半导体材料论文第1篇

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC’s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0．18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm,0．13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4,6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：（1）．增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。(2)．提高材料的电学和光学微区均匀性。（3）．降低单晶的缺陷密度，特别是位错。（4）．GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

(1)Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管(HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW,功率增益6.4db;双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz,HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1．5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄(～0．01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9．1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW。量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3．7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

(2)硅基应变异质结构材料。硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0．9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP,InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3．6～4W。特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED)和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0．5W。在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题,如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可见光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1．5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计算的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料

硅材料作为微电子技术的主导地位至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶

材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体

微结构材料的建议

(1)超晶格、量子阱材料

从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

(2)一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

半导体材料论文第2篇

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

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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）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

半导体材料论文第3篇

【关键词】半导体材料；发展；现状

半导体材料这一概念第一次被提出是在二十世纪，被维斯和他的伙伴考尼白格首次提及并使用，半导体材料从那时起便不断的进步发展，伴随着现代化的生活方式对一些数字产品的应用需求，社会对半导体材料推出了更高的要求，这使得半导体材料得到了飞跃性的发展【1】。本篇论文就半导体材料的概念性理解，半导体材料的历史性发展，新一代半导体材料的举例以及发展应用现状等方面展开了基本论述，谈论我国在半导体材料这一领域的应用与发展的实际情形。

1.对半导体材料的概念性理解

对半导体材料的理解不能脱离当今二十一世纪这个有着高需求和高速度特点的时代，这个时代同时也是崇尚环保观念，倡导能源节约的时代，因此新的信息时代下半导体的发展要脱离以往传统的发展模式，向新的目标迈进。

首先，我们要了解什么是半导体材料，这将为接下来的论述打下概念性的基础。众所周知，气体，液体，固体等状态都可称之为物质的存在状态，还有一些绝缘体，绝缘体是指导热性或者导电性较差的物质，比如陶瓷和琥珀，通常把F，银，金，铜等导热性和导电性较好的一类物质成为导体，所以顾名思义，半导体既不属于绝缘体，也不属于导体，它是介于导体和绝缘体性质之间的一种物质【2】。半导体没有导体和绝缘体发现的时间早，大约在二十世纪三十年代左右才被发现，这也是由于技术原因，因为鉴定物质的导热性和导电性的技术到了一定的时期才得到发展，而且对半导体材料的鉴定需要利用到提纯技术，因此，当对物质材料的提纯技术得到升级到一定水平之后，半导体的存在才真正意义上在学术界和社会上被认可。

2.半导体材料的历史发展及早期应用

对半导体材料的现代化研究离不开对这一材料领域的历史性探究，只有知道半导体材料是怎样，如何从什么样的情形下发展至今的，才能对当今现代半导体材料形成完整的认识体系。对半导体材料的接触雏形是先认识到了半导体材料的四个特性。论文接下来将会具体介绍，并对半导体材料早期应用做出详细解释。

2.1半导体材料发现之初的特性

半导体材料第一个被发现的特性，在一般的情况之下，金属材料的电阻都是随着温度的升高而增加的，但是巴拉迪，这位英国的科学研究学者发现硫化银这一物质的电阻随着温度的升高出现了降低的情况，这就是对半导体材料特性的首次探索，也是第一个特性。

半导体材料的第二个特性是由贝克莱尔，一位伟大的法国科学技术研究者发现的，他发现电解质和半导体接触之后形成的结会在施加光照条件之下产生一个电压，这是后来人们熟知的光生伏特效应的前身，也是半导体材料最初被发现的第二个特性。

半导体材料的第三个特性是由德国的科学研究学者布劳恩发现的，他发现一些硫化物的电导和所加电场的方向有着紧密的联系，也就是说某些硫化物的导电是有方向性的，如果在两端同时施加正向的电压，就能够互相导通，如果极性倒置就不能实现这一过程，这也就是我们现在知道的整流效应，也是半导体材料的第三个特性。

半导体材料的第四个特性是由英国的史密斯提出的，硒晶体材料在光照环境下电导会增加，这被称作光电导效应，也是半导体材料在早期被发现的第四个特性【3】。

2.2半导体材料在早期的应用情况

半导体材料在早期被应用在一些检测性质的设备上，比如由于半导体材料的整流效应，半导体材料被应用在检波器领域。除此之外，大家熟知的光伏电池也应用了早期的半导体材料，还有一些红外探测仪器，总之，早期被发现的半导体材料的四个重要的特性都被应用在了社会中的各个领域，半导体材料得到初步的发展。

直到晶体管的发明，使得半导体材料在应用领域被提升到一个新的高度，不再仅仅是应用在简单的检测性质的设备中或者是电池上，晶体管的发明引起了电子工业革命，在当今来看，晶体管的发明并不仅仅只是带来了这一电子革命，最大的贡献在于它改变着我们的生活方式，细数我们现在使用的各种电器产品，都是有晶体管参与的。因此晶体管的发明在半导体材料的早期应用发展上有着举足轻重的位置，同时也为今后半导体材料的深入发展做足了准备，具有里程碑式的意义与贡献【4】。

3.现代半导体材料的发展情况

以上论文简单的介绍了半导体材料以及其早期的发现与应用，接下来就要具体探讨第三代半导体材料这一新时代背景下的产物。第三代半导体材料是在第一和第二代半导体材料的发展基础之上衍生出的更加适应时代要求和社会需要的微电子技术产物。本篇论文接下来将介绍我国半导体材料领域的发展情况，并介绍一些新型的半导体材料的应用与发展情况。

3.1我国半导体材料领域的发展情形

半导体材料的发展属于微电子行业，针对我国的国情和社会现状，我国微电子行业的发展不能急于求成，这将会是一个很复杂的过程，也必定是一个长期性的工程。从现在半导体材料发展的情况来看，想要使半导体材料更加满足受众的需求，关键要在技术层面上寻求突破。我国大陆目前拥有的有关半导体材料的技术，比如IC技术还只能达到0.5微米，6英寸的程度，相较于国际上的先进水平还有较大的差距。

