半導(dǎo)體材料論文精選(九篇)

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第1篇：半導(dǎo)體材料論文范文

關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)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(shè)計思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(jīng)濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)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(fā)展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)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(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)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(fā)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(yīng)對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術(shù)的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)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(tǒng)集成芯片技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)體材料研發(fā)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(yōu)勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)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(dǎo)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(fā)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(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)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(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。

（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)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(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。

2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進生長技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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(yīng)變補償材料體系已發(fā)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(zhì)結(jié)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(fā)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(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問題的關(guān)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(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄（～0.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)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(qū)量子級聯(lián)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(lián)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(xù)輸出功率超過10瓦好結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)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(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

為克服PN結(jié)半導(dǎo)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(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實驗室等的科學(xué)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(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級聯(lián)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(diào)制器和無線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續(xù)應(yīng)變補償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)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(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)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(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進襯底材料設(shè)備和材料評價技術(shù)的發(fā)展。

（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(fā)光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經(jīng)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(jié)構(gòu)，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(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應(yīng)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(xiàn)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(shù)等不同造成的高密度失配位錯而導(dǎo)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(xié)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(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料

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

目前低維半導(dǎo)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(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)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(xù)輸出功率高達3.6～4W.特別應(yīng)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(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產(chǎn)生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)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(guān)鍵參數(shù)，至今未見國外報道。

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(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實現(xiàn)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(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計算機，單光子源和應(yīng)用于量子計算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點結(jié)構(gòu)的生長制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)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(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)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(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)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(shù)毫米。這種半導(dǎo)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(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長和精細加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點材料生長技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，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(xué)方法制備量子點和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(fā)光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)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(fā)光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發(fā)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(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)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(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)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(fā)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(yīng)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(yè)已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟爭。其他SiC相關(guān)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(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)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(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)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(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)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?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。

寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)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(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)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(guān)鍵科學(xué)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(yīng)用領(lǐng)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(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)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(guān)鍵問題，國內(nèi)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(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長相比擬的尺度，來自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)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(tài)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(zhì)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(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)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(fā)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(zhàn)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(gòu)建與材料

隨著微電子技術(shù)的發(fā)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(shù)限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)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(yīng)用量子力學(xué)原理進行計的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)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(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計算機的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現(xiàn)大規(guī)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(xiàn)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(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質(zhì)）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(guī)則的磷原子陣列等是實現(xiàn)量子計算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲過程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計算機走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國半導(dǎo)體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)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(shù)的主導(dǎo)地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內(nèi)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(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。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(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時布點研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)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(shù)的落后局面，進入世界發(fā)達國家之林。

5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)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(yīng)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(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當實現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)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(chǔ)出發(fā)，應(yīng)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(shè)，引進必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)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(wù)之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導(dǎo)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(yīng)擇優(yōu)布點，分別做好研究與開發(fā)工作。

（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想。基于低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長和納米加工技術(shù)的進步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)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(fā)方面，達到國際先進水平，并在國際該領(lǐng)域占有一席之地。可以預(yù)料，它的實施必將極大地增強我國的經(jīng)濟和國防實力。

第2篇：半導(dǎo)體材料論文范文

論文關(guān)鍵詞：雙因素方差分析，霍爾效應(yīng)，霍爾電壓

 

一.引言

在測量半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)實驗和霍爾元件測量[1]中，我們經(jīng)常需要判斷不同的溫度和不同的磁場強度對霍爾電壓這一指標有無顯著影響，以選取合適條件。為此，我們在不同溫度和不同磁場強度下做實驗，在某一段溫度范圍和某一段磁場范圍內(nèi)，實驗數(shù)據(jù)總是呈現(xiàn)波動狀態(tài)。引起波動的原因可以分為兩類：一類是由實驗條件不同引起的，這是可以控制的因素，因此由實驗條件引起的波動是系統(tǒng)波動；另一類是由隨機因素引起的，這是不可控制的因素，因此由隨機因素引起的波動是偶然波動。這兩類波動總是混雜在一起，使實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)總的波動狀態(tài)。我們的目的是要對實驗數(shù)據(jù)進行分析，把總的波動分為兩部分：一部分是由實驗條件引起的系統(tǒng)波動，另一部分是由隨機因素引起的偶然波動，并對這倆部分加以比較，判斷不同的實驗條件對實驗結(jié)果是否有顯著影響。因此我們通過使用雙因素方差分析來對數(shù)據(jù)進行分析。

二.霍爾效應(yīng)[2]

如圖1所示，樣品通以電流I，如果在垂直于樣品表面且與電流垂直的方向上加一磁場，如圖所示樣品就會產(chǎn)生一個與電流和磁場方向垂直的電勢差，這個電勢差就是霍爾電壓

圖1

與樣品厚度d成反比，與磁感應(yīng)強度和電流I成正比霍爾電壓，比例系數(shù)叫做霍爾系數(shù)。

霍爾電勢差是這樣產(chǎn)生的：當電流通過樣品（假設(shè)為P型半導(dǎo)體）時，空穴有一定的漂移速度

式中q為電子電荷。洛倫茲力使電荷產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)，由于樣品存在邊界，所以有些偏移的載流子將在邊界積累起來，形成一個橫向電場E,直到電場對載流子的作用力與磁場作用的洛倫茲力相抵消為止，即

這時電荷在樣品中流動將不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)，霍爾電勢差就是由這個電場建立起來的。如果樣品是n型半導(dǎo)體，則橫向電場與前者相反中國期刊全文數(shù)據(jù)庫。

三.雙因素方差分析模型的建立[3][4]

 

 

 

場強因素B

平均值

……

溫

度

因

素

T

……

……

……

平均值

第3篇：半導(dǎo)體材料論文范文

本書主要介紹了高豐度的28Si的超高分辨率的光致發(fā)光研究。這種高豐度的硅同位素獨有的特性，大大提高了光譜分辨率。本書揭示了該同位素的獨特特性及其摻雜的詳細成分，并糾正了先前研究中有誤的地方。書中還介紹了幾類不同的摻雜混合物成分，這些成分包含鋰、銅、銀、金、鉑等金屬的四或五個原子，并詳細介紹了這些成分的性質(zhì)和特點，如非聲子躍遷能量、非聲子同位素移動、局域振動模式的能量、局域振動模式能量的同位素移動。本書提供的關(guān)于這些同位素及其成分的數(shù)據(jù)，對解釋其形成、穩(wěn)定性及所具有性能的理論是非常有幫助的。

本書主要分為5章：1.引言和背景，主要介紹本書涉及到的一些基本概念和知識，包含硅同位素和硅中摻雜的過渡金屬的一些基本特性；2.在硅同位素中觀察到過渡金屬成分的研究發(fā)展歷史；3.相關(guān)的實驗方法；4-5.結(jié)果討論和分析。

本書為邁克爾·斯蒂格于2011年完成的加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)博士學(xué)位論文。作者還因為本研究而獲得了“優(yōu)秀研究生院長獎?wù)隆?。邁克爾·斯蒂格已發(fā)表了備受同行好評的若干篇學(xué)術(shù)論文，并參加多次國際學(xué)術(shù)會議。

本書適合于從事硅材料及半導(dǎo)體器件的研究生和研究人員閱讀。

楊盈瑩，助理研究員

（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）

第4篇：半導(dǎo)體材料論文范文

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)與工程專業(yè) 電子信息材料 教學(xué)改革

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-0-01

我國高等學(xué)校材料專業(yè)教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容沿襲前蘇聯(lián)模式近50年， 目前，需要對這門專業(yè)課程進行改革，才能跟上時代的步伐，適應(yīng)經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展。在專業(yè)培養(yǎng)目標達成共識后，該校調(diào)整了專業(yè)課程體系、增設(shè)多門專業(yè)課。其中《電子信息材料》（48學(xué)時）為其中之一。電子信息材料不僅應(yīng)用于航空航天等國防尖端領(lǐng)域，還廣泛用于民用工業(yè)和日常生活。作為材料學(xué)科與產(chǎn)業(yè)中一只蓬勃的生力軍，電子信息材料在當今信息和知識的年代已成為世界諸多國家重要的經(jīng)濟增長點[1-2]。因此增設(shè)這門專業(yè)課旨在拓寬學(xué)生的知識面， 讓學(xué)生了解一些材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域和發(fā)展趨勢，增加興趣， 熱愛專業(yè)， 為以后的學(xué)習(xí)和就業(yè)奠定基礎(chǔ)[3]。

