前言：中文期刊網精心挑選了半導體材料論文范文供你參考和學習，希望我們的參考范文能激發你的文章創作靈感，歡迎閱讀。

半導體材料論文范文1

關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰略地位

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

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

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

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

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

2.2GaAs和InP單晶材料

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

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

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

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

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

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

2.3半導體超晶格、量子阱材料

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

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

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

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極?。ā?.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

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

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

（2）硅基應變異質結構材料。

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

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

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

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

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

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

-

半導體材料研究的新進展

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

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

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

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

2.5寬帶隙半導體材料

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

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

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

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

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

3光子晶體

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

4量子比特構建與材料

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

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

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

5發展我國半導體材料的幾點建議

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

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

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

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

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

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

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

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

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

半導體材料論文范文2

關鍵詞：InN薄膜 AlN薄膜 普通玻璃襯底 半導體材料與器件

中圖分類號：TN3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0067-02

在過去的十幾年里，關于InN半導體材料的研究引起了人們極大的興趣。InN是一種重要的直接帶隙Ⅲ族氮化物半導體材料，與同族的GaN、AlN相比，InN具有最小的有效質量和最高的載流子遷移率、飽和漂移速率，其低場遷移率可達3200 cm2/V?s，峰值漂移速率可達4.3×107cm/s，這些特性使InN在高頻厘米和毫米波器件應用中具有獨特的優勢[1-8]。制備高質量的InN外延薄膜是InN半導體材料研究與應用的前提，但InN薄膜的制備有兩大困難，一方面是InN的分解溫度較低，約為600 ℃左右，而作為N源的NH3的分解溫度則要求很高，一般在1000 ℃左右，因此如何控制InN的生長溫度就產生了矛盾，一般傳統的MOCVD技術要求溫度在800 ℃以上，限制了InN的生長溫度問題，本研究采用了自制的電子回旋共振-等離子增強有機物化學氣相沉積（ECR-PEMOCVD）設備[9-11]，大大降低了外延溫度，使生長溫度控制在500 ℃以下；另一方面，一般InN薄膜都生長在藍寶石等一些基片上。眾所周知，藍寶石基片的價格較高，用它作為InN材料的襯底，使InN材料基的器件的成本很難降下來，嚴重阻礙了InN材料器件的發展。為解決上述InN器件成本高的問題，本研究采用在廉價康寧玻璃襯底上沉積制備InN外延薄膜，但是InN外延層與廉價康寧玻璃襯底之間還存在嚴重的晶格失配等問題，而AlN可以成為一種理想的InN外延中間層材料。首先，AlN與InN具有相似的晶體結構，可以作為InN與廉價康寧玻璃之間的緩沖層。其次，AlN的沉積制備在廉價康寧玻璃上的工藝已經被該研究小組所掌握，而且與其他反應源相比，AlN反應源材料很便宜，廉價，這樣就進一步降低了器件的成本。所以AlN成為InN與廉價康寧玻璃之間緩沖層的首選材料。所以在此基礎上，在較低的溫度下，在廉價的襯底材料上最終制備出高質量、穩定的InN薄膜。

由于InN薄膜的沉積制備需要較高的沉積溫度，當前ECR-PEMOCVD技術以及相關設備，都沒有用于生產InN光電薄膜，因此如何利用ECR-PEMOCVD技術優點，用AlN薄膜作為緩沖層在廉價康寧玻璃襯底上以較低的溫度下生產出性能優異的InN光電薄膜是我們所研究的難點。

1 實驗

將普通康寧玻璃基片依次用丙酮、乙醇以及去離子水超聲波清洗5 min后，用氮氣吹干送入反應室；采用ECR-PEMOCVD系統，將反應室抽真空至9.0×10-4 Pa，改變不同基片沉積溫度400 ℃，500 ℃，600 ℃，向反應室內通入氫氣攜帶的三甲基鋁、氮氣，其二者流量為1.5 sccm和120 sccm，由質量流量計控制；控制氣體總壓強為1.2 Pa；在電子回旋共振頻率為650 W，得到在普通康寧玻璃基片的AlN緩沖層薄膜，其AlN緩沖層薄膜厚度為200 nm。繼續采用ECR-PEMOCVD系統，將反應室抽真空至8.0×10-4 Pa，將基片加熱至500 ℃，向反應室內通入氫氣攜帶的三甲基銦、氮氣，其二者流量比為2∶150，分別為2 sccm和150 sccm，由質量流量計控制；控制氣體總壓強為1.2 Pa；在電子回旋共振頻率為650 W，沉積制備InN薄膜，得到在AlN緩沖層薄膜/普通康寧玻璃結構上的InN光電薄膜。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

在其他反應條件不改變的情形下，改變不同基片沉積溫度400 ℃，500 ℃，600 ℃，該研究論文在AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜。3個不同基片沉積溫度的樣品都被測試了，只有沉積溫度500 ℃條件下制備的InN薄膜樣品質量較好，其他條件下質量很不理想，表明沉積溫度過高與過低都不利于薄膜的沉積制備。我們分析沉積溫度500 ℃時的XRD圖像，由圖1可知，除了AlN緩沖層的峰值外，其制備的InN薄膜的則有取向較好，沒有太多其他衍射峰出現，表明AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜，其晶體結構較優異。但是薄膜半峰寬較大，需要進一步進行實驗工藝的優化。

