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半导体材料论文范文1
关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，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“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径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开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：
（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。
（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。
（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。
（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
（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基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
（2）硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，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，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。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。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，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。低维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。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
半导体材料论文范文2
关键词：InN薄膜 AlN薄膜 普通玻璃衬底 半导体材料与器件
中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0067-02
在过去的十几年里，关于InN半导体材料的研究引起了人们极大的兴趣。InN是一种重要的直接带隙Ⅲ族氮化物半导体材料，与同族的GaN、AlN相比，InN具有最小的有效质量和最高的载流子迁移率、饱和漂移速率，其低场迁移率可达3200 cm2/V・s，峰值漂移速率可达4.3×107cm/s，这些特性使InN在高频厘米和毫米波器件应用中具有独特的优势[1-8]。制备高质量的InN外延薄膜是InN半导体材料研究与应用的前提，但InN薄膜的制备有两大困难，一方面是InN的分解温度较低，约为600 ℃左右，而作为N源的NH3的分解温度则要求很高，一般在1000 ℃左右，因此如何控制InN的生长温度就产生了矛盾，一般传统的MOCVD技术要求温度在800 ℃以上，限制了InN的生长温度问题，本研究采用了自制的电子回旋共振-等离子增强有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）设备[9-11]，大大降低了外延温度，使生长温度控制在500 ℃以下；另一方面，一般InN薄膜都生长在蓝宝石等一些基片上。众所周知，蓝宝石基片的价格较高，用它作为InN材料的衬底，使InN材料基的器件的成本很难降下来，严重阻碍了InN材料器件的发展。为解决上述InN器件成本高的问题，本研究采用在廉价康宁玻璃衬底上沉积制备InN外延薄膜，但是InN外延层与廉价康宁玻璃衬底之间还存在严重的晶格失配等问题，而AlN可以成为一种理想的InN外延中间层材料。首先，AlN与InN具有相似的晶体结构，可以作为InN与廉价康宁玻璃之间的缓冲层。其次，AlN的沉积制备在廉价康宁玻璃上的工艺已经被该研究小组所掌握，而且与其他反应源相比，AlN反应源材料很便宜，廉价，这样就进一步降低了器件的成本。所以AlN成为InN与廉价康宁玻璃之间缓冲层的首选材料。所以在此基础上，在较低的温度下，在廉价的衬底材料上最终制备出高质量、稳定的InN薄膜。
