半導體材料設計精選(九篇)

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第1篇：半導體材料設計范文

【關(guān)鍵詞】電子化工材料 半導體材料 晶體生長技術(shù)

半導體材料的發(fā)展，是在器件需要的基礎上進行的，但從另一個角度來看，隨著半導體新材料的出現(xiàn)，也推動了半導體新器件的發(fā)展。近幾年，電子器件發(fā)展的多朝向體積小、頻率高、功率大、速度快等幾個方面[1]。除了這些之外，還要求新材料能夠耐輻射、耐高溫。想要滿足這些條件，就要對材料的物理性能加大要求，同時，也與材料的制備，也就是晶體生長技術(shù)有關(guān)。因此，在半導體材料的發(fā)展過程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，還要對晶體發(fā)展的新技術(shù)進行研究開發(fā)。

1 半導體電子器件需要的材料1.1 固體組件所需材料

目前，半導體電子所需要的材料依然是以鍺、硅為主要的材料，但是所用材料的制備方法卻不一樣，有的器件需要使用拉制的材料，還有的器件需要外延的材料，采用外延硅單晶薄膜制造的固體組件，有對制造微電路有著十分重要的作用。

1.2 快速器件所需材料

利用硅外延單晶薄膜或者外延鍺的同質(zhì)結(jié)，可以制造快速開關(guān)管。外延薄膜單晶少數(shù)載流子只能存活幾個微秒[2]，在制造快速開關(guān)管的時候，采用外延單晶薄膜來制造，就可以解決基區(qū)薄的問題。

1.3 超高頻和大功率晶體管的材料

超高頻晶體管對材料的載流子有一定的要求，材料載流子的遷移率要大，在當前看來，鍺就是一種不錯的材料，砷化鎵也是一種較好的材料，不過要先將晶體管的設計以及制造工藝進行改變。大功率的晶體管就對材料的禁帶寬度有了一定的要求，硅的禁帶寬度就要大于鍺的禁帶寬度，碳化硅、磷化鎵、砷化鎵等材料，也都具有一定的發(fā)展前途。如果想要制造超高頻的大功率晶體管，就會對材料的禁帶寬度以及載流子遷移率都有一定的要求。但是，目前所常用的化合物半導體以及元素半導體，都不能完全滿足要求，只有固溶體有一定的希望。例如，砷化鎵-磷化鎵固溶體中，磷化鎵的含量為5%，最高可以抵抗500℃以上的高溫，禁帶寬度為1.7eV，當載流子的濃度到達大約1017/cm3的時候，載流子的遷移率可以達到5000cm3/ v.s[3]，能夠滿足超高頻大功率晶體的需要。

1.4 耐熱的半導體材料

目前比較常見的材料主要有：氧化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、碳化硅和磷化鎵等。但是只有碳化硅的整流器、碳化硅的二極管以及磷化鎵的二極管能夠真正做出器件。因為材料本身的治療就比較差，所以做出的器件性能也不盡人意。所以，需要對耐高溫半導體材料的應用進行更進一步的研究，滿足器件的要求。

1.5 耐輻射的半導體材料

在原子能方面以及星際航行方面所使用的半導體電子器件，要有很強的耐輻照性。想要使半導體電子器件具有耐輻照的性能，就要求半導體所用的材料是耐輻照的。近幾年來，有許多國家都對半導體材料與輻照之間的關(guān)系進行了研究，研究的材料通常都是硅和鍺，但是硅和鍺的耐輻射性能并不理想。據(jù)研究表明，碳化硅具有較好的耐輻照性，不過材料的摻雜元素不同，晶體生長的方式也就不一樣，耐輻照的性能也就不盡相同[4]，這個問題還需要進一步研究。

2 晶體生長技術(shù)

2.1 外延單晶薄膜生長的技術(shù)

近年來，固體組件發(fā)展非常迅速，材料外延的雜質(zhì)控制是非常嚴格的，由于器件制造用光刻技術(shù)之后，對外延片的平整度要求也較高，在技術(shù)上還存在著許多不足。除了硅和鍺的外延之外，單晶薄膜也逐漸開展起來。使用外延單晶制造的激光器，可以在室內(nèi)的溫度下相干，這對軍用激光器的制造有著重要的意義。

2.2 片狀晶體的制備

在1964年的國際半導體會議中，展出了鍺的薄片單晶，這個單晶長為2米，寬為8至9毫米，厚為0.3至0.5毫米，每一米長內(nèi)厚度的波動在100微米以內(nèi)，單晶的表面非常光滑并且平整，位錯的密度為零[5]。如果在制造晶體管的時候，使用這種單晶薄片，就可以免去切割、拋光等步驟，不僅能夠減少材料的浪費，還可以提升晶體表面的完整程度，從而提高晶體管的性能，增加單晶的利用率。對費用的控制有重要的意義。

3 半導體材料的展望

3.1 元素半導體

到目前為止，硅、鍺單晶制備都得到了很大程度的發(fā)展，晶體的均勻性和完整性也都達到了比較高的水平，在今后的發(fā)展過程中，要注意以下幾點：①對晶體生長條件的控制要更加嚴格；②注重晶體生長的新形式；③對摻雜元素的種類進行擴展。晶體非常重要的一方面就是其完整性，晶體的完整性對器件有著較大的影響，切割、研磨等步驟會破壞晶體的完整度，經(jīng)過腐蝕之后，平整度也會受到影響。片狀單晶的完整度和平整度都要優(yōu)于晶體，能夠避免晶體的缺陷。使用片狀單晶制造擴散器件，不僅能夠改善器件的電學性能，還可以降低器件表面的漏電率，所以，要對片狀單晶制備的研究進行加強。

3.2 化合物半導體

化合物半導體主要有砷化鎵單晶和碳化硅單晶。通過幾年的研究發(fā)展，砷化鎵單晶在各個方面都得到了顯著的提高，但是仍然與硅、鍺有很大的差距，因此，在今后要將砷化鎵質(zhì)量的提升作為研究中重要的一點，主要的工作內(nèi)容有：①改進單晶制備的技術(shù)，提高單晶的完整度和均勻度；②提高砷化鎵的純度；③提高晶體制備容器的純度；④通過多種渠道對晶體生長和引入的缺陷進行研究；⑤分析雜質(zhì)在砷化鎵中的行為，對高阻砷化鎵的來源進行研究[6]。對碳化硅單晶的研制則主要是在完整性、均勻性以及純度等三個方面進行。

4 結(jié)論

半導體器件的性能直接受半導體材料的質(zhì)量的影響，半導體材料也對半導體的研究工作有著重要的意義。想要提高半導體材料的質(zhì)量，就要將工作的質(zhì)量提高，提高超微量分析的水平，有利于元素純度的提高，得到超純的元素。要提高單晶制備所使用容器的純度。還要對材料的性能以及制備方法加大研究，促進新材料的發(fā)展。半導體材料的發(fā)展也與材料的制備，也就是晶體生長技術(shù)有關(guān)。因此，在半導體材料的發(fā)展過程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，也要對晶體發(fā)展的新技術(shù)進行研究開發(fā)。

參考文獻

[1] 李忠杰.中國化工新材料產(chǎn)業(yè)存在的問題分析與對策[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品. 2011（02）：15-16

[2] 張方，趙立群.“石油和化學工業(yè)‘十二五’規(guī)劃思路報告會”特別報導（三） 我國化工新材料發(fā)展形勢分析[J].化學工業(yè).2011（07）：55-57

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[4] 孫倩.面向“十二五”專家談新材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向――第三屆國際化工新材料（成都）峰會引業(yè)內(nèi)熱議[J].新材料產(chǎn)業(yè).2010（06）：19-20

第2篇：半導體材料設計范文

關(guān)鍵詞:化合物半導體材料;GaAs;GaN;SiC

中圖分類號:TP331文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)05-1238-02

On The Compound Semiconductor Materials

HAO Bin, WEN Kai

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)

Abstract: Compound semiconductor integrated circuits with ultra-high speed, low power, multi-functional, anti-radiation properties is widely used, GaAs, GaN, SiC as the main application of compound semiconductor materials. This article describes the advantages of compound semiconductor materials, and from GaAs, GaN, SiC formed part of the device.

Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC

目前,半導體器件已被廣泛應用到各個領域中。但是隨著科技的發(fā)展,由于硅的電子移動速度使得硅電路傳輸速度慢并且難以改善。因此新型半導體材料由此產(chǎn)生,以GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導體是目前應用最廣泛、發(fā)展最快。

1 化合物半導體材料優(yōu)勢

化合物半導體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例,通過比較可得:1化合物半導體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度,因此,可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度。2肖特基勢壘特性優(yōu)越,容易實現(xiàn)良好的柵控特性的MES結(jié)構(gòu)。3本征電阻率高,為半絕緣襯底。電路工藝中便于實現(xiàn)自隔離,工藝簡化,適合于微波電路和毫米波集成電路。4禁帶寬度大,可以在Si器件難以工作的高溫領域工?，F(xiàn)在化合物半導體材料已廣泛應用:在軍事方面可用于智能化武器、航天航空雷達等方面,另外還可用于手機、光纖通信、照明、大型工作站、直播通信衛(wèi)星等商用民用領域。

2 化合物半導體器件

GaAs、GaN、SiC為主要應用的化合物半導體材料。以下介紹由這三種材料構(gòu)成的部分器件。

2.1 GaAs材料

高電子遷移率晶體管(HEMT)器件實在能形成2DEG的異質(zhì)結(jié)上用類似MESFET的工藝制成的場效應晶體管。源漏之間主要由2DEG的導電溝道提供,由勢壘層上的肖特基柵施加偏壓來改變耗盡區(qū)的厚度,從而控制溝道2DEG的濃度及器件的工作狀態(tài)(如圖1)。對這類器件若VGS=0時溝道中已有電子存在,則器件是耗盡型的;若溝道被耗盡則器件是增強型的。I-V特性為強電場下工作的耗盡型HEMT和增強型HEMT都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。

AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs緩沖層 高純GaAs層 n型AlGaAs層 n型GaAs層臺面腐蝕隔離有源區(qū)制作Au/Ge合金的源、漏歐姆接觸電極干法選擇腐蝕去除柵極位置n型GaAs層淀積Ti/Pt/Au柵電極。(如圖2)

圖1 GaAs HEMT中2-DEG圖2 GaAs HEMT基本結(jié)構(gòu)圖3 PHEMT的基本結(jié)構(gòu)

隨后發(fā)現(xiàn)由于n-AlGaAs層存在一種所謂DX中心的陷阱,它能俘獲和放出電子,使得2-DEG濃度隨溫度而改變,導致閾值電壓不穩(wěn)定。為了解決這個問題,采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2-DEG的溝道材料制成了贗高電子遷移率晶體管。InGaAs層厚度約為20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配(約為1%)而產(chǎn)生的應力,在此應力作用下,InGaAs的晶格將被壓縮,使其晶格常數(shù)大致與GaAs與AlGaAs的相匹配,成為贗晶層。因為InGaAs薄層是一層贗晶層且在HEMT中起著 i CGaAs層的作用,所以成為“贗”層,這種HEMT也就相應地成為贗HEMT。

2.2 GaN材料

2.2.1 GaN基HEMT

目前GaN基HEMT器件的主要結(jié)構(gòu)是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT器件。由于極化效應,AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)很容易出現(xiàn)2DEG,因此有常見工藝生長的絕大部分HEMT器件是屬于耗盡型的。在盡量提高溝道2DEG濃度且保持其遷移率和速度,同時又不引起勢壘應變弛豫的原則下,應用于HEMT器件的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化到一個范圍(勢壘層的Al含量為0.2~0.3,厚度為20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件還有以下特性:1) 緩沖層漏電小即緩沖層呈高阻態(tài)且缺陷密度小形成高的輸出阻抗;2) 高的擊穿電壓,對提高器件的輸出功率和功率開關(guān)的電壓承受能力非常重要;3) 跨導高且和柵壓保持良好的線性關(guān)系,這與器件的頻率特性和開關(guān)速度相關(guān);4) 好的夾斷特性; 5) 較高的截止頻率;6) 良好的散熱能力。GaN基HEMT的主要工藝為臺面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸。

2.2.2 GaN基HBT

異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管器件具有寬帶隙發(fā)射區(qū),大大提高了發(fā)射結(jié)的載流子注入效率;基區(qū)可以高摻雜(可高達1020cm-3),基區(qū)電阻rb可以顯著降低,從而增加 fmax ;同時基區(qū)不容易穿通,從而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸縮小;發(fā)射結(jié)濃度可以很低(約1017cm-3),從而發(fā)射結(jié)耗盡層電容大大減小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研發(fā)為微波功率放大器件或高壓開關(guān)器件,其目標特性為高射極注入系數(shù)、長的少子壽命、短的基區(qū)渡越時間、高擊穿電壓。

2.3 SiC材料

SiC基結(jié)型場效應晶體管(JFET)和肖特基柵場效應晶體管(MESFET)

SiC基MESFET和JFET的溝道載流子的等效遷移率比較高,因此SiC基MESFET主要被開發(fā)為微波功率器件,而JFET則是高壓功率開關(guān)器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波頻段,其性能優(yōu)勢為線性化程度比較理想,輸出阻抗高,從而大大降低對匹配網(wǎng)絡的要求,降低了制作和設計成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在較高和較低溫度以及較高頻率下工作。

3 結(jié)束語

化合物半導體集成電路和普通半導體集成電路相比具有明顯的優(yōu)勢,適合于高頻高速電路的要求。并且化合物半導體可以發(fā)光,可以實現(xiàn)光電集成。因此化合物半導體有更廣泛的發(fā)展空間。

參考文獻:

[1] 何杰,夏建白.半導體科學與技術(shù)[M].北京:科學出版社,2003.

[2] 李效白.砷化鎵微波場效應管及其集成電路[M].北京:科學出版社,2005.

第3篇：半導體材料設計范文

本文重點對半導體硅材料，GaAs和InP單晶材料，半導體超晶格、量子阱材料，一維量子線、零維量子點半導體微結(jié)構(gòu)材料，寬帶隙半導體材料，光子晶體材料，量子比特構(gòu)建與材料等目前達到的水平和器件應用概況及其發(fā)展趨勢作了概述。最后，提出了發(fā)展我國半導體材料的建議。

關(guān)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(zhàn)略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和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(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學技術(shù)的發(fā)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(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（Smart cut）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(fā)的重點。

2.2 GaAs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)應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區(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半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結(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計思想，出現(xiàn)了“電學和光學特性可剪裁”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(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。基于上述材料體系的光通信用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域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極?。ā?.01μm）端面光電災變損傷，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980nm InGaAs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用前景。

為克服PN結(jié)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(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(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)制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。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120K 5μm和250K 8μm的量子級聯(lián)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(xù)應變補償量子級聯(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Picogiga MBE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設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術(shù)的發(fā)展。

（2）硅基應變異質(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/GeSi MODFET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、零維量子點半導體微結(jié)構(gòu)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(gòu)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(fā)展與應用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)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(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(xù)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(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應力緩解層，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用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點的自適應網(wǎng)絡計算機，單光子源和應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，高度有序的半導體量子線的制備技術(shù)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(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(fā)技術(shù)，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(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。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的Lars Samuelson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(jié)構(gòu)的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結(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(fā)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(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=67 GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256 GaN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6H SiC單晶與外延片，以及3英寸的4H SiC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?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。

寬帶隙半導體異質(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(shù)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(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用量子力學原理進行計的裝置，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)展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎，國力和半導體材料的發(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。