1 目前電子信息材料課程存在的問題

國內(nèi)院校《電子信息材料》課程歷來多是為材料專業(yè)學(xué)生而開設(shè)，已形成適合其專業(yè)特點的、較完備的教學(xué)內(nèi)容體系；在教學(xué)研究方面業(yè)已取得許多具有鮮明專業(yè)特色的研究成果。但由于電子信息材料本身具有：（1）內(nèi)容多，涉及面廣。（2）內(nèi)容更新快。（3）實踐性強等特點，許多院校只把其作為選修課，課程內(nèi)容大多只是具有普及知識的作用，學(xué)生學(xué)后并無多大印象。而且很多學(xué)校在課程教學(xué)上存在教材陳舊、教學(xué)方法和手段單一、沒有實驗課等這些不利于《電子信息材料》課程發(fā)展的弊端。

2 電子信息材料教學(xué)改革的內(nèi)容

結(jié)合本校材料專業(yè)特點，并考慮天津市電子材料行業(yè)的工業(yè)特色，研究適用于材料專業(yè)的《電子信息材料》課程內(nèi)容體系，希望在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法上有所突破。

2.1 整體設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合材料學(xué)院專業(yè)課程設(shè)置的具體特點，對國內(nèi)外參考教材及課程體系進行系統(tǒng)的調(diào)查研究， 并廣泛收集材料科學(xué)領(lǐng)域的參考文獻及最新信息，選用合適的教材制定出新的《電子信息材料》教學(xué)內(nèi)容，力爭在教學(xué)內(nèi)容上突出以下特色：根據(jù)材料科學(xué)發(fā)展的最新動態(tài)和材料專業(yè)課程設(shè)置的現(xiàn)實需求， 堅持簡化理論、增加應(yīng)用、拓寬知識面、更新內(nèi)容的基本原則。充分考慮到本課程在專業(yè)培養(yǎng)目標中的地位， 在內(nèi)容安排、表述手段等方面進行系統(tǒng)設(shè)計，同時充分考慮到本課程與其它相關(guān)課程之間的合理配置和支持， 對教學(xué)內(nèi)容進行整體優(yōu)化。兼顧各種電子材料共性與個性的結(jié)合， 實現(xiàn)多學(xué)科知識的交叉和滲透。在課程內(nèi)容上，我們將對材料科學(xué)的五要素模型進行討論， 試圖在材料的組成、制備、結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用之間建立一個整體和全貌的關(guān)系；對材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能、制造工藝與方法等內(nèi)容進行深入講解， 力求彰顯材料的共性。然而材料是具體品種組成的， 不同的材料具有其鮮明的個性， 所以在材料的應(yīng)用、材料的比較與選擇等內(nèi)容中又比較兼顧個性， 以利于學(xué)生在學(xué)習(xí)具體材料的基礎(chǔ)上， 能做到舉一反三， 更深刻地了解材料的共同之處。

2.2 更新教學(xué)手段

材料科學(xué)博大精深、變化無窮， 神奇而又充滿魅力。電子信息材料這門課只是其中一個分支。為此在授課過程中切實做到動之以情， 導(dǎo)之以趣， 制作內(nèi)容豐富、生動活潑的多媒體課件。在講授中把傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料、電阻材料，磁性材料，神奇的超導(dǎo)材料、激光材料， 異軍突起的集成電路半導(dǎo)體材料等材料科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域的知識介紹給學(xué)生。另外，可以購置相關(guān)的電子音像資料，使學(xué)生能更直觀地了解材料的制備及應(yīng)用的一些情況。

2.3 改善教學(xué)方法

（1）互動教學(xué)。教學(xué)建設(shè)要注意提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，教學(xué)過程中，教師應(yīng)多向同學(xué)提出問題，引導(dǎo)同學(xué)們思考和討論。同時注意啟發(fā)和鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題。在一些章節(jié)講完之后還要提出后續(xù)和推廣問題，為學(xué)生留下思考和研究的空間。通過這些方法，能夠培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和獨立思考能力，提高課程的教學(xué)效果。

（2）實物教學(xué)?！峨娮有畔⒉牧稀肥且婚T實踐性很強的課程。實踐性如何體現(xiàn)，也是使學(xué)生對這門課感興趣的關(guān)鍵之一。我們采用把科研、生產(chǎn)中的典型材料帶到講臺上，如：導(dǎo)電材料中的導(dǎo)電銀漿、半導(dǎo)體材料中的單晶硅片、介電材料中的鈦酸鋇電容器、光電材料中的熒光粉、敏感電子材料中的壓電器件等。讓學(xué)生觀看實物，并參觀實驗室觀看某些實驗的制備過程，把一些抽象的理論通過實物展現(xiàn)出來，加深了學(xué)生的理解，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）撰寫小論文。材料的發(fā)展日新月異，除了在課堂教學(xué)中不斷更新材料領(lǐng)域的知識外，在課外還要求學(xué)生自己查閱國內(nèi)國際專業(yè)期刊上發(fā)表的文獻資料，了解有關(guān)材料的發(fā)展情況，并寫出學(xué)習(xí)論文。這樣不僅拓寬知識面，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力、思考能力以及創(chuàng)新能力，還培養(yǎng)他們從多方面攝取知識營養(yǎng)的習(xí)慣，調(diào)動他們學(xué)習(xí)的主動性和積極性

（4）參與科研。介紹本專業(yè)教師正在從事的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科研項目，如，半導(dǎo)體發(fā)光方面、鐵電材料方面、鐵磁體方面等。鼓勵有興趣的學(xué)生成立科研小組，參與到教師的課題研究中，撰寫科研論文，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使課堂上學(xué)到的知識得到很快驗證和應(yīng)用。

2.4 加強實驗教學(xué)

電子信息材料課程是和生產(chǎn)實踐緊密聯(lián)系的課程，應(yīng)該合理安排實驗教學(xué)和實習(xí)教學(xué)。這對于學(xué)生基本原理的掌握和工程實踐能力的培養(yǎng)具有舉足輕重的作用。

3 結(jié)語

《電子信息材料》是一門簡化理論、側(cè)重介紹材料特點及應(yīng)用的專業(yè)課，其先修課程是在材料學(xué)專業(yè)中理論性較強的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》和《材料性能學(xué)》，因此如何將一些復(fù)雜的理論應(yīng)用在課程中并與材料的實際應(yīng)用緊密結(jié)合將是本課程的主要特色之一。根據(jù)專業(yè)要求開設(shè)實驗課并采用實物教學(xué)是本項目的又一特色，體現(xiàn)了理論與實踐相聯(lián)系的宗旨。這要求教師有較寬的知識面和一定的電子材料的專業(yè)背景。采用這種教學(xué)方法，可以使教師在教學(xué)中實現(xiàn)學(xué)習(xí)、教學(xué)、實踐、科學(xué)研究的良性循環(huán)，上課時能游刃有余，學(xué)生對于這樣的教學(xué)方法也會增加

興趣。

參考文獻

[1] 李言榮，惲正中.電子信息材料導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

第5篇：半導(dǎo)體材料論文范文

這項成果引起了廣泛的關(guān)注，有人拿它跟當年名噪一時的“人造葉片”比較，并認為其前途更加光明。這項成果也使以色列政府近年來傾力打造的“腦力回流”科研平臺I-CORE格外引人注目。近日，筆者專訪了以色列理工學(xué)院太陽能燃料集優(yōu)研究中心該項目首席研究員阿夫納·羅斯柴爾德教授。

納米材料技術(shù)帶來的革命

“用集成串聯(lián)光伏電池實現(xiàn)光解水制氫完全可行，光伏發(fā)電的同時制氫、儲氫，氫燃料再用于補充黑夜和陰天的發(fā)電需要?！绷_斯柴爾德告訴筆者，“我們已找到一種方式來捕捉光，用超薄鐵氧化物薄膜，也就是用比辦公用紙還薄5000倍的鐵銹，即三氧化二鐵來儲存光，這是實現(xiàn)高效率和低成本的關(guān)鍵?！彼麄兊难芯砍晒l(fā)表在《自然材料》上，論文題目是《用超薄材料捕獲共振光實現(xiàn)水裂解》。

