低维半导体结构材料及其器件应用研究进展_王占国
低维半导体结构材料及
其器件应用研究进展
中国科学院院士 王占国
(中国科学院半导体研究所,北京100083)
摘 要:人们预测,到2010年,以硅材料为核心的当代微电子技术的C MOS逻辑电路图形尺寸将达到0.05微米或更小。到达这个尺寸后,一系列来自器件工作原理和工艺技术自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。从某种意义上说,这就是硅微电子技术的“极限”。
为迎接硅微电子技术的“极限”的挑战,满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求,近年来,基于低维半导体结构材料的量子力学效应(如:量子尺寸效应、量子隧穿、量子相干、库仑阻塞和非线性光学效应等)的固态纳米电子、光电子器件与电路和基于单分子及大分子结构所特有性质的分子电子学受到了广泛的重视。它们的研究与发展极有可能触发新的革命,应当给于充分的重视。
本文第一部分将简单介绍低维半导体结构材料的定义、性质及其在未来信息技术中的地位;第二、三部分分别讨论低维半导体结构的制备方法与评价技术;第四部分对近年来低维半导体结构材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展、存在的问题和发展的趋势作扼要的综述;最后,结合国情和我国在该领域的研究现状,提出发展我国低维半导体结构材料及其器件应用的构想。
关键词:低维半导体结构 量子器件
1 引言
低维半导体材料通常是指除三维体材料
外的二维、一维和零维材料;二维超晶格、量子
阱材料,是指载流子在二个方向(如在x,y平
面内)上可以自由运动,而在另外一个方向(z)
则受到约束,即材料在这个方向的尺寸与电子
的德布洛意波长(λd=h/2m＊E)或电子的平
均自由程(L2D EG=hμ
q
2πns)相比拟或更小。
一维量子线材料,是指载流子仅在一个方向可
以自由运动,而在另外两个方向则受到约束;
零维量子点材料,是指载流子在三个方向上运动都要受到约束的材料系统,即电子在三个维度上的能量都是量子化的。本文主要讨论一维量子线和零维量子点微结构材料。
低维半导体微结构材料是一种人工可改性的(通过能带
工程实施)新型半导体材料,具有与体材料截
然不同的性质。随着材料维度的降低和结构
特征尺寸的减小(≤100nm),量子尺寸效应,量
子干涉效应,量子隧穿效应,库仑阻塞效应以
及多体关联和非线性光学效应都会表现得越
来越明显,这将从更深的层次揭示出低维材料
所特有的新现象、新效应。MBE、MOCVD技术,
超微细原子加工和电子束光刻技术等的发展
为实现低维材料生长,量子器件(量子干涉晶
体管,量子线场效应晶体管,单电子晶体管和
单电子存储器以及量子点激光器,微腔激光器
等)的研制创造了条件。这类量子器件以其固
有的超高速(1012～1013sec)、超高频(> 1000GHz)、高集成度(>1010元器件/cm2)、高效低功耗和极低阈值电流密度(亚微安)、极高量子效率、高的调制速度与极窄带宽以及高特征温度等特点在未来的纳米电子学、光子学和光电集成以及ULSI等方面有着极其重要应用前景,极有
王占国(WANG Zhanguo,1938.12.29-),男,河南省镇平县人,中国科学院院士,半导体材料物理学家。1962年毕业于天津南开大学物理系。现任中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师,国家高技术新材料领域专家委员会委员,功能材料专家组组长。王占国院士是我国半导体材料科学学术带头人之一。他长期从事半导体材料及材料物理研究,在半导体深能级物理、光谱物理和低维半导体材料生长及性质研究中,取得了多项国际先进水平的成果,十多年来,在国内外学术刊物和国际会议发表论文170多篇。研究成果曾获中国科学院科技进步一、二、三等奖和国家科技进步三等奖以及国家七五,八五重点科技攻关奖多项。
国家自然科学基金资助项目(No.69736010)。
可能触发新的技术革命,成为下世纪信息技术的支柱。美、日、西欧等工业发达国家先后集中人力和物力建立了10多个这样的研究中心或实验基地,加紧研究开发步伐,力图在21世纪初能在这一新兴的高科技领域占主导地位。
2 低维半导体结构的制备技术
低维半导体结构材料的发展很大程度上是依赖材料先进生长技术(MBE,MOCVE等)和精细加工工艺(聚焦电子、离子束和X-射线、光刻技术等)的进步。本节将首先介绍MBE和MOCVD技术,进而介绍如何将上述两种技术结合起来实现量子线和量子点结构材料的制备,第三,对近年来得到迅速发展的应变自组装制备量子点和量子点阵列方法进行较详细讨论,最后对其它制备技术也将加以简单介绍。
2.1 MBE和MOCVD生长技术
2.1.1 分子束外延(MBE)技术[1-3]
MBE技术实际上是超高真空条件下,对分子或原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技术。通常认为MBE 材料生长机理与建立在热力学平衡条件下的LPE和VPE不同,即是说分子(原子)束在衬底表面上发生的过程是受动力学支配的。研究表明:MBE生长过程实际上是一个具有热力学和动力学同时并存、相互关联系统;只有在由分子束源产生的分子(原子)束不受碰撞地直接喷射到受热的洁净衬底表面,在表面上迁移、吸附或通过反射或脱附过程离开表面,而在衬底表面与气态分子之间建立一个准平衡区,使晶体生长过程接近于热力学平衡条件,即使每一个结合到晶格中的原子都能选择到一个自由能最低格点位置,才能生长出高质量的MBE材料。
MBE与其它传统生长技术(LPE,VPE等)相比有许多优点。如在系统中配置必要的仪器便可对外延生长的表面、生长机理、外延层结晶学质量以及电学性质进行原位检测和评估;它的生长速率慢和喷射源束流的精确控制有利于获得超薄层和单原子层界面突变的异质结构;通过对合金组份和杂质浓度的控制,实现对其能带结构和光电性质的“人工剪裁”,从而制备出各种复杂势能轮廓和杂质分布的超薄层微结构材料。
MBE还有利于同其它微细加工技术如:超微细离子注入技术,扫描隧道电镜(STM)技术,电子束曝光技术和反应离子刻蚀及其图形化生长技术相结合,以期实现近年来很受重视的量子线、量子点材料的制备。
2.1.2 金属有机化合物化学汽相淀积(MOCVD)技术[4,5]
MOCVD或MOVPE是和MBE同时发展起来的另一种先进的外延生长技术。MOCVD是用氢气将金属有机化合物蒸气和气态非金属氢化物经过开关网络送入反应室加热的衬底上,通过热分解反应而最终在其上生长出外延层的技术。它的生长过程涉及气相和固体表面反应动力学、流体动力学和质量输运及其二者相互耦合的复杂过程。MOCVD是在常压或低压(Torr量级)下生长的,氢气携带的金属有机物源(如Ⅲ族)在扩散通过衬底表面的停滞气体层时会部分或全部分解成Ⅲ族原子,在衬底表面运动迁移到合适的晶格位置,并捕获在衬底表面已热解了的Ⅴ族原子,从而形成Ⅲ-Ⅴ族化合物或合金。在通常温度下,MOCVD生长速率主要是由Ⅲ族金属有机分子通过(边界层)停滞层的扩散速率来决定的。一般来说,为了得到较好质量的外延层,生长条件要选在生长速度的扩散控制区进行,也就是说外延生长是在准热力学平衡条件下进行的。
MOCVD的主要优点是适合于生长各种单质和化合物薄膜材料,特别是蒸气压高的磷化物,高Tc超导氧化物及金属薄膜等;另外,MOCVD用于生长化合物的各组分和掺杂剂都是气态源,便于精确控制及换源无需将系统暴露大气;加之生长速率远较MBE大以及单温区外延生长,需要控制的参数少等特点,使MOCVD技术有利于大面积、多片的工业规模生产;目前工业生产型(3″×15,4″×5等)MOCVD设备已研制成功,并投入生产。MOCVD技术的弱点除MO源和氢化物毒性大、化学污染需倍加防范外,较高的生长温度会使材料纯度和界面质量与MBE相比要差。
类似的技术还有化学束外延(CBE)[6,7],金属有机化合物分子束外延(MOMBE)和气态源分子束外延(GS MBE)。这二者与CBE不同,都使用部分固态源,前者是用Ⅲ族金属有机化合物(如:TMGa,TMIn等)取代Ⅲ族元素Ga,In等作源材料,后者则是用Ⅴ族氢化物取代固态Ⅴ族元素P,As等作为源材料。对Ⅱ-Ⅵ族等其它材料体系的命名也类似。
2.2 超晶格、量子阱材料生长和精细加工相结合的制备技术
利用MBE或MOCVE等技术首先生长超晶格、量子阱器件结构材料如:AlGaAs/GaAs2DE G材料等,进而结合高空间分辨电子束曝光直写,湿法或干法刻蚀和微细离子束注入隔离制备量子线和量子点。利用这种办法,原则上,可产生最小特征宽度为10nm的结构,并已制成具有二维和三维约束效应的量子线、量子点及其阵列。表一给出了目前微细加工国内外所达到的水平。
上述方法的优点是图形的几何形状和密度(在分辨率范围内)可控;其缺点是图形实际分辨率(受电子束背散射效应影响)不高(几十nm),横向尺寸远比纵向尺寸大;边墙(辐射,刻蚀)损伤,缺陷引入和杂质沾污使器件性能变差以及曝光时间过长等。
2.3 应变自组装量子点结构生长技术
外延生长过程中,根据晶格失配和表面、界面能不同,存在着三种生长模式[8]:a.晶格匹配体系的二维层状(平面)生长的Frank-Van der Merwe模式;b.大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长模式,即Vol mer-Weber模式;c.大晶格失配和较小界面能材料体系的先层状进而过渡到岛状生长的Stranski-Krastanow(SK)模式。