5.2 GaAs及其有關(guān)化合物半導體單晶材料發(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、領導下，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出發(fā)，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(chǎn)的工業(yè)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(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(yōu)布點，分別做好研究與開發(fā)工作。

（2）一維和零維半導體材料的發(fā)展設想?；诘途S半導體微結(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、物力建設我國自己的納米科學與技術(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(jīng)濟和國防實力。

本文限于篇幅，只討論了幾種最重要的半導體材料，II－VI族寬禁帶與II－VI族窄禁帶紅外半導體材料，高效太陽電池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及發(fā)展迅速的有機半導體材料等沒有涉及。

第4篇：半導體材料設計范文

關(guān)鍵詞：AT89S52單片機；半導體制冷；太陽能；溫度傳感器外模塊

1 概述

當前科技化、自動化和生態(tài)化是全世界未來發(fā)展的趨勢，由市場調(diào)查的統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明，隨著人們生活節(jié)奏的加快，越來越多的人會選擇快遞（外賣）這種方式，而傳統(tǒng)的運送快遞（外賣）選擇的保溫箱在運送途中可能導致重要物品或食品的變質(zhì)或損壞，并不具備中長時間恒溫保存的功能。當今，隨著常規(guī)能源等消耗量的大規(guī)模增加，日益惡化的生態(tài)環(huán)境迫使人們積極尋找一條新的可持續(xù)發(fā)展的能源之路。由于太陽能電池技術(shù)的發(fā)展和成熟，太陽能電池作為可再生能源是目前應用最為廣泛的發(fā)電裝置。市場保溫箱品種性能單一，不具備創(chuàng)新性和環(huán)保性。針對以上問題我們設計了基于控制冬夏季溫度變化的新型太陽能保鮮箱。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心控制模塊，分別與溫度傳感器、半導體制冷片、半導體散熱套件來實現(xiàn)自動保持箱內(nèi)溫度的功能；利用太陽能電池板，光伏充電控制器和蓄電池裝置對其進行供電，環(huán)保無污染；利用路繼電器模塊帶光耦隔離、TTL RS232模塊、可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊控制并穩(wěn)定元件的輸出及耗損，通過電流的持續(xù)輸出達到一個穩(wěn)定的控溫狀態(tài)。

3 功能及原理介紹

3.1 通過半導體制冷片控溫并穩(wěn)定的原理

該種保鮮箱的低溫環(huán)境試驗與一般的恒溫空調(diào)不同，它要求對制冷量和加熱量進行比較頻繁的調(diào)節(jié)，因此，其控制要求較高。它是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術(shù)，其特點是無運動部件，可靠性也比較高。半導體材料制冷片的工作原理是：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，當電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端； 當電流由P 型元件流向N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小通過電流的大小以及半導體材料N、P極的元件對數(shù)來決定。當制冷片內(nèi)部由上百對電偶聯(lián)成一熱電堆同時工作時，就能達到我們所需要的制冷或制熱效果。[1]

3.2 太陽能電池板連接蓄電池對系統(tǒng)進行供電

采用12V太陽能電池和12V蓄電池連接，用一個光伏充電控制器，控制太陽能電池的輸出電壓，可以保護電池不被過充， 同時，也確保晚上太陽能電池不發(fā)電時，防止蓄電池的電倒流。連接方式如下：太陽能電池――光伏控制器――蓄電池――直流負載。在太陽能給蓄電池充電的同時，蓄電池向外供電完全可行，在這樣的情況下，負載使用的電力會優(yōu)先直接使用太陽能電池的電，剩余的充到電池里；相反，若此太陽能電池的電量不夠，會同時從蓄電池內(nèi)取電。[2]

3.3 AT89S52單片機控制的溫度傳感器對溫度系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

基于AT89S52單片機的數(shù)字溫度計設計，即對溫度進行實時測量，使用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，采用智能溫度傳感器以實現(xiàn)溫度數(shù)字化，既能以數(shù)字形式直接輸出被測溫度值，具有測量誤差小分辨力高，抗干擾能力強，能夠遠程傳輸數(shù)據(jù)，帶串行總線接口等優(yōu)點。

4 新型太陽能保鮮箱推廣應用實踐策略

當然要想充分發(fā)揮新型太陽能保鮮箱的效能，展現(xiàn)其環(huán)保性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的特點，還需要注重新型太陽能保鮮箱的推廣應用工作的開展。具體來講，需要積極做好以下幾個方面的工作：

4.1 鼓勵太陽能保鮮箱的創(chuàng)新設計

無論是AT89S52單片機芯片與溫度傳感器模塊，還是路繼電器模塊帶光耦隔離和TTL RS232模塊，或者是可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊和半導體制冷片，乃至是半導體散熱套件及太陽能電池板，都是當前高新技術(shù)發(fā)展的代表。也就是說在開展新型太陽能保鮮箱設計的時候，要樹立創(chuàng)新意識，結(jié)合當前市場客戶的需求，研發(fā)出適銷對路的產(chǎn)品。當然鼓勵太陽能保鮮箱的創(chuàng)新設計需要對應的激勵機制：其一，高度重視關(guān)于太陽能保鮮箱相關(guān)理論的研究，鼓勵學者和專家緊跟當前國際保鮮技術(shù)理論潮流，深入研究，形成健全的太陽能保鮮箱設計理論體系；其二，高度重視自主知識產(chǎn)權(quán)的保護工作，為太陽能保鮮創(chuàng)新設計工作者創(chuàng)造良好的政策環(huán)境，以實現(xiàn)自身創(chuàng)新能力的提升。

4.2 健全新型太陽能保鮮箱推廣體系

此款新型太陽能保鮮箱有著經(jīng)濟效益好，運行穩(wěn)定，環(huán)保低碳的特點，這與當前建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會來講，是很值得在市場上進行推廣的產(chǎn)品。為此，建立健全新型太陽能保鮮箱推廣體系，顯得尤為必要。為此，其主要需要做好以下幾個方面的工作：其一，培養(yǎng)專業(yè)化的太陽能保鮮箱推廣團隊，要求各個成員全面了解新型太陽能保鮮箱的優(yōu)勢，明確其消費群體的特點，以便高效的去開展營銷活動；其二，國家應該針對于這種環(huán)保型的太陽能保鮮箱制定對應的補貼政策，刺激新型太陽能保鮮箱的消費需求，使得其更加快的融入到市場中去。

5 結(jié)束語

目前，隨著社會節(jié)奏的加快，快遞或物品的運輸業(yè)也十分發(fā)達，從而貴重或不易保存的物品的儲存運輸方法就顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的運輸保存方式，一是因保存不周可能會導致產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生變化，二是可能因過高的運輸保存成本導致人們難以承受，針對這種情況設計的基于控制冬夏季溫度變化的新型太陽能保鮮箱通過成本較低的AT89S52單片機控制的半導體制冷系統(tǒng)及常用的溫度傳感器外模塊即可達到上述幾點要求。并且此套設計系統(tǒng)以太陽能電池板和蓄電池裝置供電，替代常規(guī)能源，綠色環(huán)保無污染，符合可持續(xù)發(fā)展要求。其經(jīng)濟實用，簡易創(chuàng)新，綠色環(huán)保的設計定會被人們接受，可以廣泛推廣，從而創(chuàng)造良好的市場前景。

參考文獻

[1]鄭弘.一種基于半導體制冷技術(shù)的冷暖控制器主機設計[J].機電工程技術(shù)，2009，7.