氧化鐵是一種常見的半導(dǎo)體材料，生產(chǎn)成本低，在水里不易氧化、耐腐蝕、耐分解，比其他半導(dǎo)體材料表現(xiàn)更穩(wěn)定。但它較低的導(dǎo)電性是研究人員面臨的最大挑戰(zhàn)?？蒲腥藛T為此奮斗多年，努力找尋光吸收分離和光生載荷收集之間的折衷方案。

“我們的光捕獲方案打破了這個瓶頸，氧化鐵超薄薄膜能夠有效地吸收光生電荷?！绷_斯柴爾德說，“類似鏡面的薄膜被置于反射基板上，光線中的四分之一波長或更深的子波長被薄膜捕獲。同時向前和向后傳播的光波之間增強了吸收表面，光生電荷載體的吸收效率更好。”

談到這項發(fā)現(xiàn)的重大意義，羅斯柴爾德認為，這項科研成果使光伏發(fā)電和制氫同時進行成為可能。人們可以設(shè)計制造出相對廉價的結(jié)合有超薄氧化鐵光電極的太陽能電池，這種太陽能電池完全可以采用基于硅材料或其他材料的傳統(tǒng)產(chǎn)品，但能同時實現(xiàn)光伏發(fā)電和制氫。他稱，這些電池實現(xiàn)了太陽能儲存，讓光伏發(fā)電不再受黑夜和陰天影響，這是傳統(tǒng)的光伏發(fā)電無法比擬的。

這項發(fā)明還能減少第二代光伏電池對極稀有金屬的用量，理論上講，在不犧牲發(fā)電性能的基礎(chǔ)上，這種太陽能電池能節(jié)約90%的碲和銦等稀有元素。

水的消耗也是這樣的光伏電廠無法回避的問題，羅斯柴爾德稱，目前他們使用淡水的試驗測算結(jié)果，其水的用量以及經(jīng)濟性和傳統(tǒng)發(fā)電相差無幾。他們還將開展使用海水進行光解制氫的研究，并對此充滿信心。他稱，自去年底他們的科研成果以來，他們在提高制氫效率方面又取得了很大進步，理論上講，基于這種技術(shù)的光伏電廠已經(jīng)可以匹敵傳統(tǒng)發(fā)電，其成本不相上下，如果考慮到綠色、環(huán)保、低碳等因素，這樣的光伏電廠已經(jīng)具備優(yōu)勢。

占用大量土地則是光伏電廠面臨的另一個難題。羅斯柴爾德對此并不十分擔心，他說，每個國家都有大量不能耕作但光照充分的土地，它們是建設(shè)光伏電廠的天然選擇，而且相對于其他用途占地，全面解決能源問題的用地需要并不過分。他以以色列為例，以色列全國道路占用土地是國土面積的3%，而通過這種新型光伏電廠完全解決以色列電力需求只要國土面積的1%，就能徹底實現(xiàn)國家能源獨立，并完全放棄石化能源。

實現(xiàn)清潔能源三步走

羅斯柴爾德分析了實現(xiàn)人類清潔能源夢想的各種可能性，他認為相比風(fēng)能、地熱能、核能、潮汐能等，太陽能光伏發(fā)電是迄今為止最為成功的清潔能源解決方案，這種20年前僅用于軍事和太空的昂貴的能源技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)變得非常成熟和普及，產(chǎn)業(yè)化程度很高。雖然有人還在質(zhì)疑它的發(fā)電成本，但就目前技術(shù)水平，在以色列光伏發(fā)電的單價已經(jīng)與傳統(tǒng)電廠的電價趨同。如果將運行周期放在30年的時間段進行對比，光伏電廠的發(fā)電成本將低于現(xiàn)行電價。這其中還不包括傳統(tǒng)電廠存在的生產(chǎn)安全成本和付出的環(huán)境污染代價。羅斯柴爾德稱，有一位以色列財政部前副總司長計算出的傳統(tǒng)電廠的真實價格是現(xiàn)在光伏發(fā)電的兩倍。

羅斯柴爾德并不看好生物燃料，他認為生物燃料的發(fā)電效率不高，自然界的光合作用需要很多土地。大規(guī)模發(fā)展生物燃料，人類會面臨用有限土地生產(chǎn)食物或者生產(chǎn)燃料的兩難選擇，能源危機與糧食危機將交織在一起。

事實上，許多國家已經(jīng)把發(fā)展可再生能源的目標大幅度提高，如以色列現(xiàn)在是7%，2020年要達到20%；德國的目標是到2050年將可再生能源提高到80%。相比較風(fēng)能和氫能，光伏發(fā)電現(xiàn)在發(fā)展最快。但光伏的致命傷是黑夜和陰天不能發(fā)電，如果小規(guī)模的光伏電廠可以通過其他發(fā)電方式進行補償和平衡，大規(guī)模光伏發(fā)電則必須解決太陽能燃料儲存問題。

應(yīng)運而生的納米氧化鐵超薄膜制氫技術(shù)是一種高效人造光合作用，制氫能力10倍于自然界，嫁接現(xiàn)在非常成熟的光伏技術(shù)，則可實現(xiàn)光解水制氫和光伏發(fā)電的完美結(jié)合。

第6篇：半導(dǎo)體材料論文范文

生為化學(xué)

彭天右，1 969年生于湖北省麻城市，長期以來從事無機化學(xué)和材料化學(xué)的研究及教學(xué)工作，年紀尚青卻成績斐然。

“江城多山，珞珈獨秀，山上有黌，武漢大學(xué)?！蔽錆h大學(xué)是他的母校，在這個被譽為“中國最美麗的大學(xué)”里，彭天右停留最多的地方不是花香流溢的櫻花大道，不是風(fēng)光旖旎的東湖之畔，而是對于常人來說有些枯燥的化學(xué)實驗室。學(xué)習(xí)，實驗對他來說，發(fā)于樂趣，興于責任。春華秋實1 998年6月，他博士畢業(yè)后留校任職，2004年破格晉升教授。對知識瀚海的探索讓他甘之若飴，從不止步2001年10月至2003年5月在京都大學(xué)做博士后研究，其間兼任日本基礎(chǔ)化學(xué)研究所外國人特別研究員：2003年3月訪問美國羅切斯特大學(xué)和新澤西州立大學(xué)；2004年7月和2005年10月應(yīng)邀訪問京都大學(xué)福井謙一研究中心和香港浸會大學(xué)化學(xué)系2007年7月訪問新加坡國立大學(xué)和南洋理工大學(xué)；2008年11月訪問美國wisconsln--Madison大學(xué)和DeIaware大學(xué)。

無論走到哪里，他從未離開心愛的科研事業(yè)。在小小的實驗室里，他苦煉神功，用“天眼”識別著自然界的萬千物質(zhì)，為祖國無機化學(xué)的發(fā)展燃燒著自己的青春與活力。工作幾年，他曾先后主持國家“863"‘計劃專題，國家自然科學(xué)基金，教育部新世紀優(yōu)秀人才基金、留學(xué)回國人員基金，湖北省杰出人才基金，納米重大專項、重點科技計劃和自然科學(xué)基金等項目。

追探納米前沿

納米技術(shù)近幾年來得到了飛速的發(fā)展。緊扣化學(xué)發(fā)展時代脈搏的彭天右，主要從事金屬氧化物、硫化物及其復(fù)合納米材料的合成及其光電轉(zhuǎn)換、光催化性能研究工作。在組成，晶形、形貌、多孔性、空間結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其光電功能性研究方面積累了一些重要的經(jīng)驗。在納米復(fù)合光催化材料的制備及其可見光分解水制氫、光催化降解有機污染物以及染料敏化太陽能電池等方面均取得了重要的研究進展。

