半导体材料与技术范文
时间：2023-11-14 17:54:17
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关键词：半导体，超晶格，集成电路，电子器件
1.半导体材料的概念与特性
当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用，这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，在某些情形下具有导体的性质。半导体材料广泛的应用源于它们独特的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质参入对半导体的性质起着决定性的作用，它们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作出各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷器等；半导体基片可以实现元器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路。这种种特性使得半导体获得各种各样的用途，在科技的发展和人们的生活中都起到十分重要的作用。
2.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，也拥有着一段长久的历史。在20世纪初期，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，使半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生长技术的开发和集成电路的发明，使得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，固溶体半导体材料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究成功，使得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，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。
3.各类半导体材料的介绍与应用
半导体材料多种多样，要对其进一步的学习，我们需要从不同的类别来认识和探究。通常半导体材料分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、有机半导体、超晶格半导体材料。不同的半导体材料拥有着独自的特点，在它们适用的领域都起到重要的作用。
3.1元素半导体材料
元素半导体材料是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和锗为典型。硅在在地壳中的含量较为丰富，约占25%，仅次于氧气。硅在当前的应用相当广泛，它不仅是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上元件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中于制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他器件如探测器，也具备着许多的优点，广泛的应用于多个领域。
3.2化合物半导体材料
通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构的半导体性质。化合物半导体材料种类繁多，按元素在元素周期表族来分类，分为三五族（如砷化镓、磷化铟等），二六族（如硒化锌），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池、光电器件、超高速器件、微波等领域占据重要的位置，且不同种类具有不同的性质，也得到不同的应用。。
3.3固溶体半导体材料
固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶体半导体或者合金半导体。随着每种成分在固溶体中所占百分比（X值）在一定范围内连续地改变，固溶体半导体材料的各种性质（尤其是禁带宽度）将会连续地改变，但这种变化不会引起原来半导体材料的晶格发生变化.利用固溶体半导体这种特性可以得到多种性能的材料。
3.4非晶半导体材料
非晶半导体材料是具有半导体特性的非晶体组成的材料，如α-硅、α-锗、α-砷化镓、α-硫化砷、α-硒等。。这类材料，原子排列短程有序，长程无序，又称无定形半导体，部分称作玻璃半导体。非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸发或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器、太阳能电池薄膜晶体管等非晶半导体器件。
3.5有机半导体材料
有机半导体是导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm的负一次方范围内的有机物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物等.其中聚丙烯腈等有机高分子半导体又称塑料半导体。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。相比于硅电子产品，有机半导体芯片等产品的生产能力较差，但是拥有加工处理更方便、结实耐用、成本低廉的独特优点。目前，有机半导体材料及器件已广泛应用于手机，笔记本电脑，数码相机，有机太阳能电池等方面。
3.6超晶格微结构半导体材料
超晶格微结构半导体材料是指按所需特性设计的能带结构，用分子束外延或金属有机化学气相沉积等超薄层生产技术制造出来的具有各种特异性能的超薄膜多层结构材料。由于载流子在超晶格微结构半导体中的特殊运动，使得其出现许多新的物理特性并以此开发了新一代半导体技术。。当前，对超晶格微结构半导体材料的研究和应用依然在研究之中，它的发展将不断推动许多领域的提高和进步。
4.半导体材料的发展方向
随着信息技术的快速发展和各种电子器件、产品等要求不断的提高，半导体材料在未来的发展中依然起着重要的作用。在经过以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料发展历程后，第三代半导体材料的成为了当前的研究热点。我们应当在兼顾第一代和第二代半导体发展的同时，加速发展第三代半导体材料。目前的半导体材料整体朝着高完整性、高均匀性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向迈进。随着微电子时代向光电子时代逐渐过渡，我们需要进一步提高半导体技术和产业的研究，开创出半导体材料的新领域。相信不久的将来，通过各种半导体材料的不断探究和应用，我们的科技、产品、生活等方面定能得到巨大的提高和发展！
参考文献
