涂覆在普通钠钙玻璃上，以TiO2 对甲基橙的光分解率探讨TiO2 薄膜最佳光催化性能。结果表明，当PEG400 的加入量为7％时，TiO2薄膜的光催化性能最强；用锐钛型TiO2粉末二次引发的溶胶提拉制成的薄膜对甲基橙的光催化分解效果有很大的提高；经滴加操作后薄膜的光催化性能有明显改善。

结束语

虽然光催化氧化技术发展不是很完善，但由于其反应条件温和、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染，加之TiO2 化学稳定性高、无毒等优点，使光催化氧化技术仍是一项具有广泛应用前景的新型水污染处理技术。今后的光催化氧化技术将集中于负载型纳米TiO2的制备、高效光催化反应器的研制、能用于回收粉TiO2的膜技术的发展和各种难降解有机物的光催化降解规律的研究方向，特别是高效太阳光源反应器的研制。纳米催化剂技术的广泛应用，必将在生态环境保护、实现可持续发展事业中发挥越来越大的作用。

参考文献：

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[2]陈晓慧 柳丽芬 杨凤林 等CdS/TiO2光催化去除水体中氨氮的研究[J].感光科学与光化学2007 25(2) 89-101

[3]光催化氧化技术在废水处理中的应用进展 建设资源节约型、环境友好型社会国际研讨会暨中国环境科学学会2006年学术年会 - 2006 会议论文

[4]膜分离和光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用及研究进展 - 徐州师范大学学报(自然科学版) - 2007, 25(4) 期刊论文

篇8

1879年，德国物理学家霍尔发现，当固体导体有电流通过，且置于磁场中时，导体内的电子因受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生了电压，这就是霍尔效应。霍尔效应被发现了大约100年之后，德国物理学家克利青在极低温度和强磁场下测量金属—氧化物—半导体场效应晶体管时，发现了量子化的霍尔效应。

一般情况下，导体中电子的运动是杂乱无章的，而经过量子化后，电子的运动就变规则了。薛其坤院士也给出了生动的比喻：“量子霍尔效应可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上前进，就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场里前进，而在量子霍尔效应下，则可以在没有干扰的高速路上前进。”但是，要想实现这样的量子化过程，所需的条件极苛刻，光磁场强度就得要地球磁场的十万倍甚至上百万倍。薛其坤院士及其团队找到了一种拓扑绝缘体，其中存在着特殊的铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，即不需要外加磁场也能产生量子霍尔效应。这样的效应被称为量子反常霍尔效应，其大大降低了产生量子霍尔效应的难度。

霍尔效应

如右图所示，一块矩形导体薄片沿x轴方向通以电流（Is），在z轴方向上加以磁场（B）；导体中有大量电子。通电时，这些电子开始自由移动，但由于电子会受到洛伦兹力（fB ）的作用，其运动方向发生了偏转，向fB 方向飘移，使导体的一面积累了过多的电子，相应的另一面会出现带正电的电荷。正负电荷之间会产生电势差，从而产生了一个电压，叫霍尔电压，这个效应就叫霍尔效应。它同时产生一个电场EH，电子也会受到电场力（fE）的作用，方向正好与洛伦兹力相反。当洛伦兹力与霍尔电场力相等时，霍尔电压保持相对稳定。

霍尔效应的应用

要理解量子反常霍尔效应，我们要先明白，霍尔效应有什么作用。

在刚发现霍尔效应时，由于在金属导体中产生的霍尔效应十分微弱，所以人们并没有认识到它的应用价值。随着半导体技术的发展，人们发现，霍尔效应在半导体中十分明显，于是就发明了霍尔元件。

根据霍尔效应，当磁场强度发生变化时，相应的霍尔电压也将随之变化。依据这一原理，由霍尔元件制成的霍尔传感器得到广泛应用，它可以将一些非磁的物理量转变为电学量进行检测和控制。像汽车上的计程表，就是利用霍尔传感器来工作的。

计程表的霍尔效应

右图中的齿轮圈是汽车发动机上的齿轮，它处于霍尔元件中磁铁产生的磁场中。当齿轮的齿对准霍尔元件时，会产生较大的霍尔电压；当齿轮的凹处对准霍尔元件时，霍尔电压会减小。将霍尔元件连接在脉冲发生器上，根据电压强弱的变化可检测出脉冲信号，把它通过A/D转换器后转换成数字，就可显示出汽车的车速、车程等，这就是汽车计程表的原理。