第5篇：半導體材料設計范文

關(guān)鍵詞：半導體器件；物理；教學改革

半導體器件物理是微電子學、電子科學與技術(shù)等專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程，也是應用型本科院校培養(yǎng)新興光電產(chǎn)業(yè)所需的應用技術(shù)人才必備的理論與實踐基礎課程。該課程是連接半導體材料性質(zhì)和器件應用的橋梁學科，在新興產(chǎn)業(yè)應用技術(shù)人才的知識結(jié)構(gòu)中具有重要的基礎地位。因此，探討教學中存在的問題，改革教學的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學中產(chǎn)生的問題及原因分析

1.學生聽課效率低，學習興趣淡薄，考試成績低

以某大學光電行業(yè)方向工科專業(yè)近三年半導體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學生成績均顯示出60分左右的人數(shù)最多，以60分為原點，其高分和低分兩側(cè)的人數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的正態(tài)分布。從表1中還可以看出，成績低分人數(shù)逐年增多，成績偏離理想狀況較多。

2.針對問題分析原因

導致表1結(jié)果的原因有以下三方面：

（1）學生的物理基礎參差不齊，知識結(jié)構(gòu)存在斷層

近年來，由于高考制度的改革，部分學生參加高考時未選報物理，物理僅作為會考科目使得相當一部分高中學生輕視物理的學習。當學生進入大學，有些專業(yè)大學物理成為必修課，由于學生高中物理基礎差別很大，因此，同一班級的學生物理學習能力就表現(xiàn)得參差不齊。

對于一般工科專業(yè)的學生（包括面向新興光電產(chǎn)業(yè)的工科專業(yè)）來說，他們大二或大三開始學習半導體器件物理課程（或半導體物理課程）時，他們的物理基礎只有在高中學過的普通物理和大學學過大學物理，其內(nèi)容也僅涉及經(jīng)典物理學中的力學、熱學、電學和光學的基本規(guī)律，而近代物理中的實物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規(guī)律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導體器件物理課程的接受對象，不僅在物理基礎上參差不齊，而且在物理知識結(jié)構(gòu)上還存在斷層，這給該課程的教和學增加了難度。

另外，即使增加學習該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識和固體物理的基礎內(nèi)容，但由于課程課時的限制，也決定了該課程在學習時存在較大的知識跨度，很多學生難以跟上進度。

（2）課程理論性強，較難理解的知識點集中

半導體器件物理課程以半導體材料的基本性質(zhì)和應用為基本內(nèi)容，內(nèi)容編排上從理想本征半導體的性質(zhì)和半導體的摻雜改性，到P型半導體和N型半導體結(jié)合形成半導體器件的核心單元，再到各種PN結(jié)的設計和控制，采取層層推進的方式，邏輯嚴密，理論性強，對學生的要求也高，每一部分的核心內(nèi)容都要扎實掌握才能跟上學習的進度。同時，在各章內(nèi)容講解過程中幾乎都有若干較難的知識點，如本征半導體性質(zhì)部分的有效質(zhì)量、空穴的概念、能帶的形成、導帶和價帶的概念等；半導體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級、受主能級、半導體中的載流子分布規(guī)律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴散運動；簡單PN結(jié)部分的平衡PN結(jié)、非平衡PN結(jié)、PN結(jié)的能帶和工作原理；不同專業(yè)在PN結(jié)的設計和控制這部分會根據(jù)所設專業(yè)選取不同的章節(jié)進行學習，面向光電行業(yè)的本科專業(yè)則通常選取半導體的光學性質(zhì)和發(fā)光這部分來講授，該部分包含半導體的躍遷類型，以及半導體光生伏特效應和發(fā)光二極管等的工作原理。這些知識點分布集中，環(huán)環(huán)相套，步步遞進，因此理解難度較大。

（3）學習態(tài)度不端正的現(xiàn)象普遍存在

近幾年，在社會大環(huán)境的影響下，學習態(tài)度不端正現(xiàn)象在本科各專業(yè)學生中普遍存在。無故遲到曠課情況經(jīng)常發(fā)生，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴重，學生獨立思考積極性差。電子產(chǎn)品的普及也嚴重影響到了學生上課的積極性，很多學生成了手機控，即使坐在課堂上也頻頻看手機、上網(wǎng)。有些學生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點、難點。特別是半導體器件物理這門課程涉及的知識點密集，重點、難點較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對于不認真聽講的部分學生來說，很快就跟不上進度了。另外，學生畏難情緒較嚴重，課下也不注意復習答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領進門，修行在個人?！痹谡n時緊張、學生積極性差、課程理論性強等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學效率。

二、改進方法的探討

針對教學過程中發(fā)現(xiàn)的問題，本文從教學方法和教學手段兩個方面入手來探討該課程教學的改進。

1.教學方法的改革

半導體器件物理課程教學改革以建設完整的半導體理論體系和實踐應用體系為目標，一方面，著重在教學觀念、教學內(nèi)容、教學方法、教師隊伍、教學管理和教材方面進行建設和改革，形成適合應用型本科專業(yè)學生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉(zhuǎn)型發(fā)展時期，圍繞應用型人才培養(yǎng)目標，按照“專業(yè)設置與產(chǎn)業(yè)需求相對接、課程內(nèi)容與職業(yè)標準相對接、教學過程與生產(chǎn)過程相對接”的原則，半導體器件物理課程改革重視基礎知識和基本技能教學，力爭構(gòu)建以能力為本的課程體系，做到與時俱進。本課程改革具體體現(xiàn)在以下六個方面：

（1）轉(zhuǎn)變教學觀念

改變傳統(tǒng)向?qū)W生灌輸理論知識的教學觀念，以學習與新興行業(yè)相關(guān)的基礎知識和關(guān)鍵應用技術(shù)為導向，確定該課程在整個專業(yè)課程體系中承上啟下的基礎性地位，在教學觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學內(nèi)容

為構(gòu)建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎知識和基本技能的教學、合理構(gòu)建應用型人才的知識體系的同時，力爭使學生了解半導體器件制作和應用的職業(yè)標準及其發(fā)展的熱點問題，并積極實現(xiàn)“產(chǎn)學研”一體化的教學模式，故此本課程改革分幾個層次組織教學內(nèi)容。

第一層次為基礎知識鋪墊。為解決學生知識結(jié)構(gòu)不完整的問題，在講授半導體器件物理之前要進行固體物理學課程知識的鋪墊，還要增加近論物理學知識，如原子物理和量子力學的知識，為學生構(gòu)建完整的知識框架，降低認知落差。

第二層次為半導體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導體材料的基本性質(zhì)、半導體PN結(jié)的工作原理、常見半導體結(jié)構(gòu)的工作原理和半導體的光電及發(fā)光現(xiàn)象和應用。

第三層次為課內(nèi)開放性實驗。在理工科學生必修的基礎物理實驗項目（如“電阻應變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應及其應用”等）的基礎上，結(jié)合專業(yè)方向設置若干實驗讓學生了解半導體電子和光電器件的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理及制作的工藝流程以及職業(yè)要求和標準，還有行業(yè)熱點問題，激發(fā)其學習興趣，提高動手能力和實踐能力。

第四層次為開展課題式實踐教育，實現(xiàn)“產(chǎn)學研”一體化。為解決傳統(tǒng)教學理論和實踐脫節(jié)問題，以基礎物理實驗項目和針對各專業(yè)方向設置的與半導體器件應用相關(guān)的實驗項目為實踐基礎，開展大學生科技創(chuàng)新活動，鼓勵學生利用課余時間進入實驗室和工廠企業(yè)，利用已學理論對行業(yè)熱點問題進行思考和探究，加強實踐教學。

（3）調(diào)整教學方法

一方面，要正確處理物理模型和數(shù)學分析的關(guān)系，不追求公式推導的嚴密性，強調(diào)對物理結(jié)論的正確理解和應用。另一方面，充分利用現(xiàn)代化的教學設施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發(fā)式和探究式教學，調(diào)動學生積極性和主動性。