2.2 AFM分析

為了研究InN薄膜的形貌，我們測試了沉積溫度500 ℃條件下，AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜樣品。由圖2可知，實驗準備的InN薄膜表面上的島狀團簇非常均勻，沒有明顯的界面缺陷，呈現出一個光滑的表面且表面平整。此外，為了以后制備大功率器件的要求，沉積溫度是500℃時制備的InN薄膜的樣品進行了其表面均方根平整度檢測。測試結果說明沉積溫度在500℃時沉積制備的InN薄膜樣品的平整度在納米數量級，滿足對器件制備的要求。

2.3 SEM分析

進行了AFM分析之后，我們又對沉積溫度500 ℃條件下，AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜樣品的SEM進行了測試分析，由圖3可知，實驗制備的InN薄膜樣品顆粒明顯形成，基本鋪滿整個實驗基片襯底，沒有明顯缺陷存在，表明該實驗條件下的InN薄膜具有優異的表明形貌特性。其結果同上述AFM分析一致。

3 結語

該研究論文利用可精確控制的低溫沉積的ECR-PEMOCVD技術，在AlN/普通康寧玻璃基片襯底結構上沉積制備出高質量的InN光電薄膜，并結合實際生產中器件成本不理想可能出現的問題以及晶格失配問題，提出一系列的解決方案策略，對基于InN薄膜器件產業化有很大的研究意義。該研究論文的在AlN/普通康寧玻璃基片結構上的InN光電薄膜產品具有良好電學性能以及結晶質量，廉價的成本價格以及易于制備出高頻率大功率器件的優勢。

參考文獻

[1] F.Bechstedt，J.Furthmüller. Do we know the fundamental energy gap of InN [J].Cryst. Growth，2002，246：315-319.

[2] J.Wu，W.W.Walukiewicz， K.M.Yu，et al.，Unusual properties of the fundamental band gap of InN.Appl.Phys.Lett[Z].2002，80 （21）：3967-3969.

[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.

[5] S.K.O’Leary，B.E.Foutz， M.S.Shur，et al.，Electron transport in wurtzite indium nitride[J].Appl.Phys，1998， 83（2）：826-829.

[6] A.Yamamoto，T.Shin-ya，T.Sugiura， et al.，Characterization of MOVPE-grown InN layers on a-Al2O3 and GaAs substrates[J].Crystal Growth.1998，189/190： 461-465.

[7] A.Yamamoto，T.Tanaka， K.Koide，et al.，Improved Electrical Properties for Metalorganic Vapour Phase Epitaxial InN Films.Phys.Stat.Sol.（a）[Z].2002，194（2）：510-514.

[8] Z.X.Bi，R.Zhang，Z.L.Xie，et al.，The growth temperature dependence of In aggregation in two-step MOCVD grown InN films on sapphire.Materials Letters[Z].2004（58）：3641-3644.

[9] V.V.Mamutin，V.A.Vekshin， DavydovV.Yu.，et al.，MBE Growth of Hexagonal InN Films on Sapphire with Different Initial Growth Stages.Phys.Stat.Sol.（a）[Z].1999，176（1）：247-252.

半導體材料論文范文3

量子反?；魻栃?/p>

1879年，德國物理學家霍爾發現，當固體導體有電流通過，且置于磁場中時，導體內的電子因受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生了電壓，這就是霍爾效應。霍爾效應被發現了大約100年之后，德國物理學家克利青在極低溫度和強磁場下測量金屬—氧化物—半導體場效應晶體管時，發現了量子化的霍爾效應。

一般情況下，導體中電子的運動是雜亂無章的，而經過量子化后，電子的運動就變規則了。薛其坤院士也給出了生動的比喻：“量子霍爾效應可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上前進，就好比一輛高級跑車，常態下是在擁擠的農貿市場里前進，而在量子霍爾效應下，則可以在沒有干擾的高速路上前進。”但是，要想實現這樣的量子化過程，所需的條件極苛刻，光磁場強度就得要地球磁場的十萬倍甚至上百萬倍。薛其坤院士及其團隊找到了一種拓撲絕緣體，其中存在著特殊的鐵磁交換機制，能形成穩定的鐵磁絕緣體，即不需要外加磁場也能產生量子霍爾效應。這樣的效應被稱為量子反?；魻栃浯蟠蠼档土水a生量子霍爾效應的難度。

霍爾效應

如右圖所示，一塊矩形導體薄片沿x軸方向通以電流（Is），在z軸方向上加以磁場（B）；導體中有大量電子。通電時，這些電子開始自由移動，但由于電子會受到洛倫茲力（fB ）的作用，其運動方向發生了偏轉，向fB 方向飄移，使導體的一面積累了過多的電子，相應的另一面會出現帶正電的電荷。正負電荷之間會產生電勢差，從而產生了一個電壓，叫霍爾電壓，這個效應就叫霍爾效應。它同時產生一個電場EH，電子也會受到電場力（fE）的作用，方向正好與洛倫茲力相反。當洛倫茲力與霍爾電場力相等時，霍爾電壓保持相對穩定。

霍爾效應的應用

要理解量子反?；魻栃?，我們要先明白，霍爾效應有什么作用。

在剛發現霍爾效應時，由于在金屬導體中產生的霍爾效應十分微弱，所以人們并沒有認識到它的應用價值。隨著半導體技術的發展，人們發現，霍爾效應在半導體中十分明顯，于是就發明了霍爾元件。

根據霍爾效應，當磁場強度發生變化時，相應的霍爾電壓也將隨之變化。依據這一原理，由霍爾元件制成的霍爾傳感器得到廣泛應用，它可以將一些非磁的物理量轉變為電學量進行檢測和控制。像汽車上的計程表，就是利用霍爾傳感器來工作的。