应变自组装量子点结构材料的制备是利用S K生长模式,他主要用于描述具有较大晶格失配,而界面能较小的异质结构材料生长行为。SK模式生长的初始阶段是二维平面生长,通常只有几个原子层厚,称之为浸润层(Wetting layer)。随着浸润层厚度增加,应变能不断积累,当浸润层厚度达到某一个临界厚度t c时,外延生长过程则由二维平面生长向三维岛状生长过渡(实验上,可由RHEED花样由条状向点状变化控制)。三维岛状生长初期,形成的纳米量级尺寸小岛周围是无位错的。若用禁带宽度较大的材料将其包围起来,小岛中的载流子将受到三维限制。小岛的直径一般为几十n m,高约几个n m,通常称作为量子点。
三维岛状生长的t c由异质外延材料晶格失配度和生长条件(如,衬底温度,V/III比等)决定。控制失配层生长厚度和优化生长条件可制备出量子点尺寸和分布均匀(≤10%),
密度为108-1012cm-2和无缺陷的量子点材料。这种方法的优点是可将QDs的横向尺寸缩小到几十纳米以内,可做到无损伤,缺点是量子线和量子点的几何形状,尺寸均匀性和密度难以控制。
表1 国内外细微加工水平
方 法国 外国 内
光学光刻技术0.25μ已用于VLSI 0.8-1μm已用于ULSI
X光光刻技术最小线宽80nm,接
触爆光可达10nm。最好为:0.15-0.3μm
电子束光刻技术(EBL)束斑Υmin≤1nm,采
用PM MA胶已实现
8nm图形制备。
最佳分辨率为
30nm,可实现0.06-
0.1μm图形制备。
聚焦离子束(FIB)束斑可达10nm,可实现12nm图形制备(一般为100nm)。
无损伤纳米加工技术单原子层刻蚀技术,
STM单原子操作加
工技术。分辨率:横
向0.1nm,纵向
0.01nm。
已开展STM单原子
操作与加工技术研
究。
2.4 低维半导体结构材料的其它制备技术
除上述的方法外,其它的制备技术主要有:在图形化衬底和不同取向晶面上的选择外延生长技术如:a.利用不同晶面生长速度不同的V型槽生长技术;b.解理面再生长技术;
c.高指数面生长技术;
d.小角度倾斜晶面生长短周期超晶格材料技术;
e.在其他图形化衬底上的生长技术等。
此外,单原子操纵和加工技术也受到重视。目前,利用STM技术,不仅可以在电场蒸发作用下从硅表面上移走单个Si原子,将它放置在表面任何位置,也可将这个Si原子放入表面的单原子缺陷中去,从而实现原子修饰等功能[9]。单原子操纵和加工技术虽已显示出诱人的前景,但距实验化还有很长的路要走。如:用场发射STM技术,1μs写一个量子点(600ns写,400ns移动脉冲),需4个月才能完成1TBit记忆芯片(106×106)制备,很显然,这是没有实用价值的!最近,已将STM和ME MS结合起来形成了多元阵列,是这种技术向实用化迈出的重要一步。
3 低维半导体材料的评价技术
随着材料尺寸减小到纳米量级范围时,现有的基于反映体材料的宏观平均性质的实验技术都不再适用,需要发展新的纳米尺度的测试分析技术。下面作简要地介绍。
3.1 STM和AFM原位检测技术[10,11]
扫描探针显微术是利用探针针尖与表面原子间的不同种类的局域作用来测量表面原子结构和电子结构的,STM和AFM就是最近研制成功的这种技术。
STM的工作原理是基于量子隧道效应。在金属针尖与金属或半导体样品间加一偏置电压,且当针尖与样品间距小于1n m时,电子将穿透针尖与样品表面间的势垒而产生隧道电流。由于隧道电流与针尖和样品表面间距呈指数依赖关系,故隧道电流对样品表面起伏非常敏感。
STM实验装置是用压电陶瓷扫描单元来控制针尖在样品表面(X、Y)和垂直于表面的Z方向作三维运动,从而实现对样品表面形貌的测量。STM的工作模式可分恒高度和恒电流二种模式。恒高度模式是保持针尖与样品表面距离(最大)一定,事实上当针尖在样品表面扫描时,针尖与样品表面的间距将随样品表面起浮而改变,记录隧道电流随X和Y位置的变化轨迹,便可直接获得样品表面形貌。恒电流模式是在扫描过程中,利用反馈电路在Z方向上控制针尖与样品间距,从反馈电压随X和Y位置变化获得样品表面形貌。前者和后者分别适用于对平坦表面和起伏较大表面的测量。应当指出,STM图象所反映的不是精确的样品表面原子的实际位置,而是原子实际位置与表面电子局域态密度的综合结果。
AFM测量针尖与样品表面之间的力。将一个对微弱敏感的悬臂一端固定,另一端有一微小针尖,针尖与表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(10-8～10-6N),通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法,可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而可以获得样品表面形貌的信息。
3.2 HRTE M技术
高分辨透射电镜技术,特别是高分辨截面像技术,不仅可用来对纳米尺度的材料结构进行分析,而且还能提供多层结构,特别是界面原子排列,缺陷行为的重要信息。
3.3 高空间分辨阴极荧光(EL)和SEM技术
在低温和高真空条件下,利用聚焦电子束作激发源,对单个或几个量子点的发光行为进行实验研究已有报导,例如,用3KV电压,电流为60PA的电子束作激发源(高对称的横向分辨约50nm的束斑),成功地对In As量子点的发光进行了实验研究,直接证实了量子点的δ-函数的电子态密度[12]。但电子束的辐照效应和注入载流子的扩散致使对实验结果的分析带来不确定性。采用掩膜技术也可对单个量子点的发光行为进行实验研究。
3.4 近场高空间分辨PL技术
近场PL技术是一个正在发展中的技术,它不受常规光学显微镜受光衍射极限(最小光束直径≈
λ
2
)的限制,通过光纤有可能实现具有纳米量级的光束直径光源。利用这种光源结合高灵敏的光探测器可实现对单个量子点光学性质进行研究。
4 低维固态量子器件研制进展和发展趋势
人们预测到2010年硅FET's的栅长可达到50nm或许更小,这很可能是一个临界尺寸。这时不仅要遇到:a.高电场下硅和二氧化硅的雪崩击穿;b.高集成度时的热耗散问题;
c.体性质消失和掺杂不均匀带来的问题;
d.电子隧穿出现以及薄氧化层的不平坦以及互联延迟等难以克服的困难;而且,随集成度提高,价格迅速下降的规律也将不能保持;再者,开发小于100n m工艺技术所耗资金,也恐难以承受。因而,基于低维半导体材料的固态量子器件的研究受到了重视,并在纳米电子、光电子器件研制方面取得很大进展。
4.1 典型固态量子器件的工作原理简介[13]
低维量子器件可简单的分为纳米电子器件和纳米光电子器件。纳米电子器件包括:共振隧穿器件(RTDs),量子点
器件(QDs)和单电子器件:单电子晶体管(SETs)和单电子存储器(SE M s)等。纳米光电子器件,则着重介绍基于应变自组装的量子点激光器。
4.1.1 纳米电子器件
当电子被受限于两个空间相距很近的势垒之间的岛区时,所遇到的两个基本的量子力学效应是:a.电子在势阱中能量量子化,形成分立的量子态,设量子化分立能级的能量差为Δε;b.势垒越薄(5～10n m),占据低于势垒高度能态的电子有一定的隧穿进入岛区或离开岛区的几率,但这种情况仅当另一侧存在具有相同能量的空态时方能实现。显然,能量的量子化和隧穿强烈地影响着通过量子点的电流。
共振隧穿二极管(RTDs)的结构是由宽禁带半导体材料(如Al As)垒区和长而窄(5-10nm)的窄禁带半导体材料(如GaAs)的“量子线”岛区和带有金属接触电极的GaAs源与漏区组成,满足Δε>>U要求。其工作原理是:在零偏或一个小偏置电压加在器件两端时,势垒将阻止源区的电子通过岛区(电流为零);当偏置电压增加到使阱中一个未占据态的能量处于源区导带占据态的能量范围内时,器件则处于共振态或开态,电流通过岛区并流出漏区。否则器件将处于非共振态或关态。RTT's与RTD's不同,它是一个三端器件,由栅电压控制开关和放大作用的,工作原理与RTD类似。
RTDs,RTTs可有多重开启态,这同势阱内中量子化能态相关。若Δε大于源区导带边同E f之能量差,即势阱中的不同能级将依次(在栅压作用下)同源区导带电子占据态共振,形成多重开关态,这是与通常的MOSFETs不同之处。
QDs,RTDs和单电子晶体管SETs之间的差别在于:小岛的电子能态不同。首先,小岛沿X,Y和Z方向的尺寸可能不同,故电子量子化分立能级沿不同方向也是不同的,即Δεx,Δεy和Δεz不同;进而,事实上,当一个额外的附加电子如第(N+1)个电子进入并不是处于空态的小岛时,它必需克服原有岛上的N个电子的静电排斥能。这个能量称作U。显然,总能量差,即岛上N个电子最低能态与第(N+1)个电子的最低量子能态之差,是U+Δε。U和Δε相对大小依赖于岛的形
状和尺寸,Δε∝
1
R2min
,Rmin为岛的最小尺寸;另一方面,U也
随岛的尺寸减小而增加,但服从U∝
1
R eff
关系。Reff是岛的有
效半径,等效于岛的最长边,换句话说U随岛上移动电子对间平均距离
a.RTDs是由包含大量电子的窄(5-10n m)而长的半导体“量子线”岛组成,它满足Δε>>U关系。
b.零维QDs的三个方向都很小,可由金属和半导体材组成。Δεx,Δεy,Δεz都大,充电能U也很大。I vs V曲线满足:Δε≈U;
c.SE Ts和SE M s服从:U>>Δε关系。单电子器件的工作原理是基于库仑阻塞效应。
4.1.2 量子点激光器
大家知道半导体材料的带间跃迁产生的光学吸收或光增益可写成:
α(E)=e 2h
2ε0m20C n E g ∫ρe(ε′)ρv(E-E′)M(E′,E-E′)2×[f
(E′-E)-f(E′)]dE
M是价带与导带之间的跃迁矩阵元,ρe(E′),ρv(E-E′)
是导带和价带电子和空穴的态密度,f(E′)是态的占有几率。
态密度对α的贡献主要来自ρe(E fn),ρv(E fp),特别是受激发
射更是如此。因此α(hw)∝ρc(E fn)ρv(E fp);fn和fp在体材料
