半导体材料研究的新进展*
王占国
(中国科学院半导体研究所,半导体材料科学实验室,北京100083
摘要:首先对作为现代信息社会的核心和基础的半导体材料在国民经济建设、社会可持续发展以及国家安全中的战略地位和作用进行了分析,进而介绍几种重要半导体材料如,硅材料、GaAs和InP单晶材料、半导体超晶格和量子阱材料、一维量子线、零维量子点半导体微结构材料、宽带隙半导体材料、光学微腔和光子晶体材料、量子比特构造和量子计算机用材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后,提出了发展我国半导体材料的建议。本文未涉及II-VI族宽禁带与II-VI族窄禁带红外半导体材料、高效太阳电池材料Cu(In,GaSe
2
、CuIn(Se,S等以及发展迅速的有机半导体材料等。
关键词:半导体材料;量子线;量子点材料;光子晶体
中图分类号:TN304.01文献标识码:A文章编
号:1003-353X(200203-0008-05 New progress of studies on semiconductor materials
WANG Zhan-guo
(Lab.of Semiconductor Materials Science,Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences,Beijing100083,China
Abstract:The strategic position and important role of semiconductor materials,as a core and foundation of the information society,for development of national economic,national safety and society progress
are analyzed first in this paper.Then the present status and future prospects of studies on semiconductor materials such as silicon crystals, III-V compound semiconductor materials and GaAs,InP and silicon based superlattice and quantum well materials,quantum wires and quantum dots materials,microcavity and photonic crystals,materi-als for quantum computation and wide band gap materials as well are briefly discussed.
Finally the suggestions for the development of semiconductor materials in our country are proposed.II-VI narrow and wide band gap materials,solar cell materials and organic materials for optoelectronic devices etc.are not included in this article.
K e y w o r d s:semiconductor materials;quantum wire;quantum dot materials;photonic materials
1半导体材料的战略地位
本世纪中叶,半导体单晶硅材料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,深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式,彻底改变了人们的生活方式。70年代初,石英光导纤维材料和GaAs等Ⅲ-
Ⅴ族化合物半导体材料及其G a A s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过去的“杂质工程”发展到“能带工程”,出现了以“电学特性和光学特性可剪裁”为特征的新范筹,使人类跨入到量子效应
*国家基础研究发展规划项目(G2000068300
8
和低维结构特性的新一代半导体器件和电路时代。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会高技术产业的基础材料。它的发展将会使通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗以及武器装备的微型化、智能化等这些对于国民经济和国家安全都至关重要的领域产生巨大的技术进步,受到了各国政府极大的重视。下面就几种主要的半导体材料研究进展作一简单地介绍。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单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。目前直径为8英寸(200m m的S i 单晶已实现大规模工业生产,基于直径为12英寸(300m m硅片的集成电路(I C技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前已有一个300mm硅片的超达规模集成电路(U L S I试生产线正在运转,另外几个试生产线和一个生产线业已建成。预计2001年300mm,0.18μm
工艺的硅ULSI生产线将投入规模生产,300mm,0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。直径18英寸硅片预计2007年可投入生产,直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。日本1999年,国内生产6~12英寸的硅单晶为7000吨(8000亿日元。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片也已研制成功。
从进一步提高硅IC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。目前,直径8英寸的硅外延片已研制成功,更大尺寸的外延片也在开发中。
理论分析指出,30n m左右将是硅M O S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、S i O
2
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Si
3N
4
等来替代SiO
2
,低K介电互连材
料,用C u代替A l引线以及采用系统集成芯片
(system on a chip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,人们正在寻求发展新材料、新技术,如,纳米材料与纳米电子、光电子器件、分子计算机、D N A生物计算机、光子计算机和量子计算机等。其中,以G a A s、I n P 为基的化合物半导体材料,特别是纳米半导体结构材料(二维超晶格、量子阱,一维量子线与零维量子点材料以及可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等是最有希望的替补材料之一。