（4）建設教學隊伍

對國內(nèi)知名院校的相關(guān)專業(yè)進行考察和調(diào)研，學習先進教學理念和教學方法，邀請國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)的專家進行講座，邀請企業(yè)高級技術(shù)人才和管理人才作為兼職教授來為學生講授當前最前沿、最先進的技術(shù)及產(chǎn)品，并參與教學大綱及教學內(nèi)容的修訂。另外，鼓勵教師團隊充分利用產(chǎn)學研踐習的機會深入企業(yè)，提高教師隊伍的實踐經(jīng)驗和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)雙師型教師打下基礎。

（5）完善教材體系

教材是保證教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是提高專業(yè)教學水平的有效方法。針對理工科專業(yè)特色方向及學生培養(yǎng)的目標，除選用經(jīng)典的國家級規(guī)劃教材――《半導體物理學》以外，還組織精干力量編寫專業(yè)特色方向的相關(guān)教材，以形成完善的半導體理論和實踐相結(jié)合的教材體系，在教材中融入學校及專業(yè)特色，注重理論和實踐相結(jié)合，增加案例分析，體現(xiàn)學以致用。

（6）加強教學管理

良好的教學管理是提高教學質(zhì)量的必要手段。首先根據(jù)學生特點以及本課程的教學目標合理制訂教學大綱及教學計劃。在授課過程中充分發(fā)揮學生主體作用，積極與學生交流，了解學生現(xiàn)狀，建立學生評價體系，改進教學方法、教學手段及教學內(nèi)容等，提高教學質(zhì)量。

2.教學手段改革

（1）采用類比的教學方法

課堂上將深奧理論知識與現(xiàn)實中可比事物進行類比，讓學生易于理解基本理論。例如，在講半導體能帶中電子濃度計算時，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級，將不規(guī)則就座的學生類比為占據(jù)能級的電子，計算導帶中電子的濃度類比為計算教室中各排上學生數(shù)量總和再除以教室體積。讓學生從現(xiàn)實生活中找出例子與抽象的半導體理論進行形象化類比，幫助學生理解半導體的基本概念和理論。

（2）采用理論實踐相結(jié)合的方法

在教學中時刻注意理論聯(lián)系實際的教學方法，例如，根據(jù)學生專業(yè)方向，在講述寬帶隙半導體材料的發(fā)光性能時，給學生總結(jié)介紹了LED芯片材料的類型和對應的發(fā)光波長，讓學生體會到材料性質(zhì)是器件應用的基礎。

（3）構(gòu)建網(wǎng)上學習系統(tǒng)

建立紙質(zhì)、網(wǎng)絡教學資源的一體化體系，及時更新、充實課程資源與信息，通過網(wǎng)絡平臺建設，實現(xiàn)課程的網(wǎng)絡輔助教學和優(yōu)秀資源共享。這些資源包括與本課程相關(guān)的教學大綱、教材、多媒體課件、教學示范、習題、習題答案、參考文獻、學生作業(yè)及半導體行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)講座等。

（4）開展綜合創(chuàng)新的實踐

充分利用現(xiàn)有的實驗條件，為學生提供實踐條件。同時積極開拓校外實踐基地，加強校企合作，為學生實習、實踐提供良好的平臺，使課程教學和實踐緊密結(jié)合。鼓勵學生根據(jù)所學內(nèi)容，與教師科研結(jié)合，申請大學生創(chuàng)新項目，以提高學生實踐創(chuàng)新能力及應用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統(tǒng)以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評價方式，多角度衡量、綜合評定教學效果。

參考文獻：

[1]劉秋香，王銀海，趙韋人，等.“半導體物理學”課程教學實踐與探索[J].廣東工業(yè)大學學報（社會科學版），2010（10）：87-88，94.

[2]徐煒煒，黃靜.從半導體物理課程教學談高素質(zhì)人才培養(yǎng)[J].南通航運職業(yè)技術(shù)學院學報，2009，8（4）：97-99.

[3]王印月，趙猛.改革半導體課程教學融入研究性學習思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

第6篇：半導體材料設計范文

關(guān)鍵詞：太陽能電池；半導體 ；非晶硅薄膜材料；

【分類號】：TK519；TK121

一、太陽能電池半導體工作原理

制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池材料可分為：1、硅太陽能電池材料；2、以無機鹽如砷化鎵 III-V 化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶材料太陽能電池等。

二、太陽能電池材料的嚴格要求

不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：1、半導體材料的禁帶不能太寬；2、要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；3、材料本身對環(huán)境不造成污染；4、材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定?；谝陨?幾個方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主 的主要原因。但隨著新材料的不斷開發(fā)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以其它村料為基礎的 太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。

三、太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

太陽能電池是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電池 。以太陽電池組成的地面發(fā)電系統(tǒng)， 管理簡單、使用可靠、易于實現(xiàn)無人值守。 由于組件框架式結(jié)構(gòu) ，質(zhì)量輕 ，運輸 、安裝 、拆卸都很方便。安裝時對場地基礎要求不高，建設工期短，運行時無噪聲、無振動 。作為一種特殊的供電裝置，受到廣大無電地區(qū)的用戶歡迎。近年來全球太陽能電池產(chǎn)量增長迅速，1994 年產(chǎn)量為 72.7M w ，1995 年產(chǎn)量為 90M w 。國內(nèi)市場也 出現(xiàn)需求旺盛 ，產(chǎn)量同步增長的情況。

四、薄膜太陽能電池材料的發(fā)展狀況

為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池材料的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池材料，其中多晶硅薄膜太陽能電池材料和非晶硅薄膜太陽能電池材料就是典型代表。

1、多晶硅薄膜材料電池

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度 350～450μm 的高質(zhì)量硅片上制成的， 這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省 材料，人們從 70 年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的 硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。 解決這一問題辦法是先用 LPCVD 在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚 的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主 要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。

2、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜材料太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到 迅速發(fā)展，其實早在 70 年代初，Carlson 等就已經(jīng)開始了對非晶硅材料電池的研 制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上己有許多家公司在此種 材料的基礎上生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。 非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學帶隙為 1.7eV， 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶 硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即 所謂的光致衰退 S 一 W 效應，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的 p、i、n 層單結(jié)太陽能電池 上再沉積一個或多個 P-i-n 子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應范圍；②頂電池的 i 層較薄，光照產(chǎn)生的電場強度變化不大，保 證 i 層中的光生載流子抽出；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰 退效應減?。虎墀B層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。 非晶硅薄膜材料太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應濺射法、 PECVD 法、LPCVD 法等，反應原料氣體為 H2 稀釋的 SiH4，襯底主要為玻璃及 不銹鋼片， 制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。

3、化合物薄膜太陽能電池

3.1 碲化鎘太陽能電池

碲化鎘（ Cd Te）材料成本低、效率高.且光譜響應與太陽光譜分吻合。薄膜的 生長工藝主要有絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法、近空間升華法、真空蒸發(fā)法等。碲化鎘半導體 光伏材料理論轉(zhuǎn)換效為 30 % o。Cd Te 電池實驗室效率 16. 4%大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè) 化電池平均效率 8%一 10%。四川大學制備出的電池率達 11.6 %。以 cd Te 吸收 層，CdS 作窗口層的結(jié)構(gòu)為：減反射膜/玻璃/ SnOz ： F/ CdS/ P-CdTe/背電極，這種 電池轉(zhuǎn)換效率達 16 %。

3.2砷化鎵太陽能電池

1954 年.首次發(fā)現(xiàn)砷化鎵材料具有光生伏特效應，1974 年砷化鎵電池效率的 理論值達 22 %～25 %。實驗室條件下在 CaA s 單結(jié)電池效率已超過 25 %。目前 研究的砷化鎵系列太陽能電池有單品砷化鎵、多品砷化鎵 ， 鎵鋁砷一砷化鎵異 質(zhì)結(jié)、金屬一半導體砷化鎵、金屬一絕緣體半導體砷化鎵等。材料的制備類似于 硅半導體的制備，有晶體生長法、直.接拉制法、氣相生長法、液相外延法等。 另外 III-V 族三、四元化合物（ CaInP ，Al CaInP ， CaInA s 等）半導體材料的技術(shù)日 益成熟，可通過設計電池結(jié)構(gòu)來提高效率和降低成本。雙結(jié)電池的效率最高為 30%，三結(jié)電池為 38%，四結(jié)電池為 41 %。