中接近带边Ee和Ev,在低维材料中,接近第一个子能级。显
然,一维材料的态密度在开始阶段最大(理想情况下是无穷
大),而零维材料的态密度理想情况下是δ-函数。从理论上
看,量子线,特别是量子点激光器将有更低的阈值,更高的微
分增益和更窄的光谱带宽以及最高的特征工作温度。
计算表明,量子阱激光器阈值电流可低达0.1mA(已基
本实现),而量子线激光器阈值电流Arakawa等预言可低达
2μA。对于零维系统,Miyamoto[14]等曾计算了GaIn AsP/InP量
子点激光器的阈值电流,计算考虑了量子点的尺寸涨落,阈
值电流密度可低达14A/cm2。但由于制作工艺的困难,目前
量子线和量子点激光器的阈值电流密度离理论预言的结果
尚有较大的距离。
4.2 分子电子学(Molecular Electronics)[15]
分子电子学主要是应用与衬底电绝缘的共价键分子结
构组装来实现的。它们不同于基于体效应像半导体器件那
样的有机晶体管和有机物构成的器件。它的优点是容易制
成完全相同的结构,因为大量的孤立分子,天然纳米尺度结
构是完全相同的,与硅等相比,在设计和制造纳米器件时有
更多的可选择性。
分子电子学目前与固体纳米电子学比,仍处在探索研究
阶段。但它已稳步地取得进展,并在价廉和真正的纳米尺寸
上的集成方面有明显优势。分子电子学目前研究的主要内
容有:分子线结构,量子效应分子RTD结构和工作机制,以及
电机械分子电子学器件等。组装主要利用STM、AFM和
ME MS(微电子机械体系包括AFM和STM的列阵)等技术来
实现。
4.3 低维固态量子器件研制进展
4.3.1 超晶格、量子阱器件
高电子迁移率晶体管(HEMTs),异质结双极晶体管
(HBTs),超高亮度(红光、黄光和橙光等)发光管LEDs和量子
阱激光器(QWLD)等已实用化;垂直面发射激光器,红外探测
器,GaN基兰、录光LEDs和QWLDs也已研制成功,这里不再
赘述。这里只介绍最近发展起来的微腔和量子级联激光器。
(1)微腔激光器和光子晶体[16-18]
光学微腔(Optical Microcavity)是指具有高品质因子而尺
寸与谐振光波长(λ)相比拟的光学微型谐振器。随着MBE、
MOCVD材料生长技术和现代微细加工技术发展,设计、制造
有实用价值的光学微腔已成为可能,并在低(无)阈值激光器
研制方面取得了很大进展。
大家知道,当光腔尺度与光波长可比拟时,腔内真空场
的光学模式数则大大减小(1个光学模式占有相当于(
λ
2n
)3
大小体积,n为介质有效折射率)。在理想情况下,若用一个
边长为半波长,周界为全反射壁的立方微腔,有可能将一个
单模光场分离出来,这为实现低(无)阈值激光器的研制提供
了科学依据。
在激光器理论中,自发发射耦合系数β定义为自发发射
耦合到单一激射模式的能量与自发发射总能量之比。常规
的激光器的(在10-4～10-5之间,效率低,阈值高。微腔激光
器的β值可接近1;在β值接近1,品质因子很高的微腔中,自
发发射的光子被保留在腔内,使自发发射成为可逆的过程,
从而有可能实现无粒子数反转的激射。当β=1时,功率-电流曲线不再有表示阈值的拐点,这就是所谓的无阈值激光器。一般β与腔的大小,形状和腔壁特性有关,因此,优化腔结构设计对提高β值有着重要意义。
目前,已在实验上实现了多种微腔结构如法布里-泊里微腔(Fabry-Perot cavity)回音壁(Whispering Gallery Mode)和光子晶体缺陷模微腔等。1992年美国AT&T Bell实验室研制成功InGaAs/In GaAsP半导体多量子阱微盘激光器。微腔结构是用MOCVD技术生长,HCl溶液选择腐蚀制成。具体结构是:上盘是制作在P型InGaAsP材料上直径为～4.5μm 的电极上,下盘是微腔激光器结构,由直径～5μm,厚～0.3μm 的4个(10nm)In GaAs阱和5个In GaAsP垒层组成。上、下盘的支撑分别由直径～1μm的P和N型InP材料构成,下电极为n型InP衬底。室温(300K)脉冲激射(电流脉冲宽为0. 3μm,占空因子为300:1),激射波长为1.58μm,阈值电流为0. 9mA。
近年来,人们又提出了光子晶体的概念,并用类似于固体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播,光子晶体具有光带隙(禁带),相应带隙能量的光波在光子晶体中传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏,那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模,光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔,从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。
用来制备微腔激光器的材料可以是无机的玻璃微珠,半导体及其微结构材料,也可以是有机染料液滴,有机或聚合物材料。最近,美国加州大学,普林斯顿大学,英国的剑桥大学以及IBM公司相继实现了有机或聚合物微腔结构的光泵受激发射,引起了人们的注意。
微腔激光器,特别是垂直腔面发射微腔激光器具有尺寸小,动态单纵模、窄光束、垂直于衬底出光和便于集成等优点,因而除在传统激光器的各个应用方面外,特别在光信息处理、光互连、光计算和光神经网络等领域有着十分重要的应用前景。
(2)量子级联红外激光材料和激光器
传统半导体激光器均是基于正向偏置PN结导带和价带之间的辐射复合,因而带隙决定了工作波长。基于III-V族材料激光器的发射波长都不超过4μm,再长波长只能采用IV -IV族的铅盐系及II-VI族的汞硫系等所谓窄带隙材料了。但窄带隙材料制备技术尚不成熟。
量子级联激光器[19]是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极光源。激射方案是利用垂直于纳米级厚度半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态,在这些激发态之间产生粒子数反转。它的有源区由多级串接组成,每一级由注入区、耦合阱激光跃迁区和弛豫区三部分构成,而每一级的弛豫区又是下一级的注入区。图1是正向偏压下一个周期的导带示意图,注入/弛豫区设计成梯度带隙超晶格结构。注入区的作用是从有源区的一侧注入电子,而弛豫区从另一侧收集电子并在电子注入到下一级有源区之前使其充分弛豫降低能量,以避免因电子速度过高(较宽的速度分布函数)而引起的隧穿效率降低。在阈值电压下,有源区的两个低能态子带(n=0和n=1)间距等于光学声子能量,这两个子带间的散射时间很小(τ21≤0.5ps),导致n=1态的寿命很短;另一方面,子带2与子带1之间的间距较大,与大的动量转移相关的光学声子发射使得子带2与子带1之间的散射时间相当长(τ32≥2ps),导致n=2态的寿命较长(>1.3ps),满足粒子数反转条件。梯度带隙超晶格结构弛豫/注入区设计成n=2态电子波的Bragg反射器而具有抑制电子从耦合阱的n=2激发态的逃逸和促使电子从耦合阱的低能态(n=0)顺序隧穿抽运的双重作用。当注入能量对应于n= 2态时,要求弛豫区的每一对阱垒满足Bragg反射条件,形成n=2态电子波的增反膜。从n=0态抽运出来的电子进入梯度带隙超晶格结构区迅速弛豫其动量和能量。实质上,梯度带隙弛豫区的电子能谱类似于常规的超晶格的能谱。它有一个面对有源区低能态的微带而促使激光跃迁基态的电子有效的逃逸;另外,它有一个面对有源区高能态的微带隙而有效地阻止电子从高能态的逃逸
。
图1 正向偏压下(～70kV/c m)InGa As/InAl As量子级联激光器一个周期(耦合量子阱有源区和梯度带隙超晶格结构弛豫/注
入区)的导带示意图。虚线是梯度带隙超晶格结构弛豫/注
入区有效带底,标有“mini band”的区域表示一簇间距很近的
能态的能量范围,这种超晶格又设计成一个微带隙(“mini-
gap”)阻止电子从n=2能态的逃逸,波浪线代表激光跃迁,图
中还显示出相关波函数的模平方,一个周期的In
0.53
Ga0.47As/ In0.52Al0.48As结构层的次序(nm为单位)自左至右从注入势垒
开始:(6.8/4.8),(2.8/3.9),(2.7/2.2),(2.2/2.1),(2.1/2.0),
(2.0/1.8),(1.8/1.7),(2.0/1.6),(2.2/1.6),(2.4/1.4),为了
减小因注入而产生的空间电荷效应,其中12至18层(带下划
线区)n型掺杂至3×1017c m-1。
激光器结构是利用分子束外延技术在InP衬底生长晶格匹配的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As异质结材料系统。它的有源区由25级以上交替生长的耦合阱激光跃迁区和梯度带隙超晶格结构弛豫/注入区构成。其它各层(光波导包层,图2 (a))的限制使有源区的辐射沿着平行于层的方向传播。子带间跃迁的选则定则使模式的极化方向垂直于薄层。这种单模波导的限制因子Γ=0.53,折射率n=3.26。该类激光器的增益过程由自然解理面构成的Fabry-Perot腔实现,这与量子阱激光器的增益原理是一样的。
激光器样管采用光刻和化学腐蚀技术制成具有脊型波导条形结构、条宽8～12μm的条形器件。等离子沉积SixNy 绝缘层后,在脊区的顶部开出窗口,再由电子束蒸发钛和金作为欧姆电极。样片减薄至～200μm,再淀积锗、金和银作为背面欧姆接触电极。器件被解理成2mm长,解理面为激光器的腔面,腔面不镀膜。