新时代的号角

说起半导体，也许你只能想起收音机。其实，我们的电子产业都建立在半导体之上。量子反常霍尔效应之所以引起如此之大的反响，就在于能降低半导体材料的能量损耗，而这对于我们的电子产业来说，显得尤为重要。

例如，计算机散热芯片就是由半导体制成，由于其内部的电子运动是无序的，相互之间会发生碰撞，产生热量，电脑工作时间一长，就会发热，降低了使用寿命。量子霍尔效应可以解决这个问题，因为当电子运动变得有序时，就能减少能量的消耗，不会产生热量。但是，前文已经讲过，实现量子霍尔效应需要极其苛刻的条件，而量子反常霍尔效应就解决了高磁场强度的问题，更具实用性，被认为是解决了“霍尔效应家族的最后一个问题”。它几乎能解决所有用半导体材料制成的仪器发热的问题，有科学家表示，如果材料问题能进一步突破，那么现在占据数个房间大小的超级计算机，可能缩小到一台笔记本大小，电子产品将更加节能、快速、轻便……人类或许将开启一个全新时代。

但是，目前量子反常霍尔效应只有在超低温条件（0.5开左右）才能观察到，科学家已经摸到了希望的大门，而大门的钥匙，还有待人们继续探索追寻。

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社会的发展速度越快，对自然界的伤害也就越大，而电子方面的材料对生活空气的污染也越来越严重。因此，必须要建立节能环保的生产概念，必须保证低碳生活，并且社会已经有了明确的态度，必须要控制污染，减少能源的浪费，做到经济环保。而伴随着时间的推移，电子信息材料的使用需求越来越大，进而影响了社会的生态平衡。那么，要想在这一种材料中实施低碳经济，如何去做呢？

一、电子信息材料在低碳经济中的发展

1、光电子材料。这种材料主要包含了液晶的元素，它在电子信息的生产中，使用非常的频繁。液晶的这种材料，主要是用于电器类的显示屏，而这一种材料可以在电流经过时，将液晶这种材料进行改变，并将其液晶的序列进行重新排布。而当再一次经过电流时，电气的显示屏是不会被屋外的光线穿透的，这也就符合了社会低碳经济的理念。曾经的电气显示屏，危害大，且消耗量也大。而如今的液晶显示屏，已经很好的解决了这些问题，并且还可以对显示屏的色度进行调和。另外，它还是一种非线性的材质，一般情况下，液晶的材料都是处于软凝聚的形式，所以，它才可以很好的进行光学反应中的折变反应，而对于电流较低时，电子设备就会发挥很强的功效，由此，可以看出，这一种材料在未来的发展中，占据重要的位置。而根据光学反应中的原理得知，要想影响液晶材料的性能，运用光学反应，对其进行干扰，让液晶的材料很好的对电气的显示屏进行反射。总的来说，就是将光电子材料的某一性质用到液晶材质中，研究出低碳的电子显示屏材料。因此，在未来科技的领域中，电子信息技术还是存在着很大的进步空间的，只有通过不断的完善它的不足之处，才能更好的满足社会的各项需求。2、集成电路和半导体。根据现在社会的需求，电子信息材料的集成电路和半导体，是非常重要的基础材料，主要属于多晶硅。而现在在各行各业中，使用最多的就是集成电路和半导体材料，就像现在的西门子，差不多改良后的西门子，都包含了这一种材料。它主要制作的流程就是将HCL也就是盐酸和纯度非常高的硅的粉末进行反应，并且在进行混合时，需要设定合适的温度，然后反应出三氯氢硅，再利电子信息材料在低碳经济中的发展应用张鹏宇河北正定中学高三在校学生用化学中分馏的方法，进行提纯，最后再进行还原反应的操作，获取纯度更高的多晶硅。它便是以后电子信息材料中不可获取的元素。并且，西门子还通过集成电路和半导体材料，对其他零碎的部件也进行了全面的改良，获取了非常不错的结果。同时，也减少了很多能源的损耗。