4、聚合物薄膜太陽能電池

以聚合物為材料的太陽能電池是近些年開始的研究方 向.具有分子結(jié)構(gòu)自行設計合成、易加工、毒性小、成本低等特點。目前制作聚合物半導體層主要是：真空技術(shù)，主要包括真空鍍膜濺射和分子束外延生長技術(shù)； 溶液處理成膜技術(shù).主要有電化學沉積技術(shù)、鑄膜技術(shù)、分子組裝技術(shù)、印刷技 術(shù)等；單品技術(shù).主要有電化學法、擴散法和氣相法。 Heeger 等發(fā)現(xiàn).聚乙炔用 Iz ，AsFs 摻雜后電導率明顯增高?？谇?P3 H T/ PCB M 體系最高的光電轉(zhuǎn)化效率為 4% 。使帶雙嚓嗯乙烯撐邊鏈的二維共 扼聚嚓吩與 PCB M 共混時.能量轉(zhuǎn)換效率達 3. 18%。雖然聚合物電池有著眾多優(yōu)點，但性能無法與傳統(tǒng)太陽能電池相比。

參考文獻： [1]梁宗存.沈輝.李戮洪.太 GR 能電池及材料}J（ufJ l.

[2]耿新華.張建軍.硅基薄膜太陽電池新進展[[J].

第7篇：半導體材料設計范文

關(guān)鍵詞碳化硅；半導體；材料；技術(shù)；工藝；發(fā)展；

中圖分類號：TQ163+.4 文獻標識碼：A 文章編號：

引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，宇脫國防,是有勘探等領域?qū)Π雽w電子器件提出了極為嚴格的要求，開發(fā)研制高溫、高頻、高功率、高耐壓及抗輻射等新型半導體器件成為日益緊迫的問題.目前，半導體行業(yè)中常用的Si材料由于本身條件的限制，對上述要求難以勝任;而作為N-N族二元半導體材料的SiC具有較大的熱導率、高臨界擊穿電場、寬禁帶、高載流子遷移率等特點，越來越引起人們的重視.國外現(xiàn)已研制出多種SiC器件.特別是在高沮功率器件方面，所制備的SiC MC3SFET等器件的性能遠遠超出同類Si器件.目前已有SiC藍色發(fā)光器件作為商品出售.隨著SiC單晶生長技術(shù)和薄膜生長技術(shù)的突破，SiC材料在研制高溫、高頻、大功率、抗輻射半導體器件方面受到極大關(guān)注，并加速了該領域的發(fā)展步伐.近兩年來，國際上已掀起了對SiC材料及器件研究的熱潮。

一、半導體材料的特征

半導體材料在自然界及人工合成的材料中是一個大的部類。顧名思義，半導體在其電的傳導性方面，其電導率低于導體，而高于絕緣體。它具有如下的主要特征。（1）在室溫下，它的電導率在103—10-9S/cm之間,S為西門子，電導單位，S=1/r(W. cm) ；一般金屬為107—104S/cm,而絕緣體則

二、晶體生長

SiC具有同質(zhì)異型體的特點，其每一種晶體結(jié)構(gòu)都有著自己獨特的電學及光學性質(zhì).表1給出了常見的幾種具有不同晶體結(jié)構(gòu)的SiC的電學特性與硅及砷化稼的比較.在許多器件應用中，SiC的高擊穿電場(比硅的5倍還大、寬的禁帶寬度吸大于硅的2倍、高載流子飽和漂移速度(是硅的2倍)以及大熱導率(大于硅的3倍)將充分發(fā)揮器件的應用潛力。

盡管許多年以前人們就已經(jīng)知道了SiC的一些潛在的優(yōu)良電學特性，但由于材料生長的原因，直到現(xiàn)在還不能將這些特性充分應用到器件或集成電路中去.目前通過改進型Lely升華的方法得到了大面積重復性好的&H-SiC單晶,1989年2. 54 cm的6H-SiC單晶片首先商業(yè)化，此后SiC半導體器件技術(shù)得到迅猛發(fā)展。

在眾多的SiC晶休結(jié)構(gòu)中，4H-sic和6H-S〔由于其單晶生長工藝的成熟性以及較好的重復性，使它們在電子器件中應用比較廣泛.市場上可得到的4H或8H SiC晶片的直徑已經(jīng)達到4.445 cm，具體價格根據(jù)其規(guī)格的不同從800 -2 000美元/片不等，這些產(chǎn)品主要來自于美國的Cree公司.如果晶片的價格有所下降，將會更加促進SiC技術(shù)的發(fā)展.另外，Westinghouse公司在SiG材料方面也取得了一些可喜的成果:他們成功地制備了半絕緣SiC晶片，其室溫下的電阻率大于10Ωcm，并首次得到7. 82 cm的SFC晶片。

4H-S iC的載流子遷移率較8H-SiC.的要高，這使其成為大多數(shù)SiC器件的首選材料. 8H-SiG本身固有的遷移率各向異性使之在平行于G軸方向?qū)视兴陆?，導致縱向MOSFET功率器件多選用4H-SiC.為減小縱向MOSFET功率器件中襯底寄生電阻，目前4H-SiC電阻率可達到0.0028dΩcm.4H-SIG的高遷移率掩蓋了利用8H-SiG為襯底進行同質(zhì)外延而生成3G-SiG薄膜所帶來的優(yōu)點。

目前影響SiG電子器件實現(xiàn)的首要因素之一就是控制生長高質(zhì)量的SiC外延薄膜.在SiC電子器件的實現(xiàn)過程中，控制生長高質(zhì)量的外延層是關(guān)鍵的一步、目前，化學氣相淀積技術(shù)可滿足制備重復性好的外延層及批t生產(chǎn)這兩方面的需求.為了減少由于晶格失配、熱膨脹系數(shù)不同所帶來的缺陷等間題，生長時選用SiC基片.首先要拋光SiC基片使其表面偏離(0001)基面3 ^4度，這將使外延層中原子堆垛順序與SiC襯底內(nèi)的原子堆垛順序相同.同時，為得到N 型外延層，可在反應氣體中加人氮氣(N2);而P型則加入三甲基鋁或三乙基鋁.如果在今后的工作中能夠很好地解決在大面權(quán)Si上異質(zhì)外延生長低塊陷的3GSiC薄膜的問題。那么3C-SiC必將在以后的SiG器件和集成電路中發(fā)揮越來越重要的作用。

隨著從SiC器件向著SiC集成電路的發(fā)展，SiC外延層的均勻性和外延層表面形態(tài)的好壞也越來越重要.目前，商業(yè)上SiC外延層厚度的容差為士25%，而研究人員報道了修雜均勻性為士20%厚度均勻性容差為士7%的大于5. 08 cm的SiC基片.對于所有的SiC同質(zhì)外延層，目前均為觀察到具有十分理想的表面形貌、據(jù)預側(cè)，借助于精密的CVD反應裝置、日益成熟的反應條件，在不遠的將來這些問題都會迎刃而解、

三、分立器件

近幾年來，在一些文獻中相繼報道了許多SiC器件模型，其中的一些已經(jīng)進人商品市場.藍色發(fā)光二極管是首次進人商業(yè)領域的SiC器件，而小信號二極管、結(jié)型場效應晶體管(工作溫度大于350℃)以及紫外光敏管也正逐步商品化。到目前為止，對于像金屬化、離子注人、表面鈍化、氧化及刻蝕等這些基本的器件工藝技術(shù)只進行了有限的研究工作(因此SiC器件均未采用優(yōu)化的器件設計和工藝流程).