虽然我国目前在半导体材料领域的发展水平与国际先进水平存在着较大的差距，但是这也同时意味着我国在半导体材料领域有着更大的发展空间和更好的前景，而且当今不论是国内环境还是国际环境，又或者是政治环境影响下的我国的综合性发展方面而言，对中国微电子行业半导体领域的发展还是十分有利的，相信我国在半导体材料这一领域一定会在未来有长足的发展。

3.2新型半导体材料的发展介绍

前文提到，第三代半导体材料如今已经成为半导体材料领域的主要发展潮流，论文接下来将会选取几种关键的三代半导体材料展开论述。

第一种是碳化硅材料。它属于一种硅基化合物半导体材料，这一类材料的优越性体现在其较其他种类半导体材料有着更强的热导性能。因此被应用在广泛的领域，比如军工领域，，也会被应用在太阳能电池，卫星通信等领域。

第二种是氧化锌材料。氧化锌材料被广泛的应用到了传感器和光学材料领域中，这是因为它具备一些关键性的特性，集成度高，灵敏度高，响应速度快等，这些特征恰恰是传感等应用范围广泛的领域中所看中的关键点，不仅如此，氧化锌半导体材料不仅性能好，而且这类材料的原料丰富，所以价格低廉，还具有较好的环保性能【5】。

4.结语

近年来，半导体照明产业得到了飞跃式的发展，被越来越广泛的应用到人们的日常生活中，而支撑这一产业的核心材料正是以碳化硅等半导体材料为主的某些微电子材料，半导体材料利用下的各项技术已经在全球范围内占领者新的战略高地。我国半导体材料领域虽然起步晚，发展水平较国际水平有差距，但是前景光明，尤其是第三代半导体材料的出现和应用，在人们的生活中有着更加广泛和有建设性的应用，改变着人们的生活方式，不断推动着半导体材料的发展。

参考文献：

[1]甘倩.浅谈LED路灯在城市道路照明中的应用[J].建筑工程技术与设计，2014，（12）：477-477.

[2]黄裕贤.浅谈157nm激光微加工工艺及自动化编程[J].科学与财富，2015，（7）：560-560.

[3]胡凤霞.浅谈半导体材料的性能与应用前景[J].新教育时代电子杂志（教师版），2016，（13）：267.

半导体材料论文第4篇

关键词：半导体材料；器件；教学；改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）04-0169-02

一、引言

当代半导体产业已成为关系到国民经济和国家信息安全的重要战略性产业。与日本、美国等发达国家相比，在电子信息领域，我国与其尚存在一定的差距。在过去的几十年中，半导体科学和其他相关学科的快速发展，半导体器件在多个领域的广泛应用，对我国今后半导体材料及器件的基础教育提出了更高的要求。《半导体材料及器件》是能源与电子材料方向本科生的一门专业课，在半导体物理学知识的基础上，将光电子器件和微电子器件结合起来，全面系统地讲述了半导体物理的基础知识以及典型的半导体器件的工作原理及工作性能。《半导体材料及器件》课程涉及一部分的物理知识，需要学生有一定程度的物理基础；并且，面对各种器件复杂的工作原理，在教学时学生常会感到枯燥乏味，抽象难懂，从《半导体材料及器件》的课堂教学及学生的整体反映来看，学生对本课程的热情低，课堂效果差。因此，为了提高教学质量，培养出满足产业发展和市场需求，具备自主创新能力的人才，对《半导体材料及器件》课程进行教学改革。

二、课程开设的目的和意义

材料的发展在前沿新技术、新科技的研发中起到了重要作用。其中，照明、通信、电子领域产业的发展很大程度上依赖于半导体材料的发展与应用。《半导体材料及器件》课程将理论与应用联系了起来，《半导体材料及器件》课程的开设不仅有利于学生更好的学习理论知识，而且可以根据理论理解相应器件的工作原理，从而更准确、更清晰的了解、使用光电子器件和微电子器件。相对光电子技术而言，发展较成熟的微电子技术已经应用到各个领域。微电子技术与其他学科结合诞生的新学科也成为重要的发展方向。因此，要求半导体材料及器件方向培养的学生能适应这种跨学科、多学科结合发展的需求。

三、教学改革的措施

1.教学内容的建设。传统的直接对教学内容进行讲解，很难调动学生的兴趣，容易使学生感到内容枯燥，引起学生的反感情绪，不利于教学质量的提高。因此，在绪论部分对半导体材料的发展历史以及半导体材料及器件在生活生产中的广泛应用进行系统介绍，消除学生对半导体材料及器件的陌生感，提高学生对半导体材料的认识，引发学习兴趣。并且，传统的教学方式偏重于对理论知识和原理的学习，对新知识如何在实际的研究和生产工作中加以应用则涉及的较少，增加应用型知识的教授是我校《半导体材料及器件》教学改革重点实施的方面。基于此，考虑到实验课程是本科生动手实践很好的机会，但过程中难免会遇到问题，在授课时对授课内容对应部分的实验问题进行详细讲解，不仅可以激发学生的探索能力，而且在实践的基础上学生能更充分的理解知识。我校《半导体材料及器件》课程结合了半导体材料和半导体器件两方面，半导体器件方面又分为光电子器件和微电子器件两部分。现有的教材或侧重讲半导体材料，或侧重讲半导体器件，且所讲内容深浅程度不一，我校师生根据多年的教学实践情况，编写了一本难度适中、适合我校本科生学习的教材，本科生使用此教材学习半导体材料和光电子器件的知识，而微电子器件部分则采用标准教材。