量子级联激光器的特点:(1)工作波长与所用材料的带隙无直接关系,仅由耦合量子阱子带间距决定,目前已成功地工作在一个很宽的波长(3.4～13μm)和温度范围(10K～320K);(2)这种单极粒子跃迁辐射具有单向偏振(TM波)性,极适合于“回音壁模式”微腔激光器的制作;(3)这些跃迁态之间的联合态密度类似于δ函数,对应的增益谱很窄,对称和具有较小的温度敏感系数;另外子带间俄歇复合可以忽
略,因而量子级联激光器具有较大的特征温度(300K时的特征温度为T0=172K,而铅盐及III-V族锑化物激光器的T0值在20-45K范围),极有利于器件的室温工作。
量子级联激光器在中远红外夜视、中远红外光学雷达、红外通信、大气污染监测、工业烟尘分析、化学过程监控等方面有着广泛的应用。
In GaAs n=1×1020cm-3 10nm
InAlAs/In GaAs graded带隙由大到小n=7×101830n m InAlAs n=7×1018 1200nm
InAlAs n=3×1017 700n m
InAlAs n=2×1017 600n m
In GaAs/InAl As graded带隙由小到大n=2×101730n m In GaAs n=1×1017 300nm
25级有源区 1253nm
In GaAs n=1×1017 300nm
InAlAs/In GaAs graded带隙由大到小n=2×101725n m InP n=1×1018
(a
)(b)
图2(a)由分子束外延生长的In
0.53
Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子级联激光器全器件结构的横断面图。整个结构有500多层,图中层厚以nm为单位。(b)脊型波导量子级联激光器横断面图,点划线的圆圈代表最大模式强度区域。
AT&T Bell实验室94年首先实现InP衬底上In GaAs/In-Al As量子级联激光器的低温脉冲激射,随后器件性能逐年提高并在该领域一直领先。波长约5μm的器件连续工作温度已达110K,77K的单腔面连续功率为200mW,脉冲条件下的最高工作温度为320K,室温峰值功率为200m W;波长约8μm 的器件在30K和80K的单腔面连续功率分别为510mW和200mW,100K的脉冲峰值功率为1.3W。由于该激光器的结构十分复杂、技术难度大,目前仅有美国的Bell实验室和西北大学在正式刊物上报道研制成功量子级联激光器的消息。98年6月,Bell实验室联合耶鲁大学和德国的Max-Plank研究所共同研制成功远场方向性极好、高功率、具有混沌谐振腔的量子级联微柱激光器,这种微型激光器集谐振光学、混沌理论和半导体量子工程于一体,在降低阈值电流密度的同时将功率提高了三个量级[20]。可以预见量子级联激光材料及器件研究有望成为发展中远红外有效光源的强有力手段和新技术生长点。
尽管量子级联激光器具有鲜明的物理图象,但其商用前景目前还不容乐观。其罕见的复杂结构和浩繁的生长层次是对分子束外延生长技术极限的挑战;其辐射效率目前还在10-3-10-4范围,其较大的阈值电流密度还影响着实用化进程,其致命的弱点是散热性能较差,因此该类激光器向微型化发展其前景看好。
最近,杨瑞青(R.Q.Yan g)等人报导了In As/GaIn Sb/AlSb 的II型子带间级联激光器的研制成功。这种II型结构有着低阈值(声子散射消除,俄歇过程被抑制等),高工作温度,高量子效率和高输出功率以及宽的波长范围等优点,但由于锑化物材料制备技术还不成熟,II型子带间级联激光器的实用化还有很长的路要走。
4.3.2 量子点激光器
应用应变自组装技术已制备出量子点激光器,波长覆盖了近红外和红光波段。1992年Ueno等报导了单层InGaAs/ AlGaAs量子点结构,实现了室温激射,阈值电流密度(J th)为950A/cm2;1996年Alferov等研制成功有源区为三层结构(垂直耦合)的量子点激光器,J th为680A/cm2;同年Ledentsov 等[21]又报导了10层垂直耦合In GaAs/GaAs量子点结构激光器,室温J th为90A/cm2;1997年Ustinov等又报导了J th低达60A/cm2的量子点激光,其结果已接近当前最好的量子阱激光器的性能。Saito等还报导了10周期(In0.5Ga0.5As/GaAs)以QD为有源区的面发射量子点激光器,室温,连续工作,λ=0. 9μm,J th=5KA/cm2。最近S.Fafar又研制成功InAl As/GaAl As 量子点红光激光器原型器件,有源区为4.5ML In0.64Al0.36As 的QD,两边各为16n m的Al0.25Ga0.75As垒层。器件在77°K,脉冲工作,λ=707nm,J th=700A/cm2。1997年Shernyakov等人。在技术物理快报上发表文章称,他们已研制成功室温1W连续输出大功率的量子点激光器。最近,我们实验室也研制成功了室温1W,CW工作的大功率(～960nm)量子点激光器和可见光量子点激光材料[22]。研制高品质的量子点激光器的困难是量子点尺寸的离散和密度的控制。
4.3.3 纳米电子器件[23,24]
目前,已试制多种基于量子效应的原型器件如:AlGaAs/ GaAs电子波导器件,平面双栅量子线晶体管,单电子旋转门和室温工作的单电子MOS存贮器等。单电子晶体管存贮器(是由一个窄沟道MOSFET和嵌在控制栅和沟道之间的纳米尺度(～7×7nm)多晶硅(量子)点浮栅构成。沟道宽度(～10n m)小于单电子的德拜屏蔽长度。如此窄的沟道,则可保证只要浮栅上存贮一个电子,便可足以屏蔽整个构道,而不受来自加在控制栅上电势影响,小的浮栅(～7×7nm)则能显
著增加电子受限量子能级间的间距和库仑充电能U(
e2
2C
),导致阈值电压的量子化(ΔVn=55mV),控制栅(充电)电压与阈值电压变化呈阶梯(～4V)关系和阈值电压改变不受充电时间影响。
室温工作的单电子晶体管开关也已研制成功。它是用SIMOX材料制成,沟道宽度为16nm,QDs小于这个尺度。
1998年Yano等[25]采用0.25μm技术实现了128Mb SE M 原型机制造。每个元胞尺寸仅为0.145μm2/b,非常接近4Gb DRAM有效元胞尺寸。这无疑是单电子器件在超高密度存储电路应用方面迈出的关键的一步。
4.4 固态量子器件存在问题和发展趋势
4.4.1 存在的主要问题
几个重要材料体系(GaAs和InP基III-V超晶格量子阱)的微结构材料(2D)的MBE,MOCVD生长技术已发展得比较成熟,并已有商品出售。这些材料广泛地用来制备新一代微电子和光电子器件如HE MT's,HBT's和QWLD's等并得到了实际应用。若与微细加工工艺相结合,分立的单电子器件(SET's和SE M's)制作也已在实验室实现,但我们感兴趣的不是孤立器件而是它们的大规模集成(109-1010/cm2)。我们知道固态量子器件(1D和0D)工作的必要条件是电子的平均自由程要大于或等于器件尺寸,按照目前工艺水平,只能实现～0.1μm线宽制作,器件则要求工作在液氦温度(4. 2K);若希望能在77°K工作,器件尺寸(对GaAs,InP基III-V 族材料)要在50nm以下,且载流子的有效质量m＊还要小;因而发展纳米级空间分辨、快速(107～108象素cm-2Sec-1)和无损的加工工艺和相应的装置(如SPM+ME MS等)是实现纳米制造首先要解决的难题之一。第二个困难来自对材料的苛刻要求,GaAs,InP等III-V族化合物半导体材料及其微结构,虽有很高的电子迁移率和较小的有效质量,但它的完整性、纯度,特别是高的表面态密度和没有良好的介质隔离材料,因而不是理想的制作纳米电子学器件的材料。硅单晶具有高完整性和高纯以及天然SiO2介质膜的优势,但SiO2为非晶,它的无序分布和杂质会对纳米量子器件、量子计算机带来严重影响;硅基半导体材料如GeSi/Si材料,有可能兼备硅和低界面态的优点,如能解决良好的介质隔离问题,有希望作为纳米电子器件的首选材料体系之一。
利用应变自组装(SK生长模式)技术制备量子点的最大问题是如何提高量子点形状、尺寸和分布的均匀性以及量子点的面密度和体密度。采用不同取向和图形化衬底以及对生长工艺进行优化,可在一定程度上改善量子点的均匀性和密度,但尚未获得理想的结果。
作为分子电子学器件的有机分子和大分子材料虽有许多优点如易得、廉价、易于加工、力学性质好,结构多样、功能易调节、快速和易在真正的纳米尺寸组装实现纳米(分子)电子器件和电路制造等,但还存在着效率低、稳定性较差等缺点。显然,有机材料的实用化,特别是在分子电子学器件和电路方面的应用,还必需从基础研究着手,弄清有机半导体的能态结构,发展能态理论,了解在外场作用下的行为和界面结构与分子自组装机理和实现方法等,才有希望取得突破性进展。
4.4.2 发展趋势
实用化的低维量子器件首先可能在光电子器件方面出现突破如:量子点激光器和量子点红外探测器等,进而是基于单电子器件的高密度存储芯片。因为与现有的硅存储器相比有着明显的低功耗,超高存储密度(>1010/cm2)等优势。如:以硅16MBit DRAM为例,存储单元电容为35fF,在1V偏置下,存储电子约20万个,功耗正比于存储电子数目,对16MBit,功耗为几百毫瓦。若采用同样的技术制造1TBit芯片,其功耗是不可接受的!因而,发展高密度单电子存储芯片势在必行。目前,这方面的研究已取得了很大的进展。
量子干涉器件,在目前的工艺技术条件下,实现室温工作是不现实的,量子干涉器件和分子电子学器件真正的实用化,还有较长的路要走。
5 结语
