半导体材料（共12篇）
半导体材料 篇1
1 半导体材料在科学技术中的地位
1) 从历史发展角度来看, 电子技术是科学技术现代化的基础之一。科学技术从传统的手动机械模式逐渐变化到现在的技术的电子自动化。事实上, 现代科学技术的一个显著特征是电子技术化, 电子技术渗透到国民经济各个领域。电子工业的兴起, 引起了国民经济各部门广泛而深刻的技术革新和技术革命。然而, 电子技术中起主要作用的是电子设备和仪表的心脏——用半导体材料品片所制成的元件。现代电子工业的显著特征是半导体化。半导体材料是电子工业的基础, 它是电子工业最重要的原材料。由此可见, 半导体材料在科学技术现代化小起着何等重大的作用, 处于何等重要的地位。
2) 从现代科学技术发展的角度来看, 从本世纪中期开始, 硅材料的发现和以及五十年代初期的以硅为基础的集成电路的发展, 导致了电子工业大革命。今天, 因特网、计算机用户, 这与现代微电子技术的发展是密不可分的, 也就是以硅为半导体材料技术的发展, 彻底地改变了世界的政治、经济的格局, 也改变了整个世界军事对抗的形式, 同时也深刻影响着人们的生活方式。另外, 从近几十年微电子技术的发展来看, 半导体材料的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武装设备的微型化和国民经济的发展都有非常重要的意义。
2 半导体材料的发展与分类
2.1 半导体材料的发展简史
世界各国研制半导体材料的历史并不长, 仅有三四十年的历史。我国也仅有30年历史。18世纪人们普遍认为, 具有负的温度系数, 电阻率大约10-3�109Ω⋅cm, 通常具有很高的热电势同时具有整流效应和光敏特性的材料成为半导体材料。国际上于1941年开始用多晶硅材料制成检波器, 可认为是半导体材料应用的开始。此后, 1948年～1950年成功地制成了世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管 (点接触三极管) 。硅半导体材料的发展方面, 1952年用直拉法成功地拉出世界上第一根硅单晶。60年代初, 出现了硅单晶薄层外延技术, 特别是硅平面工艺和平面晶体管的出现促使硅材料在单晶制备方面进一步改进和提高。与锗、硅材料发展并行, 化合物半导体材料的研制也早在50年代初就开始了。1952年人们发现量III-V族化合物是一种与锗性质类似的半导体材料。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展, 砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点, 用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等;近些年, 新型半导体材料的研究得到突破, 以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性, 被称为IT产业新的发动机。
2.2 半导体材料的分类
2.2.1 元素半导体
在周期表中, 金属和非金属之间有12个元素具有半导体的性质, 它们是B、C、Si、Ge、灰Sn、P、灰As、黑Sb、S、Se、Te、I。它们的大多数都不是稳定的, 例如, S、P、灰As都易挥发, 灰Sn在低温下才稳定。硼熔点高, 制备单晶困难, 而且载流子迁移率很低, 对它研究不多。炭的同素异形体金刚石具有很好的半导体性质, 系层状结构难以获得单晶。硅具有优良的半导体性质, 是现代最重要的半导体材料, 另外, 锗也是重要的半导体材料之一等等。
2.2.2“化合物”半导体
由于硅的电子移动速度使得硅电路传输速度慢并且难以改善。因此化合物半导体材料由此产生, 以GaAs、GaN、SiC为代表的的化合物半导体是目前应用最广泛, 发展最快。化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例, 通过比较可得, 化合物半导体材料具有:1) 很高的电子迁移率和电子漂移速度, 因此, 可以做到更高的工作频率和更快的工作速度;2) 肖特基势垒特性优越, 容易实现良好的栅控特性的ME结构;3) 禁带宽度大, 可以在Si器件难以工作的高温领域工。现在化合物半导体材料已广泛应用。
2.2.3“固溶”半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液, 如果具有半导体性质, 就称为固溶半导体, 简称固溶体或混晶。因为不可能作出绝对纯的物质, 材料经提纯后总要残留一定数两的杂质, 而且半导体材料还要有意地掺入一定的物质。固溶体是靠其价键按一定的化学配比构成的。固溶体在其固溶度范围内, 其组成元素的含量可连续变化, 其半导体性质也随之变化, 固溶体增加了材料的多样性, 为应用提供了更多的选择。
3 半导体材料的发展展望
1) 硅材料作为微电子技术的主导地位, 到21世纪中叶都不会改变。人们可以利用多种形式, 如减小器件尺寸从而提高集成度和功耗, 利用系统集成或微电子混合电路等继续发展下去。
2) 由于金刚石有着比氮化镓更大禁带宽度, 可以耐更高的温度, 它的抗腐蚀性能好, 可工作在非常恶劣的环境中, 但是这种材料存在主要的一个问题是单晶薄膜生长非常困难, 至今没人制备出来。因此另外, 金刚石单晶薄膜也是半导体材料中不多的一个极有应用前景的材料。
3) 还有一种材料就是基于低维半导体材料的量子器件的研究。据分析, 量子材料的密度函数与普通材料世界然不同的, 随着材料的尺寸减小, 维数降低, 量子尺寸效应、量子干涉效应、量子遂穿等效应变得越来越明显, 这就构成了量子器件的基础。这完全不同于基于PN结里面电子、空穴的扩散和漂移的器件, 它是一种崭新的材料, 有更大的发展前景。
参考文献
[1]刘凤伟.稀有金属知识半导体材料[M].北京:国防工业出版社, 1981.
[2]郝斌, 孟凯.浅谈化合物半导体材料[J].电脑知识与技术, 2010 (5) .
[3]刘恩科, 朱秉升, 罗晋生.半导体物理学[M].北京:电子工业出版社, 2010.
[4]半导体技术天地.http://www.2ic.cn/html/bbs.html.
半导体材料 篇2
一、课程说明
（一）课程名称：半导体材料
所属专业：微电子科学与工程
课程性质：专业限选
学 分： 3
（二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。
目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。
（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；
本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。
（四）教材：杨树人《半导体材料》
主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》
陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》
二、课程内容与安排
第一章 半导体材料概述 第一节 半导体材料发展历程 第二节 半导体材料分类 第三节 半导体材料制备方法综述 第二章 硅和锗的制备 第一节 硅和锗的物理化学性质 第二节 高纯硅的制备 第三节 锗的富集与提纯 第三章
区熔提纯
第一节 分凝现象与分凝系数
第二节
区熔原理 第三节
锗的区熔提纯 第四章
晶体生长
第一节 晶体生长理论基础
第二节 熔体的晶体生长
第三节 硅、锗单晶生长
第五章
硅、锗晶体中的杂质和缺陷
第一节 硅、锗晶体中杂质的性质
第二节 硅、锗晶体的掺杂
第三节 硅、锗单晶的位错
第四节 硅单晶中的微缺陷
第六章
硅外延生长
第一节 硅的气相外延生长
第二节 硅外延生长的缺陷及电阻率控制
第三节 硅的异质外延
第七章
化合物半导体的外延生长
第一节 气相外延生长（VPE）
第二节 金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）
第三节 分子束外延生长（MBE）
第四节 其他外延生长技术
第八章
化合物半导体材料
（一）：第二代半导体材料
第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性
第二节 GaAs单晶的制备及应用
第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂
第四节 InP、GaP等的制备及应用
第九章
化合物半导体材料
（二）：第三代半导体材料
第一节 氮化物半导体材料特性及应用
第二节 氮化物半导体材料的外延生长 第三节 碳化硅材料的特性及应用
第十章
其他半导体材料 第一节 半导体金刚石的制备及应用 第二节 低维半导体材料及应用
第三节 有机半导体材料
（一）教学方法与学时分配
按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。并进行课后辅导与答疑。以学生掌握主要半导体材料制备为主，辅助半导体物理和器件知识，使学生了解材料的用途，激发学生的学习兴趣。为将来工作和科研打好基础。
课时分配如下：第一章（2学时）、第二章（4学时）、第三章（8学时）、第四章（8学时）、第五章（6学时）、第六章（6学时）、第七章（6学时）、第八章（6学时）、第九章（4学时）、第十章（4学时）
主要内容：
【重点掌握】：区熔原理、晶体生长基本原理、Si、Ge单晶制备、Si外延制备、Si、Ge材料掺杂与控制。
【掌握】：VPE、MBE、MOCVD等外延方法、晶体中的缺陷、缺陷控制、III-V化合物InP、GaN、SiC等基本性质与制作方法。
【了解】： 半导体金刚石的制备、性质、低维半导体、有机半导体材料的性质及引用
【一般了解】： 半导体材料分类 【难点】：区熔原理、晶体生长基本原理
（重点掌握、掌握、了解、一般了解四个层次可根据教学内容和对学生的具体要求适当减少，但不得少于两个层次）
制定人：刘贵鹏
二维半导体材料家族又添新成员 篇3
一氧化锡由犹他大学材料科学和工程学副教授艾舒托什·蒂瓦里领导的研究团队发现，它由锡和氧元素组成。目前，电子设备内的晶体管和其他元件由硅等三维材料制成，一个玻璃基层上包含有多层三维材料。但三维材料的缺陷在于，电子会在层内的各个方向四处弹跳。蒂瓦里解释道，而二维材料的优势在于，其由厚度仅为一两个原子的一个夹层组成，电子只能在夹层中移动，所以移动速度更快。
二维半导体材料5年前开始成为研究热点，尽管研究人员已发现了石墨烯、二硫化钼以及硼墨烯等多种二维材料，但这些材料只允许带负电荷的电子（N型）运动，而制造电子设备同时需要电子和带正电荷的“空穴”（P型）运动的半导体材料，最新发现的一氧化锡是有史以来第一种稳定的P型二维半导体材料。
一氧化锡材料有助于科学家们研制出体型更小且运行速度更快的晶体管，计算机处理器包含有数十亿个晶体管，单个芯片上集成的晶体管越多，处理器的功能越强大，最终科学家们或能制备出比现有设备快100倍的计算机和智能手机。另外，在这种材料内，由于电子通过一层而非像在三维材料内部来回弹跳，因此，产生的摩擦更少，使处理器不会像传统计算机芯片那样容易变得过热，且其运行需要的能量也更少，这对那些必须依靠电池运行的移动设备尤其是包括电子植入设备在内的医疗设备来说，不啻为一个巨大的福音。蒂瓦里表示，模型设备有望于两三年内问世。相关研究论文发表在《先进电学材料》杂志在线版上。