計程表的霍爾效應

右圖中的齒輪圈是汽車發動機上的齒輪，它處于霍爾元件中磁鐵產生的磁場中。當齒輪的齒對準霍爾元件時，會產生較大的霍爾電壓；當齒輪的凹處對準霍爾元件時，霍爾電壓會減小。將霍爾元件連接在脈沖發生器上，根據電壓強弱的變化可檢測出脈沖信號，把它通過A/D轉換器后轉換成數字，就可顯示出汽車的車速、車程等，這就是汽車計程表的原理。

新時代的號角

說起半導體，也許你只能想起收音機。其實，我們的電子產業都建立在半導體之上。量子反?；魻栃砸鹑绱酥蟮姆错?，就在于能降低半導體材料的能量損耗，而這對于我們的電子產業來說，顯得尤為重要。

例如，計算機散熱芯片就是由半導體制成，由于其內部的電子運動是無序的，相互之間會發生碰撞，產生熱量，電腦工作時間一長，就會發熱，降低了使用壽命。量子霍爾效應可以解決這個問題，因為當電子運動變得有序時，就能減少能量的消耗，不會產生熱量。但是，前文已經講過，實現量子霍爾效應需要極其苛刻的條件，而量子反?；魻栃徒鉀Q了高磁場強度的問題，更具實用性，被認為是解決了“霍爾效應家族的最后一個問題”。它幾乎能解決所有用半導體材料制成的儀器發熱的問題，有科學家表示，如果材料問題能進一步突破，那么現在占據數個房間大小的超級計算機，可能縮小到一臺筆記本大小，電子產品將更加節能、快速、輕便……人類或許將開啟一個全新時代。

但是，目前量子反?；魻栃挥性诔蜏貤l件（0.5開左右）才能觀察到，科學家已經摸到了希望的大門，而大門的鑰匙，還有待人們繼續探索追尋。

（曲婷婷）

半導體材料論文范文4

關鍵詞:節能;減排;功率半導體

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

功率半導體芯片包括功率二極管、功率開關器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術的迅速發展,功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制擴展到4C產業(計算機、通信、消費類電子產品和汽車電子),滲透到國民經濟與國防建設的各個領域。

功率半導體器件是進行電能處理的半導體產品。在可預見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機、電視、洗衣機、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電,甚至各種電池提供的化學電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應用需由功率半導體進行變換以后才能供設備使用。每個電子產品均離不開功率半導體器件。使用功率半導體的目的是使用電能更高效、更節能、更環保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調速,使變頻空調在節能70%的同時,更安靜、讓人更舒適。手機的功能越來越多,同時更加輕巧,很大程度上得益于超大規模集成電路的發展和功率半導體的進步。同時,人們希望一次充電后有更長的使用時間,在電池沒有革命性進步以前,需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導體能將 ‘粗電’變為‘精電’,因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。

隨著綠色環保在國際上的確立與推進,功率半導體的發展應用前景更加廣闊。據國際權威機構預測,2011年功率半導體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比,功率半導體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時,功率半導體也不要求最先進的生產工藝,其生產線成本遠低于Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此,功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。

目前,國內功率半導體高端產品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進口替代才剛剛開始。因此國內半導體企業在提升工藝水平的同時,應不斷提高國內功率半導體技術的創新力度和產品性能,以滿足高端市場的需求,促進功率半導體市場的健康發展以及國內電子信息產業的技術進步與產業升級。

2需求分析

消費電子、工業控制、照明等傳統領域市場需求的穩定增長,以及汽車電子產品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導體市場繼續保持穩步的增長速度。同時,高效節能、保護環境已成為當今全世界的共識,提高效率與減小待機功耗已成為消費電子與家電產品的兩個非常關鍵的指標。中國目前已經開始針對某些產品提出能效要求,對冰箱、空調、洗衣機等產品進行了能效標識,這些提高能效的要求又成為功率半導體迅速發展的另一個重要驅動力。

根據CCID的統計,從2004年到2008年,中國功率器件市場復合增長率達到17.0%,2008年中國功率器件市場規模達到828億元,在嚴重的金融危機下仍然同比增長7.8%,預計未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機產品更加重視節能、高效,電源管理IC、功率驅動IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導體市場中的發展亮點。

在政策方面,國家中長期重大發展規劃、重大科技專項、國家863計劃、973計劃、國家自然科學基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關鍵元器件等重點產業的發展,在國家剛剛出臺的“電子信息產業調整和振興規劃”中,強調著重從集成電路和新型元器件技術的基礎研究方面開展系統深入的研究,為我國信息產業的跨越式發展奠定堅實的理論和技術基礎。在國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術、半導體功率器件技術、電力電子技術是未來5～15年15個重點領域發展的重點技術。在目前國家重大科技專項的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”和“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個專項中,也將大屏幕PDP驅動集成電路產業化、數字輔助功率集成技術研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發與產業化等功率半導體相關課題列入支持計劃。在國家973計劃和國家自然科學基金重點和重大項目中,屬于功率半導體領域的寬禁帶半導體材料與器件的基礎研究一直是受到大力支持的研究方向。

總體而言,從功率半導體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導體的發展呈現以下三個方面的趨勢:① 硅基功率器件以實現高端產品的產業化為發展目標;② 高壓集成工藝和功率IC以應用研究為主導方向;③ 第三代寬禁帶半導體功率器件、系統功率集成芯片PSoC以基礎研究為重點。

3功率半導體技術發展趨勢

四十多年來,半導體技術沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導體技術已經發展到一個瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應越來越明顯,同時芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導體技術的發展必須考慮“后摩爾時代”問題,2005年國際半導體技術發展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導體技術發展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。