由于InN薄膜的沉积制备需要较高的沉积温度，当前ECR-PEMOCVD技术以及相关设备，都没有用于生产InN光电薄膜，因此如何利用ECR-PEMOCVD技术优点，用AlN薄膜作为缓冲层在廉价康宁玻璃衬底上以较低的温度下生产出性能优异的InN光电薄膜是我们所研究的难点。
1 实验
将普通康宁玻璃基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5 min后，用氮气吹干送入反应室；采用ECR-PEMOCVD系统，将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa，改变不同基片沉积温度400 ℃，500 ℃，600 ℃，向反应室内通入氢气携带的三甲基铝、氮气，其二者流量为1.5 sccm和120 sccm，由质量流量计控制；控制气体总压强为1.2 Pa；在电子回旋共振频率为650 W，得到在普通康宁玻璃基片的AlN缓冲层薄膜，其AlN缓冲层薄膜厚度为200 nm。继续采用ECR-PEMOCVD系统，将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa，将基片加热至500 ℃，向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气，其二者流量比为2∶150，分别为2 sccm和150 sccm，由质量流量计控制；控制气体总压强为1.2 Pa；在电子回旋共振频率为650 W，沉积制备InN薄膜，得到在AlN缓冲层薄膜/普通康宁玻璃结构上的InN光电薄膜。
2 结果与讨论
2.1 XRD分析
在其他反应条件不改变的情形下，改变不同基片沉积温度400 ℃，500 ℃，600 ℃，该研究论文在AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜。3个不同基片沉积温度的样品都被测试了，只有沉积温度500 ℃条件下制备的InN薄膜样品质量较好，其他条件下质量很不理想，表明沉积温度过高与过低都不利于薄膜的沉积制备。我们分析沉积温度500 ℃时的XRD图像，由图1可知，除了AlN缓冲层的峰值外，其制备的InN薄膜的则有取向较好，没有太多其他衍射峰出现，表明AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜，其晶体结构较优异。但是薄膜半峰宽较大，需要进一步进行实验工艺的优化。
2.2 AFM分析
为了研究InN薄膜的形貌，我们测试了沉积温度500 ℃条件下，AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜样品。由图2可知，实验准备的InN薄膜表面上的岛状团簇非常均匀，没有明显的界面缺陷，呈现出一个光滑的表面且表面平整。此外，为了以后制备大功率器件的要求，沉积温度是500℃时制备的InN薄膜的样品进行了其表面均方根平整度检测。测试结果说明沉积温度在500℃时沉积制备的InN薄膜样品的平整度在纳米数量级，满足对器件制备的要求。
2.3 SEM分析
进行了AFM分析之后，我们又对沉积温度500 ℃条件下，AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜样品的SEM进行了测试分析，由图3可知，实验制备的InN薄膜样品颗粒明显形成，基本铺满整个实验基片衬底，没有明显缺陷存在，表明该实验条件下的InN薄膜具有优异的表明形貌特性。其结果同上述AFM分析一致。
3 结语
该研究论文利用可精确控制的低温沉积的ECR-PEMOCVD技术，在AlN/普通康宁玻璃基片衬底结构上沉积制备出高质量的InN光电薄膜，并结合实际生产中器件成本不理想可能出现的问题以及晶格失配问题，提出一系列的解决方案策略，对基于InN薄膜器件产业化有很大的研究意义。该研究论文的在AlN/普通康宁玻璃基片结构上的InN光电薄膜产品具有良好电学性能以及结晶质量，廉价的成本价格以及易于制备出高频率大功率器件的优势。
参考文献
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半导体材料论文范文3
量子反常霍尔效应
1879年，德国物理学家霍尔发现，当固体导体有电流通过，且置于磁场中时，导体内的电子因受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生了电压，这就是霍尔效应。霍尔效应被发现了大约100年之后，德国物理学家克利青在极低温度和强磁场下测量金属—氧化物—半导体场效应晶体管时，发现了量子化的霍尔效应。