半导体材料切割设备概况 篇4
硅圆片的加工的工艺流程:
晶棒成长——晶棒裁切与检测——外径滚圆——切片——圆角 (倒角) ——表面研磨——蚀刻——去疵——抛光——清洗——检验——包装
硅圆片的加工工艺流程中的切片大多应用内圆切割技术, 该技术于20世纪70年代末发展成熟。随着硅圆片直径的增大, 内圆切割工艺中所需内圆刀片尺寸增大, 刀片张紧力也相应增大。同时刀片刃口的加厚增加了切割的损耗, 高速切割使硅片表面的损伤层及刀具损耗增大, 这些缺点使内圆切割技术在大片径化方向中提高效率, 降低生产成本受到制约。基于这种情况, 国际上又出现了一种新的切割工艺——多线切割 (简称线切割) 。
一、内圆切割技术与线切割技术分析
200mm (8吋) 以上规格硅单晶圆片加工可采用内圆切割技术或线切割技术两种切割方式。在硅圆片规模化生产中, 线切割技术作为主流加工方式, 逐步取代了传统的内圆切割技术方式。随着硅圆片直径的增大, 内圆切割技术固有的缺点使硅片表面的损伤层加大 (约为30~40微米) 。线切割技术优点是效率高 (大约为内圆切割技术的6~8倍, 在8小时左右切割过程中一次可切出2000圆片左右) 。切口小, 硅棒切口损耗小 (约为内圆切割技术的60%, 这相当于内圆切片机切割6片圆片的长度多线切割可切出7片圆片) , 切割的硅片表面损伤层较浅 (约为10~15微米) , 硅圆片质量受人为因素影响较小。
但线切割技术同内圆切割技术相比也有其明显的弱点, 一是片厚平均误差较大 (约为内圆切割技术的2倍) 。二是切割过程中智能检测控制不易实现。三是切割过程中对成功率的要求很高, 风险大, 一旦断丝而不可挽救时, 直接浪费一根单晶棒。四是不能实现单片质量控制, 一次切割完成后才能检测圆片的切割质量, 并且圆片之间切割质量也不相同。在这些方面, 内圆切割技术却显示出其自身的优越性来。具体表现为:一是切片精度高;二是切片成本低, 同规格的切片机价格为线切割机价格的1/3~1/4, 线切割机还需配置专用粘料机;三是每片都可进行调整;四是小批量多规格加工时灵活的加工可调性;五是自动、单片方式切换操作方便;六是低成本的辅料 (线切割机磨料及磨料液要定时更换) ;七是不同片厚所需的调整时间较少;八是不同棒径所需较的调整时间较少;九是修刀、装刀方便。
二、内圆切割技术与线切割技术在实际应用中互为补充而存在
在新建硅圆片加工生产线时, 规模在年产达50吨以上的硅单晶加工生产线, 并且圆片品种主要针对较大数量集成电路用硅圆片时, 切割设备选型可定位在线切割机上。同时大规模、单一硅圆片品种 (主要指圆片的厚度规格品种) 的太阳能级圆片加工, 切割设备选型也可定位在线切割机上。厚度规格品种的多少, 直接关系到线切割机排线导轮的多少。该排线导轮目前国内无法配套, 国外供应商配套, 价格较高。频繁更换排线导轮增加了辅助时间, 还会增加线丝的浪费。二是生产规模小的生产单位或多品种硅圆片生产并具有大规模的生产单位, 在设备选型上, 应首先考虑选用内圆切片机。
三、国内外内圆切片机设备技术概况
在国内引进的内圆切片机中主要有瑞士的M&B和日本东京精密株式会社 (TOKYO) 两公司的内圆切片机, 这几年随着国外硅片生产公司的设备更新, 国内引进了二手的日本TOKYO公司生产的200mm (8吋) 的切片机, 但数量不是很多。M&B公司以卧式机型为主, TOKYO公司以立式机型为主。在切片机主轴支撑方式上, M&B公司以空气轴承为发展方向, TOKYO公司以滚动轴承和空气轴承两种形式发展。M&B公司的产品中150mm主流机型有TS23、TS202 (TS23为增强型) 两种。200mm的主流机型有TS205、TS206两种。TS205机型主要用于200mm晶棒齐端头、切样片和切断, TS206机型则是集中了内圆切片机现有所有技术的机型。TOKYO公司的TSK系列内圆切片机中, 150mm~200mm规格机型有S-LM227D, S-LM-434E, S-LM-534B机型, 其产品档次和技术含量随型号的增大而增加。
在国内内圆切片机研制中仅有信息产业部某单位。其内圆切片机机型在国内硅片切割行业应用的范围涵盖了从φ50mm到φ200mm硅片的切片加工, QP-613机型应用范围为φ125mm到φ150mm圆片切割加工, QP-816机型应用于φ200mm圆片切割加工, 这些机型技术层次为国外九十年代初期的水平。
国内某单位研制的某型号多线切割机, 切割线直径0.18mm, 片厚0.2mm, 工件尺寸150×150×400 (×2) , 单次切片最多200片。
在以上诸多机型中以TS205, S-LM-534B两种机型集中了当今内圆切片机制造的最高技术。
但是需要指出的是, 这些主要技术停滞了近10年, 其技术特点主要体现在以下几个方面:
1、精密主轴制造技术:不论是采用空气静压轴承支撑的主轴技术还是以精密滚动轴承支撑的主轴技术, 都是保证切片机主轴高精度、高寿命及保证切片质量的关键技术。
2、精密伺服定位技术:这是保证切片机切片厚度均匀、误差小, 减少磨片时间的关键技术。
3、机械手技术:保证切片后可靠的取片, 减少切片以外损坏的技术。
4、自动检测技术:是刀片导向系统及自动修刀系统应用于硅圆片质量控制的前提条件。
5、CNC控制技术:对机器进行控制及保证自动检测技术应用的软硬件技术。
6、直流伺服技术:保证切片质量, 提供可靠的驱动动力技术。
7、精密滚动导轨:保证切片时片子的平行度、翘曲度、粗糙度的机械导向技术。
8、端磨技术:提高片子表面弯曲度、翘曲度和表面粗糙度的技术。
四、国外线切割机设备技术概况
国外线切割设备生产厂家主要有日本TAKATORI公司, 不二越机械工业株式会社, NTC公司以及瑞士的M&B公司, HCT公司, 从产品技术角度划分, 瑞士的两家公司生产的线切割机水平较高。尤其是HCT公司, 该公司自1984年成立以来, 专攻线切割机技术, 如今已成为业界的技术带头人。
TAKATORI公司产品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三种, 可用于100mm~200mm之间半导体材料的切割。该公司其他一些线切割设备主要用于截面尺寸较小的磁性材料、光电材料的切割。以上三种线切割机产品都属于三轴 (导轮) 驱动形式, MWS-610SD采用材料向下运动的切割方式。这两种线切割机线丝存线长度不超过150KM。不二越机械工业株式会社线切割机主要有FSW-150型。三轴 (导轮) 驱动形式, 可切割150×150方形材料 (主要针对太阳能光电硅材料切割) 存线长度不超过150KM。NTC公司 (日平外山公司) 主要提供300mm晶圆片线切割机MNM444B和MWM454B两种。三轴 (导轮) 驱动形式, 存线长度达400KM。瑞士M&B公司在原DS260线切割机基础上研制出DS261、DS262、BS800三种机型。其中DS262机型是专为太阳能级硅片切割设计的, 该机型一次可切四根单晶棒料。其最大生产效率为一次自动切割过程中能切出圆片4400片。BS800机型是带锯切割方形材料的设备。
M&B公司线切割机主要用于200mm硅圆片和太阳能级硅片的切割加工, 四轴 (导轮) 驱动形式, 大大增强了工作台的承料面积。HCT公司生产的线切割机主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四种, 其中E400SD、E500SD两种机型主要用于太阳能级硅片切割加工, 最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12适用于半导体圆片加工生产, E500ED-8为200mm设备, E400E-12为300mm设备。HCT公司与M&B线切割机设备主要以四轴 (导轮) 驱动形式设计, 这样可以增大工作台的面积, 增大切割能力。
线切割机所采用的技术可以概括为以下几个方向:
1、高精度的三轴或四轴排线导轮驱动装置技术。
2、线丝张紧力自动控制系统技术。线丝张紧力保持一定张力, 是保证切割表面质量的主要因素。
3、切割进给伺服系统。配合线丝张紧力自动控制系统的作用, 保证在不断丝的条件下实现切割的高效性。
4、排线导轮的制造、翻新及耐用度技术。
5、磨料的混合供给及分离技术。旨在提高磨料的适用寿命, 降低生产成本。
6、自动排线功能, 以节约人工手动布线的时间, 减小布线错误, 降低劳动强度, 提高切割效率。
7、高质量的磨料、切割线的使用也是该类线切割设备的关键技术。
五、结语
本文讲述了内圆切割技术和线切割技术的发展历程, 详细介绍了内圆切割和线切割两种切割技术的差异, 及它们的各自适用范围, 希望能够对于硅片的切割加工设备尤其是多线切割设备的设计制造提供一些帮助。
参考文献
[1]康子丰:《大直径硅片加工技术》, 《电子工业专用设备》, 1997年。[1]康子丰:《大直径硅片加工技术》, 《电子工业专用设备》, 1997年。
[2]孙恒等:《机械原理》, 高等教育出版社, 1995年。[2]孙恒等:《机械原理》, 高等教育出版社, 1995年。
半导体砷化镓材料的分析 篇5
摘要：本文主要介绍半导体材料GaAs的性质、用途、制备工艺及国内外发展现状。半导体材料的性质和结构参数决定了他的特征以及用途。GaAs在生活中也有着广泛的作用，通过对它的讨论希望有助于对半导体材料的认识和理解。
关键词：半导体材料 GaAs 性质 结构 特征 用途 认识
Abstract: this paper mainly introduces the properties of GaAs semiconductor materials, application, preparation technology and development situation at home and abroad.The nature of the semiconductor material and structure parameters determine his character and purpose.GaAs also has a broad role in our daily life, through the discussion of it hope to contribute to understanding and the understanding of semiconductor materials.Keywords：Semiconductor Materials GaAs Properties Structure Characteristics
Purpose Understanding 1 引言
化合物半导体材料的研究可以追溯到上世纪初，最早报导的是1910年由Thiel等人研究的InP材料。1952年，德国科学家Welker首次把Ⅲ-Ⅴ族化合物作为一种新的半导体族来研究，并指出它们具有Ge、Si等元素半导体材料所不具备的优越特性。五十多年来，化合物半导体材料的研究取得了巨大进展，在微电子和光电子领域也得到了日益广泛的应用。