第8篇：半導體材料設計范文

關(guān)鍵詞：半導體制冷；帕爾帖效應；制冷效率；熱電堆

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.252

0 引言

上個世紀初，人們做了很多電磁的實驗，發(fā)現(xiàn)了金屬材料的熱電效應，但是由于這些金屬材料的熱電性能比較差，所以效率是非常低的。直到本世紀50年代之后，半導體材料發(fā)展迅速，所以致使熱電效率也大幅的增加，從而使熱電制冷也開始發(fā)展。由于半導體材料具有非常好的熱電能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)，將它的這一性質(zhì)在熱電制冷中得到了應用，所以把熱電制冷叫做半導體制冷；同時又由于帕爾帖效應與溫差發(fā)電對應，所以又叫做溫差電制冷。這種比較新型的制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)不同，沒有制冷劑和一些制冷設備，從而在一些特殊的領域中將得到十分廣闊的前景。

熱電效應是由塞貝克、珀爾帖、湯姆遜、焦耳和富里葉五種不同的效應組成的，其中前三種效應電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，另外兩種效應的熱是不可逆效應。

1 半導體制冷技術(shù)

1.1 半導體制冷的原理

熱電制冷裝置是由熱電制冷效率較好的，熱電效應比較明顯的半導體熱電偶構(gòu)成的。如圖1-1所示，把一只N型半導體元件和一個P型半導體元件組合成的熱電偶，通電之后，就會在接頭處產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移和溫度差。對于N型半導體，其導電機構(gòu)是自由電子，與金屬的價電子相類似；對于P型半導體，其導電機構(gòu)是空穴，與自由電子的區(qū)別是電荷數(shù)相等而符號相反。所以，上面的接頭處是冷端，吸熱且溫度下降，電流的方向是N到P；下面的接頭處是熱端，放熱且溫度上升，電流的方向是P到N。其次借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去不斷的吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。

Z代表了熱點材料的一種特性。同時可以決定制冷元件所能達到的最大溫差。由上式可以得到，為了提高優(yōu)值系數(shù)Z，就要提高溫差電動勢α，降低電阻率R和導熱系數(shù)K。上式公式也說明熱電材料性能的提高還要有待于半導體材料的發(fā)展，因為金屬的熱電勢很低，而半導體靠空穴和電子可以呈現(xiàn)出非常大的溫差電動勢。

其次電偶在熱端放出的熱量：QH=Q0+Q1，其中Q1為一對電偶的消耗功率，故放熱系數(shù)ε1 = QH/Q1 = 1+ε。可以看出利用熱電原理做熱泵是很有利的。

1.2 多級半導體制冷

一個P型和N型半導體制冷元件與連接片串聯(lián)起來，組成的制冷單元稱為單級熱電堆。但是由于單個制冷電偶的制冷效率比較低，如果把電偶進行串聯(lián)或并聯(lián)起來組成多級熱電堆，這樣就會增大制冷溫差，所以制冷效率將會大大提高。

如下圖所示，圖1-2是常見的二級堆串聯(lián)電路，圖1-3是常見的二級堆并聯(lián)電路，圖1-4是常見的串并聯(lián)混合電路。

串聯(lián)型多級熱電堆的特點是各級的電流都相同。級與級之間需要一層電絕緣導熱層，（一般用陽級氧化鋁、氧化鈹?shù)萚1]），同時為了使每一級都處于最佳工作電流，上一級元件的長度比下一級元件的長度要略長一點，來防止上一級元件電導率增加引起的電流的偏離。對于串聯(lián)型多級熱電堆在同一溫差和承受同一負載時要比并聯(lián)型消耗較大的功率。

并聯(lián)型多級熱電堆的特點是工作電流較大，級與級之間無需電絕緣導熱層，因此級間無有害溫差。同時各級的電偶數(shù)與級數(shù)應對應相等，每一級的兩邊的兩個元件的截面積應比中間的大一些。其次把并聯(lián)型多級堆各級的中間部位斷開，在級與級之間加上絕緣層之后，用導線連接起來可以成為串聯(lián)多級電堆。

串并聯(lián)多級熱電堆的特點結(jié)合串聯(lián)型多級熱電堆的特點和并聯(lián)型多級熱電堆的特點。

如前所述，熱端的散熱量比冷端產(chǎn)冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，為了得到較大溫差，第一級元件對數(shù)比第二級元件對數(shù)大許多倍。由于這個因素以及溫度越低熱電性能越差，所以級數(shù)不宜過多，一般2到3級為宜。

1.3 半導體制冷技術(shù)與機械壓縮制冷技術(shù)的異同

半導體制冷與機械壓縮制冷相比，在正常工作通入電流時，自由電子和空穴在電場的作用下，離開熱電堆的冷端向熱端運動，這一過程相當于制冷機中的壓縮過程，其中熱電堆起壓縮機的作用。在熱電堆的冷端，通過熱交換器吸熱，同時產(chǎn)生空穴―電子對，這一過程相當于在蒸發(fā)器中的吸熱和蒸發(fā)過程，其中冷端及其熱交換器起著蒸發(fā)器的作用。在熱電堆的熱端，發(fā)生空穴―電子對的復合，同時通過熱交換器散熱，相當于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)，其中熱端及其熱交換器起著冷凝器的作用。

半導體制冷與機械壓縮制冷的區(qū)別在于：不使用制冷劑，有很好的環(huán)境友好型，消除了制冷劑泄漏對環(huán)境的危害，所以對一些特定的場合比較適用；沒有制冷裝置的運動部件，所以無噪音，無振動，工作可靠，維護比較方便；半導體制冷的尺寸比較小型化，在一些場合可以提現(xiàn)出它的優(yōu)勢；半導體制冷可以通過調(diào)節(jié)工作電壓來改變它的制冷量；半導體制冷一般使用直流電工作，所以對工作電壓的脈動范圍有一定的要求。

基于以上半導體制冷所表現(xiàn)出來的特點，在一些特殊的，不能使用制冷劑的情況中，以及一些小容量等一些制冷條件中，半導體制冷表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，同時也成為了現(xiàn)代制冷技術(shù)中的一個重要的組成部分。

2 半導體制冷技術(shù)的發(fā)展前景

2.1 半導體制冷在工業(yè)技術(shù)的應用

半導體制冷在工業(yè)上的應用也是非常廣泛的，一些產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的性能的測試都離不開半導體制冷；一些變電站的除濕問題也需要通過半導體制冷解決；油等一些液體的恒溫控制，通過半導體制冷都能很方便的解決。其次半導體制冷在真空技術(shù)中也有非常重要的應用。所以，半導體制冷技術(shù)的發(fā)展對工業(yè)技術(shù)具有非常大的意義。

2.2 半導體制冷在電子技術(shù)的應用

半導體制冷在電子技術(shù)的發(fā)展中是一項不可缺少的先進技術(shù)，在一些大規(guī)模的集成電路，功率元件和一些設備冷卻方面，半導體都提現(xiàn)了它獨一無二的功能。同時，隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步，對各類電子元器件的溫度性能要求越來越高，而利用熱電制冷器的正反向工作特性，就能早就一個合適的高低溫條件，而且工作容積非常小，使用方便，應用范圍也非常廣泛。

2.3 半導體制冷在測溫技術(shù)的應用

隨著現(xiàn)代制冷技術(shù)的進步，半導體制冷技術(shù)在測溫技術(shù)方面也表現(xiàn)出了它極大的優(yōu)勢。例如半導體制冷零點儀的出現(xiàn)，改變了一般習慣上使用冰作為電熱偶測溫零度基準點的傳統(tǒng)，并且操作簡單，零點準確，在測溫技術(shù)中是一個重大的創(chuàng)新。由此可見半導體制冷在測溫技術(shù)中的應用是其他制冷技術(shù)所不能代替的。