從路線圖可以清楚看到,未來半導體技術主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個維度的方向不斷發展,同時又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價值優先的多功能集成系統?！癕ore Moore”是指繼續遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內存對增加性能/容量和降低價格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續縮小,還包括與此關聯的三維結構改善等非幾何學工藝技術和新材料的運用等。而“More Than Moore”強調功能多樣化,更注重所做器件除了運算和存儲之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價值。以價值優先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強調縮小特征尺寸,但注重系統集成,在增加功能的同時,將系統組件級向更小型、更可靠的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術即是“More Than Moore”思想的一種實現方式,它是以硅材料為基礎的,跨領域(包括電子、光學、力學、熱學、生物、醫藥等等)的復合型集成技術,其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動器)+LSI等的結合。

在功能多樣化的“More Than Moore”領域,功率半導體是其重要組成部分。雖然在不同應用領域,對功率半導體技術的要求有所不同,但從其發展趨勢來看,功率半導體技術的目標始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導體技術研發的重點是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發展新的器件理論和結構,促進各種新型器件的發明和應用。下面我們對功率半導體技術的功率半導體器件、功率集成電路和功率系統集成三個方面的發展趨勢進行梳理和分析。

1) 功率半導體(分立)器件

功率半導體(分立)器件國內也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現有功率半導體(分立)器件能適應市場需求的快速變化,需要大量融合超大規模集成電路制造工藝,不斷改進材料性能或開發新的應用材料、繼續優化完善結構設計、制造工藝和封裝技術等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導體(分立)器件領域的熱點研究方向主要為器件新結構和器件新材料。

在器件新結構方面,超結(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導通電阻2.5次方關系,被國際上譽為“功率MOS器件領域里程碑”。超結結構已經成為半導體功率器件發展的一個重要方向,目前國際上多家半導體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術生產低功耗MOS器件。對于IGBT器件,其功率損耗和結構發展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結構是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結結構(Planar),槽柵結構(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優值,同時通過IGBT的版圖和柵極優化,還可以進一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。

功率半導體(分立)器件發展的另外一個重要方向是新材料技術,如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料。寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強等特點,是高壓、高溫、高頻、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。寬禁帶半導體SiC和GaN功率器件技術是一項戰略性的高新技術,具有極其重要的軍用和民用價值,因此得到國內外眾多半導體公司和研究結構的廣泛關注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領域的研究熱點。

2) 功率集成電路(PIC)

功率集成電路是指將高壓功率器件與信號處理系統及接口電路、保護電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現代功率電子技術的核心技術之一,隨著微電子技術的發展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術)發展,同時也向集成更多的控制(包括時序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護電路的高密度功率集成發展,以實現功能更強的智能控制能力。

3)功率系統集成

功率系統集成技術在向低功耗高密度功率集成技術發展的同時,也逐漸進入傳統SoC和CPU、DSP等領域。目前,SoC的低功耗問題已經成為制約其發展的瓶頸,研發新的功率集成技術是解決系統低功耗的重要途徑,同時,隨著線寬的進一步縮小,內核電壓降低,對電源系統提出了更高要求。為了在標準CMOS工藝下實現包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數字輔助的手段,即數字輔助功率集成技術(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術是近幾年數字輔助模擬設計在功率集成方面的深化與應用,即采用更多數字的手段,輔助常規的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進工藝線上得到更好性能的電路。

4我國功率半導體發展現狀、

問題及發展建議

在中國半導體行業中,功率半導體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發展速度滯后于大規模集成電路。國內功率半導體器件廠商的主要產品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導體器件的主流產品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進的超結低功耗功率MOS尚無法生產,另一主流產品IGBT尚處于研發階段。寬禁帶半導體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對市場應用的寬禁帶半導體功率器件(電力電子器件)的產品研發。目前市場熱點的高壓BCD集成技術雖然引起了從功率半導體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關注,但目前尚未有成熟穩定的高壓BCD工藝平臺可供高性能智能功率集成電路的批量生產。

由于高性能功率半導體器件技術含量高,制造難度大,目前國內生產技術與國外先進水平存在較大差距,很多中高端功率半導體器件必須依賴進口。技術差距主要表現在:(1)產品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導體器件已經占據主要市場,而國內功率器件生產還以傳統雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優值的功率MOS器件產品,國際上熱門的以超結(Super junction)為基礎的低功耗MOS器件國內尚處于研發階段;IGBT只能研發基于穿通型PT工藝的600V產品或者NPT型1200V低端產品,遠遠落后于國際水平。(2)工藝技術水平較低。功率半導體分立器件的生產,國內大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級工藝線,主流技術水平和國際水平相差至少2代以上,產品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發展,國內半導體工藝條件已大大改善,已擁有進行一些高端產品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結器件的生產能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設計人才和工藝開發人才非常缺乏。現有研發人員的設計水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設計人才非常缺乏。(4)國內市場前十大廠商中無一本土廠商,半導體功率器件產業仍處在國際產業鏈分工的中低端,對于附加值高的產品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現階段國內僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續的技術依賴。

筆者認為,功率半導體是最適合中國發展的半導體產業,相對于超大規模集成電路而言,其資金投入較低,產品周期較長,市場關聯度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業。但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面,應大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。

功率半導體芯片不同于以數字集成電路為基礎的超大規模集成電路,功率半導體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設計與工藝制造密切相關,因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業。但隨著代工線的迅速發展,國內如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導體器件的代工服務,并正積極開發高壓功率集成電路制造平臺。功率半導體生產企業也應借鑒集成電路設計公司的成功經驗,成立獨立的功率半導體器件設計公司,充分利用代工線先進的制造手段,依托自身的銷售網絡,生產高附加值的高端功率半導體器件產品。