2.教师队伍的配置。高水平的、稳定的教学队伍是提高教学质量的人才保障。针对材料科学与工程专业的发展现状，教学队伍实行“以老带新、新进”的发展方式。为青年教师配备经验丰富的教授，对青年教师进行指导，负责教学经验传授和教学质量监控，通过资深教授的帮助和带领作用，提高青年教师的专业水平和教学能力。近几年，学院专业先后吸收了几位年轻的博士，为课堂教学和科研工作注入了新鲜血液。青年教师与本科生更具有共同语言，更容易相处和获得学生的认可，所讲授的知识更容易被学生理解，课堂教学质量有明显提高。经过近几年的改革发展，我院积极开拓引进人才的途径，每个月都会邀请相关学科的学者来我院讲学，开拓学生的视野，扩充学生的知识，同时，教师积极与各兄弟院校本专业教师交流学习，通过不断地“走出去”与“走进来”，形成了一支综合实力强的教学队伍。

3.教学方法改革。课堂教学要求教师在有限的时间内讲完规定的知识，因此，常常会产生“满堂灌”、“填鸭式”的教学模式。在这种模式下，学生接受理解的知识非常有限，甚至会慢慢对本门学科失去学习兴趣，使学生被迫学习。在教学实践中，要改变这种错误的教学模式，需要教师对本学科有一个明确地把握。《半导体材料及器件》是一个涉及知识广泛且理论与实践并重的交叉学科，要求教师在授课时做到“有粗有细”，对工业生产中常用到的知识做到精讲、细讲，对难以理解的深奥理论可以略讲，减小学生的听课负担。面对抽象的理论原理，器件原理制作成动画，利用多媒体设备进行讲解能提高听课质量。《半导体材料及器件》学科的理论知识抽象难懂，在有一定半导体材料及器件知识的基础上进行实践参观，走出课堂，走向企业，通过参观学习和教师在参观现场的讲解，不仅可以帮助学生加深理解课堂上学习的内容，而且有利于理论知识与实际生产情况的统一，激发学生的学习兴趣。教师可在参观后提出相关问题，留给学生分组讨论，然后由学生做成PPT在课堂上讲解，由其他组的同学进行提问，调动全体同学，使学生成为课堂的主体，培养学生的分析能力和团结合作精神。学期考核时，提高平时成绩占总成绩的比例并提前告知学生，激发学生平时课堂和实践学习的积极性，使教学取得更好的效果。

四、改革特色

改革降低了课程的学习难度，减轻了学生的学业负担，但更注重应用型知识的教学、学生自主学习能力和分析问题能力的培养。“授人以鱼不如授人以渔”，面对半导体材料及器件方面知识快速的更新，掌握学习方法才能在这个领域有更好的发展。将半岛体光电子器件和半导体微电子器件单独来讲，便于进行器件原理和应用的对比和联系，对二者进行有机的结合。通过对授课内容进行调整和丰富，对教学方法进行创新性的改革，实现本科生理论知识程度与实际应用能力的共同提高，培养具备实践能力、分析能力和创新能力的跨学科综合性人才。

五、结语

结合《半导体材料及器件》课程的教学实践和半导体产业的发展现状，从实际情况出发，本文对《半导体材料及器件》课程的授课内容、教师队伍配备和教学方法进行了改革和创新，希望能够增强学生的学习兴趣，提高课堂教学质量，提升学生的分析能力，培养出与时俱进，具有自主学习能力和科研、实践能力的综合型人才，满足科学研究和社会生产的需求。

参考文献：

[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生，等.半导体物理学[M].第七版.北京：电子工业出版社，2011：67-68.

[2]汪慧兰.微电子技术课程设置与改革初探[J].内蒙古电大学刊，2008，（11）：100-101.

[3]徐振邦.《半导体器件物理》课程改革探索与实践[J].教育教学论坛，2014，（04）：222-224.

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

DUAN Li，ZHANG Ya-hui，FAN Ji-bin，YU Xiao-chen，ZHANG Yan，CHENG Xiao-jiao，HE Feng-ni

（School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an，Shaanxi 710064，China）

半导体材料论文第5篇

[关键词]半导体；晶体管；超晶格

中图分类号：O47

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2013）08-185-01

一、半导体物理的发展

（一）半导体物理早期发展阶段

20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。因此，贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代，半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明，这为信息时代到来铺平道路。1958年，安德森提出局域态理论，开创无序系统研究新局面，这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年，Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展，并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年，江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中，冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。

（二）半导体超晶格物理的发展

建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后，人们对各种规则晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系，也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长，也使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念，这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年，卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕。

二、半导体物理的启示

综上所述，文章简单地对半导体物理的一个发展历程进行了回顾，并可以从中得到以下几点启示：

（一）半导体物理的发展一直与科学实验与工业技术应用紧密联系

20世纪30年代之前，人们已经制成整流器、检波器、光电探测器等半导体器件，同时在实验中发现金属——半导体的接触材料上一些导电特性，可是无法理解这其中的物理机理。一直到能带理论建立后，基础建立起金属——半导体接触理论。随后，在实验过程中却发现该理论与实验测量是有出入的，又提出半导体表面态理论。正由于考虑到半导体表面态影响，贝尔实验室才能成功研制晶体管，这又促进半导体物理发展。不难发现，半导体物理的发展与实验是离不开的，因新的实验结论推动相应理论的建立，而理论发展又会反过来去指导实验的研究。19世纪30年代法拉第发现电磁感应定律，这为电力的广泛应用奠定理论基础，架起电能和机械能相互转化的桥梁，为第二次工业革命铺路。晶体管的成功研制，大规模与超大规模集成电路出现，导致第三次工业革命。这都是涉及信息技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和生物技术等众多领域的一场信息技术革命。

半导体材料论文第6篇

微电子技术是随着超大规模集成电路而发展起来的一门新兴技术，包括了半导体集成电路设计、芯片制造、材料的制备及测试、封装等方面，是现代大学微电子学专业需要掌握的综合工艺技术。《现代半导体材料的制备与表征技术》是我校微电子专业研究生的专业课程之一，针对新型半导体器件方向的学生开设，用于介绍半导体的制备和测试表征技术，对提高物联网学院微电子专业研究生的创新和实践能力具有重要意义。针对电子技术日新月异的发展，本文结合微电子专业研究生学习此门课程的问题以及现有教学经验，探讨关于该课的教学改革，从而培养学生的创新能力和综合素质。