他在國際上較早制備了微米／納米Al203、Ti02、NlO，Si02管，CdS納米管，竹結(jié)狀Ti02納米管以及分級有序T10：管中管結(jié)構(gòu)等。在納米材料的組成，形貌、多7L性、空間結(jié)構(gòu)、能帶調(diào)控等方面取得了一定的成果。從調(diào)節(jié)能帶寬度和紅移匹配入手+探索能可見光響應(yīng)的復(fù)合光催化材料。經(jīng)過不同的摻雜(包括有機／無機金屬元素及稀土元素)以及不同能帶半導(dǎo)體材料的復(fù)合，獲得了不同的能隙、p／n特性的納米介孔半導(dǎo)體復(fù)合氧化物。首次合成的介7LTi02(m-Ti02)納米粉體具有較高的比表面積和高度晶化的介孔壁等結(jié)構(gòu)特點。該類材料由于其獨特的微觀結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性，對m-Ti02的微觀結(jié)構(gòu)與光催化制氫效率的相關(guān)性也進行了較為深入的研究。結(jié)果表明：m--Ti02納米粉體在甲醇為犧牲試劑，紫外光照下的光催化產(chǎn)氫效率高達9，1mmoI／g h，高于商品催化劑(德國P25)的光催化產(chǎn)氫效率。使用m--Ti02制作的染料敏化太陽能電池的效率在光強為42mW／cm2時達到了10 1 2％，比使用P25粉體時提高了3 79％，這主要是因為m-Ti02納米粉體制備膜電極的表面態(tài)的影響較小，且染料分子的負載量較大。

在“敏化劑設(shè)計，合成及其敏化納米Ti02產(chǎn)氫性能”研究中，彭天右首次提出采用雙核釕聯(lián)吡啶為染料，利用其天線效應(yīng)提高對可見光的吸收和光電子注入效率的新思路。與單核配合物相比，雙核釘聯(lián)吡啶敏化m-Tioz的產(chǎn)氫效率提高了3―5倍。他還提出了通過建立基態(tài)染料分子在半導(dǎo)體表面的化學(xué)鍵合和氧化態(tài)染料分子的離解之間的動態(tài)平衡，可實現(xiàn)電子的有效注入和通過氧化態(tài)染料分子的及時解離來阻塞電子回傳通道，從而有效地提高染料敏化半導(dǎo)體體系的光催化產(chǎn)氫效率及其長效穩(wěn)定性的新觀點。

在“系光催化材料的可見光催化活性”研究中，他采用沉淀法制備的單斜BiV04納米粒子為單晶顆粒，光譜帶邊值為520nm，其可見光催化活性較高。研究發(fā)現(xiàn)，Ag團簇的負載有利于釋氧，但AgN03／BiV04再生困難。因此，彭天右提出采用鐵鹽代替銀鹽做犧牲試劑，具有更好的實際應(yīng)用前景的新觀點。此外，他還首次發(fā)現(xiàn)利用CTAB做模板劑時，通過調(diào)節(jié)水熱溫度可選擇性地合成微球狀或片層狀BiV04，并可調(diào)節(jié)其晶相組成。

在“碳基一半導(dǎo)體氧化物復(fù)合材料系列的制備及其產(chǎn)氫性能”研究方面，他較早采用水熱法原位合成了碳基(c60、SWNT，MWNT、石墨等) 半導(dǎo)體氧化物(ZnO、Ti02等)納米復(fù)合材料。其中，C60／Ti02、MWNT／Ti02、C60／T102在400nm--800nm范圍內(nèi)有明顯的吸收，并表現(xiàn)出明顯的可見光催化制氫活性。隨著復(fù)合比例的提高，產(chǎn)氫效率逐漸提高，但比例過高反而會導(dǎo)致產(chǎn)氫效率的降低。在全光譜條件下，納米復(fù)合光催化劑均表現(xiàn)出了優(yōu)于純Ti02的產(chǎn)氫性能。該類復(fù)合材料突破了半導(dǎo)體氧化物只吸收紫外光而有機光敏劑的光降解和不穩(wěn)定等難題，具有良好的穩(wěn)定性和較高的可見光催化產(chǎn)氫效率，是一類新型的具有光明前途的可見光驅(qū)動催化劑。

在光電極及其集成器件的制備及其光電化學(xué)性能調(diào)控方面，彭教授也開展了一些研究。以自制的光催化材料為主要研究對象，采用刮涂和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備光電極膜或其多層復(fù)合膜器件。利用電化學(xué)測定，以及將制備膜電極與Pt化對電極組成染料敏化納米晶太陽能電池(DSSCs)測定其光電流一光電壓(1 V)曲線等手段，對膜電極的電子傳輸效率、光生載流子的界面復(fù)合、電子界面?zhèn)鬏斝省⒐怆娮訅勖?、電化學(xué)和光電化學(xué)行為進行了較為深入的探討，獲得了一些膜電極制備及其光電轉(zhuǎn)換效能方面的具有指導(dǎo)意義的規(guī)律與結(jié)論。

另外，彭天右還在湖北省重點和重大科技計劃(納米專項)的資助下，開展了納米氧化物粉體的軟化學(xué)合成及其產(chǎn)業(yè)化研究。采用獨特而價廉的異相共沸蒸餾技術(shù)，有效地解決了制備過程中的粒子不正常長大，防止了納米粉體在煅燒過程中硬團聚體的形成這一氧化鋁制備過程中所普遍存在的難題。提出的高純氧化鋁納米粉體的軟化學(xué)制備技術(shù)，可縮短工期，降低能耗。通過優(yōu)選添加劑，調(diào)控合成工藝控制晶核的形成和粒子的生長，根據(jù)不同需求，調(diào)節(jié)合成條件生產(chǎn)不同形態(tài)的粒體(如球形、準球形、片狀，棒狀及多孔型等)。粒徑在5nm～5 u m之間局部可調(diào)，產(chǎn)品純度達到99.95％以

上，粒度分布均勻且分布窄的高純氧化鋁超細粉體。該納米氧化鋁產(chǎn)品可替代進口，經(jīng)有關(guān)企業(yè)使用測試證明其制備的納米氧化鋁具有較好的壓制和燒結(jié)性能。上述相關(guān)研究成果通過湖北省科技廳組織的專家鑒定，鑒定結(jié)論為：該項研究成果屬國內(nèi)首創(chuàng)，整體技術(shù)達到國際先進水平。此外，以軟化學(xué)方法廉價制備的介孔v Al z03具有高比表面積(600℃熱處理后400m2／g)、高熱穩(wěn)定性(在1000℃下仍然為Y相，120m 2／g)，可望在催化劑、汽車尾氣三效催化轉(zhuǎn)化中獲得應(yīng)用。銳鈦礦Tioz通常在600~C就開始向金紅石轉(zhuǎn)化。為了利用銳鈦礦的光催化，殺菌能力，需將其固化在玻璃或陶瓷表面，但其處理溫度一般在800℃以上，因此要求在高溫下穩(wěn)定且保持銳鈦礦相的Ti02。然而，以表面活性劑模板法制備的多孔Tio2通常為無活性的無定形結(jié)構(gòu)，在其晶化過程中會導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的塌陷。為此，彭天右及其課題組較早制備了具有高熱穩(wěn)定性、高比表面積、高度晶化的銳鈦礦孔壁的介孔材料。其在光催化降解污染物、光解水制氫和太陽能光電化學(xué)電池等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

也許這一個個簡單的案例無法述清他的執(zhí)著與努力，然，天道酬勤，那一項項獎項還是印證了一切。2000年9月，獲湖北省優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎2000年9月，獲武漢大學(xué)化學(xué)院本科生業(yè)余科研指導(dǎo)獎；2003年3月，獲教育部自然科學(xué)二等獎：2004年4月，取得成果鑒定1項(國際先進水平)：2004年1 2月獲武漢大學(xué)藍月亮優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師獎：2004年1 2月，獲武漢大學(xué)優(yōu)秀研究生教學(xué)獎：2006年獲優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師獎和研究生教學(xué)獎：2008年11月獲湖北省自然科學(xué)三等獎……100余篇(其中SCl收錄論文62篇)，論文他引250余次，獲授權(quán)發(fā)明專利5項。