設計弱于芯片的局面起源于設計力量的薄弱。雖然國內一些功率半導體生產企業新近建設了6英寸功率半導體器件生產線,但生產能力還遠未達到設計要求。筆者認為其中的關鍵是技術人員特別是具有國際視野和豐富生產經驗的高級人才的不足。企業應加強技術人才的培養與引進,積極開展產學研協作,以雄厚的技術實力支撐企業的發展。

我國功率半導體行業的發展最終還應依靠功率半導體IDM企業,在目前自身生產條件落后于國際先進水平的狀況下,IDM企業不能局限于自身產品線的生產能力,應充分依托國內功率半導體器件龐大的市場空間,用技術去開拓市場,逐漸從替代產品向產品創新、牽引整機發展轉變;大力發展設計能力,一方面依靠自身工藝線進行生產,加強技術改造和具有自身工藝特色的產品創新,另一方面借用先進代工線的生產能力,壯大自身產品線,加速企業發展。

5結束語

總之,功率半導體技術自新型功率MOS器件問世以來得到長足進展,已深入到工業生產與人民生活的各個方面。與國外相比,我國在功率半導體技術方面的研究存在著一定差距,但同時日益走向成熟?？傮w而言,功率半導體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統化方向發展;伴隨制造技術已進入深亞微米時代,新結構、新工藝硅基功率器件正不斷出現并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體器件也正不斷走向成熟。

我國擁有國際上最大的功率半導體市場,擁有迅速發展的半導體代工線,擁有國際上最大規模的人才培養能力,但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面。功率半導體行業應加強技術力量的引進和培養,大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。

半導體材料論文范文5

關鍵詞：電子科學與技術；專業建設；辦學定位

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）30-0104-02

一、引言

常州大學電子科學與技術專業的辦學定位是：結合我?！按蠊こ逃^”人才培養特色，依據“卓越工程師”教育理念下工程技術型人才培養的原則，培養具備微電子、光電子領域的寬厚專業基礎知識、熟練實驗技能，能掌握電子材料、電子器件、微電子和光電子系統的新工藝、新技術研究開發和設計技能，有較強的工程實踐能力，能夠在該領域從事各種電子材料、元器件、光電材料及器件、集成電路的設計、制造和相應的新產品、新技術、新工藝的研究、開發和管理工作工程技術人才。主要面向長三角地區微電子、新能源和新興光電行業。

二、專業現狀

1.社會需求情況。目前，電子科學與技術產業結構具有多樣性，既有勞動密集型的大型企業、大公司，更多的是小公司和小企業；既有國有企業和私營企業，更有合資、獨資的外企。市場對電子科學與技術專業人才的需求基本上是供不應求，特別是高層次設計人才的短缺。

2.師資力量。本專業共有14位專職教師，其中教授1位、副教授3位，高級職稱教師比例為28.6%，具有博士學位的教師9位，占比64.3%，另有4位教師博士在讀，即將畢業。

3.科研情況。現有實驗設備資產超過300萬元，近五年來，獲國家自然科學基金項目2項，市廳級以上項目4項，累計科研到款70余萬元。發表三大檢索論文50余篇、申請國家發明專利10余項。

4.課程設置情況。根據專業培養目標，課程設置時注重協調基礎課、專業基礎課和專業課之間的學時比例，并且加強實驗教學環節，對于培養學生的專業知識和動手能力是十分必要的。主要的專業基礎課有：模擬電子技術、數字電子技術、量子力學、數學物理方法、熱力學與統計物理等課程。主要的專業課有：固體物理、半導體物理、半導體器件物理、MEMS技術、集成電路設計、微電子工藝原理與技術、工藝與器件可靠性分析等課程。實驗環節有：基礎物理實驗、近代物理實驗、專業實驗、模擬電路實驗、數字電路實驗。

5.人才培養。本專業培養的學生，既有一定的數理基礎，又具備凝聚態物理、材料物理、微電子技術等專業的相關知識，在薄膜制備、微電子工藝、電子技術產品的研制開發以及在邊緣學科與交叉學科領域內就業的機會較多。近年來畢業生就業率一直超過95%，學生最近在人才市場應聘的反饋信息說明，我校本專業的學生與其他院校同專業的學生相比，就業有一定競爭優勢。另外，考取碩士研究生的人數逐年在上升，近5年，共有37名學生考取了南京大學、東南大學、上海交通大學、蘇州大學、山東大學、華中科技大學、上海大學、江南大學、北京工業大學等校相關專業的研究生繼續深造，其中2011年、2012年和2013年考研錄取率分別達到12.3%、15.9%和24.2%。

三、在專業建設方面，存在的主要問題有

1.師資力量仍然比較薄弱，教師專業結構還需要進一步優化和調整。主要體現在高級職稱的教師比例仍然較低，教師專業結構較分散且偏物理，具有微電子或半導體領域研究背景的教師較少。原因就在于：（1）本專業屬于熱門專業，全國相關的企業眾多，對高層次研究人員的需求較大，而培養相關專業研究生的院校相對較少，研究生畢業的規模還滿足不了企業的需求。（2）企業給出的薪酬待遇較之高校要高出不少，這也是造成引進不到具有專業背景教師的一個極重要原因。（3）近一半教師是從事理論物理方面的研究工作，與電子科學與技術專業的工科背景相差很大，很難為專業建設提供必要的支撐。因此，需要進一步調整教師的專業結構。