砷化镓（GaAs）材料是目前生产量最大、应用最广泛，因而也是最重要的化合物半导体材料，是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其优越的性能和能带结构，使砷化镓材料在微波器件和发光器件等方面具有很大发展潜力。目前砷化镓材料的先进生产技术仍掌握在日本、德国以及美国等国际大公司手中，与国外公司相比国内企业在砷化镓材料生产技术方面还有较大差距。砷化镓材料的性质及用途
砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构，导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中心，即K=0处，这使其具有较高的电光转换效率，是制备光电器件的优良材料。
在300 K时，砷化镓材料禁带宽度为1.42 eV，远大于锗的0.67 eV和硅的1.12 eV，因此，砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率。
砷化镓（GaAs）材料与传统的硅半导体材料相比，它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性，电子迁移率约为硅材料的5.7倍。因此，广泛应用于高频及无线通讯中制做IC器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于无线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航等领域。除在I C产品应用以外，砷化镓材料也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应，制成半导体发光器件，还可以制做砷化镓太阳能电池。砷化镓材料制备工艺
从20世纪50年代开始，已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化 1
生长工艺包括：液封直拉法（LEC）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。
3.1 液封直拉法（Liquid Encapsulated Czochralski，简称LEC）
LEC法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶（SI GaAs）的主要工艺，目前市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采用LEC法生长的。LEC法采用石墨加热器和PBN坩埚，以B2O3作为液封剂，在2MPa的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。LEC工艺的主要优点是可靠性高，容易生长较长的大直径单晶，晶体碳含量可控，晶体的半绝缘特性好。其主要缺点是：化学剂量比较难控制、热场的温度梯度大（100~150 K/cm）、晶体的位错密度高达104以上且分布不均匀。日本日立电线公司于1998年首先建立了6英寸LEC砷化镓单晶生产线，该公司安装了当时世界上最大的砷化镓单晶炉，坩埚直径400mm，投料量50公斤，生长的6英寸单晶长度达到350 mm。德国Freiberger公司于2000年报道了世界上第一颗采用LEC工艺研制的8英寸砷化镓单晶。
3.2 水平布里其曼法（Horizontal Bridgman，简称HB）
HB法是曾经是大量生产半导体（低阻）砷化镓单晶（SC GaAs）的主要工艺，使用石英舟和石英管在常压下生长，可靠性和稳定性高。HB法的优点是可利用砷蒸汽精确控制晶体的化学剂量比，温度梯度小从而达到降低位错的目的。HB砷化镓单晶的位错密度比LEC砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上。主要缺点是难以生长非掺杂的半绝缘砷化镓单晶，所生长的晶体界面为D形，在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费。同时，由于高温下石英舟的承重力所限，难以生长大直径的晶体。目前采用HB工艺工业化大量生产的主要是2英寸和3英寸晶体，报道的HB法砷化镓最大晶体直径为4英寸。目前采用HB工艺进行砷化镓材料生产的公司已经不多，随着VB和VGF工艺的日渐成熟，HB工艺有被逐渐取代的趋势。
3.3 垂直布里其曼法（Vertical Bridgman，简称VB）
VB法是上世纪80年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺，将合成好的砷化镓多晶、B2O3以及籽晶装入PBN坩埚并密封在抽真空的石英瓶中，炉体垂直放置，采用电阻丝加热，石英瓶垂直放入炉体中间。高温下将砷化镓多晶熔化后与籽晶进行熔接，然后通过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶与坩埚向下移动，在一定的温度梯度下，单晶从籽晶端开始缓慢向上生长。VB法即可以生长低阻砷化镓单晶，也可以生长高阻半绝缘砷化镓单晶。晶体的平均EPD在5 000个/cm-2以下。
3.4 垂直梯度凝固法（Vertical Gradient Freeze，简称VGF）
VGF工艺与VB工艺的原理和应用领域基本类似。其最大区别在于VGF法取消了晶体下降走车机构和旋转机构，由计算机精确控制热场进行缓慢降温，生长界面由熔体下端逐渐向上移动，完成晶体生长。这种工艺由于取消了机械传动机构，使晶体生长界面更加稳定，适合生长超低位错的砷化镓单晶。VB与VGF工艺的缺点是晶体生长过程中无法观察与判断晶体的生长情况，同时晶体的生长周期较长。目前国际上商用水平已经可以批量生产6英寸的VB/VGF砷化镓晶体，Freiberger公司在2002年报道了世界上第一颗采用VGF工艺研制的8英寸砷化镓单晶。国内外砷化镓材料技术的发展
4.1 国外砷化镓材料技术的现状与发展
砷化镓材料作为一种新型的电子信息材料，技术水平的发展十分迅速。目前的技术发展趋势体现在如下几个方面：
（1）晶体的尺寸、重量不断增大。半绝缘砷化镓材料在上个世纪末实现了直径从 3 英寸向 4 英寸的提升后，目前正在实现 4 英寸向 6 英寸的跃升；
（2）材料性能上，主要集中于改善材料的电学性能径向均匀性和轴向一致性、降低材料的微观缺陷等方面；
（3）晶体的后工艺技术方面，一方面致力于超平坦晶片的研制，另一方面，着重解决晶片的免清洗问题；
（4）致力于新工艺技术的开发。VB/VGF 技术在成功地应用于光电子器件用的砷化镓材料研制后，目前已被普遍地用于半绝缘材料的研制和生产。
在本领域中，美国、日本的科技发展水平相对较高，德国上升速度较快，俄罗斯基本上停滞不前。
美国的化合物半导体材料发展是比较典型的由军事需求牵引发展起来后转为民用的例子。美国的 GaAs 材料发展一直受到军方的高度支持，特别在“Title III”计划中，美国防部投巨资给 Litton Airtron、AXT、M/A-COM 三家企业，帮助其形成生产能力，使这三家企业成为世界著名的 GaAs 生产商。其中 Litton Airtron 公司采用常压 LEC 工艺、M/A-COM 公司采用高压 LEC 工艺主要生产半绝缘 GaAs 材料，AXT 公司采用其独创的 VGF 工艺，以生产低阻 GaAs 材料为主，也生产部分半绝缘材料，三家公司均可生产 6 英寸“开盒即用”的抛光片。日本的发展模式是以企业为主，首先发展光电子器件用 GaAs 材料，然后切入微电子用半绝缘 GaAs 材料，住友电工、日立电线目前是世界上技术水平最高、规模最大的厂商之一。其中住友电工采用 LEC、VB 工艺，日立电线采用 LEC、HB、VGF 工艺，两公司 LEC、VB、VGF 工艺均可生长 6 英寸单晶，特别是日立电线公司 4 英寸直径 GaAs 单晶长度达到 480mm，3 英寸直径 GaAs 单晶长度达到 770mm，为目前世界最高水平。德国在化合物半导体材料发展方面属后起之秀，主要在东、西德合并以后，原西德瓦克公司的 GaAs 生产能力和原东德晶体研究所的技术力量加之民间资金的注入，使新成立的 Freiberger公司的实力得到迅速提升，已成为世界著名的 GaAs 材料生产商。
4.2 国内砷化镓材料技术现状及发展趋势
我国从上世纪 60 年代初开始研制砷化镓，中科镓英公司成功拉制出我国第一根6.4 公斤 5 英寸 LEC 法大直径砷化镓单晶；信息产业部 46 所生长出我国第一根 6 英寸砷化镓单晶，单晶重 12kg，并已连续生长出 6 根 6 英寸砷化镓单晶；西安理工大在高压单晶炉上称重单元技术研发方面取得突破性进展。2004 年，中科院半导体所研制成功了我国第一个５英寸液封直拉法（LEC）砷化镓单晶，以及我国最重最长４英寸、６英寸液封直拉法（ＬＥＣ）砷化镓单晶，成为国内通过相关应用部门及美国、中国台湾等芯片制造商“客户认证”的晶片供应商。
2006 年 4 月，大庆国家高新技术产业开发区大庆佳昌科技有限公司正式公布：经过三年的努力，由公司首席科学家王永鸿教授带领的技术团队，采用自主创新的WLEC 法技术，成功拉制出国内第一颗直径 200 毫米砷化镓单晶，实现了我国大直径8 英寸砷化镓单晶生长技术零的突破，使我国砷化镓单晶生长技术跨入世界领先行列。由此，大庆将成为以生产优质砷化镓材料为主的具有国际影响力的化合物半导体材料重要生产基地。
砷化镓材料的尺寸经历了从 2 英寸、3 英寸、4 英寸、6 英寸的发展过程（8 英寸砷化镓单晶也于近期研制成功）。
目前砷化镓单晶材料的制备主要有 VGF、LEC、HB 等方法，随着单晶尺寸的增大，VGF 法已成为主流技术。我国在 LEC 和 HB 单晶生长技术方面相对较成熟。中科镓英公司于 2004 年 1 月正式投产，LEC 方法生产半绝缘砷化镓单晶，已成为国内半绝缘砷化镓单晶材料的主要供应基地。中科镓英公司的 2 英寸 HB 半导体砷化镓材料已畅销国内外，目前已占到世界市场的 10%左右。
随着国家科技体制改革的不断深入，我国的砷化镓材料产业化工作发展很快，拥有该材料技术的各研究单位正在大力实施该领域的产业化，同时国内外多家有实力的公司看好该领 3
域的良好发展前景，也在积极地涉足该领域的产业化工作，使得砷化镓材料的产业化呈现如火如荼态势。中电科技集团四十六所在收购美国 LittonAirtron 公司生产线的同时，自主开发 VB-GaAs 单晶生产技术，现在正在同时进行半绝缘砷化镓材料和低阻光电器件用砷化镓材料的产业化工作，目标是实现光电砷化镓衬底年产 20 万片、半绝缘砷化镓材料年产 15-20 万片，市场份额达到世界前四位；以中科院半导体所的技术为基础，联合北新建材等单位成立的中科镓英公司正在开展半掘缘砷化镓材料及其外延材料的产业化工作；以北京有色金属研究总院的HB-GaAs 技术为基础成立的国瑞电子公司已实现光电器件用砷化镓材料生产多年；其他如大庆佳昌、北京美西半导体材料有限公司（前身为福州晶阵半导体有限公司）、新乡市神舟晶体科技发展有限公司（原 542 厂）等公司也在积极地开展砷镓材料的产业化工作。可以讲，我国是目前世界上生产和正在积极努力准备生产砷化镓材料企业最多的国家，预示着不久的将来，中国将在该领域占据十分重要的地位。此时更迫切需要国家予以必要的支持，解决实现产业化的一些关键技术，构建起我国化合物半导体材料的产业群。