一般情况下，导体中电子的运动是杂乱无章的，而经过量子化后，电子的运动就变规则了。薛其坤院士也给出了生动的比喻：“量子霍尔效应可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上前进，就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场里前进，而在量子霍尔效应下，则可以在没有干扰的高速路上前进。”但是，要想实现这样的量子化过程，所需的条件极苛刻，光磁场强度就得要地球磁场的十万倍甚至上百万倍。薛其坤院士及其团队找到了一种拓扑绝缘体，其中存在着特殊的铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，即不需要外加磁场也能产生量子霍尔效应。这样的效应被称为量子反常霍尔效应，其大大降低了产生量子霍尔效应的难度。
霍尔效应
如右图所示，一块矩形导体薄片沿x轴方向通以电流（Is），在z轴方向上加以磁场（B）；导体中有大量电子。通电时，这些电子开始自由移动，但由于电子会受到洛伦兹力（fB ）的作用，其运动方向发生了偏转，向fB 方向飘移，使导体的一面积累了过多的电子，相应的另一面会出现带正电的电荷。正负电荷之间会产生电势差，从而产生了一个电压，叫霍尔电压，这个效应就叫霍尔效应。它同时产生一个电场EH，电子也会受到电场力（fE）的作用，方向正好与洛伦兹力相反。当洛伦兹力与霍尔电场力相等时，霍尔电压保持相对稳定。
霍尔效应的应用
要理解量子反常霍尔效应，我们要先明白，霍尔效应有什么作用。
在刚发现霍尔效应时，由于在金属导体中产生的霍尔效应十分微弱，所以人们并没有认识到它的应用价值。随着半导体技术的发展，人们发现，霍尔效应在半导体中十分明显，于是就发明了霍尔元件。
根据霍尔效应，当磁场强度发生变化时，相应的霍尔电压也将随之变化。依据这一原理，由霍尔元件制成的霍尔传感器得到广泛应用，它可以将一些非磁的物理量转变为电学量进行检测和控制。像汽车上的计程表，就是利用霍尔传感器来工作的。
计程表的霍尔效应
右图中的齿轮圈是汽车发动机上的齿轮，它处于霍尔元件中磁铁产生的磁场中。当齿轮的齿对准霍尔元件时，会产生较大的霍尔电压；当齿轮的凹处对准霍尔元件时，霍尔电压会减小。将霍尔元件连接在脉冲发生器上，根据电压强弱的变化可检测出脉冲信号，把它通过A/D转换器后转换成数字，就可显示出汽车的车速、车程等，这就是汽车计程表的原理。
新时代的号角
说起半导体，也许你只能想起收音机。其实，我们的电子产业都建立在半导体之上。量子反常霍尔效应之所以引起如此之大的反响，就在于能降低半导体材料的能量损耗，而这对于我们的电子产业来说，显得尤为重要。
例如，计算机散热芯片就是由半导体制成，由于其内部的电子运动是无序的，相互之间会发生碰撞，产生热量，电脑工作时间一长，就会发热，降低了使用寿命。量子霍尔效应可以解决这个问题，因为当电子运动变得有序时，就能减少能量的消耗，不会产生热量。但是，前文已经讲过，实现量子霍尔效应需要极其苛刻的条件，而量子反常霍尔效应就解决了高磁场强度的问题，更具实用性，被认为是解决了“霍尔效应家族的最后一个问题”。它几乎能解决所有用半导体材料制成的仪器发热的问题，有科学家表示，如果材料问题能进一步突破，那么现在占据数个房间大小的超级计算机，可能缩小到一台笔记本大小，电子产品将更加节能、快速、轻便……人类或许将开启一个全新时代。
但是，目前量子反常霍尔效应只有在超低温条件（0.5开左右）才能观察到，科学家已经摸到了希望的大门，而大门的钥匙，还有待人们继续探索追寻。
（曲婷婷）
半导体材料论文范文4
关键词:节能;减排;功率半导体
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
2需求分析
消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
3功率半导体技术发展趋势
四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
1) 功率半导体(分立)器件
功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2) 功率集成电路(PIC)
功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
3)功率系统集成
功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
4我国功率半导体发展现状、
问题及发展建议
在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
5结束语
总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