基于低维半导体结构材料的固态量子器件,目前虽然仍处在预研阶段,但极其重要,极有可能触发微电子、光电子技术新的革命,因而应当引起我们的充分重视。固态量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步,而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。目前,我国任何一个单位都不具备能同时生长和制备低维材料和器件的能力,因而决不能重复以往的老路,把本来就不多的经费又分散使用,造成谁也上不去的局面。为此,建议由科技部牵头会同其它单位(基金委、科学院和国防科工委等)就主攻方向进行论证和选点,拨出专款引进必要的先进设备,建设我国自己的信息纳米科学与技术研究开发中心。重点支持低维半导体结构材料制备、性质和纳米电子器件及其系统集成研究,纳米尺度制造技术和化学合成分子自组装技术研究(着重研究开发可用于纳米与分子器件及电路制造的实用化技术),纳米尺度分辨的快速、无损自动检测和评价技术等研究课题。争取在下世纪初在该领域的研究进入世界先进行列,为发展我国自己的纳米电子学和纳米光电子学打下基础。这不仅可使我国在一个高起点上参与国际竟争,取得有利地位,而且更重要的将使我国在未来的高速计算、大容量信息存贮与处理、全球通信、电子对抗、空间防御以及武器装备走向微型化,材料智能化等方面走在世界前列,从而极大地增强我国的经济和国防实力。
感谢国家自然科学基金的资助(69736010)。对王玲等在编排、打印这篇论文时付出的劳动以及刘峰奇、龚谦和林世鸣等提供的资料也表示感谢。
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344
Study on Low Dimensional Semiconductor Structure
Materials and Device Applications
Member of The CAS WANG Zhanguo
(Institute of Semiconductors,CAS,Beijing100083)
A bstract:Low dimensional se mic onductor materials suc h as quantum wells,quantum wire s and quantum dots have been at-tracted much attention during the qast decade because of their potentially important for nano-elec tronic and nano-optoelec-tronic device and integrated circuit applications.Research and de velopment of this are a may e ventully breakthrough the lim-itation of silicon relate d modern microele ctronic technology in near future.In this article the basic fabrication and e valuation tec hniques for low dimensional mate rials will be briefly introduced first.The n the present status and future pros pects of low dimensional structures and relate d quantum de vices are revie wed in detail.Finally the suggestion of strategy for developing nanometersc ienc e and te chnology in China is proposed.
Key words:low dimensional se mic onductor structures,quantum devices
(责任编辑:曙光)国外新闻
德总理要求提高人口“信息素质”
德国总理施罗德强调,为确保德国在信息时代占据世界领先地位,政府将采取措施改革教学内容,以提高全民的“信息素质”。
施罗德不久前在柏林举行的“德国-21世纪”大会上致辞时指出,德国尽管已经具备了先进的信息基础设施和法律框架,但在信息产业的发展方面已经落后。他列举说,美国有30%的人口能够上因特网,而德国是9%;美国1998年信息产业的产值占国内生产总值的7.6%,德国是4.5%;北欧国家有9%的劳动力从事信息产业工作,而德国只有5%。
施罗德强调,德国必须“尽快缩小与其他国家的差距”。他认为,德国如果能将电信,数据信息处理以及多媒体这三个领域的优势结合起来,仍然能够在信息时代领先。
“德国-21世纪”是由德国70多家大型信息技术企业在政府支持下提出的一项教育创议,其核心内容是由这些企业向2万所学校提供电脑和网络设备,帮助每一所学校建立一个网上“虚拟教室”,使学生尽早接触计算机和网络知识。与此同时,这些企业将为各自的员工提供充足的继续受教育的机会。
施罗德说,信息产业的高速发展使高素质的劳动力供不应求,在计算机和相关领域,德国约有7.5万专业岗位找不到合适的从业者。而另一方面,学校教育中缺乏足够的信息知识课程,毕业生难以胜任信息社会的工作。因此,德国政府提出,到2001年使每一所学校都能接入因特网,同时要求对学校的教学内容进行大幅度改革。
在当天的大会结束之前,施罗德通过因特网上的“虚拟教室”与多特蒙德高中的十多名学生对话。(新华社供本刊稿)
半导体材料研究的新进展(精)
半导体材料研究的新进展* 王占国 (中国科学院半导体研究所,半导体材料科学实验室,北京100083 摘要:首先对作为现代信息社会的核心和基础的半导体材料在国民经济建设、社会可持续发展以及国家安全中的战略地位和作用进行了分析,进而介绍几种重要半导体材料如,硅材料、GaAs和InP单晶材料、半导体超晶格和量子阱材料、一维量子线、零维量子点半导体微结构材料、宽带隙半导体材料、光学微腔和光子晶体材料、量子比特构造和量子计算机用材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后,提出了发展我国半导体材料的建议。本文未涉及II-VI族宽禁带与II-VI族窄禁带红外半导体材料、高效太阳电池材料Cu(In,GaSe 2 、CuIn(Se,S等以及发展迅速的有机半导体材料等。 关键词:半导体材料;量子线;量子点材料;光子晶体 中图分类号:TN304.01文献标识码:A文章编 号:1003-353X(200203-0008-05 New progress of studies on semiconductor materials WANG Zhan-guo (Lab.of Semiconductor Materials Science,Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences,Beijing100083,China Abstract:The strategic position and important role of semiconductor materials,as a core and foundation of the information society,for development of national economic,national safety and society progress
常用半导体器件复习题
第1章常用半导体器件 一、判断题（正确打“√”，错误打“×”，每题1分） 1．在N型半导体中，如果掺入足够量的三价元素，可将其改型成为P型半导体。（）2．在N型半导体中，由于多数载流子是自由电子，所以N型半导体带负电。（）3．本征半导体就是纯净的晶体结构的半导体。（） 4．PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） 5．使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正偏，且集电结也是正偏。（）6．晶体三极管的β值，在任何电路中都是越大越好。( ) 7．模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。( ) 8．稳压二极管正常工作时,应为正向导体状态。( ) 9．发光二极管不论外加正向电压或反向电压均可发光。( ) 10．光电二极管外加合适的正向电压时，可以正常发光。( ) 一、判断题答案：（每题1分） 1．√； 2．×； 3．√； 4．√； 5．×； 6．×； 7．√； 8．×； 9．×； 10．×。
二、填空题（每题1分） 1．N型半导体中的多数载流子是电子，P型半导体中的多数载流子是。2．由于浓度不同而产生的电荷运动称为。 3．晶体二极管的核心部件是一个，它具有单向导电性。 4．二极管的单向导电性表现为：外加正向电压时，外加反向电压时截止。5．三极管具有放大作用的外部条件是发射结正向偏置，集电结偏置。6．场效应管与晶体三极管各电极的对应关系是：场效应管的栅极G对应晶体三极管的基极b，源极S对应晶体三极管，漏极D对应晶体三极管的集电极c。7．PN结加正向电压时，空间电荷区将。 8．稳压二极管正常工作时，在稳压管两端加上一定的电压，并且在其电路中串联一支限流电阻，在一定电流围表现出稳压特性，且能保证其正常可靠地工作。 9．晶体三极管三个电极的电流I E 、I B 、I C 的关系为：。 10．发光二极管的发光颜色决定于所用的，目前有红、绿、蓝、黄、橙等颜色。 二、填空题答案：（每题1分） 1．空穴 2．扩散运动 3．PN结 4．导通 5．反向 6．发射机e 7．变薄 8．反向 9．I E ＝I B ＋I C 10．材料 三、单项选择题（将正确的答案题号及容一起填入横线上，每题1分）