但是，我国砷化镓材料产业和国外也存在很大差距。在技术水平方面，国外LEC、VB、VGF 等工艺均已可生产 6 英寸单晶，国内目前只有 LEC 工艺研制出 6 英寸单晶，VB 工艺生长的单晶最大直径达到 3 英寸，VGF 工艺尚处于研发中；在晶体重量方面，国外达到 50Kg，国内目前只有 20Kg 左右；在材料性能方面，国外可以将整锭单晶的电阻率控制在（1～3）×10 7 Ωcm，国内目前只是控制在大于 1×10 7 Ωcm，有时可能达到 1×10 8 Ωcm 以上；在表面几何参数方面，国外 6 英寸抛光片的TTV 可以达到 2µm，国内在 6µm 左右，在表面质量方面，国外通过多种技术途径达到了“开盒即用”，国内还有一定差距。中国砷化镓材料产业发展建议及战略发展思路
5.1 发展 砷化镓材料产业的建议
砷化镓材料于上世纪九十年代初到九十年代末，其产量与产值基本保持每年百分之十几的增长趋势，到九十年代末期增长速度加快。近几年砷化镓相关产业以每年 35%的增长速度递增；其增长最快的几个领域是，移动通信、卫星通讯、光纤通讯、半导体照明，增长速率在 40%以上。砷化镓相关产业 1999 年产值已超过 20 亿美元，到 2005 年超过了 100 亿美元。
国内开展砷化镓单晶材料的研究已有 20 多年历史，在了 LEC 和 HB 生长砷化镓单晶材料水平均方面和国际产品水平相当，特别是目前中科镓英公司已实现 LEC 砷化镓单晶及各种类型砷化镓晶片加工的产业化生产，可以说已经具备了快速发展的基本条件。
砷化镓材料产业是现代信息产业链中最重要的基础产业之一。国家已把微电子作为重点发展行业，砷化镓已被列入中国信息产业“十五”期间重点产品。
首先它将推动相关的砷化镓光电子器件、砷化镓微电子器件、电路的产业化发展，进而推动如半导体照明、移动电话、卫星定位系统、无线数据传输、卫星直播系统、高速测量系统等多领域的发展。砷化镓材料的产业化不仅推动其下游领域的产业化发展，同时还将带动其上游领域的发展。我国是金属镓资源的富国，砷化镓材料的产业化将带动高纯镓产业的迅速发展。
把砷化镓当成产业链的源头是正确的。从整个产业链的角度来说，砷和镓是很小的产业，但到了砷化镓的时候，这个产业就很大了，而到了器件电路的时候产业就更大了。按照粗略的估算可以认为，它们之间符合 1：10：100 ：1000 的比例。假如器件和电路有300 亿美元的市场，那么砷化镓晶片和外延片市场大约会有30 亿美元。
5.2 砷化镓材料产业的特性
（1）非标准化产品，量产不易:
砷化镓产品并非标准化产品，每个产品特性皆因客户要求的不同而异，因此无法像矽晶圆厂般量产.（2)认证时间长，单价高，订单稳定性佳:
由於砷化镓产品的品质控制仍不稳定，所以 IDM 大厂认证作业时间长，通常初次测试加上 reliability 测验约需 8 个月以上，但是单价高且订单稳定性佳.（3)客户稳定性佳:
砷化镓产品为客制化产品，所以必须与客户紧密配合，共同开发新产品.由於与客户长期配合新产品的开发，且经过客户长期的测试与验证，使得客户将不会轻易转移订单，客户的稳定性佳.（4）进入障碍高:
砷化镓域发展过去受限於国防工业，具人才稀有性，产业量产制程的研发时程尚短，因此较矽晶圆代工制程落后，使得目前的制程稳定度控制不易，技术障碍极高，良率的高低为该行业目前决胜要点.鉴于镓市场变化特点及世界镓生产公司采用的通行办法，对于上街区企业要进入镓的生产和市场，建议企业最好是采用与化合物半导体厂家建立合资公司的方式，一是获得稳定的市场，二是能避免市场突变的巨大风险。
5.3 发展砷化镓材料产业的战略思路
（1）从国民经济发展、国防安全的需要和电子信息技术的发展规律考虑战略发展思路。
当今社会已进入信息时代。信息社会的标志是大容量信息的快速采集、处理、传输及存储，其依赖的技术基础是微电子技术。过去 30 多年来，微电子技术一直以硅为主。硅微电子技术的发展基本上遵循摩尔法则，即集成在芯片上的 MOS 晶体管数量每隔 18 个月翻一番，这是通过不断技术进步，逐渐减少器件线宽尺寸来实现的。但这种线宽尺寸的减小是有限度的，硅微电子终将受物理极限尺寸和 SiO 2 介电性质的限制，据预计，这种发展模式最多能持续 10~15 年左右时间，速度、频率的进一步提高将非常困难。而现代社会产生的信息量却呈爆炸之势，因此，在可预见的不久的将来，硅微电子技术无法适应信息社会的发展必将成为不争的事实，取而代之的或在一定领域内取而代之的将是化合物微电子。化合物微电子主要以III-V族化合物半导体材料为基础。该类材料（典型的如 GaAs、InP 等）由于具有电子迁移率高、禁带宽度大等特点，其器件和集成电路在工作速度、频率等方面具有硅器件/电路不可比拟的优势，而这些正好符合大容量信息快速采集、处理、传输的要求，同时，多种III-V族化合物半导体材料不仅可以制作优良的微电子器件，同时还可以制作光电子器件，因此化合物微电子、光电子技术近年来发展十分迅速，在许多国民经济的高技术领域和军用电子领域应用十分广泛，发挥着十分重要的作用，因此，从国民经济发展、国防安全的需要和电子信息技术的发展规律出发，优先发展化合物微电子特别是其基础的III-V族化合物半导体材料是非常重要的。
（2）从现有的技术基础考虑战略发展思路
由于在国民经济和国防安全中的重要性，长期以来，在国家各有关计划的支持下，化合物微电子、光电子技术得到了迅速发展，与国外差距已不是很大，具备了在这一领域在国际上占据一席之地的技术基础。以 GaAs 材料为例，从“七五”计划开始，国家重大科技攻关、“863”重大专项、军事预研、军品攻关、技措技改等多渠道支持材料和器件的研制，使得该领域的研制技术已与国外相当。因此在现有基础上只要再有适量投入，即可赶上或超过国际先进水平，占领电子信息技术制高点，实现微电子技术的跨越式发展。
（3）从产业发展的需求考虑战略发展思路
随着国家科技体制改革的不断深入，拥有化合物微电子技术的各研究单位正在实施该领域的产业化，同时国内外多家有实力的公司看好该领域的良好发展前景，也在积极地涉足 5
该领域的产业化工作，使得化合物微电子的产业化呈现如火如荼态势。仍以 GaAs 为例，单晶材料方面，即有中电科技集团四十六所、中科镓英、北京国瑞、大庆佳昌、福州晶阵等公司在开展产业化工作，外延材料方面，有山东华光、厦门三安、青岛澳龙、广州普光、河北汇能等多家在进行产业化工作，器件/电路方面，中电科技集团十三所、五十五所的引进线正在紧张地试生产，深圳市贝光通科技有限公司、矽感科技有限公司等四家公司共投资 7.5 亿元的 GaAs 电路项目已落户矽感科技园。因此 GaAs 微电子的产业链已初具规模，此时更迫切需要国家予以必要的支持，解决实现产业化的一些关键技术，构建起我国化合物半导体材料的产业群。
（4）从发展效果考虑战略发展思路
大力发展化合物微电子可以实现二个效果。一方面，由于化合物微电子、光电子技术代表着电子信息技术的最前沿领域，该领域的产业化意味着我国电子信息技术的跨越式发展；另一方面，近年来，由于经济不景气等因素影响，西方各国在化合物微电子领域逐渐收缩。以 GaAs 单晶材料为例，美国原有三个生产厂家，其中生产规模最大的 Litton Airtron 公司已经关闭，整条生产线已被中电科技集团四十六所收购。生产规模居第二位的 AXT 公司全部生产线已转移至中国。目前只有最小的M/A-COM 公司处于半停产状态。日本原有 GaAs 材料生产厂家近十家，目前只有二家规模最大的住友电工、日立电线仍在维持，但近来一直也在和国内企业探讨，向中国转移生产线或合作生产的可能性。因此存在这样的可能，即中国的 GaAs 材料形成生产规模、加入该领域的竞争后，国际 GaAs 材料产能将进一步向中国集中，届时中国 GaAs 材料生产与出口将具有举足轻重的份量，一旦国际形势出现风吹草动，GaAs材料可以作为中国政府的战略物资，制约某些国家诸多高技术领域特别是国防领域的运转。结论
砷化镓材料是最重要的半导体材料之一，其应用领域不断扩大，产业规模也在急剧扩张，在民用与军事领域发挥着不可替代的作用。由于种种原因，我国的砷化镓材料产业发展速度迟缓，与国际先进水平的差距还很大。砷化镓材料的发展方向是大直径、低缺陷、工业化大规模生产。欧、美、日等发达国家在此方面占有绝对优势，我国应充分发挥国家和企业的力量，加大对砷化镓材料研发的投入力度，尽快赶上国际先进水平。
参考文献：
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江莹 2004年
【2】《砷化镓材料国内外现状及发展趋势》
中国电子科技集团
纪秀峰 【3】《砷化镓调研报告》
中国电子材料行业协会
【4】《半导体材料》
杨树人
选用半导体灯等 篇6
选用半导体灯
半导体技术将引发继微电子革命之后的又一场照明革命，其标志是采用半导体发光二极管为新光源的半导体灯的使用，目前我国市场已经有半导体灯销售，价格也十分便宜。这种灯将逐步替代传统的白炽灯和荧光灯。有数据显示：同样亮度下，半导体灯耗电量仅为白炽灯的十分之一，寿命却是白炽灯的50～100倍。针对我国来说，如果每年有10％的传统光源被半导体灯代替，可节电约90亿度，相应减排二氧化碳864万吨。
合理使用风扇
你知道吗，电扇的耗电量与扇叶的转速成正比，同一台电风扇的最快档与最慢档的耗电量相差约40％。在大部分的时间里，中、低档风速足以满足纳凉的需要。有数据显示：以一台功率为60瓦的电风扇为例，如果使用中、低档转速，每年夏季过后可节电约2.4度，相应减排二氧化碳2.3千克。中国约有4.7亿台电风扇，如果都采取这一措施，那么每年可节电约11.3亿度，减排二氧化碳108万吨。
使用再生纸
再生纸从原料上来看其80％来源于回收的废纸浆，从能源的角度看，有数据显示：用原木为原料生产1吨纸，比生产1吨再生纸多耗能40％。使用1张再生纸可以节能约1.8克标准煤，相应减排二氧化碳4.7克。如果将全国2％的纸张使用改为再生纸，那么每年可节能约45.2万吨标准煤，减排二氧化碳116.4万吨。
半导体材料的应用研究进展 篇7
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。半导体材料可分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域, 是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质, 它能够产生不同于传统固体材料的显著的表面与介面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应, 并且表现出奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学特性等等[1,2]。
半导体材料第一代半导体是“元素半导体”。典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟。应用也较广泛, 一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称[3]。第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓、磷化铟和氮化镓等为代表, 包括许多其它III—V族化合物半导体。这些化合物中, 商业半导体器件中用得最多的是砷化镓和磷砷化镓、磷化铟、砷铝化镓和磷镓化铟。其中砷化镓技术较成熟, 应用也较广泛。