半导体材料论文范文5
关键词：电子科学与技术；专业建设；办学定位
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0104-02
一、引言
常州大学电子科学与技术专业的办学定位是：结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识、熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。主要面向长三角地区微电子、新能源和新兴光电行业。
二、专业现状
1.社会需求情况。目前，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。市场对电子科学与技术专业人才的需求基本上是供不应求，特别是高层次设计人才的短缺。
2.师资力量。本专业共有14位专职教师，其中教授1位、副教授3位，高级职称教师比例为28.6%，具有博士学位的教师9位，占比64.3%，另有4位教师博士在读，即将毕业。
3.科研情况。现有实验设备资产超过300万元，近五年来，获国家自然科学基金项目2项，市厅级以上项目4项，累计科研到款70余万元。发表三大检索论文50余篇、申请国家发明专利10余项。
4.课程设置情况。根据专业培养目标，课程设置时注重协调基础课、专业基础课和专业课之间的学时比例，并且加强实验教学环节，对于培养学生的专业知识和动手能力是十分必要的。主要的专业基础课有：模拟电子技术、数字电子技术、量子力学、数学物理方法、热力学与统计物理等课程。主要的专业课有：固体物理、半导体物理、半导体器件物理、MEMS技术、集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析等课程。实验环节有：基础物理实验、近代物理实验、专业实验、模拟电路实验、数字电路实验。
5.人才培养。本专业培养的学生，既有一定的数理基础，又具备凝聚态物理、材料物理、微电子技术等专业的相关知识，在薄膜制备、微电子工艺、电子技术产品的研制开发以及在边缘学科与交叉学科领域内就业的机会较多。近年来毕业生就业率一直超过95%，学生最近在人才市场应聘的反馈信息说明，我校本专业的学生与其他院校同专业的学生相比，就业有一定竞争优势。另外，考取硕士研究生的人数逐年在上升，近5年，共有37名学生考取了南京大学、东南大学、上海交通大学、苏州大学、山东大学、华中科技大学、上海大学、江南大学、北京工业大学等校相关专业的研究生继续深造，其中2011年、2012年和2013年考研录取率分别达到12.3%、15.9%和24.2%。
三、在专业建设方面，存在的主要问题有
1.师资力量仍然比较薄弱，教师专业结构还需要进一步优化和调整。主要体现在高级职称的教师比例仍然较低，教师专业结构较分散且偏物理，具有微电子或半导体领域研究背景的教师较少。原因就在于：（1）本专业属于热门专业，全国相关的企业众多，对高层次研究人员的需求较大，而培养相关专业研究生的院校相对较少，研究生毕业的规模还满足不了企业的需求。（2）企业给出的薪酬待遇较之高校要高出不少，这也是造成引进不到具有专业背景教师的一个极重要原因。（3）近一半教师是从事理论物理方面的研究工作，与电子科学与技术专业的工科背景相差很大，很难为专业建设提供必要的支撑。因此，需要进一步调整教师的专业结构。
2.科研平台和专业实验室建设仍需大力加强。物理学科在校内是属于弱势学科，不仅缺少高层次领军型的学术带头人，而且教师的科研水平还有待提高，因此面临着科研经费少、科研设备缺、科研氛围不浓厚等问题，科研平台的建设也存在着巨大的压力。虽然近年来专业实验室的建设取得了一定的成效，购买了一定数量的实验设备，基本满足了本科学生专业实验、毕业论文和研究生科研的需要，但仍然面临与实际生产联系不紧密、设备利用率低、维护人员缺、维护经费少、管理制度不完善等问题。
3.专业的教育质量有待进一步提高。电子科学与技术专业的教育质量、招生规模和培养方向与市场的关系是一种相互制约、相互相成的辩证关系。教育应该适应社会的发展需要，在社会需求和市场调节的作用下，如何提高教育质量是一个重大和综合性的课题。在这方面存在着：（1）缺少具有专业知识背景的教师，课程设置不规范，不是按需设课而是“因人设课”。（2）教材选择和讲授内容没有统一标准，仍然是“因人而异”。（3）课程知识讲授与实际生产联系不紧密，容易造成“照本宣科”的现象；（4）学生学习多以“自我为中心”，学习目的不明确、缺乏学习动力、对专业认识不够、毕业去向不明等问题。因此，必须从“教”与“学”两个方面来抓“质量”，只有经过“教”与“学”双方的协调发展，才能保证教学质量的提高。