2.科研平臺和專業實驗室建設仍需大力加強。物理學科在校內是屬于弱勢學科，不僅缺少高層次領軍型的學術帶頭人，而且教師的科研水平還有待提高，因此面臨著科研經費少、科研設備缺、科研氛圍不濃厚等問題，科研平臺的建設也存在著巨大的壓力。雖然近年來專業實驗室的建設取得了一定的成效，購買了一定數量的實驗設備，基本滿足了本科學生專業實驗、畢業論文和研究生科研的需要，但仍然面臨與實際生產聯系不緊密、設備利用率低、維護人員缺、維護經費少、管理制度不完善等問題。

3.專業的教育質量有待進一步提高。電子科學與技術專業的教育質量、招生規模和培養方向與市場的關系是一種相互制約、相互相成的辯證關系。教育應該適應社會的發展需要，在社會需求和市場調節的作用下，如何提高教育質量是一個重大和綜合性的課題。在這方面存在著：（1）缺少具有專業知識背景的教師，課程設置不規范，不是按需設課而是“因人設課”。（2）教材選擇和講授內容沒有統一標準，仍然是“因人而異”。（3）課程知識講授與實際生產聯系不緊密，容易造成“照本宣科”的現象；（4）學生學習多以“自我為中心”，學習目的不明確、缺乏學習動力、對專業認識不夠、畢業去向不明等問題。因此，必須從“教”與“學”兩個方面來抓“質量”，只有經過“教”與“學”雙方的協調發展，才能保證教學質量的提高。

4.專業實驗教學環節有待進一步加強。專業實驗的教學能使學生掌握實驗知識和實驗設備的使用，提高學生的動手能力和實踐能力。從近幾年學生的就業情況看，專業實驗為學生就業打下了良好的基礎。但是目前出現了專業實驗開設數多、教學學時長、所需教師多，而教師個人工作量少、無人愿意承擔實驗課程等問題。

5.畢業生的就業導向有些許偏離。由于近幾年畢業生的就業主要面向光伏企業，而且就業形勢良好，這直接導致下面幾屆的學生認為本專業是面向光伏企業就業的，甚至有些老師也有同樣的看法，這就限制了學生的就業面，也會使就業形勢容易受到國際國內大環境的影響，而電科專業的學生培養和就業應當是面向整個微電子行業的。

四、專業建設措施

1.師資隊伍建設。師資隊伍建設是一切工作的基礎，因為專業人才培養質量和科研水平全部依托于此。師資隊伍建設應外引內培相結合，堅持以引進具有博士學位的高層次人才為主，并且重視制度設計，形成一整套卓有成效的人才引進、使用、培養和激勵機制。（1）引進的人才應能滿足電子科學與技術本科專業以及凝聚態物理、光電信息材料碩士點建設的需要，可定位于引進具有半導體材料與器件、集成電路設計、MEMS技術等領域研究背景的年輕博士，其中主要以引進半導體材料與器件領域的人才為主。考慮到專業的長遠發展，應盡可能引進實驗研究人才，相關的學科有物理學、材料科學與工程和電子科學與技術等。（2）在人才引進后的使用上應明確其主要任務是科研和專業建設，有計劃地為其搭建科研設備。（3）制定科學合理的考核和獎勵制度。人才引進工作應主動出擊，按需引進，省內外相關的院校有：南京大學電子科學與工程學院、中科院上海技術物理研究所、蘇州大學、華東師范大學信息科學技術學院、南京航空航天大學理學院等。

2.科研平臺建設。好的科研平臺是吸引優秀人才加入的一個關鍵因素，也是提升整體科研水平的重要保證。而目前的現狀是投入到科研平臺建設的經費較少，這有多方面的原因。不過，《常州大學“十二五”事業規劃發展綱要》中明確提出要建設多學科協調發展的學科體系。因此，我們應加強科研平臺建設與專業實驗室建設的融合，使基礎科研平臺不僅能滿足電子科學與技術專業本科生的畢業論文需求，而且能滿足凝聚態物理和光電信息材料專業碩士生、相關教師的科研任務，以科研帶動教學。

3.課程建設。課程建設是教學質量提高的保證，可以從以下幾方面進行：（1）專業課的開設必須滿足專業發展的需要。為此，教研室應認真討論每一屆學生的培養方案，根據市場需求、人才引進等情況及時調整培養方案。可以新增一些與專業、就業聯系緊密的課程。（2）注重教材的通用性、經典性和新穎性。選擇本專業多數院校都采用的教材。經典教材是國內或國外在本專業學習中長期使用并得到公認的優秀教材。學生通過經典教材的學習能夠較為全面、系統地掌握所學的知識并提高分析問題、解決問題的能力。教材的新穎性是指新版和再版教材包含有本專業的最新知識和技術的內容，學生通過新版教材的學習能夠了解當今世界上本專業領域中的最新知識和發展方向，拓展知識面。（3）為了解決目前出現的課堂講授“照本宣科”、書本知識與實際生產聯系不緊密等問題，可以考慮有計劃地、有選擇性地選派專業課教師下企業鍛煉，提高教師的實踐能力。

4.專業實驗教學環節。針對目前專業實驗中出現的問題，可以考慮大型設備的相關實驗課仍由原先的幾位老師承擔，其余實驗課由新引進的博士上，適當增加實驗課教學的工作量。此外，除了目前已開出的專業實驗，應充分利用已購買的設備，開設與企業生產工藝相關的專業實驗，學習與制備一些半導體器件，同時應投入經費、人力，保證有專人負責維護、保養這些設備。

5.專業思想教育。專業課教師、系部負責人應加強對低年級學生的專業思想教育，使其對專業有清楚的認識，引導學生做好專業規劃，明確學習目標，盡早準備?？梢酝ㄟ^教師講座、請已經工作或讀研的同學參加座談會、進企業參觀實習等形式開展專業思想教育。

參考文獻

[1]劉繼春，毛劍波，楊明武.“電子科學與技術專業”學科建設探索與實踐[J].合肥工業大學學報：社會科學版，2008，（22）：138-141.