1课程特点及教学过程中存在的问题

《现代半导体材料的制备与表征技术》是江南大学微电子专业的一门专业基础课，涉及材料、化学、物理、光学和微电子学等多种学科，具有综合性、科学性和应用性等特点。课程内容主要通过仪器分析现代半导体材料的微观结构。通过本课程的学习，学生应掌握各种材料的制备方法，学会测试仪器的基本原理、制样方式和仪器主要的应用领域，知晓相关制备和测试技术，从而懂得如何在研究生课题中加以应用。学生学习结束后能够从本课程中选择合适和正确的制备方法及测试表征手段进行研究，为新型半導体器件的构筑课题积累基本的理论知识，成为未来社会所需要的人才。

教学过程中存在的问题有以下四个方面：（1）微电子专业研究生教育背景差异导致对课程的接受能力参差不齐。（2）教材涉及的制备和分析方法种类多，内容跨度较大，多学科交叉综合性内容较抽象，学生难以理解，致使教学效果不佳；（3）授课选用的经典教材存在和部分本科生专业课程内容相同，教授过程中过于偏重仪器的工作原理和构成部件的功能，而且内容更新速度较慢，已经远远落后于技术发展现状；（4）课程缺少实践教学，教材中的大型仪器价值昂贵，仪器测试和维护费用高，限制了动手操作仪器掌握其重要功能的途径，学生的实践能力得不到提高，学习的积极主动性较差，师生的课堂互动气氛不活跃。

2教学改革与实践

2.1结合微电子专业特点，调整教材内容

对于教学内容，除了基础性和完整性外，还需兼顾先进性和新颖性，但现有教材的更新较慢而且制备和测试方法落后。因此，针对微电子专业特点，应自编教材使教学内容具有学科前沿性，比如现有教材中涉及热分析、光谱分析、X射线衍射分析等，对于微电子专业学生热分析和红外分析技术使用频率不高，而常用XRD、紫外分析、拉曼和电镜分析等测试方法，所以教授内容上专注以上常用设备的操作及分析方法有利于研究生开展课题研究。

2.2教授方式多样化

《现代半导体材料的制备和表征技术》是多学科交叉并与时俱进的一门课程，为了取得良好的教学效果，在授课方式上应多样化，吸引学生的注意力，提高学生的主动性。首先，采用多媒体技术、动画资料等新方式和重要内容板书显示相结合的方法解决此课程教学内容多而课时较少的问题。其次，运用翻转课堂、讨论式和启发式等多种教授方法。教师选择当前热门的前沿课题和教学重点为讨论内容，如二维过渡金属材料的制备与表征、氧化锌复合材料的制备及光探测器器件的组装、氮化镓高功率器件的有效性分析等。

2.3教学与科研结合，培养学生创新能力

教学和科研结合，对于研究生日常进行的科研项目，如半导体材料的制备、表征测试、数据分析、器件组装、集成应用和仿真模拟等，都可以将实验过程中出现的问题、大型仪器的操作和维护、如何获取清晰的图片影像以及图谱中峰形位置的变化对结构的影响等等，带入到教学中，为学生答疑解惑从而验证课堂所讲基本理论，达到教学辅助科研，科研促进教学的目的，进而提高学生主动性和积极性，同时有利于课程的高效开展。

2.4鼓励研究生参与大型仪器管理

《现代半导体材料的制备和表征技术》课程中讲到的大型仪器，价格昂贵，维护成本较高。为保证大型仪器的正常运转，均有责任教师管理。为了提高微电子专业研究生的实际操作和科研创新能力，同时提高仪器利用率，鼓励研究生参与仪器管理工作，对巩固课程所讲内容具有非常重要的应用价值，也助于提高学生的科研能力。

半导体材料论文第7篇

关键词：氧化锌，稀磁半导体，铁磁性

 

0.引言

当代和未来信息技术都占据着重要的地位，因此随着社会的不断发展,对信息的处理、传输和存储将要求更大的规模和速度。半导体材料在信息处理和传输中有着重要的作用，半导体技术应用了电子的电荷属性；磁性材料在信息存储有着重要的应用，磁性技术利用了电子的自旋属性。但是半导体材料都不具有磁性,磁性材料及其化合物都不具有半导体的性质，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，即在GaAs、GaN、ZnO等半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，这种通过掺杂而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，人们称其为稀磁性。在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性离子所形成的一类新型半导体材料，称之为稀磁半导体。

1. 发展现状

1.1 掺杂具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子

在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子，结果发现样品的室温铁磁性对制备技术、生长条件等都有很大的依赖关系。侯登录等人[1]采用磁控溅射法在Si基底上制备Fe掺杂的样品，发现铁磁性是其本征性质。。Liu等人用化学气相沉积法制备了Co掺杂的样品，分析发现掺杂Co的ZnO样品铁磁性与Co的不纯相ZnCo2O 4无关。Akdogan等人用射频磁控溅射法制备了掺杂不同Co离子浓度的的样品，分析得出氧原子的自旋极化对样品长程铁磁序的形成有重要作用，且Co原子的掺杂引起了ZnO的本征铁磁性。Parra-Palomino等人研究发现样品的铁磁性与ZnO中的缺陷有关。

1.2 掺杂具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子

在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子，于宙等人[2]用化学方法制备了Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料，分析发现该材料的铁磁性是由Mn离子对ZnO中Zn离子的替代作用引起的。Robert等用射频磁控溅射法制备了掺杂Cr的ZnO样品。分析发现H原子占据了O的位置并产生了一个深的施主缺陷从而增强了自由载流子数和铁磁的超交换作用，进而导致了样品的铁磁性。