2 半导体材料的应用
半导体材料的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器。就是点接触二极管。除了检波器之外, 在早期, 半导体材料还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等。半导体材料的四个效应都用到了。从1907年到1927年, 美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年, 兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池[4]。1932年, 德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器, 在二战中用于侦测飞机和舰船。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效。英国就利用红外探测器多次侦测到了德国的飞机。
今天, 半导体材料已广泛地用于家电、通讯、工业制造、航空、航天等领域。1994年。电子工业的世界市场份额为6910亿美元, 1998年增加到9358亿美元。而其中由于美国经济的衰退, 导致了半导体材料市场的下滑.即由1995年的1500多亿美元.下降到1998年的1300多亿美元。经过几年的徘徊, 目前半导体材料市场已有所回升。
第二代半导体材料产业发展主要体现在以下五个方面[5,6,7,8]。
(1) 消费类光电子。光存贮、数字电视与全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高, 音视频装置日益无线化。再加上笔记本电脑的普及, 这类产品的市场为化合物半导体产品的应用带来了庞大的新市场。
(2) 汽车光电子市场。目前汽车防撞雷达已在很多高档车上得到了实用, 将来肯定会越来越普及。汽车防撞雷达一般工作在毫米波段, 所以肯定离不开砷化镓甚至磷化铟, 它的中频部分才会用到锗硅。由于全球汽车工业十分庞大, 因此这是一个必定会并发的巨大市场。
(3) 半导体照明技术的迅猛发展。基于半导体发光二极管 (LED) 的半导体光源具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、耐冲击不易破、废弃物可回收。没有污染, 可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点, 具有重大的经济技术价值和市场前景。特别是基于LED的半导体照明产品具有高效节能、绿色环保优点, 在全球能源资源有限和保护环境可持续发展的双重背景下。将在世界范围内引发一场划时代的照明革命, 成为继白炽灯、荧光灯之后的新一代电光源。目前LED已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等。开始应用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等, 随着单个LED亮度和发光效率的提高, 即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD显示器背光源等.因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。
(4) 5Gbps设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。
(5) 移动通信技术正在不断朝着有利于化合物半导体产品的方向发展。目前4G技术成为移动通信技术的主流, 这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起, 只能用系统级封装 (SIP) , 即在同一封装中用硅、锗硅、砷化镓等不同工艺来优化实现不同功能。这就为砷化镓带来了新的发展前景。
摘要：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) 欧姆/厘米范围内。本文介绍了半异体材料的定义、分类、特制及发展, 叙述了半导体材料的早期应用及第二代半导体材料在产业发展中的应用。
关键词：半导体材料,纳米,应用
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浅谈化合物半导体材料 篇8
1 化合物半导体材料优势
化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例，通过比较可得：1化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度，因此，可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。2肖特基势垒特性优越，容易实现良好的栅控特性的MES结构。3本征电阻率高，为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离，工艺简化，适合于微波电路和毫米波集成电路。4禁带宽度大，可以在Si器件难以工作的高温领域工。现在化合物半导体材料已广泛应用：在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面，另外还可用于手机、光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域。
2 化合物半导体器件
GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。以下介绍由这三种材料构成的部分器件。
2.1 GaAs材料
高电子迁移率晶体管(HEMT)器件实在能形成2DEG的异质结上用类似MESFET的工艺制成的场效应晶体管。源漏之间主要由2DEG的导电沟道提供，由势垒层上的肖特基栅施加偏压来改变耗尽区的厚度，从而控制沟道2DEG的浓度及器件的工作状态(如图1)。对这类器件若VGS=0时沟道中已有电子存在，则器件是耗尽型的;若沟道被耗尽则器件是增强型的。I-V特性为强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT都呈现出平方规律的饱和特性。
AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序：在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层→高纯GaAs层→n型AlGaAs层→n型GaAs层→台面腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极→干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au栅电极。(如图2)
随后发现由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱，它能俘获和放出电子，使得2-DEG浓度随温度而改变，导致阈值电压不稳定。为了解决这个问题，采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2-DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。InGaAs层厚度约为20nm，能吸收由于GaAs和InGaAs之间的晶格失配(约为1%)而产生的应力，在此应力作用下，InGaAs的晶格将被压缩，使其晶格常数大致与GaAs与AlGaAs的相匹配，成为赝晶层。因为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着i–GaAs层的作用，所以成为“赝”层，这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。
2.2 GaN材料
2.2.1 GaN基HEMT
目前GaN基HEMT器件的主要结构是基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件。由于极化效应，AlGaN/GaN异质结很容易出现2DEG，因此有常见工艺生长的绝大部分HEMT器件是属于耗尽型的。在尽量提高沟道2DEG浓度且保持其迁移率和速度，同时又不引起势垒应变弛豫的原则下，应用于HEMT器件的AlGaN/GaN异质结的结构参数已经优化到一个范围(势垒层的Al含量为0.2～0.3，厚度为20～30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件还有以下特性：1)缓冲层漏电小即缓冲层呈高阻态且缺陷密度小形成高的输出阻抗;2)高的击穿电压，对提高器件的输出功率和功率开关的电压承受能力非常重要;3)跨导高且和栅压保持良好的线性关系，这与器件的频率特性和开关速度相关;4)好的夹断特性;5)较高的截止频率;6)良好的散热能力。GaN基HEMT的主要工艺为台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触。
2.2.2 GaN基HBT
异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率;基区可以高掺杂(可高达1020cm-3)，基区电阻rb可以显著降低，从而增加fmax;同时基区不容易穿通，从而厚度可以做到很薄，即不限制器件尺寸缩小;发射结浓度可以很低(约1017cm-3),从而发射结耗尽层电容大大减小，器件的fT增大。GaN基HBT可研发为微波功率放大器件或高压开关器件，其目标特性为高射极注入系数、长的少子寿命、短的基区渡越时间、高击穿电压。
2.3 SiC材料
SiC基结型场效应晶体管(JFET)和肖特基栅场效应晶体管(MESFET)
SiC基MESFET和JFET的沟道载流子的等效迁移率比较高，因此SiC基MESFET主要被开发为微波功率器件，而JFET则是高压功率开关器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波频段，其性能优势为线性化程度比较理想，输出阻抗高，从而大大降低对匹配网络的要求，降低了制作和设计成本。SiC基JFET具有超低RSP，也能在较高和较低温度以及较高频率下工作。
3 结束语
化合物半导体集成电路和普通半导体集成电路相比具有明显的优势，适合于高频高速电路的要求。并且化合物半导体可以发光，可以实现光电集成。因此化合物半导体有更广泛的发展空间。
摘要：化合物半导体集成电路具有超高速、低功耗、多功能、抗辐射等特性而被和泛应用,GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。简单介绍化合物半导体材料和硅材料对比下的优势及由GaAs、GaN、SiC构成的部分器件的工作原理及特性。
关键词：化合物半导体材料,GaAs,GaN,SiC
参考文献
[1]何杰,夏建白.半导体科学与技术[M].北京:科学出版社,2003.