賦生命以質(zhì)感

看今朝，碩果累累：憶往昔，崢嶸歲月。難忘2003年5月回國后，在只有半間實驗室、5000元科研經(jīng)費的情況下，他艱難地開始實驗室的組建和科學(xué)研究工作。面對困難，他積極創(chuàng)造條件開展教學(xué)科研工作，甚至在科研經(jīng)費緊缺時，自掏腰包墊付購買設(shè)備和試劑的費用(最高達7萬余元)。經(jīng)過6年的不斷耕耘，由他主持的科研經(jīng)費已達260余萬元，新購買實驗與辦公設(shè)備等固定資產(chǎn)共計1 20余萬元。

作為一名教授，彭天右不僅要積極爭取研究經(jīng)費，時刻關(guān)注本研究方向乃至本學(xué)科的發(fā)展動向與前沿，而且身體力行，言傳身教，培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹務(wù)實、勇于創(chuàng)新的作風(fēng)。作為一名年輕教師，彭教授深知學(xué)生需要老師全方位的悉心指導(dǎo)，及時糾正研究過程中出現(xiàn)的偏差。長期以來主講本科生基礎(chǔ)課《無機及分析化學(xué)》，本科生及研究生選修課《生物無機化學(xué)》，研究生課程《現(xiàn)代合成化學(xué)》和《材料化學(xué)》的部分內(nèi)容。幾年來指導(dǎo)博士生8人、碩士生1 0人，指導(dǎo)本科生畢業(yè)論文1 6人(6人攻讀碩士學(xué)位，2人被推薦到國外攻讀博士學(xué)位)，本科生業(yè)余科研1 6人。2004、2005連續(xù)兩年，由他指導(dǎo)的楊煥平(三星獎)、趙德(曾昭掄獎)同學(xué)都獲得了研究生專項獎學(xué)金。彭天右非常注重教書與育人相結(jié)合，以身作則樹立良好的學(xué)風(fēng)，以負責的態(tài)度關(guān)心、愛護與幫助學(xué)生，使學(xué)生在知識的殿堂里將學(xué)業(yè)和品質(zhì)雙向提升，將來更好地服務(wù)于社會。

第7篇：半導(dǎo)體材料論文范文

Abstract： The experimental study of three high-quality monocrystal silicons have been carried， the resistivity， minority carrier lifetime，oxygen content， carbon content were tested. The results show that when the production process of Monocrystal furnace's pressure is 1300 Pa， the best quality monocrystalline silicon can be produced， the resistivity is 0.7， the minority carrier lifetime is 9.8， the carbon content is 3.3×1018 atoms/cm3， the oxygen content is 0.46×1018 atoms/cm3.

關(guān)鍵詞： 單晶硅；電阻率；少子壽命；含碳量；含氧量

Key words： monocrystal silicon；resistivity；minority carrier lifetime；oxygen content；carbon content

中圖分類號：TB321 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）21-0098-02

0 引言

隨著電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)的巨大發(fā)展，硅材料作為半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，也得到了迅速發(fā)展，成為當代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，正引起越來越多的關(guān)注和重視，國內(nèi)外學(xué)者對單晶硅也進行了大量的研究[1-4]。本論文分別對三根單晶硅棒樣品進行了產(chǎn)率、消耗率的計算，并且對電阻率、氧含量、碳含量、少子壽命等進行了檢測。

1 單晶棒初步檢測及計算

初步對三種不同工藝參數(shù)下（爐內(nèi)壓力：1號爐1000 Pa，2號爐1300 Pa，3號爐1600 Pa）生產(chǎn)出的三根單晶棒的質(zhì)量，直徑，剩余料（堝底料）等進行檢測，結(jié)果分別為：1號爐單晶棒質(zhì)量為82.08kg，堝底質(zhì)量為0.65kg，引晶長度為150mm，尾長度為156mm，晶棒的質(zhì)量約170～173mm；2號爐單晶棒質(zhì)量為82.62kg，堝底質(zhì)量為1.45kg，引晶長度為150mm，尾長度為153mm，晶棒的質(zhì)量約170～173mm；3號爐單晶棒質(zhì)量為82.23kg，堝底質(zhì)量為1.73kg，引晶長度為150mm，尾長度為160mm，晶棒的質(zhì)量約171～174mm。

產(chǎn)率和消耗率都是衡量單晶硅生產(chǎn)效益最重要的標尺。產(chǎn)率越高，消耗率就會越低，經(jīng)濟效益也就越高。

產(chǎn)率的計算公式：

η=m1/m×100%（1）

消耗率的計算公式：

n =（m-m1-m2）/m×100% （2）

式中：η為產(chǎn)率；n為消耗率；m為裝料量；m1為單晶棒質(zhì)量；m2為堝底質(zhì)量。

對三個單晶爐內(nèi)單晶硅棒的產(chǎn)率和消耗率進行計算，結(jié)果分別為：1號爐，產(chǎn)率為96.56%，消耗率為2.67%；2號爐，產(chǎn)率為97.20%，消耗率為1.22%；3號爐，產(chǎn)率為96.74%，消耗率為1.32%。

由計算結(jié)果進行分析可知，在2號爐內(nèi)生產(chǎn)出的單晶硅產(chǎn)量最高，消耗率最低，所以單晶硅壓力為1300 Pa時，最適合單晶硅生產(chǎn)。

2 單晶硅性能檢測及研究

單晶硅檢測按照p型（100）方向質(zhì)量標準進行檢測，其標準為：電阻率0.5～3Ω?cm，少子壽命>5.0us，碳含量

2.1 電阻率

電阻率是用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。用某種材料制成的長1m、橫截面積是1mm2的，在常溫下（20°C時）導(dǎo)線的電阻，叫做這種材料的電阻率。電阻率的單位是歐姆?米（Ω?m），常用單位是歐姆?毫米和歐姆?米。

對不同壓力下的單晶硅棒的電阻率進行檢測，結(jié)果分別為：1號爐為0.7Ω?cm；2號爐為0.7Ω?cm；3號爐為0.7Ω?cm。

由檢測結(jié)果可知：生產(chǎn)出的單晶棒的電阻率符合p型（100）方向質(zhì)量的檢測標準，并且不同爐壓下單晶棒的電阻率完全相同，說明單晶棒的電阻率不受生產(chǎn)壓力的影響。

2.2 少子壽命

少子壽命是半導(dǎo)體材料和器件的重要參數(shù)，也是表征單晶硅質(zhì)量的一個重要因素參數(shù)，它是與半導(dǎo)體中的重金屬含量、晶體結(jié)構(gòu)的完整性相關(guān)的物理量，直接反映了材料的質(zhì)量和器件特性。能夠準確的得到這個參數(shù)，對于半導(dǎo)體器件制造具有重要意義[5]。

對不同壓力下的單晶爐的少子壽命進行檢測，檢測結(jié)果分別為：1號爐為6.62us；2號爐為9.8us；3號爐為7.86us。

由檢測結(jié)果可知：不同爐壓力下生產(chǎn)出的單晶棒的少子壽命完全符合p型（100）方向質(zhì)量的檢測標準。單晶爐壓力為1000Pa時，生產(chǎn)出的單晶棒的少子壽命為6.62；壓力為1300 Pa時，生產(chǎn)出的單晶棒的少子壽命為9.8；壓力為1600 Pa時，生產(chǎn)出的單晶棒的少子壽命為7.86?？梢姡趬毫?300 Pa時，少子壽命最長。

2.3 碳含量

對不同壓力下的單晶爐的碳含量進行檢測，檢測結(jié)果分別為：1號爐碳含量為4.5×1018atoms/cm3；2號爐碳含量為3.3×1018atoms/cm3；3號爐碳含量為3.4×1018atoms/cm3。

由檢測結(jié)果可知：不同單晶爐壓力下生產(chǎn)出的單晶棒的碳含量符合p型（100）方向質(zhì)量的檢測標準。當爐壓力為1000 Pa時，生產(chǎn)出的單晶棒的碳含量為4.5×1018 atoms/cm3；爐壓力為1300 Pa時，生產(chǎn)出的單晶棒的含碳量為3.3×1018atoms/cm3；單晶爐壓力為1600 Pa時，生產(chǎn)出的單晶棒的含碳量為3.4×1018atoms/cm3?？梢?，在壓力為1300 Pa時，碳含量最少。

2.4 氧含量

對不同壓力下的單晶棒的氧含量進行檢測，檢測結(jié)果分別為：1號爐氧含量為0.45×1018atoms/cm3；2號氧含量為0.46×1018atoms/cm3；3號爐氧含量為0.64×1018atoms/cm3。