1.3 掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等金属离子

研究发现在ZnO样品中掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等离子样品也可以显示出室温铁磁性。刘惠莲等[3]用柠檬酸盐法合成了一系列掺Cu样品，研究发现铁磁性是其本征性质。Ma等人用脉冲激光沉积法制备了掺杂Al的ZnO样品，发现样品铁磁性与Al原子和Zn之间的电荷传输有关。

1.4 多元素掺杂ZnO基稀磁半导体

邱东江等人[4]用电子束反应蒸发法生长了Mn和N共掺杂的薄膜，发现样品的室温铁磁性很可能源于束缚磁极化子的形成。Gu等人用射频磁控溅射法制备了掺杂Mn和N的ZnO样品。分析发现样品为室温铁磁性,这可能与N原子的掺入使空穴的浓度增加有关。Shim等人用标准固态反应法制备了掺杂Fe、Cu的ZnO样品，发现掺杂Fe、Cu的ZnO的铁磁性起源于第二相。且Fe原子进入ZnO并取代Zn原子是产生铁磁性的主要原因。宋海岸等人[5]在Si(100)衬底上制备了Ni掺杂和(Ni、Li)共掺ZnO薄膜样品。研究发现铁磁性的起源可以用电子调制的机制来解释,Ni-ZnO中的施主电子形成了束缚磁极化子,束缚磁极化子能级的交叠形成自旋-自旋杂质能带,通过这些施主电子耦合即Ni2+原子之间的远程交换相互作用导致了铁磁性。

由于掺杂ZnO是一个新兴的研究方向，因此人们对其研究结果不尽相同有的甚至相反，例如对于Fe掺杂的ZnO基稀磁半导体，Parra-Palomino等人发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用载流子交换机制来解释，侯登录等人[1]发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用局域磁偶极子作用机制来解释。又如对于掺杂样品的铁磁性是样品的本征性质还是非本征性质方面人们的观点也不尽相同，Shim等人发现铁磁性是掺杂Ni的ZnO样品的非本征性质。Akdogan等人发现Co原子的掺杂引起了样品的本征铁磁性。对于掺杂所引起的样品磁性方面，Liu等人研究发现掺杂Co的ZnO样品具有铁磁性，而Tortosa等人发现掺杂Co的ZnO样品是顺磁性的。研究发现样品的铁磁性与制备方法、生长的气体环境、气体压强、生长时间、退火温度、退火时间、掺杂剂量、掺杂元素的种类以及相对含量均有很大的关系。

2. 结论

目前, 对于ZnO基稀磁半导体材料的研究主要集中在两个方面:(1)优化生长参数,获得高质量的薄膜。。(2)选择不同掺杂元素与掺杂量,通过单掺杂或共掺杂,提高薄膜的居里温度,奠定其应用基础。

通过对单掺杂金属的ZnO样品及共掺杂的样品的结构分析、以及电学、磁学、导电性等性质的分析，发现对于相同的掺杂，样品铁磁性的强弱不同，有的结论甚至相反。这与样品的制备技术不同、以及不同的生长环境有关。通过各种制备方法及不同制备工艺得到的ZnO薄膜的性能存在较大的差异,而且可重复率比较低。铁磁性来源和机理分析还需要进一步的系统性研究。。对样品的铁磁性起源理论众多。目前关于稀磁半导体材料铁磁性根源的解释有多种，有载流子交换机制(可以解释具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni、V、Cr、Cu、Al等元素掺杂的情况）。载流子导致的铁磁性与反铁磁性竞争机制（可以解释Mn、Cr、Co等元素掺杂的情况）。局域磁偶极子之间相互作用机制（可以解释V、Ni等元素掺杂的情况）。

在实验和理论的统一方面还存在有许多的矛盾之处,而且每种理论都只得到了部分实验证实.因此对ZnO基稀磁半导体的磁性机理的认识还需进一步的提高。可以在以下几个方面开展进一步的更深入的研究。一是改善样品的制备工艺，许多试验重复率很低说明样品的制备过程中有许多影响因素，有待于对其发现并掌握。二是改变掺杂的金属元素，传统的掺杂只对过渡金属进行了大量研究对于非过渡金属的相关研究很少。而且由单掺杂向共掺杂转变是一条很好的思路。

参考文献

[1]侯登录,赵瑞斌.氧空位对Fe掺杂ZnO的铁磁性的影响.商丘学报.2008,24(12):1-6.

[2]于宙,李祥,龙雪等.Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性,物理学报.2008,57,7(4539-4544):1-6

[3]刘惠莲, 杨景海，张永军，等.Cu掺杂ZnO纳米结构的室温铁磁性研究[J].半导体学报,2008, 29(11): 2257-2260.

[4]邱东江,王俊,丁扣宝.退火对Mn和N共掺杂的Zn0.88Mn0.12O :N薄膜特性的影响.物理学报,2008,57(8):5249-5255.

[5]宋海岸,叶小娟,钟伟等.(Ni、Li)掺杂ZnO薄膜的制备及其性能.纳米材料与界构.2008,45(12):698-702.

半导体材料论文第8篇

关键词：半导体器件；物理；教学改革

半导体器件物理是微电子学、电子科学与技术等专业的重要专业基础课程，也是应用型本科院校培养新兴光电产业所需的应用技术人才必备的理论与实践基础课程。该课程是连接半导体材料性质和器件应用的桥梁学科，在新兴产业应用技术人才的知识结构中具有重要的基础地位。因此，探讨教学中存在的问题，改革教学的方式方法具有重要意义。

一、课堂教学中产生的问题及原因分析

1.学生听课效率低，学习兴趣淡薄，考试成绩低

以某大学光电行业方向工科专业近三年半导体器件物理考试成绩分布情况为例，表1中近三年学生成绩均显示出60分左右的人数最多，以60分为原点，其高分和低分两侧的人数呈现出逐渐降低的正态分布。从表1中还可以看出，成绩低分人数逐年增多，成绩偏离理想状况较多。