4.专业实验教学环节有待进一步加强。专业实验的教学能使学生掌握实验知识和实验设备的使用，提高学生的动手能力和实践能力。从近几年学生的就业情况看，专业实验为学生就业打下了良好的基础。但是目前出现了专业实验开设数多、教学学时长、所需教师多，而教师个人工作量少、无人愿意承担实验课程等问题。
5.毕业生的就业导向有些许偏离。由于近几年毕业生的就业主要面向光伏企业，而且就业形势良好，这直接导致下面几届的学生认为本专业是面向光伏企业就业的，甚至有些老师也有同样的看法，这就限制了学生的就业面，也会使就业形势容易受到国际国内大环境的影响，而电科专业的学生培养和就业应当是面向整个微电子行业的。
四、专业建设措施
1.师资队伍建设。师资队伍建设是一切工作的基础，因为专业人才培养质量和科研水平全部依托于此。师资队伍建设应外引内培相结合，坚持以引进具有博士学位的高层次人才为主，并且重视制度设计，形成一整套卓有成效的人才引进、使用、培养和激励机制。（1）引进的人才应能满足电子科学与技术本科专业以及凝聚态物理、光电信息材料硕士点建设的需要，可定位于引进具有半导体材料与器件、集成电路设计、MEMS技术等领域研究背景的年轻博士，其中主要以引进半导体材料与器件领域的人才为主。考虑到专业的长远发展，应尽可能引进实验研究人才，相关的学科有物理学、材料科学与工程和电子科学与技术等。（2）在人才引进后的使用上应明确其主要任务是科研和专业建设，有计划地为其搭建科研设备。（3）制定科学合理的考核和奖励制度。人才引进工作应主动出击，按需引进，省内外相关的院校有：南京大学电子科学与工程学院、中科院上海技术物理研究所、苏州大学、华东师范大学信息科学技术学院、南京航空航天大学理学院等。
2.科研平台建设。好的科研平台是吸引优秀人才加入的一个关键因素，也是提升整体科研水平的重要保证。而目前的现状是投入到科研平台建设的经费较少，这有多方面的原因。不过，《常州大学“十二五”事业规划发展纲要》中明确提出要建设多学科协调发展的学科体系。因此，我们应加强科研平台建设与专业实验室建设的融合，使基础科研平台不仅能满足电子科学与技术专业本科生的毕业论文需求，而且能满足凝聚态物理和光电信息材料专业硕士生、相关教师的科研任务，以科研带动教学。
3.课程建设。课程建设是教学质量提高的保证，可以从以下几方面进行：（1）专业课的开设必须满足专业发展的需要。为此，教研室应认真讨论每一届学生的培养方案，根据市场需求、人才引进等情况及时调整培养方案。可以新增一些与专业、就业联系紧密的课程。（2）注重教材的通用性、经典性和新颖性。选择本专业多数院校都采用的教材。经典教材是国内或国外在本专业学习中长期使用并得到公认的优秀教材。学生通过经典教材的学习能够较为全面、系统地掌握所学的知识并提高分析问题、解决问题的能力。教材的新颖性是指新版和再版教材包含有本专业的最新知识和技术的内容，学生通过新版教材的学习能够了解当今世界上本专业领域中的最新知识和发展方向，拓展知识面。（3）为了解决目前出现的课堂讲授“照本宣科”、书本知识与实际生产联系不紧密等问题，可以考虑有计划地、有选择性地选派专业课教师下企业锻炼，提高教师的实践能力。
4.专业实验教学环节。针对目前专业实验中出现的问题，可以考虑大型设备的相关实验课仍由原先的几位老师承担，其余实验课由新引进的博士上，适当增加实验课教学的工作量。此外，除了目前已开出的专业实验，应充分利用已购买的设备，开设与企业生产工艺相关的专业实验，学习与制备一些半导体器件，同时应投入经费、人力，保证有专人负责维护、保养这些设备。
5.专业思想教育。专业课教师、系部负责人应加强对低年级学生的专业思想教育，使其对专业有清楚的认识，引导学生做好专业规划，明确学习目标，尽早准备。可以通过教师讲座、请已经工作或读研的同学参加座谈会、进企业参观实习等形式开展专业思想教育。
参考文献
[1]刘继春，毛剑波，杨明武.“电子科学与技术专业”学科建设探索与实践[J].合肥工业大学学报：社会科学版，2008，（22）：138-141.
半导体材料论文范文6
【关键词】太阳能电池;等效电路;发电原理;PC1D
引言
太阳能电池是一种能量转换的光电组件，它在经由太阳光照射后，可以吧光的能量转换成电能。在1927年提出了利用金属（铜）及半导体材料（氧化铜）接合所形成的太阳能电池，由于这早期的太阳能电池转换效率都在1%以下，很难运用到实际生活中。1976年以后，如何提高太阳能电池的转换效率成为了业内所关注的焦点。直到1999年，澳大利亚新南威尔士大学的研究者们将单晶硅电池的实验室最高光电转换效率已达到了25%[1]。
在2009年，周继承[2]等人利用利用PC1D 软件模拟了n+/p-p+结构的单晶硅太阳电池，在有/无铝背场的情况下，随着硅片厚度的变化，对电池输出特性的影响以及对光电转换效率的影响。结果表明，在有铝背场时，太阳电池获得明显的开路电压、短路电流以及光电转换效率的增益;硅片厚度越小，铝背场对其输出特性的影响越大;在有铝背场情况下，硅片厚度为120 um时，可获得最大的光电转换效率。