2.1GaAs和InP单晶材料
G a A s和I n P是微电子和光电子的基础材料,为直接带隙,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(日本1999年的GaAs单晶的生产量为94吨, G a P为27吨,其中以低位错密度的V G F和H B 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,4英寸70cm长,6英寸35cm长和8英寸的半绝缘砷化钾(S I-G a A s也在日本研制成功。美国摩托罗拉公司正在筹建6英寸的SI-GaAs 集成电路生产线。预计1998~2003年,GaAs外延片市场以每年30%的速度增长(SI-GaAs片材1998年销售为1.24亿美元。InP具有比GaAs更优越的高频性能,发
展的速度更快;但不幸的是,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3~4英寸的SI-GaAs已用于大生产,预计21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。
(4GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展
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(M B E,M O C V D的新一代人工构造材料。它
Semiconductor T echnology Vol. 27 No. 3
March 20029
以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想,即从过去的所谓“杂质工程”发展到
“能带工程”,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。
2.3.1III-V族超晶格、量子阱材料
GaAlAs/GaAs,GaInAs/GaAs,AlGaInP/ GaAs;GaInAs/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(H E M T,赝高电子迁移率晶体管(P-HEMT器件最好水平已达f
max
=600GHz,输出功率58m W,功率增益6.4d B;双异质结晶体管
(H B T的最高频率f
max
也已高达500G H z,H E M T 逻辑大规模集成电路研制也达很高水平。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(约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。法国汤姆逊公司1999年新研制出三有源区带间级联量子阱激光器,2000年初,在美国召开的SPIE会议上,报道了单个激光器准连续输出功率超过10W的好结果。我国早在70年代就提出了这种设想,随后又从理
论上证明了多有源区带间隧穿级联、光子耦合激光器与中远红外探测器,与通常的量子阱激光器相比,具有更优越的性能,并从1993年开始了此类新型红外探测器和激光器的实验研究。1999年初,980nm InGaAs新型激光器输出功率以达5W 以上,包括量子效率、斜率效率等均达当时国际最好水平。最近,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,基于能带设计和对半导体微结构子带能级的研究,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,成功地获得
了3.5~17μm波长可调的红外激光器,为半导体激光器向中红外波段的发展以及在遥控化学传感、自由空间通信、红外对抗和大气质量监控等应用方面开辟了一个新领域。中科院上海冶金所和半导体所在此领域也进行了有效的研究,中科院上海冶金研究所于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(如Riber的MBE6000和VG Semicon的V150MBE系统,每炉可生产9×4英寸,4×6英寸或45×2英寸;每炉装片能力分别为80×6英寸,180×4英寸和64×6英寸,144×4英寸;A p p l i e d E P I M B E的GEN2000MBE系统,每炉可生产7×6英寸片,每炉装片能力为182片6英寸和MOCVD设备(如AIX2600G3,5×6英寸或9×4英寸,每台年生产能力为3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸;AIX3000的5×10英寸或25×4英寸或95×2英寸也正在研制中已研制成功,并已投入使用。EPI MBE研制的生产型设备中,已有
50kg的砷和10kg的钾源炉出售,设备每年可工作300天。英国卡迪夫的M O C V D 中心、法国的P i c o g i g a M B E基地、美国的Q E D公司、M o t o r o l a公司、日本的富士通、N T T、索尼等都有这种外延材料出售。生产型的M B E和M O C V D设备的使用,
趋势与展望
10
必然促进衬底材料和材料评价设备的发展。
2.3.2硅基应变异质结构材料
硅基光电子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。不幸的是,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/SiO
2
,硅基SiGeC体系
的Si
1-y C
y
/Si
1-x
Ge
x
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L E D发光器件的报道,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。GeSi/Si2DEG材料77K电子迁移率已达1.7×105c m2/V s。S i/G e S i M O D F E T a n d M O S F E T的最高截止频率已达200G H z,H B T最高振荡频率为160G H z,噪音在10GHz下为0.9dB,其性能可与G a A s器件相媲美,进一步的发展还有赖于同Si和GaAs的竞争结果!
GeSi材料生长方法主要有Si-MBE,CBE和超低压C V D三种,从发展趋势看,U H V/C V D(超低压C V D方法有较大优势,目前这种淀积系统已经具备工业生产能力。
尽管GaAs/Si和InP/Si是实现光电子集成最理想的材料体系,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是在该材料实用化前必需克服的难题。最近,Motolora等公司宣称,他们在12英寸的硅衬底上,用钛酸锶作缓冲层,成功的生长了器件级的G a A s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[1,2]
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,是新一代量子器件的基础。它的应用,极有可能触发新的技术革命。这类固态量子器件以其固有的超高速(10-12~10-13s、超高频(1000G H z、高集成度(1010电子器件/ c m2、高效低功耗和极低阈值电流(亚微安、极高量子效率、极高增益、极高调制带宽、极窄线宽和高的特征温度以及微微焦耳功耗等特点在未来的纳米电子学、光子学和新一代VLSI等方面有着极其重要的应用背景,得到世界各国科学家和有远见高技术企业家的高度重视。