2.针对问题分析原因

导致表1结果的原因有以下三方面：

（1）学生的物理基础参差不齐，知识结构存在断层

近年来，由于高考制度的改革，部分学生参加高考时未选报物理，物理仅作为会考科目使得相当一部分高中学生轻视物理的学习。当学生进入大学，有些专业大学物理成为必修课，由于学生高中物理基础差别很大，因此，同一班级的学生物理学习能力就表现得参差不齐。

对于一般工科专业的学生（包括面向新兴光电产业的工科专业）来说，他们大二或大三开始学习半导体器件物理课程（或半导体物理课程）时，他们的物理基础只有在高中学过的普通物理和大学学过大学物理，其内容也仅涉及经典物理学中的力学、热学、电学和光学的基本规律，而近代物理中的实物粒子的波粒二象性、原子中电子分布和原子跃迁的基本规律、微观粒子的薛定谔方程和固体物理的基本理论均未涉及。半导体器件物理课程的接受对象，不仅在物理基础上参差不齐，而且在物理知识结构上还存在断层，这给该课程的教和学增加了难度。

另外，即使增加学习该门课程所必需的近代物理、量子物理初步知识和固体物理的基础内容，但由于课程课时的限制，也决定了该课程在学习时存在较大的知识跨度，很多学生难以跟上进度。

（2）课程理论性强，较难理解的知识点集中

半导体器件物理课程以半导体材料的基本性质和应用为基本内容，内容编排上从理想本征半导体的性质和半导体的掺杂改性，到P型半导体和N型半导体结合形成半导体器件的核心单元，再到各种PN结的设计和控制，采取层层推进的方式，逻辑严密，理论性强，对学生的要求也高，每一部分的核心内容都要扎实掌握才能跟上学习的进度。同时，在各章内容讲解过程中几乎都有若干较难的知识点，如本征半导体性质部分的有效质量、空穴的概念、能带的形成、导带和价带的概念等；半导体掺杂改性部分的施主、受主、施主能级、受主能级、半导体中的载流子分布规律、平衡载流子和非平衡载流子以及载流子的漂移和扩散运动；简单PN结部分的平衡PN结、非平衡PN结、PN结的能带和工作原理；不同专业在PN结的设计和控制这部分会根据所设专业选取不同的章节进行学习，面向光电行业的本科专业则通常选取半导体的光学性质和发光这部分来讲授，该部分包含半导体的跃迁类型，以及半导体光生伏特效应和发光二极管等的工作原理。这些知识点分布集中，环环相套，步步递进，因此理解难度较大。

（3）学习态度不端正的现象普遍存在

近几年，在社会大环境的影响下，学习态度不端正现象在本科各专业学生中普遍存在。无故迟到旷课情况经常发生，作业抄袭现象严重，学生独立思考积极性差。电子产品的普及也严重影响到了学生上课的积极性，很多学生成了手机控，即使坐在课堂上也频频看手机、上网。有些学生上课连课本都不带，更谈不上用记录本记录重点、难点。特别是半导体器件物理这门课程涉及的知识点密集，重点、难点较多，知识连贯性要求高，如果一些知识点漏掉了，前后可能就连贯不起来，容易使疑难问题堆积起来，对于不认真听讲的部分学生来说，很快就跟不上进度了。另外，学生畏难情绪较严重，课下也不注意复习答疑，迎难而上的精神十分少见。俗话说，“师傅领进门，修行在个人。”在课时紧张、学生积极性差、课程理论性强等多重因素影响下，教师的单方面努力很难提高课堂教学效率。

二、改进方法的探讨

针对教学过程中发现的问题，本文从教学方法和教学手段两个方面入手来探讨该课程教学的改进。

1.教学方法的改革

半导体器件物理课程教学改革以建设完整的半导体理论体系和实践应用体系为目标，一方面，着重在教学观念、教学内容、教学方法、教师队伍、教学管理和教材方面进行建设和改革，形成适合应用型本科专业学生的课程体系。另一方面，我国本科院校正处于教育的转型发展时期，围绕应用型人才培养目标，按照“专业设置与产业需求相对接、课程内容与职业标准相对接、教学过程与生产过程相对接”的原则，半导体器件物理课程改革重视基础知识和基本技能教学，力争构建以能力为本的课程体系，做到与时俱进。本课程改革具体体现在以下六个方面：

（1）转变教学观念

改变传统向学生灌输理论知识的教学观念，以学习与新兴行业相关的基础知识和关键应用技术为导向，确定该课程在整个专业课程体系中承上启下的基础性地位，在教学观念上采取不求深，但求透的理念。

（2）组织教学内容

为构建以能力为本的课程体系，本课程改革在重视基础知识和基本技能的教学、合理构建应用型人才的知识体系的同时，力争使学生了解半导体器件制作和应用的职业标准及其发展的热点问题，并积极实现“产学研”一体化的教学模式，故此本课程改革分几个层次组织教学内容。

第一层次为基础知识铺垫。为解决学生知识结构不完整的问题，在讲授半导体器件物理之前要进行固体物理学课程知识的铺垫，还要增加近论物理学知识，如原子物理和量子力学的知识，为学生构建完整的知识框架，降低认知落差。

第二层次为半导体物理基本理论，也是本课程的主体部分。包括单一半导体材料的基本性质、半导体PN结的工作原理、常见半导体结构的工作原理和半导体的光电及发光现象和应用。

第三层次为课内开放性实验。在理工科学生必修的基础物理实验项目（如“电阻应变传感器”、“太阳电池伏安特性测量”、“光电传感器基本特性测量”、“霍尔效应及其应用”等）的基础上，结合专业方向设置若干实验让学生了解半导体电子和光电器件的类型、结构、工作原理及制作的工艺流程以及职业要求和标准，还有行业热点问题，激发其学习兴趣，提高动手能力和实践能力。