2011年，闫丽[3]等人为了降低单晶硅原材料成本，采用了PC1D软件，提出了将p型硅为衬底的单晶硅125×125 太阳电池的铝背场的背表面进行钝化，得出了电池的效率会随着铝背场结深的增加、背表面复合速率的降低、少数载流子寿命的提高而提高。铝背场能够改善背表面的钝化质量，降低背表面的复合速率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。
张超[4]等人通过提高太阳能电池透明电极性能的方法来提高转换效率，石墨烯仅有一个sp2 碳原子的厚度，超高的载流子迁移率使它可以极大地降低透过率与导电性之间此消彼长关系的影响，同时具备高透光和高导电的特性。通过化学掺杂石墨烯的透过率和导电性可以超过ITO，同时在透过率和面电阻之间有更大的调整空间，可以根据太阳能电池的实际工作情况（高压或低压电池阵），在电池效率和焦耳热之间获得最优的条件以获得最大的发电效率。
任丙彦[5]等人运用AFORS-HET程序模拟计算了不同本征层厚度、能隙宽度、发射层厚度、以及不同界面态密度等参数对P型晶体硅异质结太阳电池光伏特性的影响。在其他参数不变的情况下，插入较薄本征层，转换效率增加，但本征层年厚度增加时，短路电流密度较少、效率也随之降低;随能隙宽度增加，短路电流先增加，但当能隙宽度大于某一特定值时，短路电流开始下降。
程雪梅[6]等人利用AFORS-HET软件模拟分析了以p型晶体硅为衬底的异质结太阳电池，分别以ZnO和ITO为透明导电极，发现用ZnO为导电极的电池效率明显比ITO电极提高3.21%。为了提高电池性能，模拟了以高掺杂的非晶硅层为背场的太阳电池，结果电池的性能相对于无背场时有较大的提高，开路电压增加达677.3mV，转换效率达21.25%。
1.太阳能电池的发电原理
当适当波长的光照射到非均匀半导体（如PN结）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）;若将PN结短路，则出现光生电流。这种由于内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。晶硅太阳能电池就是利用PN结的光伏效应来发电的。
通过扩散形成PN结后，由于载流子存在浓度差，P型区中的多子（空穴）向N型区中扩散，N型区中的多子（电子）向P型区中扩散，从而在P区和N区的交界处产生空间电荷区，并形成一个由N区指向 P区的内建电场。内建电场的存在又产生载流子的定向运动（漂移运动），它阻止多子扩散，促进少子漂移;当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结处于平衡态。
当入射光照射到太阳能电池表面时，首先光子会通过反射防止膜，然后照射到硅的表面，进入到PN结区，及太阳能电池内部。若光子的能量hf等于或大于硅的禁带宽度Eg（硅的禁带宽度为 1.12eV）时，由于本征吸收，价带内的电子吸收足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子-空穴对，这些电子-空穴对的移动又产生了光电流，也就是P-N接合处产生电位差。如果使用导线将太阳能电池与一个负载连接起来，形成一个回路，就会有电流流过负载，这就是太阳能电池发电的原理[7]。
2.太阳能电池的电路模型
由于太阳能电池的电压、电流及功率受到光照条件及负载等因素的影响，当太阳能电池不受光时，它就是一个由P-N结合的二极管。在理想二极管的状态下，电流与电压之间的关系如下：
其中，I为电流大小;V为电压;I0为饱和电流;VT=kT/q。
太阳能电池在运作时，由于一般二极管的正向电流定义为由P型流向N型，则电压值为正值，而电流为负值。当太阳能电池受到光照时，它会产生负向的光生电流，因此一个理想的二极管加上一个负向的光电流IL就能表示太阳能电池的电流-电压关系：
在没有光照时IL=0，太阳能电池如图一个二极管;当太阳能电路短路时V=0，可知此时短路电流ISC=-IL，即短路状态时的电流值等于入射光源所产生的光电流;当太阳能处于开路状态时I=0，则开路电压[8]为：
以上都是太阳能处于理想化的推论。实际中，太阳能电池的等效电路如图-2所示，它还存在分流电阻Rsh和串联电阻Rs[9]。其中串联电阻是半导体本身存在的电阻以及半导体与金属的接触间产生的电阻;在太阳能电路组件之间，也会有分流电流的存在Ileak，有Rsh=V/Ileak。当Rsh越小，Ileak就会越大。考虑到这些电阻时，太阳能电池的电流-电压关系[10]为：
3.太阳能电池转换效率的影响因素