3 結(jié)論

（1）半導體制冷技術(shù)雖然在制冷過程中表現(xiàn)出了它獨特的優(yōu)勢，但是其制冷效率還是比較低的，所以現(xiàn)在提高半導體的優(yōu)值系數(shù)Z顯得尤為重要。

（2）相比與單級制冷熱電堆，多級制冷熱電堆可以獲得更大的溫差和更低的溫度，所以大大提高了制冷效率，同時也更加實用。

（3）半導體制冷在一些特殊行業(yè)和環(huán)境中的應用以及考慮節(jié)能等因素，表現(xiàn)出了它的重要性，對半導體制冷技術(shù)的深入研究是非常必要的。

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第9篇：半導體材料設計范文

關(guān)鍵詞：磁控濺射 TiO2 薄膜 橢偏技術(shù) 光學性能

薄膜材料是一種物質(zhì)形態(tài)，其膜材十分廣泛，單質(zhì)元素、化合物或復合物、無機材料或有機材料均可制作成薄膜。薄膜材料與塊狀物質(zhì)一樣，可以是非晶態(tài)、多晶態(tài)或單晶態(tài)。從薄膜的厚度看，已有厚度僅為幾納米到一微米的超薄膜制品。 納米薄膜在許多領域的廣泛應用歸功于其特異于普通薄膜的光學、電學等性質(zhì)。 自 70 年代以來，薄膜技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展，無論在學術(shù)上還是在實際應 用中都取得了豐碩的成果。薄膜技術(shù)和薄膜材料的發(fā)展涉及到幾乎所有的前沿學 科，它的應用與推廣又反滲透到各個學科以及應用技術(shù)中，如電子、計算機、磁 記錄[1]、信息、傳感器[2]、能源、機械[3]、光學[4]、航空航天、核工業(yè)、化工、 生物[5]、醫(yī)學等，現(xiàn)己成為當代真空技術(shù)和材料科學中最活躍的研究領域，所制 備的各種類型的新材料，新結(jié)構(gòu)、新功能的薄膜，對材料的研究和使用都起到了巨大的推動作用。

納米 Ti02 薄膜是一種常見的功能薄膜，具有如下特殊的性質(zhì)：

（1）光學特性

氧化鈦（Ti02）薄膜具有優(yōu)良的透光性、高折射率和良好的化學穩(wěn)定性，并且折射率可隨制備工藝變化，是非常重要的光學膜，已被廣泛地應用于抗反射涂層、干涉濾波片、電致變色窗和薄膜光波導等。而且因為半導體納米粒子的尺寸與物理的特征量相差不多，如納米粒子的粒徑與波爾半徑或德布羅意波長相當時，納米粒子的量子尺寸效應就十分顯著。另外，納米粒子擁有很大的比表面積，又相當一部分的原子處于顆粒表面，處于表面態(tài)的原子、電子與處于內(nèi)部的原子、電子有很大的區(qū)別。量子尺寸效應和表面效應對納米半導體粒子的光學特性有很大的影響，并使之產(chǎn)生一些新的光學性質(zhì)，如寬頻帶吸收。納米 Ti02 對紫外光有 強吸收作用，而微米級的 Ti02 對紫外光幾乎不吸收，這主要是因為納米二氧化鈦的半導體性質(zhì)，即在紫外光的照射下，電子被激發(fā)，由價帶向?qū)кS遷引起的。

（2）光催化特性

Ueda 等人較早對半導體的微多相光催化進行了系統(tǒng)的研究。研究表明，Ti02 納米半導體復合粒子的量子尺寸效應強烈地影響其光催化甲醇脫氫活性。此外， 納米 Ti02 半導體粒子能夠催化體相半導體所不能進行的反應。

（3）光電轉(zhuǎn)換特性

近年來，由納米半導體粒子構(gòu)成的多孔大比表面積太陽能電池具有優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)換特性而備受矚目。Gratzei 等人在 1991 年報道了經(jīng)三雙吡啶合釕染料敏 化的納米太陽能電池的卓越性能，在模擬太陽光源的照射下，其光電轉(zhuǎn)換性能可 達 12%。由于納米 Ti02 多孔電極表面吸附的染料分子數(shù)是普通電極的 50倍，而且?guī)缀趺總€染料分子都與 Ti02 分子直接作用，光生載流子的界面電子轉(zhuǎn)移速度 快，因而具有優(yōu)異的光吸收和光電轉(zhuǎn)換特性[9]。

（4）電學特性

介電和壓電是材料的基本特征之一。納米半導體的介電行為和壓電性能與常

規(guī)的半導體材料有很大不同，歸納起來是:介電常數(shù)隨測量頻率的減少呈明顯的 上升趨勢;在低頻范圍內(nèi)，納米半導體材料的介電常數(shù)呈現(xiàn)尺寸效應;納米半導體 可以產(chǎn)生強的壓電效應。

二氧化鈦薄膜的應用：二氧化鈦是一種重要的氧化物陶瓷，也是一種重要的 寬帶隙半導體氧化物材料，它有著獨特的光學、電學等物理性能及優(yōu)良的化學穩(wěn) 定性。在可見光和近紅外波段透光性好等許多優(yōu)良的光學性質(zhì)，具有高介電常數(shù)、 高折射率及良好的電光學效果，還具有優(yōu)良的介電、壓電、氣敏、光催化性能， 并能夠抵抗介質(zhì)的電化學腐蝕。該材料價廉無毒和性能穩(wěn)定，在超薄電容器、紅 外窗口材料、光電轉(zhuǎn)換、光催化、非線形光學、光通訊、氣（濕）敏傳感等微電子 工業(yè)、光學器件、傳感器、太陽能利用、催化工業(yè)和環(huán)境保護等科學技術(shù)領域里 得到了廣泛的研究和應用，吸引了中外廣大科技工作者的關(guān)注。Ti02 薄膜己成為 一種重要的無機功能材料，在國民經(jīng)濟建設中正發(fā)揮著越來越大的作用。

（1）TiO2 薄膜在光電領域的應用有:

作為用于太陽能電池的減反膜，可使光學反射降低 50%左右，相應地使 太陽能電池的輸出提高 10%，還用在電致變色顯示器、電致變色開關(guān)、大型天文 望遠鏡等;作為紫外線過濾層;可作為高反射膜的膜層使光纖端面的反射性能大大

提高；用于波分復用濾波膜[12]等;在光纖尖上鍍 Ti02 膜以提高光纖尖的工作壽命，實驗表明這種方法能夠有效的提高光纖尖的抗污染能力。

（2）光催化

1972 年，日本的 Fujishima 等人首次發(fā)現(xiàn) Ti02 具有光催化性能，從那時起半 導體光催化受到廣泛重視?，F(xiàn)在普遍采用懸浮相 Ti02 作光催化劑，這種催化劑存 在易失活、易團聚、難回收等缺點，嚴重限制了光催化的應用發(fā)展。制備負載型 光催化劑是解決這一問題的有效辦法。納米 Ti02 光催化劑的應用主要是基于納米 氧化鈦在紫外光的激發(fā)下具有氧化一還原性的基本原理。納米氧化鈦的這一活潑 的性質(zhì)越來越廣泛地應用于人們的日常生活。

（3）太陽能電池與水分解

單晶硅太陽能光電池自 20 世紀 40 年明以來，人們?yōu)樵诠怆娹D(zhuǎn)換中得到 大量的電能而付出了巨大的努力。1991 年，Gratzel 等報道了染料敏化 Ti02 納米 薄膜太陽能光電池，光電轉(zhuǎn)換效率達 10%以上。由于這種光電池使用了液相電解 質(zhì)，使得制造極不方便，而且整個裝置的穩(wěn)定性也不好，因而轉(zhuǎn)向固相電解質(zhì)光 電池的研究。將 Ti02 用于光催化分解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，可提供無污染的、高效的、無害的清潔能源。

參考文獻：