第四层次为开展课题式实践教育，实现“产学研”一体化。为解决传统教学理论和实践脱节问题，以基础物理实验项目和针对各专业方向设置的与半导体器件应用相关的实验项目为实践基础，开展大学生科技创新活动，鼓励学生利用课余时间进入实验室和工厂企业，利用已学理论对行业热点问题进行思考和探究，加强实践教学。

（3）调整教学方法

一方面，要正确处理物理模型和数学分析的关系，不追求公式推导的严密性，强调对物理结论的正确理解和应用。另一方面，充分利用现代化的教学设施和手段，变抽象为具体，化枯燥为生动，采用讨论式、启发式和探究式教学，调动学生积极性和主动性。

（4）建设教学队伍

对国内知名院校的相关专业进行考察和调研，学习先进教学理念和教学方法，邀请国内外相关专业的专家进行讲座，邀请企业高级技术人才和管理人才作为兼职教授来为学生讲授当前最前沿、最先进的技术及产品，并参与教学大纲及教学内容的修订。另外，鼓励教师团队充分利用产学研践习的机会深入企业，提高教师队伍的实践经验和综合素质，为培养双师型教师打下基础。

（5）完善教材体系

教材是保证教学质量的重要环节，也是提高专业教学水平的有效方法。针对理工科专业特色方向及学生培养的目标，除选用经典的部级规划教材――《半导体物理学》以外，还组织精干力量编写专业特色方向的相关教材，以形成完善的半导体理论和实践相结合的教材体系，在教材中融入学校及专业特色，注重理论和实践相结合，增加案例分析，体现学以致用。

（6）加强教学管理

良好的教学管理是提高教学质量的必要手段。首先根据学生特点以及本课程的教学目标合理制订教学大纲及教学计划。在授课过程中充分发挥学生主体作用，积极与学生交流，了解学生现状，建立学生评价体系，改进教学方法、教学手段及教学内容等，提高教学质量。

2.教学手段改革

（1）采用类比的教学方法

课堂上将深奥理论知识与现实中可比事物进行类比，让学生易于理解基本理论。例如，在讲半导体能带中电子浓度计算时，将教室中一排排桌椅类比为能带中的能级，将不规则就座的学生类比为占据能级的电子，计算导带中电子的浓度类比为计算教室中各排上学生数量总和再除以教室体积。让学生从现实生活中找出例子与抽象的半导体理论进行形象化类比，帮助学生理解半导体的基本概念和理论。

（2）采用理论实践相结合的方法

在教学中时刻注意理论联系实际的教学方法，例如，根据学生专业方向，在讲述宽带隙半导体材料的发光性能时，给学生总结介绍了LED芯片材料的类型和对应的发光波长，让学生体会到材料性质是器件应用的基础。

（3）构建网上学习系统

建立纸质、网络教学资源的一体化体系，及时更新、充实课程资源与信息，通过网络平台建设，实现课程的网络辅助教学和优秀资源共享。这些资源包括与本课程相关的教学大纲、教材、多媒体课件、教学示范、习题、习题答案、参考文献、学生作业及半导体行业发展前沿技术讲座等。

（4）开展综合创新的实践

充分利用现有的实验条件，为学生提供实践条件。同时积极开拓校外实践基地，加强校企合作，为学生实习、实践提供良好的平台，使课程教学和实践紧密结合。鼓励学生根据所学内容，与教师科研结合，申请大学生创新项目，以提高学生实践创新能力及应用能力。

（5）改革考核体制

改变传统以闭卷考试为主的考核方式，在考核体制上采取闭卷、讨论、答辩和小论文等多种评价方式，多角度衡量、综合评定教学效果。

参考文献：

[1]刘秋香，王银海，赵韦人，等.“半导体物理学”课程教学实践与探索[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010（10）：87-88，94.

[2]徐炜炜，黄静.从半导体物理课程教学谈高素质人才培养[J].南通航运职业技术学院学报，2009，8（4）：97-99.

[3]王印月，赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

半导体材料论文第9篇

关键词：电子材料与元器件;教学内容;教学方法

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2016）41-0090-02

一、电子材料与元器件课程简介

电子材料与元器件课程是电子科学与技术专业的基础性课程，是后续专业课的学习基础。进入21世纪后，随着以集成电路技术为基石的电子信息技术的加速发展，各类电子器件及系统都在朝着小型化、集成化的方向发展，而其中的集成化不仅意味着要尽可能地实现系统中电路的单芯片集成，而且要实现将包括声、光、电、磁等物理量感知的传感器集成在系统中，实现多功能集成[1]。

处于电子科学与技术产业链前端的电子材料与元器件是众多核心基础产业的重要组成部分，是计算机网络、通讯、数字音频等系统和相关产品发展的基础[2]。

二、电信学院电子材料与元器件课程参考教材内容的选取

我院电子科学与技术本科专业，采用科学出版社出版、王巍主编的，普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材《现代电子材料与元器件》作为“电子材料与元器件”课程的主要参考教材，其内容涵盖了电子信息技术中的主要电子材料与器件类型。笔者结合国内外研究动态、应用前景及发展趋势，并考虑我院微电子教研室及教师的研究特长以及电子科学与技术专业毕业生就业需求等多方面因素，对授课内容进行了适当的增减。

1.增强半导体材料内容。半导体材料是集成电路的基础，在信息的存储、传输、加工处理和显示方面都有重要的应用[1]。笔者授课过程中除了介绍半导体材料结构、性质、制备工艺方法外，还增加了有机半导体材料、液晶材料等相关内容，为集成电路的设计与制造、发光显示储备了扎实的半导体材料基础知识。

2.增强光电子材料与器件内容。授课时，详细介绍了光纤材料、激光材料与器件，还增加了半导体中光吸收及光电效应基础知识、光电导效应型与光伏效应型光敏器件相关内容。

3.增强敏感陶瓷材料与器件内容。除了讲解常见敏感陶瓷器件特性及应用外，增加了各种敏感器件结构、制作工艺和ZnO、SnO2等无机敏感陶瓷材料和有机敏感材料的制备方法、工艺等内容，为信息技术中传感器的设计与制作奠定扎实的基础。