由檢測結(jié)果可知：不同單晶爐壓力下生產(chǎn)出的單晶棒的氧含量符合p型（100）方向質(zhì)量的檢測標準。在單晶爐壓力為1000 Pa時，所生產(chǎn)出的單晶棒的含氧量為0.45×1018atoms/cm3；單晶爐壓力為1300 Pa時，所生產(chǎn)出的單晶棒的含氧量為0.46×1018atoms/cm3；單晶爐壓力為1600 Pa時，所生產(chǎn)出的單晶棒的含氧量為0.64×1018atoms/cm3?？梢姡趬毫?000 Pa時，氧含量最少。

通過對單晶硅的電阻率、少子壽命、碳含量、氧含量的檢測結(jié)果分析比較，得出：不同壓力下單晶硅的電阻率相同；在1300 Pa時，單晶棒的少子壽命最長，氧含量比1000 Pa時略大，碳含量最少。因此在壓力為1300 Pa時生產(chǎn)出的單晶棒最佳。

3 結(jié)論

通過控制不同的工藝參數(shù)（爐內(nèi)壓力：1000 Pa，1300 Pa，1600 Pa），成功生產(chǎn)出了三根單晶硅棒，分別對這三種單晶硅樣品進行了產(chǎn)率、消耗率計算，并對電阻率、氧含量、碳含量、少子壽命進行了檢測。結(jié)果表明：三根單晶棒都符合生產(chǎn)要求。通過綜合分析，當單晶爐內(nèi)壓強為1300 Pa時，所生產(chǎn)出的單晶硅質(zhì)量最佳（產(chǎn)率：97.20%，消耗率：1.22%，電阻率：0.7 Ω?cm，氧含量：0.56×1018atoms/cm3，碳含量：3.8×1018atoms/cm3，少子壽命9.83 us）。

參考文獻：

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[2]于楠.單晶硅納米加工仿真及實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]王興普，段良飛，廖承菌，等.單晶硅制絨的實驗研究[J].太陽能學(xué)報，2014.

第8篇：半導(dǎo)體材料論文范文

關(guān)鍵詞：表面等離子體激元；SPP效應(yīng)；應(yīng)用現(xiàn)狀

表面等離子體激元（SPP）具有近場增強、局域受限、短波長等比較獨特的特性。在SPPs的表面局域特性方面，SPPs在垂直于金屬表面電場方向的強度呈指數(shù)衰減，利用表面局域特性構(gòu)造表面結(jié)構(gòu)可以降低光學(xué)控制的維度，形成二維微納光學(xué)應(yīng)用。在SPPs的近場增強特性上，金屬的介電常數(shù)、金屬薄膜厚度、表面粗糙程度等決定了場增強的程度。尤其是人們在研究光與納米材料相互作用時，研究金屬微納結(jié)構(gòu)中局域表面等離子體的共振是一種重要方法，引起了人們的廣泛關(guān)注。這些特性已在光學(xué)、化學(xué)傳感和檢測領(lǐng)域均獲得了廣泛應(yīng)用。

1 表面等離子體激元的研究歷程

1902年，Wood在實驗中用連續(xù)光譜的偏振光照射金屬光柵時觀測到反常的衍射現(xiàn)象并公開進行了描述。1941年Fano根據(jù)表面電磁波在金屬和空氣界面上的激發(fā)對由入射波照射到金屬光柵上引起的異常反射現(xiàn)象進行了解釋。1957 年，Ritchie發(fā)現(xiàn)電子穿過金屬薄片時存在“能量降低的”等離子體模式，第一次提出了 “金屬等離子體”的概念，這種“金屬等離子體”可用于描述金屬內(nèi)部電子密度縱向波動。從此，表面等離子體激元成為了一門表面科學(xué)，在相關(guān)領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。隨后，Powell 等人用實驗證實了Ritchie 的理論，而Stem等人也研究了“表面等離子共振”的條件。1968年，Kretschmann和 Otto各自利用衰減全反射（ATR）的方法證實存在光激發(fā)表面等離子共振現(xiàn)象。1982 年，Nylander 和 Liedberg 在氣體檢測和生物傳感領(lǐng)域中應(yīng)用了SPR 原理。此后，SPR 傳感技術(shù)迅速發(fā)展，基于表面等離子體激元的 SPR 傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計元器件也不斷呈現(xiàn)，各種SPP器件在化學(xué)-生物傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1944 年Bethe曾研究了完美導(dǎo)體薄膜中圓孔（半徑為 r）的光透射行為，得出亞波長小孔 的歸一化透射效率應(yīng)該很小。但是1998年，Ebbesen在實驗上發(fā)現(xiàn)金屬膜上的周期性小孔結(jié)構(gòu)歸一化的透射率大于1，即出現(xiàn)了遠場透過增強效應(yīng)，這被稱為“Ebbesen 效應(yīng)”。Ebbesen 指出，當金屬膜上具備亞波長二維周期孔結(jié)構(gòu)時，可以實現(xiàn)可見光與紅外光的不正常透射，這種奇異現(xiàn)象（Ebbesen 效應(yīng)）當時用衍射理論無法解釋清楚，引起了眾多研究者的關(guān)注，從此關(guān)于金屬微納結(jié)構(gòu)的表面等離子體效應(yīng)成為等離子體研究領(lǐng)域中的一個重要組成部分。在Ebbesen的論文中指出，在某一特定波長處的透射光能量是入射到圓孔上的光的能量的2倍，這種異常透過現(xiàn)象與入射光與二維圓孔陣列的表面等離子體激元的相互耦合存在著一定的關(guān)系。

目前普遍的觀點認為，二維圓孔陣列的入射光透過增強現(xiàn)象是由表面等離子共振所導(dǎo)致的，光照射到金屬薄膜的表面，激發(fā)金屬表面SPP，一面的SPP沿著孔徑隧穿到另一表面的 SPP 中耦合，最后經(jīng)過金屬-介質(zhì)界面發(fā)生散射，形成遠場增強透過現(xiàn)象。

單個孔徑的透射增強效率非常有限。如果在孔徑周圍引入類似牛眼結(jié)構(gòu)、金屬狹縫-溝槽結(jié)構(gòu)等周期性的溝槽結(jié)構(gòu)，通過這些周期性的溝槽結(jié)構(gòu)將入射光波有效耦合到SPP中，則光透射增強現(xiàn)象就十分顯著。相對于金屬孔徑結(jié)構(gòu)，金屬顆粒結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了局域的表面等離子體共振特性。當金屬顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時，該結(jié)構(gòu)可以有效地將入射光波集中到金屬表面非常小的區(qū)域，實現(xiàn)較大局域場增強，同時增大了結(jié)構(gòu)的散射截面，從而將局域場信息散射到遠場。這是實現(xiàn)表面增強拉曼散射的一種有效途徑。

2000年，Pendry提出銀膜微結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)亞波長成像。2002年，Lezec等提出了牛眼光柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以出現(xiàn)光束聚焦現(xiàn)象，并引發(fā)了新的關(guān)于這種現(xiàn)象機理及應(yīng)用的研究。2008年，中科院半導(dǎo)體研究所的花磊等人研究了中紅外下半導(dǎo)體摻雜調(diào)制成的表面等離子體透射增強效應(yīng)，理論上研究了n型重摻GaAs薄膜上具備亞波長周期性溝槽結(jié)構(gòu)時的紅外波段的異常透射現(xiàn)象，這種紅外波段的異常增強效應(yīng)對紅外波段的濾波器、發(fā)射器和探測器都具有巨大的應(yīng)用價值。

2 SPP效應(yīng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 SPP效應(yīng)當前在相關(guān)領(lǐng)域所取得的進展

1997年，有人研究了金屬表面形貌缺陷對SPP散射作用的影響，提出納米尺度的直線或曲線形狀表面實現(xiàn)對SPP的反射和聚焦。2005年，日本東京大學(xué)某研究小組實驗演示了這種情景，采用350nm直徑的凸起作為納米點缺陷，還有人采用直徑為200nm的小孔作為納米點缺陷，均實現(xiàn)了亞波長聚焦。他們在實驗中將這些納米點缺陷排成曲率半徑為5tan的圓弧，得到了直徑比激發(fā)光波長還小的聚焦光斑，即“亞波長聚焦”。