半导体材料课程教学大纲
半导体材料课程教学大纲 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
半导体材料研究的新进展精
半导体材料研究的新进展 王占国 (中国科学院半导体研究所，半导体材料科学实验室，北京100083 摘要:首先对作为现代信息社会的核心和基础的半导体材料在国民经济建设、 社会可持续发展以及国家安全中的战略地位和作用进行了分析，进而介绍几种重要半导体材料如，硅材料、GaAs和InP单晶材料、半导体超晶格和量子阱材料、一维量子线、零维量子点半导体微结构材料、宽带隙半导体材料、光学微腔和光子晶体材料、量子比特构造和量子计算机用材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。本文未涉及II-VI族宽禁带与II-VI族窄禁带红外半导体材料、高效太阳电池材料Cu(In,GaSe 2 、CuIn(Se,S等以及发展迅速的有机半导体材料等。 关键词:半导体材料；量子线;量子点材料；光子晶体 中图分类号:TN304.01 文献标识码:A 文章编 号:1003-353X(200203-0008-05 New progress of studies on semiconductor materials WANG Zha n-guo (Lab. of Semic on ductor Materials Scien ce,I nstitute of Semico nductors, Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083, China Abstract:The strategic positi on and importa nt role of semic on ductor materials, as a core and foundation of the information society, for development of national economic, national safety and society progress
低维系统中的电子态
低维系统中的电子态 1 低维系统结构简介 半导体材料是电子、信息和通讯工业的载体，在国民经济中占有重要地位。在半导体材料中可以将低维量子结构简单的分为量子阱、量子线、量子点三类。在一般块体材料中，电子的波长远远小于材料的尺寸，因此量子局限效应不显著。如果将一个维度的尺寸缩小到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱;如果我们再将另外一个维度缩小到小于一个波长，则电子只能在一个维度上自由运动，我们称为量子线;当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点了。当材料的直径与它的德布罗意波长相当时，导带与价带进一步分裂，能隙将随着直径的减小而增大，各种量子效应、非定域量子相干效应、量子涨落和混沌、光生伏特效应与非线性光学效应等都会表现得越来越明显，这必将从更深层次上揭示低温材料所特有的新现象。低维半导体量子结构材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料，代表着目前半导体科学技术发展的主流方向，在未来的纳电子学、光电子学、光子学和新一代VLSI以及光电集成、光集成等方面有极其重要的应用背景，可能引发新的技术革命。世界各发达国家都给予高度重视，目前，低维量子结构己成为整个半导体科学技术及相关学科范围中最活跃、投入最多、成果最丰富、进展最快的领域之一。 在人工微结构中(包括量子阱，量子线和量子点)，电子的运动是由有效势控制的。有效势在一、二或三个方向上对电子加以限制。这些限制将带来明显的量子效应。由于大多数物理性质都是由费米面处的电子所决定，故可以设想费米波长就相当于这个特征尺寸，我们现在以费米波长为依据定义低微纳米结构。 考虑有限尺度的自由电子气系统而略去正电荷背景和离子的晶格结构。在这种情况下，电子是相互独立的，单电子的薛定谔方程为： 假定系统是一个长方体并具有周期性的边界条件，且其长、宽、高分别为Lx，Ly、Lz。电子的波函数是平面波
半导体材料的历史现状及研究进展(精)
半导体材料的研究进展 摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。 关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势 一、半导体材料的发展历程 半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;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超强优越性,被称为IT产业的新发动机。 新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光
常用半导体器件
第4章常用半导体器件 本章要求了解PN结及其单向导电性，熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特性及其主要参数。 本章内容目前使用得最广泛的是半导体器件——半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及简单应用。 本章学时6学时 4.1 PN结和半导体二极管 本节学时2学时 本节重点1、PN结的单向导电性； 2、半导体二极管的伏安特性； 3、半导体二极管的应用。 教学方法结合理论与实验，讲解PN结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性，通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。 4.1.1 PN结的单向导电性 1. N型半导体和Ｐ型半导体 在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或Ｐ型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。 2.PN结的单向导电性 当PN结加正向电压时，Ｐ端电位高于N端，PN结变窄,而当PN结加反向电压时，Ｎ端电位高于Ｐ端，PN结变宽,视为截止(不导通)。 4.1.2 半导体二极管 1.结构 半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。 2. 二极管的种类 按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种，点接触型二极管（一般为锗管）其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
硅基光电器件研究进展
半导体技术 Semiconductor Technology 1999年 第1期 No.1 1999 硅基光电器件研究进展 郭宝增 摘要 在信息处理和通信技术中，光电子器件起着越来越重要的作用。然而，因为硅是间接带隙半导体，试图把光电子器件集成在硅微电子集成电路上却遇到很大困难。为解决这一困难，人们发展了多种与硅微电子集成电路兼容的光电子器件制造技术。本文介绍最近几年这方面技术的发展情况。 关键词 多孔硅 光电子器件 硅集成电路 Research Development of Silicon-Based Optoelectronic Devices Guo Baozeng (Department of Electronic & Informational Hebei University,Baoding 071002) Abstract Silicon-based optoelectronic devices are increasingly important in information and communication technologies.But attempts to integrate photonics with silicon-based microelectronics are hampered by the fact that silicon has an indirect band gap,which prevents efficient electron-photon energy conversion.In order to solve this problem,many technologies to make optoelectronic devices which can be compatible with conventional silicon technology have been developed.In this article,we review the deve-lopment of these thchnologies. Keywords Porous silicon Optoelectronic devices Silicon integrated circuit 1 引 言 硅是微电子器件制造中应用得最广泛的半导体材料。硅集成电路的应用改变了当代世界的面貌，也改变了人们的生活方式。但是，一般硅集成电路只限于处理电信号，对光信号的处理显得无能为力。然而，光电器件的应用却是非常广泛的，光纤通信、光存储、激光打印机及显示设备都 要用到各种光电器件。从更广的意义上说，我们所处的世界实际上是一个光的世界。据心理学家分析，人们通过眼睛所接收的信息占总接收信息量的83%，即人们接收的信息83%是光信号。因此可以想象，在未来信息化社会里，对光电子器件的需求决不亚于对微电子器件的需求。目前采用的光电子器件，主要是Ⅲ-Ⅴ族材料，这些器件与广泛使用的硅技术不兼容，而且制造成本高，因