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
(GaAs/InAlAs/InP,InGaAsP/InAlAs/InP以及GeSi/Si等,并在量子点激光器,量子线共振隧穿,量子线场效应晶体管和单电子晶体管和存储器研制方面,特别是量子点激光器研制取得了重大进展。应变自组装量子点材料与量子点激光器的研制已成为近年来国际研究热点。1994年俄德联合小组首先研制成功I n A s/G a A s量子点材料, 1996年量子点激光器室温连续输出功率达1W,阈值电流密度为290A/cm2,1998年达1.5W,1999年InAlAs/InAs量子点激光器283K温度下最大连续输出功率(双面高达3.5W。中科院半导体所在继1996年研制成功量子点材料,1997年研制成功的量子点激光器后,1998年初,三层垂直耦合InAs/ G a A s量子点有源区的量子点激光器室温连续输出功率超过1W,阈值电流密度仅为218A/c m2, 0.61W工作3000小时后,功率仅下降0.83dB。其综合指标,特别是器件寿命这一关键参数,处于国际领先水平。2000年初,该实验室又研制成功室温双面CW输出3.62W工作波长为960nm左右的量子点激光器,为目前国际报道的最好结果之一。
在单电子晶体管和单电子存储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30n m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0.25μm工艺技术实现了128Mb的单电子存储器原型样机的制造,这是在单电子器件在高密度存储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业已取得进展。其他方面的研究正在深入地进行中。
低维半导体结构制备的方法虽然很多,但从总体来看,不外乎自上而下和自下而上两种。细分起来主要有:微结构材料生长和精细加工工艺
趋势与展望
Semiconductor T echnology Vol. 27 No. 3 March 200211
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。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和应变自组装生长技术,以求获得无边墙损伤的量子线和大小、形状均匀、密度可控的量子点材料。
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I I-V I族硫、锡碲化物、氧化物(Z n O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[3]。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。1994年日本日亚公司
研制成功G a N基蓝光L E D,1996年实现室温脉冲电注入InGaN量子阱紫光LD,次年采用横向外延生长技术降低了GaN基外延材料中的位错,使蓝光LD室温连续工作寿命达到10000小时以上。目前,大约有10个小组已研制成功GaN基LD,其中有几个小组的LD已获得CW工作,波长在400~450nm 之间,最大输出功率为
0.5W。在微电子器件研制方面,G a N基F E T的最高工作频率f
m a x
已达
140G H z,f
T
=67G H z,跨导为260m S/m m;
H E M T器件也相继问世,发展很快。1999年G a N 基LED销售已达30亿美元!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,并预计2001年将有商品出售。这一突破性的进展,将有
力地推动蓝光激光
器和G a N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单晶的研制业已取得突破性进展,2英寸的4H和6H-SiC单晶与外延片,以及3英寸的4H-SiC单晶已有商品出售;以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市,参与以蓝宝石为衬低的G a N基发光器件的竞争,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族蓝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M B E技术率先宣布了电注入(Z n,C dS e/ ZnSe蓝光激光器在77K(495nm脉冲输出功率100mW 的消息,开始了II-VI族蓝绿光半导体激光(材料器件研制的高潮。紧接着布朗大学和普渡大学的Jeon等人在n和p型GaAs衬底或GaAs缓冲层上制备了以
(Zn,CdSe/ZnSe多量子阱为有源区,Z n(S,S e/Z n S e为异质结限制层的蓝光激光器(470n m,250K脉冲工作,阈值电流密度J
th
=850A/c m2,输出功率为600m W; 1992年3M公司又研制成功了以Z n S e为有源区,
J
th
=320A/cm2,在室温下脉冲输出100mW的蓝光半导体激光器,但寿命都很短。
与GaAs晶格匹配的ZnMgSSe四元材料体系的研制成功可使(ZnCdSe的带隙调至约4.5e V,这使II-VI激光器的波长可覆盖蓝光和绿光范围,同时也在一定程度上克服了高失配位错导致的LD 寿命短难题。采用以CdZnSe为阱,ZnMgSe为波导层,四元Z n M g S S e为盖层的Z n S e基LD结构,使其LD寿命稳步增长。据最近报导,ZnSe基II-VI族蓝绿光LD的寿命已达1000小时以上,但同G a N基蓝-绿光L D 相比,相差仍很大。目前, ZnSe基II-VI族材料研究重点是弄清退化机理(已提出的退化模型有层错和点缺陷相关模型等,最近的研究表明,点缺陷相关退化模型(电子和
(下转第14页
趋势与展望
12
趋势与展望交流有关半导体制造设备、材料研究开发以及标准的最新商务和技术发展动向，内容丰富、新颖，如全球设备市场状况和预测、低Ｋ介质沉积和腐蚀工艺的集成模块，先进的栅技术，用低Ｋ介质的１３０ｎｍＣＭＰ工艺的监测，铜引线工艺集成模块，工艺材料现状与预测，从１３０ｎｍ跨入１００ｎｍ，用于芯片倒扣焊的下填料技术的发展，硅晶片标准的最新进展，小于０．１８μｍ技术用低密度等离子体工艺等等。被邀请来的将包括ＴｏｋｙｏＥｌｅｃｔｒｏｎＬｔｄ．，上海先进（ＡＳＭＣ），上海宏力半导体制造（Ｇｒａｃｅ）ｄｖａｎｔｅｓｔ，Ａｐｐｌｉｅｄ，ＡＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＡＳＭＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，ＥＳＥＣ，ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ，ＬａｍＲｅｓｅａｒｃｈＴｅｒａｄｙｎｅ等来自世界领先半导体制造（上接第１２页）技术公司的行政官员和技术骨干应邀演讲。根据ＳＥＭＩ中国活动协调小组的任务宗旨，多年来在国内有关企业的积极配合下，与ＳＥＭＩ的合作不断加强，经双方共同努力，使ＳＥＭＩＣＯＮＣＨＩＮＡ已成为国内外半导体行业界和企业间互相学习，共同促进，协同发展的交流平台，为中国半导体产业的发展起到了积极的推动作用。２００２’ＳＥＭＩＣＯＮＳＨＡＮＧＨＡＩ又将是半导体行业界互相交流，企业相聚的盛会，《半导体技术》预祝大会圆满成功。本文根据ＳＥＭＩ中国活动协调小组秘书处提供材料整理空穴通过点缺陷的非辐射复合的声子发射增强缺陷反应）是导致ＺｎＳｅ基材料体系寿命短的主要机制。为此，提出了用Ｂｅ同ＶＩ族元素的化合物所具有的强键能来硬化晶格的措施，虽有进展，但尚未取得突破。总的来看，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是该材料体系走向实用化前必需要解决的问题，当然，进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题也是很重要的。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，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问题。９