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宽带隙半导体材料太阳能电池 篇9
所谓宽带隙半导体, 一般是指室温下带隙大于2.0电子伏特的半导体材料。从物理学上来讲, 带隙越宽, 其物理化学性质就越稳定, 抗辐射性能越好, 寿命也越长;但与此相对应, 带隙宽的一个缺点是——这种材料对太阳光的吸收较少, 光电转换效率低。由于这种“致命性缺陷”, 宽带隙半导体材料以往在太阳能电池中不用作发电的关键结构, 而仅用作电极。
目前, 在太阳能电池中, 应用较多的是硅太阳能电池, 但其寿命有限。针对硅电池“寿命短”的问题, 从2005年起, 厦门大学半导体光子学中心的专家们将眼光瞄向了具有稳定物理化学性质、抗辐射性能好、“寿命长”的宽带隙半导体, 致力于“宽带隙半导体在太阳能电池应用”的研究。
经过深入研究, 课题组发现, 有两个制约“转化”的瓶颈:一是能否形成光生电流;二是能否提高宽带隙半导体的吸光率。
最让课题组“费脑筋”的是如何让光电子“流动”起来。经过多次实验, 课题组决定, 选用两种宽带隙半导体材料———氧化锌和硒化锌作为太阳能电池的材料, 形成类似于PN结的带阶, 让电流“流动”起来。
半导体制造的工艺与材料发展趋势 篇10
晶圆设备支出的驱动因素
如图1,从2000年开始,驱动晶圆设备支出(WFE)的驱动元素可以分成三个阶段,第一阶段是2000年到2008至2009年,主要是由PC+互联网所驱动的,平均每年大概是255亿美元的投资,误差80亿美元左右。
2010年有新的移动+社交媒体模式涌现,这一波行情也是非常振奋人心的,这期间每个人基本上有一到两部移动手机或平板电脑,上面有各种各样的APP应用,使生活与社交非常方便。这一波对晶圆设备行业的影响,大概是在原来的基础之上又增加了21%。从2010年到2016年,每年约317亿美元的支出,每年会有一些波动,波动值在27亿美元左右。现在正在经历的这段时间及再往后,还是相对比较平稳发展的阶段。
展望未来会有什么事情发生呢?是人工智能、loT(物联网)、大数据、智能汽车、3D打印(增材制造)和个性化医疗等,它们都是未来驱动整个市场或经济的非常重要的元素。
回归到对芯片的生产会有怎样的变化?例如手机硅片的内容增加了,数据爆发性增长,电视、物联网有显示器的需求,以及AR/VR、人工智能等,这些终端市场的新需求最终会反映在半导体芯片的制造技术上。
通常认为10/7纳米的代工会变得非常重要,3D NAND也是一种新的非常重要的存储器结构,图案化(patterning)也是趋势,即缩小器件由光刻来主导的方向,变成由材料改变、结构改变来驱动。具体来说,原来是靠光刻机缩小光刻尺寸,现在大家在寻找其他解决方案,把器件的结构由原来是平面的变成三维的,这就需要通过材料工程来实现。另外是新的材料、器件会进来,大家可能会把原来传统的scaling是由光刻工艺决定的,变成增加由材料和结构来改变的方法。
关键技术变革推动摩尔定律发展
业内在讨论摩尔定律是否会终结。从技术发展的角度来看,摩尔定律还是会继续走下去,只是它的表现形式有所改变。可以看到技术的节点,十几年前认为是0.25微米,现在已有5纳米的加工技术。光刻波长在逐渐的缩小,但是到了5纳米时,光刻再往下就很困难了,未来patterning (图案化,例如double-patterning,multi-patterning等)在EUV还是有可能的。
因此,除了工艺上的变化,还有新材料和3D结构的革新(图2)。例如,在过去的一段时间内,28纳米、20纳米、FinFET等带来材料的很大变化,出现了高K金属栅、钴衬垫/盖,然后是3D FinFET (图3),所以技术的延伸由仅靠光刻的缩小,而变成了由材料、结构和尺寸搭配的解决方案。目前有一些挑战性的解决方案,包括接触区创新和新型互联材料的解决方案。
未来,FinFET往下是什么?是接触区创新,采用SiGe通道还是栅绕式结构,还是有其他的解决方案?这个大家都在观望,没有一个非常清晰的共识。但是10纳米、7纳米是比较清晰的。
从由光刻所决定的scaling变成材料工程器件的改变,这对材料企业是有优势的。应用材料公司等企业正在原子层面上创新或者改变材料,但仅仅是科研还不够,还要实现工程化、量产化和工业化,这是非常重要的。
中国半导体及晶圆市场瞭望
据国际商业战略(International Business Strategies)公司201 6年的预测,2016年中国半导体市场为1 670亿美元,十年后翻番(如图4)。从应用材料公司跟相关客户接触所知,中国代工和内存线加起来约有十三条线,WFE投资额未来5年支出大约为200～300亿美元。
应用材料公司背景
应用材料公司在材料、服务和多种产品组合方面拥有优势。在研发方面投资巨大,过去十年的年均投入是10亿美元,2015年达15亿美元。公司在晶体管、互联、图案化、封装和检测等半导体制程中居于行业领导地位。
应用材料公司半导体产品事业部的产品群有八个:沉积、金属镀膜、检测、电镀、热处理、CMP(平坦化,或称机械抛光)、刻蚀和离子注入。
这些产品的组合为应用材料公司与客户在最新技术上的紧密合作提供了机会。了解客户需要什么,不仅仅是现在量产的问题,还有未来两三代客户思考的问题,找到客户最需要的技术,去投资、开发。应用材料公司提供的不是单一技术,而是全套解决方案,这个对客户来讲非常重要,因为很多时候,工艺之间的磨合也是很重要的。拆开的工艺现象和整合在一起是不一样的,无论是器件的可靠性还是性能,都会有较大的差异。
应用材料公司的三款1 0nm产品
为了迎接10nm以下的挑战,应用材料公司推出了三个法宝:1nm电子束检测设备-ProVisionTM,分辨率提高3倍、速度提升3倍;利用缝隙抑制型钨填充接触区工艺来降低良率-Endura@VoltaTM CVD W以及Centura@iSprintTM ALD/CVD SSW;以突破性的蚀刻技术实现原子级的蚀刻精准性-Producer@SelectraTM。
摘要：应用将持续驱动芯片业的发展。摩尔定律将继续演进,但形式正发生变化,从注重特征尺寸的缩小,正转变到同时关注材料和结构创新。预计中国半导体市场10年内翻番,将带来半导体制造的兴盛。为了迎接10nm以下的挑战,应用材料公司近期推出了三款新产品。
《半导体工业报告》（摘 要） 篇11
一、半导体及相关产业展望
（一）行业概况
经过近两年的供应链能力的缩减、库存消化和压缩成本，估计2003年半导体工业将达到均衡，并恢复增长。但并非所有企业都能从中受益，半导体工业的兼并重组进程将继续。
1.电子系统销售可望增长
尽管整个终端市场需求仍然不旺，但《IC Insights》预测，2003年全球电子系统销售增长5％。PC和通信市场仍不明朗，有可能抑制行业强劲反弹。从长期来看，预计消费类产品市场可能是下一波“杀手级应用”的源泉，包括无线联网、家庭自动化或家庭娱乐等。
2.行业步入复苏的第二阶段
自2001年开始的半导体工业下降与以往不同。除了有生产能力过剩和全球GDP增长下降为因素，其基础更广，并且受到库存过剩的影响。但复苏已经开始。第一阶段是逐步消化过剩库存。第二阶段将依靠终端市场需求的强劲反弹。
3.销量增长，平均售价不涨，但库存降低提供了希望
销量连续数月增长，但价格持续疲软。在库存较低的情况下，终端市场需求兴旺将使半导体平均售价提高。
4.OEM调整重点，半导体供应商面临外包机遇
OEM公司将资源分流到硬件和软件，目前指望半导体供应商提供系统级和软件方案。这有利于提供标准方案和有强大系统级专有技术的公司。
5.一代设计公司被湮没
过去3年，OEM和供应商一级的计划大幅度削减，客户削减R&D预算，集中发展少数关键项目。
6.半导体公司的财务业绩仍很弱，但亏损风险下降
经过2年的成本削减，仍有许多企业在盈亏线下经营。其中许多公司要靠收入反弹以恢复盈利。
（二）漫长而艰难的复苏之路
半导体工业是全球电子产品供应链的一部分。订单通过供应链逐步往下传递。发生在供应链顶层的削减通常越到价值链下部影响越大。
1.原始设备制造（OEM）
（1）通信
通信服务商市场经历了大调整。电信公司将其设备投资削减到最低水平。估计2002年全球电信公司设备投资下降35％～40％，2003年再下降10％～15％。通信工业正处于收缩期，该收缩期以电信公司为起点，并影响到设备供应商和半导体供应商。
（2）个人计算机（PC）
PC市场已经成熟，发达国家的PC渗透率在50％以上。目前，需求的主要动力来自于更新。
（3）消费类电子产品
在数码相机和DVD播放机的引领下，消费类电子产品仍是行业亮点。估计游戏机市场是2003年的另一个增长领域。
2、半导体设备
2002年半导体设备投资与半导体销售明显背离，在IC销售增长1%的同时，半导体设备销售下降32%。这比2001年半导体设备投资下降41%有所好转。半导体设备投资从2000年高峰的480亿美元下跌至2002年的将近200亿美元。
3.印制电路板（PCB）
最近两年印制电路板行业步履维艰，特别是在北美。美国印制电路板制造市场估计继2001年下跌31%后，2002年再下降25%。