二、电子信息材料在低碳经济中的应用

2.1电子信息材料在集成电路中的运用

由于现在科技发展的速度越来越快，所以现在的集成电路和半导体材料的使用，也越来越广泛，也成为了环氧模塑料中非常重要的生产材料，并且，根据这一种的材料的性质，能够非常方便的完成整个生产过程，同时也能够很好的做到节能减排，尽可能的保持低碳经济的生活。

2.2电子信息材料在光电子中的使用

光电子的使用，主要是将一些有用的信息进行传递，所以，对于电子信息材料的使用上，主要是为了对其他部件指令，因此，在其他行业的电子材料使用中，也被广泛的使用。当然，现在为了更好的满足低碳生活的需求，很多电子材料的功能都被不断的改进，并进行高度集中，尽可能的发挥自己最有效的功能，并且减少对生活环境的污染。

2.3电子信息材料在新型部件中的使用功能

为了更好的减少对环境的污染，就必须先对电子信息的材料进行全面的检测，必须保证所使用的电子信息材料所消耗的能源是非常少的，并且污染性不大。因此，开始针对这一项问题，使用新型部件，希望尽可能的既满足电子信息材料的使用功能，也能很好地满足绿色环保的需求。而为了有效的满足这一项需求，就必须将电子材料的面积进行扩大，并对其所包含的的部件进行智能化设计，尽可能的减少一些耗费能源的部件的使用，但同时又能保证材料本身的作用。

三、结语

综上所述，低碳经济已经成为电子信息材料使用的理念，也是必须要解决的一项难题。根据现在先进的科学技术，不断的对电子信息材料进行改善，希望尽可能的达到环保的要求。另外，在电子信息材料的低碳经济理念的发展中，要不断的纳入新的科技理念和科学技术，才能达到理想中的状态。

参考文献

[1]陈海燕.电子信息材料在低碳经济中的发展应用思路研究[J].无线互联科技,2014,(10):177.

[2]史博娟,占胜发,曹坤阳,邹细雁.低碳经济背景下信息产业的发展研究[J].科技广场,2014,(06):118-126.

[3]谢芳,刘兴纲,董孝斌.关于电子信息产业的低碳明天与生态文明建设的思考[J].生态经济(学术版),2011,(01):161-163.

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LED发光二极管，也叫作光发射二极管（Light EmittingDiode，简写为LED）。是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中载流子发生复合，放出过剩能量而引起光子发射产生可见光。近年来随着LED芯片技术的提高、价格的降低以及相关驱动电路的成熟，使LED光源在照明领域的应用成为可能。尤其在目前全球范围能源紧张，中央政府大力提倡“节能降耗”的宏观环境下，大力推广LED照明必将产生重大的经济效益和社会效益。

1.LED光源的优点

LED的发光原理是利用半导体中的电子和电洞结合而发出光子，不同于白炽灯丝需要在3000度以上的高温下工作，也不必像荧光灯需使用高电压激发电子束，LED和一般的电子组件相同，只需要2～4伏特(V)的电压，在常温下就可以正常动作，因此其寿命也比传统光源来得更长，可达10万小时以上，被称为长寿灯。因LED光源工作电压低，所以安全可靠，人体接触无危险。

LED光效可达200lm/w，白炽灯的发光效率是8～15 lm/ W左右，普通T-8卤素荧光灯光效为40 lm/ W，相同照明效果比传统光源节能很多。免费论文参考网。并且LED还有毫秒级的通断时间，这也是一般传统光源无法达到的。

LED所发出的颜色，主要取决于电子与电洞结合所释放出来的能量高低，也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。同一种材料的波长都很接近，因此每一颗LED的光色都很纯正，其光谱中无紫外线，故无热量，无辐射损失，不会形成光污染，是真正环保的绿色光源。

LED芯片大小可以根据用途而随意切割，常用的大小为0.3～1mm左右，跟传统的白炽灯或荧光灯相比，体积相对小得多。为了使用方便，LED通常都使用树脂包装，做成5mm左右的各种形状，十分坚固耐震。

LED光源方便管理，具有集中控制和分散控制或对点进行可调节性控制等多种方式。通过控制电流调光，不同光色组合以调色，加上控制电路以达到多种动态变化效果。

2.LED照明的应用现状

2003年6月，我国由科技部在“863”计划的支持下，在照明领域及时启动了“国家半导体照明工程”。免费论文参考网。2004年4月，科技部确定工作重点――发展新型照明行业，并确定福建厦门、上海、大连和江西南昌为首批四个国家半导体照明产业基地。通过“863”计划等科技计划的支持，我国已经初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装集成应用的比较完整的产业链。