０年代以来，国际上提出了多种解决方法，虽有进展，但未能取得重大突破。我们基于缺陷工程、晶面特征与表面再构、晶体结构对称性和生长动力学等方面的考虑，提出了柔性衬底的概念，并在ＺｎＯ／Ｓｉ、γ－Ａｌ２Ｏ３／Ｓｉ、ＳｉＣ／Ｓｉ和ＧａＮ／Ｓｉ等异质结构材料准备方面取得了进展。这个问题的解决，必将极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、ＺｎＯ等体单晶材料、宽带隙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，至今仍未取得重大突破。（待续）英特尔安腾ｄ处理器列入新加坡生物医学网的重要候选平台英特尔公司今天与新加坡生物信息学研究所签署合作备忘录，成为新加坡政府生物医学项目的技术合作伙伴。新加坡生物信息学研究所是新加坡的科学、技术和研究机（Ａ＊ＳＴＡＲ）投资的一家研究所。作为协议的一部分，英特尔将向新加坡生物信息学研究所提供一系列服 14 半导体技术第２７卷第３期务，包括优先获得关键英特尔技术、对主要研究人员的专业高级培训、以及提供现场顾问咨询，帮助新加坡政府加快推进多项生物技术计划。新加坡生物信息学研究所将评估英特尔ｄ安腾ｄ处理器家族，并将其列入新加坡生物医学网的候选平台。二ＯＯ二年三月
实用标准文案 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（Smart cut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。 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。
半导体材料研究的新进展* 王占国 (中国科学院半导体研究所,半导体材料科学实验室,北京100083 摘要:首先对作为现代信息社会的核心和基础的半导体材料在国民经济建设、社会可持续发展以及国家安全中的战略地位和作用进行了分析,进而介绍几种重要半导体材料如,硅材料、GaAs和InP单晶材料、半导体超晶格和量子阱材料、一维量子线、零维量子点半导体微结构材料、宽带隙半导体材料、光学微腔和光子晶体材料、量子比特构造和量子计算机用材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后,提出了发展我国半导体材料的建议。本文未涉及II-VI族宽禁带与II-VI族窄禁带红外半导体材料、高效太阳电池材料Cu(In,GaSe 2 、CuIn(Se,S等以及发展迅速的有机半导体材料等。 关键词:半导体材料;量子线;量子点材料;光子晶体 中图分类号:TN304.01文献标识码:A文章编 号:1003-353X(200203-0008-05 New progress of studies on semiconductor materials WANG Zhan-guo (Lab.of Semiconductor Materials Science,Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences,Beijing100083,China Abstract:The strategic position and important role of semiconductor materials,as a core and foundation of the information society,for development of national economic,national safety and society progress
提高导电高分子电导率的研究概述 摘要：主要介绍了导电高分子材料的分类情况，针对其分类简介了各类导电高分子材料的导电机理，并利用其导电机理集中概述了几种提高高分子电导率的方法，最后指出了导电高分子目前在电导率方面存在的问题及发展趋 关键词：导电高分子；电导率；引言： 导电高分子材料，也可称作导电聚合物,自从1977年【1】科学家发现晶态聚乙炔具有明显的导电性以来,导电聚合物已不再是一个陌生的名词,作为一类新的材料也引起了化学家和物理学家的重视和兴趣。【2】各国科学家对其合成、结构、导电机理、性能、应用等方面经过多年的研究,导电聚合物已使其成为一门相对独立的学科。人们在制得导电高分子的同时,对其导电机制探索的兴趣也是十分的浓厚。本文将对提高导电高分子的电导率的研究进行简单的概述。 正文： 从导电机理的角度看,导电高分子大致可分为两大类:第一类是复合型导电高分子材料,它是指在普通的聚合物中加入各种导电性填料而制成的；第二类是结构型导电高分子材料,它是指高分子本身或经过“掺杂”(dope)之后具有导电功能的一类材料，这类导电高分子一般为共轭型高聚物。【3】导电聚合物还可以分成以下三类:电子导电聚合物、离子导电聚合物和氧化还原型导电聚合物。【4】所有电子导电聚合物的共同结构特征为分子内有着线性大的共扼π电子体系,即电子聚合物大都为共轭聚合物。目前研究最多的高分子聚合物是：聚对苯(PPP)、聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚苯胺(Pan)和聚苯基乙炔(PPV)。下面对导电高分子的电导率进行简单的概述。 1、2结构型导电高分子的导电机理 结构型导电高分子一般为共轭型高聚物,在共轭高聚物中由于价带电子对电导没有贡献,另一方面由于受链规整度的影响,常常使聚合度n不大,使得电子在常温下从P轨道跃迁到P*较难,因而电导率较低。【3】对其导电机理具体分析如下：1、2、1共轭高分子导电应具备的条件 根据能带理论可知,高分子要具有导电性必须满足下列两个条件【7】,才能冲破分子中原子最外层电子的定域,形成具有整个大分子性的能带体系:(1)大分子的分子轨道能强烈地离域;(2)大分子链上的分子轨道间能相互重叠。而能满足上