4.半导体销售
2003年，大部分市场研究团体估计全球半导体销售呈现正增长。从数量上看，半导体复苏已经开始，但价格仍疲软。在前沿能力偏紧的情况下，终端市场的需求反弹有可能在2003年下半年驱使价格走高。
5.兼并不可避免
半导体行业粥少僧多，过多的R&D在为数不多的“几个锅里争食”，收益很低，许多新企业注定只能“啃骨头”。不少资金实力雄厚的公司对兼并抱有希望。行业淘汰和兼并不可避免。
二、半导体的应用和行业增长动力
（一）半导体应用
自1948年世界上第一枚晶体管和1958年第一块集成电路（IC）问世以来，通过迅速创新，到2002年半导体工业发展成为1400多亿美元的行业。
（二）行业增长的动力：持续创新
最近10年，推动半导体增长的主要动力是通信和网络应用市场的不断创新。
（三）投放市场的时间是关键
半导体产品进入市场的时间至关重要。功能最全的产品不一定能赢得市场份额，迅速进入市场的差异化产品往往能够取胜。
（四）产业高度周期化
半导体工业经历了几个涨落周期，高速增长期后紧接着就是急剧下降。尽管半导体工业受到全球宏观经济形势的影响，但结构驱动因素（如PC普及率提高和全球通信基础设施建設）形成了强大的需求动力。
迄今大幅度下降大部分是由新增供应能力跟进造成的能力过剩引起。增加能力的决策通常是在高速增长期作出，一般都有几家公司同时增加设施。几年后一旦这些新能力建成，供应失衡必然导致利用水平降低和价格压力。
三、半导体制造业的发展趋势
（一）设计和加工
半导体的设计越来越复杂，每块电路的设计工作量不断增加。芯片设计采用自动化工具如CAD程序和EDA（电子设计自动化）。作为一般规律，设计对资本要求不高，但需要大量人才，而制造要求大量资本，但不要太多人才。晶片加工工艺极其复杂，设备和工具投资要几十亿美元。因此进入壁垒很高。
（二）技术发展趋势
随着产品生命周期和收益高峰期的缩短，具有先发优势的企业不仅在市场上的时间更长，而且有更大的能力来影响标准，获得关键的设计地位和合作主动权。
（三）经营模式的调整
1.垂直一体化瓦解
竞争加剧、资本密集度的迅速提高，迫使一体化元器件制造商(IDM)逐步缩小核心业务。
2.独立的纯委托加工厂和无工厂公司兴起
目前的晶片加工厂大概要几十亿美元的投资。能够负担得起这种投资水平的企业不多，所以出现了无工厂半导体公司。无工厂公司利用其知识产权资本，而不需要巨额的制造投资。
3.专业化的IP销售
IP许可业务模式使密集型的R&D，只要很少的资本投资或流动资金就可以产生很大的资金流动。
4.合作
由于巨大的资本要求和技术挑战加剧，企业正在探索新的风险分担方式。许多公司与过去的竞争者展开合作。
四、半导体元器件分类及市场概述
根据半导体工业协会（SIA）的划分，半导体市场的范围很广，从微处理器和存储器，到逻辑和模拟元器件。
五、通信和网络IC市场
（一）狂热的后遗症
历史上，PC工业是半导体需求的主要动力。1999年和2000年基础设施投资过热，服务提供商争相投巨资升级通信基础设施。当泡沫破灭时，行业面临的是需求下降和大量的库存。2002年，通信半导体下降到占市场总额的20%。
（二）网络应用半导体
网络应用半导体包括LAN芯片、接入IC，以及传输和交换IC。
（三）通信处理器和网络处理器
据IDC的数据，2002年通信处理器、网络处理器、协处理器和交换结构/背板半导体市场合计为10.4亿美元，比上年下降9%。预计2002～2006年，该市场将是增长最快的市场之一，增速可达18%，仅次于WLAN芯片组。
六、存储器的应用向网络扩展
存储器市场是资本高度密集型的和周期性的。但始终不变的是：交付的比特单位持续上升、存储器价格持续下跌以及新的应用不断要求更高的存储密度。目前，存储器IC的应用扩大到非PC产品，特别是通信和网络应用。在通信和网络设备中，光靠总线宽度不能解决所有问题，许多功能都要用存储器。随着网络速度的极大提高，存储器的存取速度非常重要。因此，内容可访问存储器（CAM）市场成为存储器和网络半导体供应商日益重要的领域。
七、图形半导体和芯片组
图形芯片的发展超越了摩尔定律，其性能每6个月翻番，而不是18～24个月。目前行业的大部分收入来自成熟的PC工业。2002年，整个PC图形市场估计在35亿～40亿美元。图形半导体发货量增长8%，达到1.88亿个。如果加上整个核心逻辑芯片组市场的收入，目前的市场规模估计为70～80亿美元/年。
（一）图型半导体市场趋势
1.竞争压力加大、利润缩减
2.设计和产品生命周期非常短
3.进入壁垒极高
4.集成图形和核心逻辑芯片组的兴起
5.新市场如移动和手持市场的发展
6.英特尔的参与竞争
（二）图形半导体的应用市场
目前图形半导体市场大部分针对台式机市场。鉴于PC市场的成熟度，半导体厂家更多关注以下新兴市场。
1.笔记本
笔记本市场的增长远高于台式机市场。这种趋势增加了对可靠、低功率图形芯片的需求。
2.工作站
这是一个为CAD/CAM专业人员和数字内容制作行业的专业人员服务的成熟市场，但平均售价和利润率更高。
3.游戏机
根据IDC的数据，2001年视频游戏机半导体市场估计为41亿美元，估计2002年增至45亿美元，市场潜力巨大。
注：（1）根据摩尔定律，半导体性能大约每18个月提高一倍。
（2）梅特卡夫通信定律认为，网络效应等于用户数的平方。
半导体材料 篇12
能源问题日益成为当今社会制约社会经济发展的瓶颈,有效开发可再生能源和变废为宝显得尤为重要,因此需要高效环保的新型材料。正交相BaSi2作为一种新型的环境半导体材料在这方面极有应用潜力[1,2]。在光电转换方面,由于正交相BaSi2的光学吸收系数比硅的大2个数量级,正交相BaSi2的能带带隙值接近匹配太阳谱所需的理想值1.4eV,是一种很有潜力的太阳能电池材料。在热电转换方面,一些金属硅化物由于环境友好和热电转换效率高而得到广泛研究,正交相BaSi2因具有低的热传导系数而被认为是一种很有潜力的热电材料。
目前正交相BaSi2主要作为光电、热电材料而得到研究,然而它的电子能带结构因制备方法不同显示出较大差异,且载流子浓度较小,严重制约了光电、热电转换的有效应用。本文拟从正交相BaSi2的晶体结构出发,详细讨论其能带结构、光电特性、热电特性和正交相BaSi2的几种制备方法,并探讨有待解决的问题和研究趋势。
1 正交相BaSi2的晶体结构及BaSi2 /Si的取相关系
Ba-Si相图显示在二元体系中存在Ba2Si、Ba5Si3、BaSi、Ba3Si4和BaSi2金属间化合物[3],其中BaSi2有正交相、三角相和立方相3种结构,正交相是稳定的,其余2种是高温高压相,在常温常压下为亚稳态[4,5]。近期G.Balducci对正交相BaSi2的热力学性质进行了实验和理论的全面研究[6],得到它的标准形成焓ΔfΗΘ为(-46.7±3.5)kJ/mol,定量证实了其稳定性。
正交相BaSi2属正交晶系,其空间群为Pnma,晶格常数a=0.892nm,b=0.675nm,c=1.157nm。其Pearon符号为oP24,1个原胞中包含24个原子,其中Ba有2种原子环境,Si有3种原子环境,通过对称变换构成晶胞[7],如图1所示。Si原子形成孤立的正四面体结构,相邻四面体的间距约为Si-Si键距离的1.5倍。它们通过Ba原子连接而形成(010)面通道,这对研究正交相BaSi2在硅基上的外延生长机理极为有用[8]。
据晶格常数关系判定正交相BaSi2(100)面与Si(111)面有良好的匹配关系,如图2所示。其错配度在正交相BaSi2[10]方向仅为1.5%,在[1]方向仅为0.4%。小的错配度意味着它在硅基上外延生长时界面间应力较小,以便生长一定厚度的外延层,实验表明可在Si(111)面上生长出高质量正交相的BaSi2单晶薄膜。文献[8]指出,正交相BaSi2也可以在Si(100)面上生长,但理论上晶格匹配度并不理想。
2 正交相BaSi2的电子能带结构
对正交相BaSi2能带结构的研究是对其进行光电特性机理分析的基础。通过吸收边附近带间跃迁的规律拟合其实验值,并通过基于密度泛函理论的第一性原理计算其理论值。
在吸收边附近,直接带隙半导体的吸收系数与光子能量的关系[9]为:
undefined
对间接带隙而言则有:
α(hν)=A′(hνEundefined-Eph)2 (2)
图3是正交相BaSi2的光吸收系数与入射光能量关系曲线[10]。根据图3(a)中的虚线将间接带隙值拟合为1.13eV,根据图3(b)中的虚线将直接带隙值拟合为1.23eV。
此外K.Hashimoto等分别通过测量电阻率随温度的变化关系推导出正交相BaSi2的能带带隙值为1.13eV和1.3eV[2,11]。
由于样品的制备方法及不同仪器的定标差异,不同的研究小组给定的正交相BaSi2能带带隙值有一定的差异,普遍的看法认为正交相BaSi2为间接带隙半导体,其带隙值为1.1～1.3eV。通过组成BaxSr1-xSi三元化合物可使带隙值增为1.4eV[12] ,这对提高光电转换效率具有重要意义。