常用半导体器件
《模拟电子技术基础》 （教案与讲稿） 任课教师：谭华 院系：桂林电子科技大学信息科技学院电子工程系 授课班级：2008电子信息专业本科1、2班 授课时间：2009年9月21日------2009年12月23日每周学时：4学时 授课教材：《模拟电子技术基础》（第4版） 清华大学电子学教研组童诗白华成英主编 高教出版社 2009
第一章常用半导体器件 本章内容简介 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。本章在简要地介绍半导体的基本知识后，主要讨论了半导体器件的核心环节——PN 结。在此基础上，还将介绍半导体二极管的结构、工作原理,特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。 （一）主要内容: ?半导体的基本知识 ?PN结的形成及特点，半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电 路 （二）基本要求: ?了解半导体材料的基本结构及PN结的形成 ?掌握PN结的单向导电工作原理 ?了解二极管（包括稳压管）的V-I特性及主要性能指标 （三）教学要点： ?从半导体材料的基本结构及PN结的形成入手，重点介绍PN结的单向导 电工作原理、 ?二极管的V-I特性及主要性能指标 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。 半导体有以下特点： 1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。 3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。
低维半导体结构材料及其器件应用研究进展_王占国
低维半导体结构材料及 其器件应用研究进展 中国科学院院士 王占国 (中国科学院半导体研究所,北京100083) 摘 要:人们预测,到2010年,以硅材料为核心的当代微电子技术的C MOS逻辑电路图形尺寸将达到0.05微米或更小。到达这个尺寸后,一系列来自器件工作原理和工艺技术自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。从某种意义上说,这就是硅微电子技术的“极限”。 为迎接硅微电子技术的“极限”的挑战,满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求,近年来,基于低维半导体结构材料的量子力学效应(如:量子尺寸效应、量子隧穿、量子相干、库仑阻塞和非线性光学效应等)的固态纳米电子、光电子器件与电路和基于单分子及大分子结构所特有性质的分子电子学受到了广泛的重视。它们的研究与发展极有可能触发新的革命,应当给于充分的重视。 本文第一部分将简单介绍低维半导体结构材料的定义、性质及其在未来信息技术中的地位;第二、三部分分别讨论低维半导体结构的制备方法与评价技术;第四部分对近年来低维半导体结构材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展、存在的问题和发展的趋势作扼要的综述;最后,结合国情和我国在该领域的研究现状,提出发展我国低维半导体结构材料及其器件应用的构想。 关键词:低维半导体结构 量子器件 1 引言 低维半导体材料通常是指除三维体材料 外的二维、一维和零维材料;二维超晶格、量子 阱材料,是指载流子在二个方向(如在x,y平 面内)上可以自由运动,而在另外一个方向(z) 则受到约束,即材料在这个方向的尺寸与电子 的德布洛意波长(λd=h/2m＊E)或电子的平 均自由程(L2D EG=hμ q 2πns)相比拟或更小。 一维量子线材料,是指载流子仅在一个方向可 以自由运动,而在另外两个方向则受到约束; 零维量子点材料,是指载流子在三个方向上运动都要受到约束的材料系统,即电子在三个维度上的能量都是量子化的。本文主要讨论一维量子线和零维量子点微结构材料。 低维半导体微结构材料是一种人工可改性的(通过能带 工程实施)新型半导体材料,具有与体材料截 然不同的性质。随着材料维度的降低和结构 特征尺寸的减小(≤100nm),量子尺寸效应,量 子干涉效应,量子隧穿效应,库仑阻塞效应以 及多体关联和非线性光学效应都会表现得越 来越明显,这将从更深的层次揭示出低维材料 所特有的新现象、新效应。MBE、MOCVD技术, 超微细原子加工和电子束光刻技术等的发展 为实现低维材料生长,量子器件(量子干涉晶 体管,量子线场效应晶体管,单电子晶体管和 单电子存储器以及量子点激光器,微腔激光器 等)的研制创造了条件。这类量子器件以其固 有的超高速(1012～1013sec)、超高频(> 1000GHz)、高集成度(>1010元器件/cm2)、高效低功耗和极低阈值电流密度(亚微安)、极高量子效率、高的调制速度与极窄带宽以及高特征温度等特点在未来的纳米电子学、光子学和光电集成以及ULSI等方面有着极其重要应用前景,极有 王占国(WANG Zhanguo,1938.12.29-),男,河南省镇平县人,中国科学院院士,半导体材料物理学家。1962年毕业于天津南开大学物理系。现任中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师,国家高技术新材料领域专家委员会委员,功能材料专家组组长。王占国院士是我国半导体材料科学学术带头人之一。他长期从事半导体材料及材料物理研究,在半导体深能级物理、光谱物理和低维半导体材料生长及性质研究中,取得了多项国际先进水平的成果,十多年来,在国内外学术刊物和国际会议发表论文170多篇。研究成果曾获中国科学院科技进步一、二、三等奖和国家科技进步三等奖以及国家七五,八五重点科技攻关奖多项。 国家自然科学基金资助项目(No.69736010)。
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
半导体物理的研究进展
284理论研究 0 引言 我国的信息产业已经发展成为国民经济的重要支柱之一,同时信息产业的快速发展也在不断推进器件制造和软件开发的快速发展。但是信息产业的发展中不断有一些新原理和新功能的器件制造很大程度上面还是依赖于半导体物理的研究与发展。现在很多的发达国家和地区都在半导体物理领域投入大量的资金和人力资源进行半导体物理的研究和创新，这样的一个市场状态也加剧了每个国家的竞争程度，因为半导体物理的发展能够为社会发展、人们的生活和国家的安全带来很大的帮助和促进作用。 半导体是属于物理学方面的一个新领域，它的发展历史比较短，是在四十年代以后才发展起来的一个新领域。在本个世纪初期的时候，人们对于半导体还是不了解的，人们只是知道金属具有很好的导电性，生活中常用的金属如：铝和铜这些导电材料；同时和金属材料的导电性相反的一些材料也就是绝缘体，绝缘体的导电性非常差，绝缘体主要有一些橡胶或陶瓷等材料，这些材料在生活应用当中用的比较多；半导体的导电性就是介于导体和绝缘体之间的一种物质，而半导体的导电性就是介于这两者之间的,例如物理试验中经常用到的硅和锗等物质，这些半导体材料在工业应用上面还是不很多。 1 半导体物理的早期发展 在十九世纪七十年代早期的时候,一种叫做栖的半导体材料被人们发现，这种半导体材料具有很多的光电性能，并且通过对于这种半导体材料进行了大量的相关实验测量研究，同时通过大量实验研究的结果总结，积累起很多的实验数据结果，但是由于对这种半导体材料缺乏机理认识不清楚的现象，所以很难掌握并且有效地利用这些性能的方法，因此在实际应用的过程当中还是得不到广泛的应用，对于这方面的研究也就得不到充分的重视。 在本世纪二十年代以后,人们发明了半导体材料的检波器,这个检波器可以为半导体方面的实验研究提供很大的帮助作用。同时这些器件也为工业发展提供的一定的促进作用，但是这些器件的稳定性比较差，而且价钱也特别昂贵，在制造工艺方面还得不到有效的改进和完善，因此在实际的应用过程当中有很多的器件都因为性能比较差而被淘汰掉了，也有一些器件在长期的研究过程中并没有很大的突破，发展速度比较缓慢。 到了三十年代中期的时候，量子力学得到很好的发展，并且量子力学在固体物理方面发挥着重要的作用，量子力学的成功也象征着人们对于半导体本质方面有了一个全新的认识，并且人们能够很好地应用半导体材料。人们通过对于半导体的各方面性能的研究，能够很好地控制半导体的电学方面的性能，大大促进了半导体在固体物理学方面的发展进度。雷达技术在第二次世界大战期间得到了非常快速的发展，因为雷达需要用到很多的半导体材料，所以半导体材料在此期间突飞猛进，加速了半导体方面的飞速发展。半导体学科在理论方面具有非常扎实可靠的理论基础，对于其后半导体技术能够得到高速发展提供了坚实的理论基础，同时由于在生产实践过程中的迫切需求，这些都是使得半导体技术能够得到迅速发展和繁荣起来的原因。随着人们在半导体物理方面的研究工作不断得到重视，并且展开大量的相关实验研究工作。在1948年的时候,人们通过大量的实验和不断的努力终于发明了三极管。晶体管是一项非常重大的发明，它标志着人们在半导体方面取得了非常重大的突破和成功的一个标志。随着半导体的出现和被人们广泛地了解之后，在相关物理研究领域也掀起了一场非常大的影响，这种器件得到很多的学者和研究人员的重视。晶体管的出现标志着被人们所熟悉和应用的电子学器件真空管将要被这个体积非常小的晶体管所代替。