半導體材料論文范文6

【關鍵詞】太陽能電池;等效電路;發電原理;PC1D

引言

太陽能電池是一種能量轉換的光電組件，它在經由太陽光照射后，可以吧光的能量轉換成電能。在1927年提出了利用金屬（銅）及半導體材料（氧化銅）接合所形成的太陽能電池，由于這早期的太陽能電池轉換效率都在1%以下，很難運用到實際生活中。1976年以后，如何提高太陽能電池的轉換效率成為了業內所關注的焦點。直到1999年，澳大利亞新南威爾士大學的研究者們將單晶硅電池的實驗室最高光電轉換效率已達到了25%[1]。

在2009年，周繼承[2]等人利用利用PC1D 軟件模擬了n+/p-p+結構的單晶硅太陽電池，在有/無鋁背場的情況下，隨著硅片厚度的變化，對電池輸出特性的影響以及對光電轉換效率的影響。結果表明，在有鋁背場時，太陽電池獲得明顯的開路電壓、短路電流以及光電轉換效率的增益;硅片厚度越小，鋁背場對其輸出特性的影響越大;在有鋁背場情況下，硅片厚度為120 um時，可獲得最大的光電轉換效率。

2011年，閆麗[3]等人為了降低單晶硅原材料成本，采用了PC1D軟件，提出了將p型硅為襯底的單晶硅125×125 太陽電池的鋁背場的背表面進行鈍化，得出了電池的效率會隨著鋁背場結深的增加、背表面復合速率的降低、少數載流子壽命的提高而提高。鋁背場能夠改善背表面的鈍化質量，降低背表面的復合速率，進而提高太陽能電池的光電轉換效率。

張超[4]等人通過提高太陽能電池透明電極性能的方法來提高轉換效率，石墨烯僅有一個sp2 碳原子的厚度，超高的載流子遷移率使它可以極大地降低透過率與導電性之間此消彼長關系的影響，同時具備高透光和高導電的特性。通過化學摻雜石墨烯的透過率和導電性可以超過ITO，同時在透過率和面電阻之間有更大的調整空間，可以根據太陽能電池的實際工作情況（高壓或低壓電池陣），在電池效率和焦耳熱之間獲得最優的條件以獲得最大的發電效率。

任丙彥[5]等人運用AFORS-HET程序模擬計算了不同本征層厚度、能隙寬度、發射層厚度、以及不同界面態密度等參數對P型晶體硅異質結太陽電池光伏特性的影響。在其他參數不變的情況下，插入較薄本征層，轉換效率增加，但本征層年厚度增加時，短路電流密度較少、效率也隨之降低;隨能隙寬度增加，短路電流先增加，但當能隙寬度大于某一特定值時，短路電流開始下降。

程雪梅[6]等人利用AFORS-HET軟件模擬分析了以p型晶體硅為襯底的異質結太陽電池，分別以ZnO和ITO為透明導電極，發現用ZnO為導電極的電池效率明顯比ITO電極提高3.21%。為了提高電池性能，模擬了以高摻雜的非晶硅層為背場的太陽電池，結果電池的性能相對于無背場時有較大的提高，開路電壓增加達677.3mV，轉換效率達21.25%。

1.太陽能電池的發電原理

當適當波長的光照射到非均勻半導體（如PN結）時，由于內建電場的作用（不加外電場），半導體內部產生電動勢（光生電壓）;若將PN結短路，則出現光生電流。這種由于內建電場引起的光電效應，稱為光生伏特效應。晶硅太陽能電池就是利用PN結的光伏效應來發電的。

通過擴散形成PN結后，由于載流子存在濃度差，P型區中的多子（空穴）向N型區中擴散，N型區中的多子（電子）向P型區中擴散，從而在P區和N區的交界處產生空間電荷區，并形成一個由N區指向 P區的內建電場。內建電場的存在又產生載流子的定向運動（漂移運動），它阻止多子擴散，促進少子漂移;當擴散運動和漂移運動達到動態平衡時，PN結處于平衡態。

當入射光照射到太陽能電池表面時，首先光子會通過反射防止膜，然后照射到硅的表面，進入到PN結區，及太陽能電池內部。若光子的能量hf等于或大于硅的禁帶寬度Eg（硅的禁帶寬度為 1.12eV）時，由于本征吸收，價帶內的電子吸收足夠能量的光子使電子激發，越過禁帶躍遷入空的導帶，而在價帶中留下一個空穴，形成電子-空穴對，這些電子-空穴對的移動又產生了光電流，也就是P-N接合處產生電位差。如果使用導線將太陽能電池與一個負載連接起來，形成一個回路，就會有電流流過負載，這就是太陽能電池發電的原理[7]。

2.太陽能電池的電路模型

由于太陽能電池的電壓、電流及功率受到光照條件及負載等因素的影響，當太陽能電池不受光時，它就是一個由P-N結合的二極管。在理想二極管的狀態下，電流與電壓之間的關系如下：

其中，I為電流大小;V為電壓;I0為飽和電流;VT=kT/q。

太陽能電池在運作時，由于一般二極管的正向電流定義為由P型流向N型，則電壓值為正值，而電流為負值。當太陽能電池受到光照時，它會產生負向的光生電流，因此一個理想的二極管加上一個負向的光電流IL就能表示太陽能電池的電流-電壓關系：