理论上采用基于密度泛函理论的第一性原理对正交相BaSi2的电子能带结构进行研究,一致认为正交相BaSi2为间接带隙半导体,但由于采用的关联势函数不同,具体计算的带隙值有一定的差异,其中代表性的工作有:(1)T.Nakamura[13]使用CASTEP软件包计算的带隙值为1.1eV。(2)L.I.Ivanenko[14]使用VASP软件包校正原子位置后,采用基于全电势线性缀加平面波(FLAPW)方法的WIEN软件包计算的带隙值为0.83eV。(3)S.Kishino[10]采用局域密度近似的FLAPW方法计算的带隙值为0.72eV。(4)本研究小组[15]使用赝势平面波的CASTEP软件包计算的带隙值为1.086eV,直接带隙值为1.23eV,如图4所示。
通过理论计算确定了正交相BaSi2在布里渊区中价带顶与导带底的对称点位置和相应的电子态组成等信息,有利于进一步理解正交相BaSi2光电性质的物理机理。然而合适的关联势函数有待开发,以便给出更为精细的能带结构。
3 正交相BaSi2的光电特性
从20世纪90年代对正交相BaSi2的Si基外延关系进行研究开始,它的半导体性质,尤其是光电特性倍受人们关注,在研究其能带结构的基础上,对其光学常数、载流子浓度、电阻率及迁移率等光电特性进行了研究,并将n-BaSi2制成简单半导体器件来探讨正交相BaSi2在光电领域的应用潜能。
3.1 光电性质
金属硅化物因具有高的光学吸收系数引起了人们的关注[14]。K.Morita测出正交相BaSi2在光子能量为1.5eV时,光学吸收系数就高达105cm-1,比Si的吸收系数大2个数量级。为了深入了解正交相BaSi2的光学性质,笔者所在研究小组通过使用赝势平面波的CASTEP码对其光学性质进行了全面的理论计算[15],得到静态介电函数ε1为11.17,折射率n0为3.35,光学吸收系数最大值为2.15×105cm-1。由于光电转换效率取决于是否有大的吸收系数和适合的能带带隙值[16],所以在理论上正交相BaSi2比现在常用太阳能电池材料的光电转换效率要高。
S.Kishino等测量了正交相BaSi2的光致发光谱[10]并观测到发射峰。但由于数据为单温度点所获得,并不能对其光致发光的机理进行系统分析,还有待于进一步研究。
BaSi2的电阻率随其结构不同有很大差异,M.Imai使用四探针法对不同结构BaSi2的电阻率进行了研究[17],表明三角相BaSi2显示超导特性,正交相BaSi2是电阻率很高(10-2Ω·m数量级)的n型半导体[2]。电阻率高,载流子浓度就小,制约了它的实际应用。M.Kobayashi等通过掺Ga和In提高了载流子浓度,使正交相BaSi2的电阻率减小到10-5Ω·m[18],然而载流子浓度控制得并不理想。K.Morita采用范得堡(Van der pauw)法测得145～300K的霍尔系数[19],得到正交相BaSi2的电子密度和迁移率对温度的依赖关系,在室温下正交相BaSi2的电子态密度为5×1015cm-3 ,电子迁移率为820cm2/(V·s),在220K时电子迁移率达到最大值1230cm2/(V·s)。如此小的载流子密度,既可能是正交相BaSi2激发产生的,也可能是杂质或缺陷所贡献的,在实际应用中必须改善正交相BaSi2的载流子密度。
3.2 光电应用
研究人员将n-BaSi2制成半导体器件来探讨正交相BaSi2在光电方面的应用潜能。
K.Morito将n-BaSi2与Al形成欧姆接触并测定了其伏安特性[19],如图5(a)所示。p-n结理论是半导体器件的基础。将n-BaSi2与n-Si形成异质结,并测出其伏安特性[19],结果显示出整流特性,如图5(b)所示。在此基础上,根据热发射理论计算出n-BaSi2的电子亲和势为3.3eV。T.Syemasu通过分子束外延法先在Si(111)上生长一层CoSi2,然后在CoSi2上生长一层n-BaSi2,形成肖特基势垒[1],其伏安特性如图5(c)所示。由于CoSi2硅化物显金属特性,其功函数为4.7eV,所以形成的肖特基势垒为1.4eV,该值有利于提高光电转换效率。这也是利用异质结结构开发光电转换电路的有效途径。
4 正交相BaSi2的热电性质
热电材料的转换效率用无量纲品质因素ZT=S2σT/κ来表征,其中S为Seebeck系数,σ为电导率(即电阻率ρ的导数),κ为热传导系数。半导体金属硅化物因为环境友好引起了人们的注意,n-Mg2Si1-xSnx的ZT值高达1.1[20],比常见的热电材料有更大的优越性。K.Hashimoto等对正交相BaSi2的热电性质进行了全面的研究[2]:(1)使用四探针法对Seebeck系数S和电阻率ρ进行了测定, S的值为负值,说明正交相BaSi2的多数载流子为电子,其数值相对较大,在337K时S=-669μV/K,550K以上时其值随温度的升高而减小,说明从此温度点进入本征区。ρ与M.Imai所测的结果基本一致,显示出负温度特性和高的电阻率,因此S2σ比较低。可以通过掺杂提高正交相BaSi2的载流子密度,从而减小电阻率,提高S2σ值。(2)通过测量热扩散系数(α)、热容量(Cp)和样品密度(d),利用关系式κ=αCpd计算得到热传导系数,结果表明κ值随温度的升高逐步减小,在873K时达到最小值0.67W/(m·K),这比典型的热电材料如Bi2Te3还要小,所以在优化载流子浓度后它将是一种很好的热电材料。
5 正交相BaSi2的制备方法
目前发展起来的制备正交相BaSi2的技术主要有采用分子束外延法制备正交相BaSi2薄膜和采用垂直布里奇曼法制备正交相BaSi2块体。也可用离子注入法制得BaSi2薄膜[21]。笔者正在探索用磁控溅射法制备正交相BaSi2薄膜的工艺。
5.1 分子束外延法
T.Suemasu研究小组采用MBE法成功地制备了正交相BaSi2薄膜[19],主要特点是使用模板层控制其生长取向,制备出高质量单晶薄膜。制备条件主要有标准克努森池的离子泵式MBE系统、反射高能电子衍射谱仪和其它原材料。先在衬底温度为500℃的Si(111)基片上以1.0nm/min的速率沉积纯净的Ba,通过反应沉积外延形成20nm的BaSi2外延层,作为进一步生长BaSi2的模板,用以控制BaSi2覆盖层的晶向。然后将Ba和Si分别以2.0nm/min和1.2nm/min的速度混合沉积在BaSi2模板上,当温度控制在600℃时可以制备出质量很好的单晶薄膜。该研究小组也用类似的方法生长出了BaSi2/CoSi2异质结。分子束外延法是生长正交相BaSi2薄膜的有效方法,当前该小组正采用铝诱导结晶的方法在SiO2基片上生长(111)取向的Si层,然后再使用分子束外延法生长正交相BaSi2来研究它在光电转换方面的应用[22]。
5.2 垂直布里奇曼法
近年来S.Kishino采用垂直布里奇曼法制备出了正交相BaSi2块体材料[10]。其制备过程为:(1)坩埚选取。当提高生长温度时,熔融的Ba或Ba蒸气有极强的活性,对容器有粘附和腐蚀作用,通过多次实验摸索,最终确定Al坩埚性能最好。(2)装样。将99.9%的Ba和99.99999%的Si分别以物质的量比36∶64和30∶70混合后放入坩埚,然后装入小的玻璃容器。(3)加压。在氩气与氢气的混合气氛中加压至0.8MPa。(4)升温熔融。通过电炉将容器加热至混合物熔点之上20～50K。(5)降温冷凝。移动火炉,火炉的轴向温度近似为线性的梯度变化,在1473K的固液分界点下以40K/cm、5～10K/h的速度进行分区冷凝,便形成正交相BaSi2。最后切割打磨,制成正交相BaSi2晶片。垂直布里奇曼法是通过熔体生长晶体的一种常用方法,它能有效克服材料对容器壁的粘附和腐蚀作用,但目前制备出的只是多晶块体材料。
6 结语
纵观半导体材料的发展历史,研究重点有从为信息技术(IT)服务向能源技术(ET)服务转变的趋势。由于正交相BaSi2在发展新型硅基太阳能电池和热电材料方面具有潜在的应用前景,而且Ba、Si蕴藏量丰富,对环境负荷小,我们应不失时机地对正交相BaSi2的制备技术及光电特性展开研究,为可再生能源的开发和废热的循环利用提供一种高效环保的新型材料。根据文献报道和笔者的研究进展,目前存在的主要问题有以下几方面:首先,怎样快速可靠地制备出一定厚度单晶BaSi2,真正达到制备器件的要求;其次,正交相BaSi2的能带结构有待进一步确认;最后,光电性质必须得到改善。由于正交相BaSi2的载流子浓度很小,导致其电阻率ρ很大,影响了热电转换方面的应用潜力,虽然Y.Imai等通过掺Ga形成n型半导体并提高了载流子浓度,掺In形成了p型半导体,但尚未掌握其机理。他们也尝试掺Ca和Sr,但只局限于理论计算获得的信息[23]。此外在实验上对正交相BaSi2的光学性质研究侧重于光学吸收系数,而对折射率等其它性质尚未涉及。总之,在将正交相BaSi2付诸于实际应用之前,完善其光电性质的研究是必要的。
摘要：正交相BaSi2是一种新型高效的环境友好半导体材料,在光电、热电方面有着极为广阔的应用前景。详细介绍了正交相BaSi2的结构、光电性质、热电性质及其制备技术,并对目前存在的问题及未来的研究动向作了简要讨论。