第28卷第1期 中国材料进展v。1.28N。.1 2009年1月MATERIALS CHINA Jan.2009 半导体信息功能材料与器件的研究新进展 王占国 (中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京100083 摘要:首先简要地介绍了作为现代信息社会基础的半导体材料和器件极其重要的地位,进而同顾了近年来半导体光电信息功能材料,包括半导体微电子、光电子材料,宽带隙半导体材料,自旋电子材料和有机光电子材料等的研究进展,最后对半导体信息功能材料的发展趋势做了评述。 关键词:半导体微电子;光电子材料;宽带隙半导体材料;自旋电子材料;有机光电子材料 中图法分类号:TN304:TB34文献标识码:A文章编号:1674—3962(2009Ol-0026一05 Recent Progress of Semiconductor Information Functional Materials WANG Zhanguo (Institute ofSemiconductors,Chinese Academy ofSciences,Beijing100083,China Abstract:The extreme importance of semiconductor materials and devices as a foundation of the modern informational society js briefly introduced first in this paper,Then the recent progress of semiconductor microelectronic and optoeleetron?iC materiMs including silicon,GaAs and InP crystals and itS mierostructures,wide band gap semiconductors materials, spintronic materisis and organic semiconductor optoelectronic
半导体材料研究的新进展 王占国 (中国科学院半导体研究所，半导体材料科学实验室，北京100083 摘要:首先对作为现代信息社会的核心和基础的半导体材料在国民经济建设、 社会可持续发展以及国家安全中的战略地位和作用进行了分析，进而介绍几种重要半导体材料如，硅材料、GaAs和InP单晶材料、半导体超晶格和量子阱材料、一维量子线、零维量子点半导体微结构材料、宽带隙半导体材料、光学微腔和光子晶体材料、量子比特构造和量子计算机用材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。本文未涉及II-VI族宽禁带与II-VI族窄禁带红外半导体材料、高效太阳电池材料Cu(In,GaSe 2 、CuIn(Se,S等以及发展迅速的有机半导体材料等。 关键词:半导体材料；量子线;量子点材料；光子晶体 中图分类号:TN304.01 文献标识码:A 文章编 号:1003-353X(200203-0008-05 New progress of studies on semiconductor materials WANG Zha n-guo (Lab. of Semic on ductor Materials Scien ce,I nstitute of Semico nductors, Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083, China Abstract:The strategic positi on and importa nt role of semic on ductor materials, as a core and foundation of the information society, for development of national economic, national safety and society progress
文献综述 课题名称磷化铟晶体半导体材料的研究学生学院机电工程学院 专业班级2013级机电（3）班 学号31120000135 学生姓名王琮 指导教师路家斌 2017年01月06日
中文摘要 磷化铟(InP)已成为光电器件和微电子器件不可或缺的重要半导体材料。本文详细研究了快速大容量合成高纯及各种熔体配比条件的InP材料；大直径 lnP 单晶生长；与熔体配比相关的缺陷性质；lnP中的VIn心相关的缺陷性质和有关InP材料的应用，本文回顾了磷化铟( InP)晶体材料的发展过程,介绍了磷化铟材料的多种用途和优越特性，深入分析InP合成的物理化学过程，国际上首次采用双管合成技术，通过对热场和其他工艺参数的优化，实现在60—90分钟内合成4．6Kg 高纯InP多晶。通过对配比量的调节，实现了熔体的富铟、近化学配比，富磷等状态，为进一步开展不同熔体配比对InP性质的影响奠定了基础. 关键词：磷化铟磷注入合成晶体材料器件 ABSTRACT Indium Phosphide(InP)has been indispensable to both optical and electronic devices．This paper used a direct P—injection synthesis and LEC crystal growth method to prepare high purity and various melt stoichiometryconditions polycrystalline InP and to grow high quality,large diameter InP single crystal in our homemade pullers．In this work，we have obtained the abstract this paper looks back the developing process on the bulk InP crystals, introduces vario us uses a nd superior character of the InP ma terials and a large quantity of high purity InP crystal material has been produced by the phosphorus in-situ injection synthesis and liquid encapsulated Czochralski(LEC) growth process．In the injection method，phosphorus reacts with indium very quickly so that the rapid polycrystalline synthesis is possible．The quartz injector with two Or multi-transfer tubes was used to improve the synthesis result．It will avoid quartz injector blast when the melt was indraft into the transfer tube．The injection speed，melt temperature，phosphorus excess，and SO on are also important for a successful synthesis process．About 4000—60009 stoichiometric high purity poly InP is synthesized reproducibly by improved P-injection method in the high—pressure puller． Keywords：InP , P-injection synthesis, Crystal , Material, Device 引言 磷化铟( InP)是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料之一,是继Si、Ga As之后的新一代电子功能材料。几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时,科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。1952年Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半导体,而且某些化合物半导体如Ga As、In P等具有Ge、Si所不具备