在沒有光照時IL=0，太陽能電池如圖一個二極管;當太陽能電路短路時V=0，可知此時短路電流ISC=-IL，即短路狀態時的電流值等于入射光源所產生的光電流;當太陽能處于開路狀態時I=0，則開路電壓[8]為：

以上都是太陽能處于理想化的推論。實際中，太陽能電池的等效電路如圖-2所示，它還存在分流電阻Rsh和串聯電阻Rs[9]。其中串聯電阻是半導體本身存在的電阻以及半導體與金屬的接觸間產生的電阻;在太陽能電路組件之間，也會有分流電流的存在Ileak，有Rsh=V/Ileak。當Rsh越小，Ileak就會越大?？紤]到這些電阻時，太陽能電池的電流-電壓關系[10]為：

3.太陽能電池轉換效率的影響因素

晶體硅太陽電池將太陽能轉換為電能的效率受到以下幾個方面因素的局限。一是太陽光的固有光譜;二是半導體材料有其固有禁帶寬度。這兩大因素使得太陽光中波長大于吸收限λ的部分對光伏發電完全失效;而太陽光中波長小于吸收限的部分，即使其每個光子都激發產生一對載流子，其光子能量大于禁帶寬度的部分，一般通過熱振動釋放，或者說轉變為熱，也是全部多余無效的。三是則是p-n結的暗電流損失，它來自電池p-n結本身，無論其材料和工藝質量如何理想，都免不了此種情況。四是溫度，硅晶體太陽電池作為一種半導體器件，它的轉換效率會隨著溫度的變化作線性變化。其中最主要的還得說說技術因素對轉換效率的影響，可按光學損失、符復合損失和電路損失來分類，也可以從材料和工藝兩大方面來分類。其中光學損失的因素有表面反射、背面與正面投射、柵線遮蔽和非激發吸收;復合損失的因素有金屬雜質復合中心、晶體結構缺陷復合中心、表面或界面復合;電路損失有柵線電阻、背接觸電阻、邊緣漏電和缺陷漏電。

4.實驗仿真參數設置

PC1D是由澳大利亞新南威爾士大學研發的一種模擬微電子器件特性的常用軟件，主要著重于光伏器件的模擬。它基于完全耦合的非線性方程來模擬分析半導體器件中電子和空穴的準一維傳輸過程，是太陽能電池較常用的仿真軟件。如表1所示，給出了本論文中 PC1D 仿真的關鍵參數設置。

本試驗中，采用接近地表的光譜AM1.5（地表上太陽的平均照度），即太陽以450角入射到地表的情況，此狀態下的光強度為844W/m2;能量密度為0.08W/cm2，工作溫度在開爾文300K，電池面積為1×1cm2，前表面反射為10%，電池背表面設置為朗伯散射。

表1

Device PC1Dinput

Front surface texture depth 3 um

Exterior front reflectance 10%

Base contact 0.015 Ω

Internal conductor 0.3 S

Thickness 300 um

Dielectric constant 11.9

Band gap 1.124 V

Temperature 300 K（開爾文）

P-type background doping 1.513e^16

BSRV 1000 cm/s

Resistivity 0.1 Ω.m

Front diffusion Gaussion

5.實驗仿真結果分析

如圖1所示，隨著發射極摻雜濃度的降低，多數載流子的濃度不斷減少，但是減少幅度逐漸增加，從而少數載流子的濃度便隨之增加，但增長幅度逐漸減少;少數載流子濃度的增加，增強了半導體硅的導電能力，使得電路中短路電流隨之升高，但是短路電流的增長速度會相應逐漸減少，當摻雜濃度達到了1020cm-3量級時，載流子濃度基本不再增加，則短路電流也就不再增加。在高摻雜時，低場下的漂移速度或遷移率會因雜質散射而降低，而高場下的漂移速度與摻雜基本無關，達到飽和值。

圖1

圖2

如圖2所示，當太陽光入射到太陽能電池的表面時，隨著入射光透散射進電池表面的距離增加時，載流子的遷移率會迅速增加，當增加到一定值時載流子遷移率不再增加，即電路中電子-空穴對處于平衡狀態，從而降低了發射極表面的復合速率，使電壓達到飽和。利用PC1D的仿真結果表明，只有當入射光散射進表面的距離為2.7um左右，受主摻雜濃度在1020cm-3時，才能使短路電流和開路電壓達到相應的最高值，由：可知，太陽能電池的效率才能夠達到更高。

參考文獻

[1]Jianhua Z，Aihua W，Green M A.24.5% efficiency siliconPERT cells on MCZ substrates and 24.7% efficiency PERL cells on FZ substrates[J]. Progress in Photov.：Research and Appl.，1999，7：471-474.

[2]周繼承，李斐等.鋁背場對單晶硅太陽能電池輸出特性的影響[J].光電器件，2009，30（6）：838-841.

[3]閆麗，高華.PC1D方法對鋁背場鈍化技術的分析[J].光電技術應用，2011（04）：15-18.

[4]張超，陳學康等.石墨烯太陽能電池透明電極的可行性分析[J].真空與低溫，2012，18（3）：160-166.

[5]任丙彥，王敏花等.AFORS-HET軟件模擬N型非晶體/p型晶體硅異質結太陽電池[J].太陽能學報，2008，29（2）：125-129.

[6]程雪梅，孟凡英等.p型晶體硅異質結太陽電池光電特性模擬研究[J].太陽能學報，2012，33（9）：1474-1479.

[7]林明獻.太陽能電池新技術[M].北京，科學出版社，2012.

[8]徐耀敏.高轉換效率太陽能電池仿真設計[D].武漢：武漢理工大學，2010.