4.增加了化合物晶体缺陷化学内容。鉴于我校电子科学与技术相关教师在传感器、光电、太阳能电池等方面的研究，以及国内外对于高性能敏感陶瓷材料与器件和太阳能电池等涉及到新能源材料与器件方面的迫切需求，结合笔者在纳米半导体材料与器件方面的研究，授课中增加了缺陷化学表示方法、晶体中缺陷平衡、杂质对晶体中缺陷平衡影响、晶体中点缺陷扩散与分布等相关内容。为敏感陶瓷材料制备，太阳能电池材料制备奠定良好的基础。

5.弱化磁性材料与器件内容。考虑到磁性材料的独特性，授课时只讲述磁性材料特性、应用，对于磁性元器件内容采用学生自学的方式。

三、课程教学方法改进

1.课堂讲授与研讨并行。该课程采取课堂讲授与研讨并行，学习与研讨相结合的教学方法，提倡教师与学生、学生与学生研讨问题，从而提高学生对于汲取、创造知识的兴趣。通过研讨启发学生的创新思维，使整个课堂教学成为教师为辅、学生为主，教师与学生、学生与学生互动的网状结构[3]。

研讨的内容可以为教师拟题，学生自选。采取分组讨论，并且每一组派代表到讲台上进行相应内容的讲解，所有学生进行讨论。从而促使学生主动出击去学习、解决相关问题，最终实现教师传授、学生自学研究、教师与学生相互解惑的教学模式。

2.与实验中心“联动教学”机制。我院传统课程讲授往往局限于普通的多媒体教室，学生无论是听取教师传授还是互动研讨都是凭空进行学习和理解。笔者讲授该课程是采取与实验中心“联动教学”模式，使传统的课堂讲授与研讨“搬入”实验中心相关实验室进行，学生在真实接触电子材料的制备和元器件制作的过程中，更加深入地理解所学的知识，并能够更好地启发并锻炼学生提出问题、分析研讨问题、解决问题的能力。该课程的讲授采取二分之一学时分配机制，即：一半学时在普通多媒体教室进行;一半学时在相应电子材料与元器件实验室“联动教学”进行。

3.多媒体教学与实验教学相辅相成。多媒体教学是指采用计算机和视频技术相结合的一种教学方式，与传统的教学方式不同，它有其自身鲜明的特色，如信息量输入紧凑、量多、质高，文字图像清晰直观、风格多样，内容丰富等等[4]。电子材料与元器件课程教学中，采用多媒体教学能丰富多彩地演示各种元器件结构、半导体材料的制备工艺等相应的教学内容。并且在教学过程中辅以相关的视频，让学生更加清楚地了解电子材料制备、元器件制作相关设备，更清楚地理解相应的原理。并且安排相应的配套实验，让学生真正能动手接触实物，不但可增强学生学习本课程的兴趣，而且可以提高学生对电子材料及元器件实体的感性认识，达到理论与实践相结合的目的。

4.理论考试与科学研究相结合。素质教育的电子材料与元器件课程学生评价机制应该区别于传统的仅考试评价方式，教师应将学生的平时表现、理论基础知识掌握、实践动手能力、科学研究（综合训练项目）等纳入对学生的评价体系中。课程考核除了前面提到的配套实验外，还包括平时表现、考试和综合训练情况。考试是检验学生对电子材料与元器件课程基础知识掌握程度的手段，但不宜开发学生自身科学研究的潜力，有时更无法判别学生对所学知识是死记硬背还是融会贯通。我院本课程实施过程中要进行综合训练项目，即通过分组开展综合训练题目（题目可以是教师提出，也可根据自身知识储备自拟），进行电子材料或元器件相关设计，最终形成综合训练报告，并且所做设计要分组在课堂上进行展示讲解和讨论。

5.学生对该课程授课的评价。虽然教师在进行课程设计过程中可提出一些创新性的方式方法，但毕竟只是从教师的角度去设计课程。我院在面向每一届电子科学与技术专业学生开设电子材料与元器件课程后，开展学生对本课程讲授内容、授课方式方法等的意见和建议的活动，并形成书面意见书存档。从学生角度了解学生各方面的需求，集思广益发挥学生对于本课程创新性的教学方式方法。

四、结语

本文通过对电子科学与技术专业特点以及电子材料与元器件课程性质及内容的分析，结合国内外研究动态、应用前景及发展趋势，并考虑教学单位及教师的研究特长以及电子科学与技术专业毕业生就业需求等多方面因素，对电子材料与元器件教学内容的选取、教学方式方法的改进等方面进行了改革。教学过程中增强了半导体材料、光电子材料与器件、敏感陶瓷材料与器件内容，增加了化合物晶体的缺陷化学的教学内容。对电子材料与元器件课程的教学方式方法提出了课堂讲授与研讨并行、与实验中心“联动教学”机制、多媒体教学与实验教学相辅相成、理论考试与科学研究相结合、学生对课程授课评价的改进，以便提高本课程的教学质量，提升本专业学生的专业素养。

参考文献：

[1]王巍，冯世娟，罗元.现代电子材料与元器件（第1版）[M].北京：科学出版社，2012.

[2]杨锋.浅谈电子材料与器件课程教学[J].北京：文理导航，2015，（4）.

[3]王春雨，王春青，张威，温广武.“电子材料”课程教学实践与提高措施探讨[J].石家庄：价值工程，（2010），14.

[4]于英霞，刘小敏，张益华，谢镭.多媒体教学在土木工程施工教学中的应用和实践[J].廊坊：廊坊师范学院学报（自然科学版），（2011），11（4）.

The Reform in Teaching of Electronic Materials and Component Course

ZHONG Tie-gang，JIANG Fang，ZHAO Wang

（College of Electronics and Information Engineering，Liaoning Technical University，Huludao，Liaoning 125105，China）