在刚刚闭幕的2008年北京奥运会上，科技含量最高的场馆――“水立方”外表的绚丽色彩就是来源于LED照明，仅这一项，就比普通照明节电60%以上 。国家863计划重大科研课题“国家游泳中心半导体照明规模化系统集成技术研究”和北京市的“LED在国家游泳中心建筑物景观照明上的应用研究”两项科研课题，取得的一系列技术突破，为“水立方”的景观照明提供了坚实的科技支撑。“水立方”采用空腔内透光的照明方式，是目前世界上最大的膜结构建筑的LED景观照明方案。该方案采用单颗1W大功率LED光源，光源具有长寿命、易集成、快响应、利环保、高节能、光分布易于控制、色彩丰富等特点。

据相关报道，目前山东省潍坊市实施了大功率LED照明示范工程,利用自主开发的新型高效节能环保LED路灯,大规模推广应用城市绿色照明系统。已安装大功率LED路灯接近11000盏，在维持道路照度相同(或更优)并满足建设部道路照明标准的前提下显示了非常显著的节能效果,实测与高压钠灯相比节电69%,与金卤灯相比节电70%以上。LED路灯每天节电超过2.4万度,一年节电超过890万度,再加上减排的二氧化硫、二氧化碳和粉尘,社会和经济效益显著。

更多LED照明的相关资料表明，经过2004-2006年的导入期，中国现在已有多个城市正在大力实施LED城市景观与道路照明工程，以节能降耗面对日益严峻的全球能源紧缺形势。

3. LED照明的应用前景

目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%，大大降低照明用电是节省能源的重要途径。LED正以其固有的优越性吸引着世界的目光。免费论文参考网。 美国，日本等国家及台湾地区对LED照明效益进行了预测，美国55%的白炽灯、日光灯被LED取代，每年可节省350亿美元电费，每年可减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100%的白炽灯换成LED，可减少1-2座核电站发电量，每年可节省10亿公升以上原油消耗。台湾地区25%的白炽灯及100%日光灯被LED取代，每年可节省110亿度电。

举世瞩目的2008年北京奥运会和2010年上海世博会都不约而同地以围绕绿色节能为主题，这给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。据国内知名研究公司驰昂咨询(Sinotes)近日的预测，在奥运、世博的强力带动下，中国LED照明市场规模将从2007年的48.5亿元快速增长至2010年的98.1亿元。

在全球能源短缺、环保要求不断提高的情况下，凭借LED照明技术的亮度高、使用寿命长、节能、绿色环保等显著优势，伴随LED技术的飞速发展，使LED成为普通照明光源的时日越来越近，必将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。

参考文献

［1］国家半导体照明工程研发及产业联盟推荐性技术规范 LB/T001―2008

［2］《中国半导体照明产业发展年鉴2006》

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Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s

ZHANG Bo

(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,

University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)

Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.

Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device

1引言

功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。

功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。

随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。

目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。

2需求分析

消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。

根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。

在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。

总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。

3功率半导体技术发展趋势

四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。

从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。

在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。

1) 功率半导体(分立)器件

功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。

在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。

功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。

2) 功率集成电路(PIC)

功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。

3)功率系统集成

功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。

4我国功率半导体发展现状、

问题及发展建议

在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。

由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。

笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。

功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。

设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。

我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。

5结束语

总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。

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2.科研平台和专业实验室建设仍需大力加强。物理学科在校内是属于弱势学科，不仅缺少高层次领军型的学术带头人，而且教师的科研水平还有待提高，因此面临着科研经费少、科研设备缺、科研氛围不浓厚等问题，科研平台的建设也存在着巨大的压力。虽然近年来专业实验室的建设取得了一定的成效，购买了一定数量的实验设备，基本满足了本科学生专业实验、毕业论文和研究生科研的需要，但仍然面临与实际生产联系不紧密、设备利用率低、维护人员缺、维护经费少、管理制度不完善等问题。