在亞波長結(jié)構(gòu)中，由于SPP會引起電場強度的增強而產(chǎn)生非線性現(xiàn)象，利用這種非線性現(xiàn)象可以制作出納米量級的光學(xué)開關(guān)，發(fā)展近場非線性光學(xué)。這種光學(xué)開關(guān)的原理是基于表面等離子體效應(yīng)的一種新型光開關(guān)。當外部條件改變時，影響開關(guān)結(jié)構(gòu)中SPP的激發(fā)或傳輸特性，以達到開關(guān)的作用。目前報道的SPP光開關(guān)類型主要有電光開關(guān)、熱光開關(guān)及全光開關(guān)等。這些光開關(guān)可實現(xiàn)衍射極限尺度內(nèi)的光控制功能，并能實現(xiàn)光子器件在納米尺度上的集成。

在陳俊學(xué)的博士論文中提出了各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的模式耦合、非線性光學(xué)特性及SPP在一些基本結(jié)構(gòu)中的色散關(guān)系，明確了在一維和二維周期性結(jié)構(gòu)陣列中，波導(dǎo)模式在 SPP 輔助增強透射過程中所起的作用；研究了三階非線性光學(xué)效應(yīng)對于 SPP 激發(fā)和耦合的影響，并設(shè)計了基于共振元件的開關(guān)結(jié)構(gòu)，通過改變?nèi)肷涔獾钠裼行У貙崿F(xiàn)了開關(guān)狀態(tài)的調(diào)控。

還有，通過錐形波導(dǎo)方法可實現(xiàn)SPP聚焦。激發(fā)的SPP沿著錐形波導(dǎo)傳播的過程中，由于錐形波導(dǎo)邊界呈梯度變化，反射光與傳播的SPP在再次傳播的過程中形成干涉，電磁場越來越集中，最后在波導(dǎo)尖端形成的場增強十分顯著?？梢姡@種錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是可以實現(xiàn)電磁波的聚焦的，它能將電磁能量聚焦到更小范圍，真正實現(xiàn)超衍射極限的納米聚焦。

另外，在新型氣體傳感器應(yīng)用方面，在傳統(tǒng) SAW 氣體傳感器基礎(chǔ)之上，結(jié)合激光超聲檢測技術(shù)，用激光在覆有吸附性薄膜的金屬表面激發(fā)出聲表面波，利用反射式光束偏轉(zhuǎn)法在薄膜處探測金屬表面的聲表面波情況，從而檢測被測氣體的濃度。這是一種新型氣體監(jiān)測方法。這種新型氣體傳感器采用了光學(xué)的方法來探測聲脈沖，屬于非接觸式檢測傳感器。

2.2 SPP效應(yīng)的應(yīng)用局限

目前雖然SPR 技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用到生物的各個領(lǐng)域，但是從第一個 SPR 傳感器誕生到現(xiàn)在僅20 多年，還是一種正處于發(fā)展初期的新技術(shù)，其方法還有很多不完善之處。基于SPP效應(yīng)的表面等離子體共振技術(shù)還有待擴大其應(yīng)用范圍，最好還要簡化操作，提高SPR 方法檢測的靈敏度，這就是人們進行SPP效應(yīng)研究的目的之一。

例如在實際應(yīng)用中，將納米粒子技術(shù)用于生物體系，極大的提高了SPR傳感器的靈敏度。一般用金納米粒子提高靈敏度有兩種方法，將金納米顆粒吸附在SPR傳感器表面，改變SPR信號特征，從而提高靈敏度。另一種是將金納米粒子與抗原耦合在一起，從而提高SPR 傳感器的靈敏度。其他還有夾心法、脂質(zhì)體、乳膠粒子增強法等也可以提高 SPR技術(shù)靈敏度。

3 SPP效應(yīng)的應(yīng)用前景

隨著納米材料及其制備科學(xué)的成熟，納米器件的發(fā)展即將推動納米電子和光電子器件等集成電路的發(fā)展?；谝痪S納米材料的氣體傳感器也將在氣體檢測領(lǐng)域大有作為。例如目前采用金屬氧化物半導(dǎo)體制作電子鼻傳感器，而研發(fā)出基于納米材料的新型氣體傳感器，必然會促使電子鼻傳感器技術(shù)的發(fā)展。

光子晶體的研究也是光子學(xué)的一個熱點問題，這類器件主要是由一些半導(dǎo)體材料或者絕緣材料制成，該波長級器件可以控制光與物質(zhì)的作用。金屬也可以用來制作光子帶隙結(jié)構(gòu)，其表面上的周期性結(jié)構(gòu)可改變SPP性質(zhì)：當周期性結(jié)構(gòu)可以控制在SPW波長的一半時，SPP的散射將會產(chǎn)生SPP禁帶，這種禁帶的產(chǎn)生與金屬的周期型結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以用來發(fā)展新型傳感設(shè)備。

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第9篇：半導(dǎo)體材料論文范文

關(guān)鍵詞：無機功能材料；教學(xué)；改革

中圖分類號：G642.0；G642.3；TB34 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）05-0072-02 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標是立足廣東，面向珠江三角洲，培養(yǎng)掌握現(xiàn)代化學(xué)與材料學(xué)基礎(chǔ)的基本理論和研究方法，具備新材料研究和技術(shù)開發(fā)能力，能在化學(xué)、材料科學(xué)與工程及其相關(guān)領(lǐng)域，從事新材料的設(shè)計、檢測、研究、開發(fā)和管理等工作的高素質(zhì)復(fù)合型人才。無機功能材料是具有特殊電、磁、光、聲、熱、化學(xué)以及生物功能的新型材料，既是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，又在農(nóng)業(yè)、化工和建材等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造方面起著重要作用。無機功能材料是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。本文結(jié)合教學(xué)實際，從教學(xué)內(nèi)容的更新、教學(xué)方法的探索和考核方式的改革等方面進行了有益的探索和實踐，取得了較好的效果。

一、加強教學(xué)內(nèi)容改革與優(yōu)化，建立教學(xué)新體系

無機功能材料課程內(nèi)容包括無機材料概論、晶態(tài)與非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)材料、壓電材料、介電材料、半導(dǎo)體材料、紅外材料、光導(dǎo)材料、變色材料、磁性材料、特種玻璃、生物功能材料、多孔材料等內(nèi)容。在十多年教學(xué)中，通過精選教學(xué)內(nèi)容，加強教學(xué)內(nèi)容改革與優(yōu)化，以“制備—結(jié)構(gòu)—特性—應(yīng)用”為主線，注重教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展前沿、現(xiàn)代生活和生產(chǎn)實際相結(jié)合，體現(xiàn)了授課內(nèi)容的先進性、趣味性和實用性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展前沿結(jié)合，體現(xiàn)先進性。緊跟學(xué)科發(fā)展前沿、瞄準研究熱點是更新課堂教學(xué)內(nèi)容的有效途徑。在授課過程中，注重從國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊中獲得無機功能材料研究的相關(guān)信息，把研究熱點與最具代表性的研究成果制成課件，展示給學(xué)生，使學(xué)生及時了解到最新的前沿知識，接觸學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的求知欲望[1，2]。例如，在講授壓電陶瓷材料時，首先講授傳統(tǒng)的壓電陶瓷，以PZT為基的二元系、三元系鉛基壓電陶瓷的制備、性能以及在國民經(jīng)濟和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)等方面應(yīng)用；其次向?qū)W生介紹這類壓電陶瓷中大量的鉛在制備、使用和廢棄處理過程中都會污染環(huán)境；最后介紹當前無鉛壓電陶瓷研究進展，包括BaTiO3基、BNT基和鈮酸鹽系等無鉛壓電陶瓷。講授無機超導(dǎo)材料時，先介紹物質(zhì)磁性的分類、磁性材料種類、特性和應(yīng)用，再介紹當前磁性材料科學(xué)的研究熱點——磁性半導(dǎo)體、分子基磁體以及同時具有鐵電和鐵磁雙重性質(zhì)的磁電復(fù)合材料。在講授無機多孔材料時，介紹2012年發(fā)表在《Nature Materials》上的吸附二氧化碳的新材料NOTT-202a的結(jié)構(gòu)、特性和應(yīng)用前景[3]。通過學(xué)科研究前沿知識的講授，體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的先進性。