论述半导体材料 一、半导体材料的分类； 半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）Ω/cm范围内。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体、固溶体半导体和非晶态与液态半导体。元素半导体大约有十几种，处于ⅢA族—ⅦA族的金属元素与非金属元素交界处，如Ge，Si，Se，Te等；化合物半导体分为二元化合物半导体和多元化合物半导体；有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物、和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物，电导率为10-10~102Ω·cm。固溶体半导体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如ⅣA-ⅣA组成的Ge-Si固溶体，ⅤA-ⅤA组成的Bi-Sb 固溶体。原子排列短程有序、长程无序的半导体成为非晶态半导体，主要有非晶硅、非晶锗等。 二、半导体材料的特性参数； 半导体材料的特性参数对半导体的应用甚为重要，因为不用的性质决定着不同的用途。下面介绍晶体管、光电器件和温差电器件对半导体材料特性的要求。
1.晶体管对半导体材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。 2.光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁带宽度(禁带宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极管、半导体激光二极管的发光效率大为降低。 3.温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁带宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。 三、半导体材料的应用举例； 1.元素半导体材料：硅在当前的应用相当广泛，他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
如何做文献综述 文献综述抽取某一个学科领域中的现有文献，总结这个领域研究的现状，从现有文献及过去的工作中，发现需要进一步研究的问题和角度。 文献综述是对某一领域某一方面的课题、问题或研究专题搜集大量情报资料，分析综合当前该课题、问题或研究专题的最新进展、学术见解和建议，从而揭示有关问题的新动态、新趋势、新水平、新原理和新技术等等，为后续研究寻找出发点、立足点和突破口。 文献综述看似简单．其实是一项高难度的工作。在国外，宏观的或者是比较系统的文献综述通常都是由一个领域里的顶级“大牛”来做的。在现有研究方法的著作中，都有有关文献综述的指导，然而无论是教授文献综述课的教师还是学习该课程的学生，大多实际上没有对其给予足够的重视。而到了真正自己来做研究，便发现综述实在是困难。 约翰W.克雷斯威尔（John W. Creswell）曾提出过一个文献综述必须具备的因素的模型。他的这个五步文献综述法倒还真的值得学习和借鉴。他认为，文献综述应由五部分组成：即序言、主题1（关于自变量的）、主题2（关于因变量的）、主题3（关于自变量和因变量两方面阐述的研究）、总结。 1. 序言告诉读者文献综述所涉及的几个部分，这一段是关于章节构成的陈述。在我看也就相当于文献综述的总述。 2. 综述主题1提出关于“自变量或多个自变量”的学术文献。在几个自变量中，只考虑几个小部分或只关注几个重要的单一变量。记住仅论述关于自变量的文献。这种模式可以使关于自变量的文献和因变量的文献分开分别综述，读者读起来清晰分明。 3. 综述主题2融合了与“因变量或多个因变量”的学术文献，虽然有多种因变量，但是只写每一个变量的小部分或仅关注单一的、重要的因变量。 4. 综述主题3包含了自变量与因变量的关系的学术文献。这是我们研究方案中最棘手的部分。这部分应该相当短小，并且包括了与计划研究的主题最为接近的研究。或许没有关于研究主题的文献，那就要尽可能找到与主题相近的部分，或者综述在更广泛的层面上提及的与主题相关的研究。 5. 在综述的最后提出一个总结，强调最重要的研究，抓住综述中重要的主题，指出为什么我们要对这个主题做更多的研究。其实这里不仅是要对文献综述进行总结，更重要的是找到你要从事的这个研究的基石（前人的肩膀），也就是你的研究的出发点。 在我看来，约翰.W.克雷斯威尔所提的五步文献综述法，第1、2、3步其实在研究实践中都不难，因为这些主题的研究综述毕竟与你的研究的核心问题有距
半导体材料的研究进展 摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。 关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势 一、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,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,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,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的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,固溶体半导体此阿里奥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制成功,是的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,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;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超强优越性,被称为IT产业的新发动机。 新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。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过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
姓名：高东阳 学号：1511090121 学院：化工与材料学院专业：化学工程与工艺班级：B0901 指导教师：张芳 日期： 2011 年12月 7日