晶体硅太阳电池将太阳能转换为电能的效率受到以下几个方面因素的局限。一是太阳光的固有光谱;二是半导体材料有其固有禁带宽度。这两大因素使得太阳光中波长大于吸收限λ的部分对光伏发电完全失效;而太阳光中波长小于吸收限的部分，即使其每个光子都激发产生一对载流子，其光子能量大于禁带宽度的部分，一般通过热振动释放，或者说转变为热，也是全部多余无效的。三是则是p-n结的暗电流损失，它来自电池p-n结本身，无论其材料和工艺质量如何理想，都免不了此种情况。四是温度，硅晶体太阳电池作为一种半导体器件，它的转换效率会随着温度的变化作线性变化。其中最主要的还得说说技术因素对转换效率的影响，可按光学损失、符复合损失和电路损失来分类，也可以从材料和工艺两大方面来分类。其中光学损失的因素有表面反射、背面与正面投射、栅线遮蔽和非激发吸收;复合损失的因素有金属杂质复合中心、晶体结构缺陷复合中心、表面或界面复合;电路损失有栅线电阻、背接触电阻、边缘漏电和缺陷漏电。
4.实验仿真参数设置
PC1D是由澳大利亚新南威尔士大学研发的一种模拟微电子器件特性的常用软件，主要着重于光伏器件的模拟。它基于完全耦合的非线性方程来模拟分析半导体器件中电子和空穴的准一维传输过程，是太阳能电池较常用的仿真软件。如表1所示，给出了本论文中 PC1D 仿真的关键参数设置。
本试验中，采用接近地表的光谱AM1.5（地表上太阳的平均照度），即太阳以450角入射到地表的情况，此状态下的光强度为844W/m2;能量密度为0.08W/cm2，工作温度在开尔文300K，电池面积为1×1cm2，前表面反射为10%，电池背表面设置为朗伯散射。
表1
Device PC1Dinput
Front surface texture depth 3 um
Exterior front reflectance 10%
Base contact 0.015 Ω
Internal conductor 0.3 S
Thickness 300 um
Dielectric constant 11.9
Band gap 1.124 V
Temperature 300 K（开尔文）
P-type background doping 1.513e^16
BSRV 1000 cm/s
Resistivity 0.1 Ω.m
Front diffusion Gaussion
5.实验仿真结果分析
如图1所示，随着发射极掺杂浓度的降低，多数载流子的浓度不断减少，但是减少幅度逐渐增加，从而少数载流子的浓度便随之增加，但增长幅度逐渐减少;少数载流子浓度的增加，增强了半导体硅的导电能力，使得电路中短路电流随之升高，但是短路电流的增长速度会相应逐渐减少，当掺杂浓度达到了1020cm-3量级时，载流子浓度基本不再增加，则短路电流也就不再增加。在高掺杂时，低场下的漂移速度或迁移率会因杂质散射而降低，而高场下的漂移速度与掺杂基本无关，达到饱和值。
图1
图2
如图2所示，当太阳光入射到太阳能电池的表面时，随着入射光透散射进电池表面的距离增加时，载流子的迁移率会迅速增加，当增加到一定值时载流子迁移率不再增加，即电路中电子-空穴对处于平衡状态，从而降低了发射极表面的复合速率，使电压达到饱和。利用PC1D的仿真结果表明，只有当入射光散射进表面的距离为2.7um左右，受主掺杂浓度在1020cm-3时，才能使短路电流和开路电压达到相应的最高值，由：可知，太阳能电池的效率才能够达到更高。
参考文献
[1]Jianhua Z，Aihua W，Green M A.24.5% efficiency siliconPERT cells on MCZ substrates and 24.7% efficiency PERL cells on FZ substrates[J]. Progress in Photov.：Research and Appl.，1999，7：471-474.
[2]周继承，李斐等.铝背场对单晶硅太阳能电池输出特性的影响[J].光电器件，2009，30（6）：838-841.
[3]闫丽，高华.PC1D方法对铝背场钝化技术的分析[J].光电技术应用，2011（04）：15-18.
[4]张超，陈学康等.石墨烯太阳能电池透明电极的可行性分析[J].真空与低温，2012，18（3）：160-166.
[5]任丙彦，王敏花等.AFORS-HET软件模拟N型非晶体/p型晶体硅异质结太阳电池[J].太阳能学报，2008，29（2）：125-129.
[6]程雪梅，孟凡英等.p型晶体硅异质结太阳电池光电特性模拟研究[J].太阳能学报，2012，33（9）：1474-1479.
[7]林明献.太阳能电池新技术[M].北京，科学出版社，2012.
[8]徐耀敏.高转换效率太阳能电池仿真设计[D].武汉：武汉理工大学，2010.