2.教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代生活實際結(jié)合，體現(xiàn)實用性。無機功能材料在日常生活中應(yīng)用廣泛。在課堂教學(xué)中，將教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代生活實際相結(jié)合，提高了學(xué)生的興趣。例如熱致變色材料是一種能對外界環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)的新型智能材料，其中的無機低溫熱變色材料具有隨溫度變化顏色改變的特性，可將在商標、封簽和票據(jù)上作特殊的標記進行化學(xué)防偽，用于冷凍食品、蔬菜和水果等各類食品適宜保存溫度的指示，制作熱變色家具、茶具和玩具，用于繪畫、美術(shù)作品和廣告中產(chǎn)生一些奇特的效果等[4]。變溫磁性材料與家用電飯鍋，壓電材料與煤氣灶和倒車報警器，變色玻璃與太陽鏡，氣敏陶瓷與煤氣報警器，熒光材料與彩色電視機，紅外材料與節(jié)水龍頭，形狀記憶合金與兒童矯牙，多孔材料與飲水機，無機納米抗菌材料與保健鞋墊，超導(dǎo)材料與磁懸浮列車，吸波材料與隱身飛機，泡沫玻璃與新型節(jié)能建筑材料等知識的介紹，使學(xué)生感受到無機功能材料在生活中無處不在。這種理論聯(lián)系生活實際的教學(xué)，增強理論課的實用性和趣味性。

二、加強教學(xué)方法和手段的更新，增強課堂教學(xué)效果

1.講授與討論相結(jié)合。在教師講授的同時，開展課堂討論式教學(xué)，既可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和分析問題的能力，又可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，從而有效地提高課堂教學(xué)質(zhì)量[5，6]。本課程在教學(xué)過程中根據(jù)選課學(xué)生人數(shù)安排討論課次數(shù)，采用方式為：首先教師提出若干個課題，如金剛砂的制備、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，無機超導(dǎo)體的種類、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，寶石中的化學(xué)以及氣敏陶瓷的種類、特性和應(yīng)用等；其次學(xué)生自由組合成2～3人小組，查閱文獻和制作PPT；最后每個小組推薦一名成員上臺講授。從實施效果來看，這種課堂討論教學(xué)改變了傳統(tǒng)的以教師講授為主和學(xué)生被動接受的教學(xué)模式，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高了學(xué)生查閱文獻、PPT制作、語言表達和綜合分析問題的能力，促進了教與學(xué)之間的互動，活躍了課堂教學(xué)氣氛。

2.傳統(tǒng)授課方式與現(xiàn)代教育手段相結(jié)合。將多媒體引入傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，是對傳統(tǒng)的教學(xué)方式的繼承、揚棄和補充，將抽象的知識直觀化和形象化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[5]。例如在講授超導(dǎo)材料時，先讓學(xué)生觀看磁懸浮現(xiàn)象的視頻，通過提出問題“為什么磁性圓片在低溫下會在金屬圓片的上方懸浮起來？”引入講授內(nèi)容——超導(dǎo)材料，然后從超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)特性，超導(dǎo)材料的種類、結(jié)構(gòu)及其在輸電、電機、交通運輸、微電子、電子計算機、生物工程、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域應(yīng)用進行講授。在講授發(fā)光材料時，先利用中山大學(xué)國家級精品課程《綜合化學(xué)實驗》網(wǎng)絡(luò)資源，讓學(xué)生觀看“化學(xué)發(fā)光材料制備”視頻，了解化學(xué)發(fā)光材料制備過程、結(jié)構(gòu)表征的方法和手段，觀察發(fā)光現(xiàn)象。在講授激光材料和壓電陶瓷前，播放一段激光雕刻機制作葫蘆工藝品和壓電陶瓷的有關(guān)應(yīng)用的視頻。在講授激光產(chǎn)生的機理時，采用動畫展現(xiàn)“三能級系統(tǒng)”、“四能級系統(tǒng)”、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光形成的過程。這種講授與動畫和視頻的有機結(jié)合，收到良好的教學(xué)效果。

3.理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合。近幾年來，通過以下四個方面的實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機結(jié)合：（1）設(shè)置無機功能材料課程的實驗。實驗教學(xué)是學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要手段與途徑[7]，利用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)省級化學(xué)實驗教學(xué)示范中心的有利條件，開設(shè)了溶膠—凝膠法制備納米BaTiO3陶瓷粉體，微波輻射法合成磷酸鋅，稀土發(fā)光材料的制備與發(fā)光性能等實驗項目，提高了學(xué)生的實驗技能。（2）組織學(xué)生參觀相關(guān)企業(yè)。與深圳寶嘉能源有限公司，中山東晨磁性電子制品有限公司，佛山安億納米材料有限公司、東莞長發(fā)光電科技有限公司和廣州臺實防水補強有限公司等10余家企業(yè)建立了長期的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，通過組織學(xué)生參觀，了解鎳鋅軟磁鐵氧體材料及器件、鋰離子電池等無機功能材料的生產(chǎn)工藝和過程，增加了感性認識，加深了對理論知識的理解。（3）鼓勵學(xué)生參與教師研究課題。近幾年來，學(xué)生參與教師主持的含氮共軛聚合物與無機半導(dǎo)體雜化光催化劑的設(shè)計、制備與催化機理研究，雙功能光轉(zhuǎn)換劑的制備及其在棚膜中的應(yīng)用研究，一維二氧化鈦納米管裝載恩諾沙星納米囊研制及緩釋特性研究，季鏻鹽類復(fù)合抗菌材料的制備和性能等多項省、部級及以上科研項目。學(xué)生通過參與教師的科研，了解無機功能材料研究的發(fā)展動態(tài)，開闊知識視野，增強學(xué)習(xí)和研究的興趣。（4）指導(dǎo)學(xué)生申報大學(xué)生科技創(chuàng)新項目。課外創(chuàng)新活動是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑[8]，近幾年來，材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生獲得了碳納米管/聚N-異丙基丙烯酰胺智能復(fù)合材料的制備與性能研究，橄欖石納米LiFePO4正極材料的模板法制備及性能研究，稀性二氧化鈦納米管的制備及其對農(nóng)藥降解的研究，水熱法制備鈥摻雜二氧化鈦納米管及其光催化性能研究，GeS簇/MOFs復(fù)合多孔納米材料可見光催化還原CO2和H2O合成甲醇的研究，金屬氧化物改性多孔碳球的制備、表征及其用于直接甲醇燃料電池的研究和竹炭為模板制備納米鈦酸鋰負極材料及其性能研究等科技創(chuàng)新項目，增強了學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高了分析問題和解決問題的能力。

三、加強考核方式的改革，體現(xiàn)考核客觀性和公正性

為了體現(xiàn)客觀性和和公平性，無機功能材料課程考核采取平時考核和期末考試結(jié)合辦法。平時成績占總評成績的40%，主要考查平時作業(yè)、課堂教學(xué)參與、小論文撰寫、PPT制作和課堂討論講授效果等。期末考試成績總評成60%，題型包括單項選擇、不定項選擇題、填空題、專業(yè)名詞英漢互譯和簡答題。其中前三項主要考核學(xué)生對無機功能材料基本知識的掌握情況，后二者考核學(xué)生運用知識的能力。

綜上所述，通過10多年的探索和實踐，無機功能材料的課堂教學(xué)取得了良好的效果。從學(xué)生評教結(jié)果看，2008～2012年得分均92分以上，位居學(xué)院專業(yè)課前列。學(xué)生主持與課程相關(guān)的大學(xué)生科技創(chuàng)新項目24項，公開發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文50余篇，其中SCI和EI收錄32篇。在今后的工作中，將不斷深化課堂教學(xué)改革，加強實踐環(huán)節(jié)教學(xué)，使無機功能材料課程的教學(xué)在培養(yǎng)適應(yīng)珠江三角洲經(jīng)濟發(fā)展的材料化學(xué)方面高素質(zhì)復(fù)合型人才發(fā)揮更大作用。

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