半导体材料的研究综述 高东阳辽东学院B0901 118003 摘要：半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可充分应用与器件。随着社会的进步和现代科学技术的发展，半导体材料越来越多的与现代高科技相结合，其产品更好的服务于人类，改变着人类的生活及生产。文章从半导体材料基本概念的界定、半导体材料产业的发展现状、半导体材料未来发展趋势等方面对我国近十年针对此问题的研究进行了综述，希望能引起全社会的关注和重视。 关键词：半导体材料，研究，综述 20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；20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”。彻底改变人们的生活方式。在此笔者主要针对半导体材料产业的发展、半导体材料的未来发展趋势等进行综述，希望引起社会的关注，并提出了切实可行的建议。 一、关于半导体材料基础材料概念界定的研究 陈良惠指出自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体、和绝缘体三大类。半导体的电导率在10-3～ 109欧·厘米范围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。[1] 半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。[2]随着社会的进步以及科学技术的发展，对于半导体材料的界定会越来越精确。 二、关于半导体材料产业的发展现状及解决对策的分析 王占国指出中国半导体产业市场需求强劲，市场规模的增速远高于全球平均水平。不过，产业规模的扩大和市场的繁荣并不表明国内企业分得的份额更大。相反，中国的半导体市场正日益成为外资公司的乐土。[3]
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。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过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY 碳纳米管的性质与应用 姓名：赵开 专业：应用化学 班级： 0804 学号： 080105097 2011年05月
文献综述 前言 本人论题为《碳纳米管的性质与应用》。碳纳米管是一维碳基纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。碳纳米管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等力学，电磁学特点。近年来，碳纳米管在力学、电磁学、医学等方面得到了广泛应用。 本文根据众多学者对碳纳米管的研究成果，借鉴他们的成功经验，就碳纳米管的性质及其功能等方面结合最新碳纳米管的应用做一些简要介绍。本文主要查阅近几年关于碳纳米管相关研究的文献期刊。
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管（SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管（MWNT）。自从1991年日本科学家lijima发现碳纳米管以来，其以优异的力学、热学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注。 一、碳纳米管的性质 碳纳米管的分类 研究碳纳米管的性质首先要对其进行分类。（1）按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。（2）按照手性分类，碳纳米管可分为手性管和非手性管。其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管。（3）按照导电性能分类，碳纳米管可分为导体管和半导体管。 碳纳米管的力学性能 碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。其拉伸强度是钢的100倍，而质量只有钢的1/ 6，并且延伸率可达到20 %，其长度和直径之比可达100～1000，远远超出一般材料的长径比，因而被称为“超强纤维”。碳纳米管具有如此优良的力学性能是一种绝好的纤维材料。它具有碳纤维的固有性质，强度及韧性均远优于其他纤维材料[1]。单壁碳纳米管的杨氏模量在1012Pa范围内，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外力大于欧拉强度极限或弯曲强度，它不会断裂而是先发生大角度弯曲然后打卷形成麻花状物体，但是当外力释放后碳纳米管仍可以恢复原状。 碳纳米管的电磁性能
1.2.1国外全球价值链研究 全球价值链理论根源于20世纪80年代国际商业研究者提出和发展起来的价值链(vahieChain)理论，其中波特的价值链理论最为普遍，但是对全球价值链理论的形成来讲，寇加特的价值链理论却更为重要。生产网络学说对GVC理论的形成也贡献不少。所相异的是，生产网络学说更强调的是企业间的关系网络和由此而形成的具有规模的经济群落，而价值链学说则是突出生产序列和垂直分离、整合。 波特(Porter，1985)分析公司行为与竞争优势时，认为公司价值创造的过程主要是由基本活动和支持性活动两部分完成的，且这两部分活动在此价值创造过程中互相联系而构成的行为链条称之为价值链。其中，基本活动主要包括生产、营销、运输还有售后服务等，支持性活动主要包括原材料供应、技术、人力资源与财务等等。随着国际外包业务出现，波特又在此基础上突破公司界限，将视角扩展到了不同公司间的经济交往，提出了价值体系，此概念跟现在统一的全球价值链概念基本无异。波特认为，一个公司价值链和其他经济单位的价值链是联系在一起的，不仅仅是公司内部价值链，且任何公司的价值链都存在于一个多价值链的价值体系中。公司竞争优势大小与该价值体系中各价值行为之间有着密不可分的联系。 波特初次提出价值链概念的同期，寇加特(Kogut，1985)则认为，价值链基本上就是技术与原料和劳动融合在一起形成各种投入环节的过程，然后通过组装把这些环节结合起来形成最终商品，最后通过市场交易、消费等最终完成价值循环过程。在这一价值不断增值的链条上，单个企业或许仅仅参与了某一环节，或者企业将整个价值增值过程都纳入了企业等级制的体系中。寇加特认为国际商业战略的设定形式其实是国家的比较优势和企业的竞争力之间相互作用的结果。当国家的比较优势决定了整个价值链条上的各个环节在国家或地区之间如何进行空间配置时，企业的竞争能力就决定了企业应该在价值链哪个环节和技术层面投入其所有资源，以确保其竞争优势。比较波特的强调单个企业竞争优势的价值链观点而言，寇加特的价值链观点更能反映出价值链的垂直分离和全球空间再配置之间的关系。从这个角度看，寇加特对全球价值链理论的形成功不可没。 1.2.2国内全球价值链研究 全球价值链是针对经济全球化提出的，而不是从环境、经济、人口、政府和文化等广义的全球化角度来考察全球化的(杨雪东，2002)。全球价值链各个价值环节分散与全球各地，同时各个环节之间企业产权是相互独立的(刘伟、李风圣，1997)。 有些学者认识到在经济全球化的背景下，现代企业竞争优势的基础己经超出了单个企业自身的能力和资源范围，越来越多地源与企业与产业价值链上各环节的有效整合中，现代企业的竞争已经演绎为企业所加入的产业价值链间的竞争(冯丽、李海舰，2003)。 张辉(2006)指出，全球价值链是指为实现商品或服务价值而连接生产、销售、回收处理过程的全球性跨企业的网络组织，涉及从原材料的采集和运输，半成品和成品的生产与分销，直至最终消费和回收处理的整个过程。它包括所有参与者和生产活动的组织及其利润分配。散布在全球的价值链上的企业进行着从生产设计、产品开发生产制造、营销、出售、消费、售后服务、最后的循环利用等各种增值活动。 2.1.2全球价值链的动力机制 全球价值链关于动力机制的研究，基本延续了Gereffi等人在全球商品链研 究中给出的全球商品链运行的生产者驱动和购买者驱动两种模式，即全球价值链 条的驱动力基本来自生产者和购买者两个方面。 二元动力论是基于进入不同产品市场的进入门槛差异给出的(Dicken等， 2001)，因此其动力机制基本是按产业部门划分的，而现实世界中，同一产业部 门内两种动力机制是有可能共存的，以致同一产业部门不同价值环节的动力机制