3.专业的教育质量有待进一步提高。电子科学与技术专业的教育质量、招生规模和培养方向与市场的关系是一种相互制约、相互相成的辩证关系。教育应该适应社会的发展需要，在社会需求和市场调节的作用下，如何提高教育质量是一个重大和综合性的课题。在这方面存在着：（1）缺少具有专业知识背景的教师，课程设置不规范，不是按需设课而是“因人设课”。（2）教材选择和讲授内容没有统一标准，仍然是“因人而异”。（3）课程知识讲授与实际生产联系不紧密，容易造成“照本宣科”的现象；（4）学生学习多以“自我为中心”，学习目的不明确、缺乏学习动力、对专业认识不够、毕业去向不明等问题。因此，必须从“教”与“学”两个方面来抓“质量”，只有经过“教”与“学”双方的协调发展，才能保证教学质量的提高。

4.专业实验教学环节有待进一步加强。专业实验的教学能使学生掌握实验知识和实验设备的使用，提高学生的动手能力和实践能力。从近几年学生的就业情况看，专业实验为学生就业打下了良好的基础。但是目前出现了专业实验开设数多、教学学时长、所需教师多，而教师个人工作量少、无人愿意承担实验课程等问题。

5.毕业生的就业导向有些许偏离。由于近几年毕业生的就业主要面向光伏企业，而且就业形势良好，这直接导致下面几届的学生认为本专业是面向光伏企业就业的，甚至有些老师也有同样的看法，这就限制了学生的就业面，也会使就业形势容易受到国际国内大环境的影响，而电科专业的学生培养和就业应当是面向整个微电子行业的。

二、专业建设措施

1.师资队伍建设。师资队伍建设是一切工作的基础，因为专业人才培养质量和科研水平全部依托于此。师资队伍建设应外引内培相结合，坚持以引进具有博士学位的高层次人才为主，并且重视制度设计，形成一整套卓有成效的人才引进、使用、培养和激励机制。（1）引进的人才应能满足电子科学与技术本科专业以及凝聚态物理、光电信息材料硕士点建设的需要，可定位于引进具有半导体材料与器件、集成电路设计、MEMS技术等领域研究背景的年轻博士，其中主要以引进半导体材料与器件领域的人才为主。考虑到专业的长远发展，应尽可能引进实验研究人才，相关的学科有物理学、材料科学与工程和电子科学与技术等。（2）在人才引进后的使用上应明确其主要任务是科研和专业建设，有计划地为其搭建科研设备。（3）制定科学合理的考核和奖励制度。人才引进工作应主动出击，按需引进，省内外相关的院校有：南京大学电子科学与工程学院、中科院上海技术物理研究所、苏州大学、华东师范大学信息科学技术学院、南京航空航天大学理学院等。

2.科研平台建设。好的科研平台是吸引优秀人才加入的一个关键因素，也是提升整体科研水平的重要保证。而目前的现状是投入到科研平台建设的经费较少，这有多方面的原因。不过，《常州大学“十二五”事业规划发展纲要》中明确提出要建设多学科协调发展的学科体系。因此，我们应加强科研平台建设与专业实验室建设的融合，使基础科研平台不仅能满足电子科学与技术专业本科生的毕业论文需求，而且能满足凝聚态物理和光电信息材料专业硕士生、相关教师的科研任务，以科研带动教学。

3.课程建设。课程建设是教学质量提高的保证，可以从以下几方面进行：（1）专业课的开设必须满足专业发展的需要。为此，教研室应认真讨论每一届学生的培养方案，根据市场需求、人才引进等情况及时调整培养方案。可以新增一些与专业、就业联系紧密的课程。（2）注重教材的通用性、经典性和新颖性。选择本专业多数院校都采用的教材。经典教材是国内或国外在本专业学习中长期使用并得到公认的优秀教材。学生通过经典教材的学习能够较为全面、系统地掌握所学的知识并提高分析问题、解决问题的能力。教材的新颖性是指新版和再版教材包含有本专业的最新知识和技术的内容，学生通过新版教材的学习能够了解当今世界上本专业领域中的最新知识和发展方向，拓展知识面。（3）为了解决目前出现的课堂讲授“照本宣科”、书本知识与实际生产联系不紧密等问题，可以考虑有计划地、有选择性地选派专业课教师下企业锻炼，提高教师的实践能力。