点接触式的晶体管在刚开始被发明的时候，在性能上面依然存在很大的不足和很多的缺陷，但是这个时候就有很多人预言在电子技术领域中晶体管将要引起一场非常大的革命。尽管在刚开始的时候晶体管的方法作用不是非常明显，但是人们通过一个偶然的机会将晶体管的放大作用的机理了解的很清楚，并且利用晶体管的放大作用对于晶体管的结构方面提出了一种新的构造方案。经过人们长期的研究和探索，人们终于成功地制作出能够符合面结型晶体结构的新方案（锗合金管）。锗合金管的出现具有很重要的指导性和标志性的意义，主要表现在以下两个方面：第一方面就是锗合金管在半导体发展过程中是一个非常成功的理论指导实践的成功范例，第二方面就是锗合金管的出现标志着半导体晶体管已经能够在实际工业应用中得到广泛生产和应用。 在五十年代初期的时候,随着锗合金管的出现，半导体材料得到了前所未有的发展，特别是在锗的提纯了拉制单晶体当面有了一个质的飞跃，这项技术也对于后期锗材料各方面技术的发展和完善提供了坚实的基础。这项技术的发展不仅对于许多半导体的质量方面有所提升，同时也在相关的学科领域发展方面发挥了巨 半导体物理的研究进展 吴化楠 （营口职业技术学院,辽宁 营口 115000） 摘 要：从十九世纪开始，人们就开始研究半导体的发展，到目前为止半导体的研究已经在当代物理学和相关学科领域的发展中都占据非常重要的地位。半导体物理学是凝聚态物理学科的一个分支学科，同时也是现代微电子器件工艺学的一个理论核心内容。半导体不仅在理论方面具有非常的物理内涵，而且它的性能也具有很大的发展前景。随着半导体的不断发展，半导体新材料渐渐地取代了很多的传统的一些物理器件，其中具有非常重要影响作用的包括一些晶体管和一些集成电路，都是半导体电子器件发展的鲜明标志。现代科学技术的突飞猛进也带动半导体学科领域的快速发展，并且不断拓宽半导体在往一个新的高度和水平发展。很多的科学家在研究和探讨半导体物理学的发展规律的时候，也深刻地掌握了半导体科学的技术，掌握着时代发展的一个发展趋势。半导体物理的发展对于现实应用方面也存在重大的意义，不断提高生产力的发展和相关技术领域的创新发展工作。本文主要是对于半导体物理发展的进展做一个评述，通过晶体管的发明过程、半导体超晶格物理的发展以及半导体纳米量子器件的研究进展，展望了新型半导体纳米材料的发展前景，并且通过对半导体物理学的发展历程为依据深入研究其发展规律和特点。 关键词：半导体；超晶格；物理 DOI:10.16640/https://www.docsj.com/doc/223194330.html,ki.37-1222/t.2015.24.261
【免费下载】常用半导体器件及应用单元测验附答案
项目六 常用半导体器件及应用 班级 姓名 成绩 一、填空题：（35分） 1.制作半导体器件时，使用最多的半导体材料是 硅 和 锗 。 2.根据载流子数目的不同，可以将半导体分为 本征半导体 、 P 型半导体 和 N 型半导体 三种。 3.PN 结的单向导电性是指：加正向电压 导通 ，加反向电压 截止 。PN 结正偏是指P 区接电源 正 极，N 区接电源 负 极。 4.半导体二极管由一个 PN 结构成，它具有 单向导电 特性。 5.硅二极管的门坎电压是 0.5V ，正向导通压降是 0.7V ；锗二极管的门坎电压是 0.2V ，正向导通压降是 0.3V 。 6.半导体稳压二极管都是 硅 材料制成的。它工作在 反向击穿 状态时，才呈现稳压状态。 7.晶体三极管是由三层半导体、两个PN 结构成的一种半导体器件，两个PN 结分别为 发射结 和 集电结 ；对应的三个极分别是 发射极e 、 基极b 、 集电极c 。 8.半导体三极管中，PNP 的符号是 ，NPN 的符号是 。9.若晶体三极管集电极输出电流I C =9 mA ，该管的电流放大系数为β=50，则其输入电流I B =_0.18_mA 。10.三极管具有电流放大作用的实际是：利用 基极 电流实现对 集电极 电流的控制。因此三极管是 电流 控制型器件。11.三极管的输出特性曲线可分为三个区域，即_放大_区，__饱和_区和_截止_区。12.放大电路静态工作点随 温度 变化而变化， 分压式 偏置电路可较好解决此问题。13.对于一个晶体管放大器来说，一般希望其输入电阻要 大 些，以减轻信号源的负担，提高抗干扰能力；输出电阻要 小 些，以增大带动负载的能力。二、判断题：（10分，将答案填在下面的表格内） 题号12345678910答案××√××√√×√× 1.P 型半导体带正电，N 型半导体带负电。（ ） 2.半导体器件一经击穿便即失效，因为击穿是不可逆的。（ ） 3.桥式整流电路中，若有一只二极管开路，则输出电压为原先的一半。（ ） 4.用两个PN 结就能构成三极管，它就具有放大作用。（ ） 5.β越大的三极管，放大电流的能力越强，管子的性能越好。 6.三极管和二极管都是非线性器件。（ ） 7.三极管每一个基极电流都有一条输出特性曲线与之对应。（ ）等多项对全系统启备高中免不
低维材料
低维材料的发展现状及前景 —碳纳米管的制备及其应用 摘要：碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。 关键词：碳纳米管，碳纳米管的批量制备，储氢技术 一、碳纳米管的批量制备 碳纳米管要实现工业应用，首先必须解决碳纳米管的低成本大量制备问题。碳纳米管自1991年被发现以来，其制备工艺得到了广泛研究。目前，有三种主要的制备方法，即电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。电弧放电法和激光烧蚀法制得的产物中，碳纳米管均与其他形态的碳产物共存，分离纯化困难，收率较低，且难以规模化。第三种固定床催化裂解法由天然气制备碳纳米管具有工艺简便、成本低、纳米管规模易控制、长度大、收率较高等优点，有重要的研究价值，但该方法中催化剂只能以薄层的形式展开，才会有好的效果，否则催化剂的利用率就低，因而产量难以提高。 沸腾床催化裂解反应工艺气固接触良好，适合处理大量固体颗粒催化剂，用沸腾床催化裂解法代替固体床催化裂解法可大幅度提高碳纳米管的制备量。 在沸腾床催化裂解反应器中，原料气体以一定的流速通过气体分布板，将气体分布板上活化了的催化剂“吹”成“沸腾”状态。催化剂颗粒一直处于运动之中，催化剂颗粒之间的距离要比固定床中催化剂颗粒之间的距离大得多，催化剂表面上易生长出直的碳纳米管，又因催化剂颗粒之间的相互碰撞，碳纳米管容易从催化剂表面脱出。这两种作用的结果保证了直而开口率高的碳纳米管的形成。同时沸腾床中催化剂的量可以大量增加，原料气体仍能与催化剂表面充分接触，保证了催化剂的高利用率。 尽管沸腾床催化裂解法在碳纳米管的批量制备上有了较大突破，但与碳纳米管所有的现有制备方法一样，只能间歇操作，不利于低成本大批量碳纳米管的制备。 要实现碳纳米管的大批量制备，必须首先解决催化剂连续投放问题和催化剂与产物及时导出的问题。这们的研究表明，通过特殊的反应装置和工艺可以实现碳纳米管的连续制备，从而达到低成本大批量制备碳纳米管的目的。 连续制备碳纳米管是通过如下过程实现的：在封闭的移动床催化裂解反应器中，经过还原处理的纳米级催化剂通过喷嘴连续均匀地布洒到移动床上，移动床以一定的速度移动。催化剂在恒温区的停留时间可通过控制移动床的运动速度加以调节。原料气的流动方向可与床层的运动方向一致也可相反。原料气在催化剂表面裂解生成碳纳米管。当催化剂在移动床上的停留时间达到设定值时，催化剂连同在其上生成的碳纳米管从移动床上脱出进入收集器，反应尾气通过排气口排出。 采用移动床催化裂解反应器可实现设计尺寸碳纳米管的连续制造，可望大幅度降低生产成本，为碳纳米管的工业应用提供保证。 二、碳纳米管的应用研究
常用半导体器件习题考答案
第7章 常用半导体器件 习题参考答案 7-1 计算图所示电路的电位U Y （设D 为理想二极管）。 （1）U A ＝U B ＝0时； （2）U A ＝E ，U B ＝0时； （3）U A ＝U B ＝E 时。 解：此题所考查的是电位的概念以及二极管应用的有关知识。从图中可以看出A 、B 两点电位的相对高低影响了D A 和D B 两个二极管的导通与关断。 当A 、B 两点的电位同时为0时，D A 和D B 两个二极管的阳极和阴极（U Y ）两端电位同时为0，因此均不能导通；当U A ＝E ，U B ＝0时，D A 的阳极电位为E ，阴极电位为0（接地），根据二极管的导通条件，D A 此时承受正压而导通，一旦D A 导通，则U Y ＞0，从而使D B 承受反压（U B ＝0）而截止；当U A ＝U B ＝E 时，即D A 和D B 的阳极电位为大小相同的高电位，所以两管同时导通，两个1k Ω的电阻为并联关系。本题解答如下： （1）由于U A ＝U B ＝0，D A 和D B 均处于截止状态，所以U Y ＝0； （2）由U A ＝E ，U B ＝0可知，D A 导通，D B 截止，所以U Y ＝E ? +9 19＝109E ； （3）由于U A ＝U B ＝E ，D A 和D B 同时导通，因此U Y ＝E ?+5.099＝1918E 。 7-2 在图所示电路中，设D 为理想二极管，已知输入电压u i 的波形。试画出输出电压u o 的波形图。 解：此题的考查点为二极管的伏安特性以及电路的基本知识。 首先从（b ）图可以看出，当二极管D 导通时，电阻为零，所以u o ＝u i ；当D 截止时，电阻为无穷大，相当 于断路，因此u o ＝5V ，即是说，只要判断出D 导通与否， 就可以判断出输出电压的波形。要判断D 是否导通，可 以以接地为参考点（电位零点），判断出D 两端电位的高 低，从而得知是否导通。 u o 与u i 的波形对比如右图所示： 7-3 试比较硅稳压管与普通二极管在结构和运用上有 何异同 （参考答案：见教材） 7-4 某人检修电子设备时，用测电位的办法，测出管脚①对地电位为－；管脚②对地电位