有机光伏材料综述 能源是人类社会发展的驱动力，是人类文明存在的基础。目前我们所能利用的能源主要是煤、石油和天然气等传统石化资源。自从18世纪工业革命以来，人类对能源的需求不断增长，由此导致的能源安全问题日益凸显。太阳直径为1.39*106km，质量为1.99*1030kg，距离地球1.5*108km。组成太阳的质量大多是些普通的气体，其中氢约占71.3%、氦约占27%，其它元素占2%。太阳从中心向外可分为核反应区、核辐射区和对流去区、太阳大气。我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000k。太阳每分钟发出的总能量为2.27*1025kJ，尽管只有22亿分之一的能量辐射到地球上，但太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤燃烧所产生的能量。 1太阳能电池 1.1太阳能的利用 太阳能的利用包括很多种技术手段，例如太阳能热水器、光解水制氢气、太阳能热发电以及光伏发电。前二者的应用水平较低，要想大规模地提供能源，主要得靠后两种技术。 太阳能热发电目前主要有三种实现方式，即塔式、槽式和碟式。这三种技术的基本原理都是通过将太阳光聚焦，加热水或者其他工质（例如热熔盐和空气），通过热循环驱动发电机组来发电。 太阳能热发电技术以较为成熟的机械工艺为基础，在规模足够大之后可望实现经济运行。但是这样的热电站也兼具传统热电站的缺点，即建设成本高，机械损耗大，维护成本高，而且只能在专用地上建设，无法与已有城乡建筑物进行集成。在太阳能热发电领域，我国起步较晚，技术积累较少，目前尚不具备对外的竞争优势。 1.2光伏技术 “光伏”这个词译自“Photovoltaic”，即“光”和“伏特”的组合。这个词最早是用来描述一些材料在光照下形成电压的现象，后来人们认识到光电压的形成是由于材料中的电子被入射的光子激发而形成了电势差，从而形成对外的电流电压输出。采用光伏原理发电的设备，我们称之为“太阳能电池”。 最早的光伏效应是Edmund Bequerel 在1839 年发现的，一百多年后（1954年），随着硅半导体工业的发展，第一个能用于实际发电的太阳能电池才在贝尔实验室问世。这个太阳能电池以硅半导体的p-n 结为基础，光电转化效率为6%。 半导体p- n 结的结构及原理如图1所示。当p 型和n 型的半导体相互接触时，由于浓度差的存在，p 型半导体中的空穴会向n 型半导体扩散，n 型半导体中的电子也会向p 型半导体扩散，造成接触面双侧的电荷不平衡，从而形成由n 型区指向p 型区的空间电场。反映在能级图上，即p 型区和n 型区的费米能级一致化后，两个区域间形成了一个能级差，这个能级差即是内建电场（Ebi）。p 型区和n 型区之间的过渡区域，称为p-n 结的结区。在结区内，内建电场会驱使电荷进行定向传输。
文献综述 黄铁矿黄铁矿因其浅黄铜的颜色和明亮的金属光泽，常被误认为是黄金，故又称为“愚人金”。成分中通常含钴、镍和硒，具有NaCl型晶体结构。成分相同而属于正交（斜方）晶系的称为白铁矿。成分中还常存在微量的钴、镍、铜、金、硒等元素，含量较高时可在提取硫的过程中综合回收和利用。 简介 黄铁矿因其浅黄铜的颜色和明亮的金属光泽，常被误认为是黄金，故又称为“愚人金”。 黄铁矿是铁的二硫化物。纯黄铁矿中含有46.67%的铁和53.33%的硫。我国一般将黄铁矿作为生产硫磺和硫酸的原料，而不是用作提炼铁的原料，因为提炼铁有更好的铁矿石。黄铁矿分布广泛，在很多矿石和岩石中包括煤中都可以见到它们的影子。一般呈黄铜色立方体。黄铁矿风化后会变成褐铁矿或黄钾铁矾。黄铁矿可经由岩浆分结作用、热水溶液或升华作用中生成，也可产于火成岩、沉积岩[1]中。 黄铁矿化学成分是FeS2，是提取硫、制造硫酸的主要矿物原料。其晶体属等轴晶系。成分中通常含少量钴、镍和硒，具有NaCl型晶体结构。常有完好的晶形，呈立方体、八面体、五角十二面体及其聚形。立方体晶面上有与晶棱平行的条纹，各晶面上的条纹相互垂直。集合体呈致密块状、粒状或结核状。浅黄（铜黄）色，条痕绿黑色，强金属光泽，不透明，无解理，参差状断口。摩氏硬度较大，达6-6.5，小刀刻不动。比重4.9―5.2。在地表条件下易风化为褐铁矿。 有趣的是，由于黄铁矿外观与黄金类似，被称为“愚人金”。如何识别它和真正的黄金呢？只要拿它在不带釉的白瓷板上一划，一看划出的条痕（即留在白瓷板上的粉末），就会真假分明了。金矿的条痕是金黄色的，黄铁矿的条痕是绿黑色的。用手掂一下，手感特别重的是黄金，因为自然金的比重是15.6―18.3，而黄铁矿只有4.9―5.2。另外，灼烧也可以辨别——黄铁矿会发出刺激性气味（SO2）。
有机半导体材料 1 有机半导体材料的分子特征 有机半导体材料与传统半导体材料的区别不言自明，即有机半导体材料都是由有机分子组成的。有机半导体材料的分子中必须含有 键结构。如图1所示，在碳-碳双键结构中，两个碳原子的pz 轨道组成一对 轨道（ 和 ），其成键轨道（ ）与反键轨道（ ）的能级差远小于两个 轨道之间的能级差。按照前线轨道理论， 轨道是最高填充轨道（HOMO）， 是最低未填充轨道（LUMO）。在有机半导体的研究中，这两个轨道可以与无机半导体材料中的价带和导带类比。当HOMO 能级上的电子被激发到LUMO 能级上时，就会形成一对束缚在一起的空穴-电子对。有机半导体材料的电学和电子学性能正是由这些激发态的空穴和电子决定的。
在有机半导体材料分子里， 键结构会扩展到相邻的许多个原子上。根据分子结构单元的重复性，有机半导体材料可分为小分子型和高分子型两大类。 小分子型有机半导体材料的分子中没有呈链状交替存在的结构片断，通常只由一个比较大的 共轭体系构成。常见的小分子型有机半导体材料有并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等（如图2)，常见的高分子型有机半导体材料则主要包括聚乙炔型、聚芳环型和共聚物型几大类，其中聚芳环型又包括聚苯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等类型（如图3)。 事实上，由于有机分子的无限可修饰性，有机半导体材料的结构类型可以说是无穷无尽的。 图2: 几种常见的小分子有机半导体材料：（1）并五苯型，（2）三苯基胺类，（3）富勒烯，（4）酞菁，（5）苝衍生物和（6）花菁类。
图3: 几种常见的高分子有机半导体材料：（1）聚乙炔型，（2）聚芳环型，（3）共聚物型。 2 有机半导体材料中的载流子 我们知道无机半导体材料中的载流子只有电子和空穴两种，自由的电子和空穴分别在材料的导带和价带中传输。相形之下，有机半导体材料中的载流子构成则要复杂得多。 首先，由于能稳定存在的有机半导体材料的能隙（即LUMO 与HOMO 的能级差）通常较大，且电子亲和势较低，大多数有机半导体材料是p 型的，也就是说多数材料只能传导正电荷。无机半导体材料中的正电荷（即空穴）是高度离域、可以自由移动的，而有机半导体材料中的正电荷所代表的则是有机分子失去一个电子（通常是HOMO 能级上的电子）后呈现的氧化状态。因此，在有机半导体材料中引入一个正电荷，必然导致有机分子构型的改变。