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关键词：半导体制冷 研究现状 制冷效率 应用与前景
引 言
随着经济的发展，全球能耗剧增，能源资源几近危机，想要降低能耗，实现可持续发展，研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷起源于20世纪50年代，由于它结构简单、通电制冷迅速，受到家电厂家的青睐。但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来，科学技术迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显现出来，广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。
1、半导体制冷国内外研究现状
从国内外文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随着半导体物理学的发展， 前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半导体材料 ， 有良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重视， 开启了半导体材料的新篇章， 各国的研究学者均致力于寻找新的半导体材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体材料系数2.4。宜向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细的分析。指出半导体材料的优值系数除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关， 不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸， 只有符合最优尺寸才能获得最大优值系数的半导体制冷器。
2、半导体制冷的工作原理
半导体制冷又称热电制冷，系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型半导体元件和N型半导体元件构成热电对，热电对两端均有金属片导流条。如图1所示：当电流流经热电对时，就会发射帕尔贴效应，电流在上端由N流向P，温度降低形成冷端，从外界吸热；电流在下端有P流向N，温度升高形成热端，向外界放热。
3、半导体制冷效率的影响因素
半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应， 还要考虑多种因素， 同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的， 不是独立的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点， 但也面临诸多难点，其中影响其制冷效率主要有两个基本因素：
（1） 半导体材料优值系数Z
半导体制冷的核心部件是热电堆，热电堆的半导体制冷材料热电转换效率不高，是半导体制冷空调器效率较低的主要原因。决定热电材料性能优劣的是优值系数Z 。若要半导体制冷效率达到机械制冷效率水平，制冷材料优值系数必须从3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如图2 给出了不同优值Z时，半导体制冷与机械式制冷制冷系数的比较结果。
（2） 半导体制冷装置热端散热效果的影响。
热电堆热端的散热效果是影响热电堆性能的重要因素。实际应用的半导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。而热端散热比冷端更为关键，如若设制冷器冷端散热量为Q1，热端散热量为Q2，系统工作消耗的电功为W0。
显然，Q2=Q1+W0
4、提高半导体制冷效率的途径
制冷效率低成为半导体制冷最大的不足，这限制了半导体制冷的推广和应用。为了提高半导体制冷的效率，就要从上文所介绍的两个影响因素入手，找出有效的解决方法。
（1）寻找高优值系数Z的半导体材料：研制功能性非均质材料、方钴矿的研究、带量子空穴的超晶格研究。
（2）优化设计半导体制冷热端散热系统，以保证热端的散热处于良好的状态。
5、半导体制冷应用与前景
随着低温电子学得到迅速的发展， 在多种元器件和设备冷却上， 半导体制冷有独特的作用。 采用半导体制冷技术， 对电子元件进行冷却， 能有效改善其参数的稳定性， 或使信噪比得到改善， 从而提高放大和测量装置的灵敏度和准确度。 半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷却电子器件和设备。
为了解决石油资源匮乏的问题，部分车辆使用天然气、乙醇作为燃料，但与使用汽油相比，汽车空调运行比较困难。半导体制冷空调冷热一体，独立运行，可直接利用车辆直流电源，因而系统简单，且与车辆具有很好的兼容性，因此半导体制冷在汽车领域内有较好的发展前景。
千瓦级以上的半导体制冷空调成本比压缩制冷空调成本要高的多。但百瓦级的小型空调装置的成本与压缩制冷空调的成本相差不大，且无制冷剂、调控方便、无噪音等特点，用于某些特殊的小型空间非常方便；而十瓦级的微型空调装置的成本则远低于压缩制冷装置，在电子设备冷却、局部微环境温度控制方面，具备压缩制冷装置无法替代的优势，使中小型半导体制冷空调器进入民用领域成为可能。
在半导体制冷技术的应用中，需要因地制宜，根据不用的使用要求，设计出不用的性能，以拓展该技术的应用领域，可以坚信，半导体制冷技术的未来会发展得越来越好，越来越广。■
参考文献
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1月，奥巴马宣布在北卡罗来纳州成立电力电子半导体先进制造业创新中心。2月奥巴马宣布，在底特律成立轻型金属材料先进制造业创新中心，在芝加哥成立数码科技和数据管理技术先进制造业创新中心。至此，连同2012年8月在俄亥俄州成立的增量制造（3D打印）先进制造业创新中心，美国已拥有4家国家级先进制造业创新中心。美国奥巴马政府2013年提出要成立15所国家级先进制造业创新中心，预计今年还会成立更多的美国国家级先进制造业创新中心。
国家先进制造创新中心的设想源于美国智库布鲁金斯学会“先进工业系列”研究项目。该研究指出，先进制造业事关国家长远竞争力，是一个国家最具战略性的创新，是发达国家经济发展的原动机。研究确定了先进制造业所涉及的17个领域，提出了以国家投资牵引，政府部门内部竞标，民间机构一比一资金配套，组建“国家先进制造业创新中心”的基本模式。
美国媒体指出，“国家先进制造业创新中心”是德国模式的美国翻版，德国已建成60余所此类中心。奥巴马在2013年宣布“国家先进制造业创新中心”计划时称，设立先进制造业创新中心，是学习德国经验，扶持美国制造业和鼓励企业在本土投资。中心将把公司、大学、其他学术与培训实体与联邦机构聚在一起，共同投资技术领域，促进在美国的投资和生产。他说，“我不希望下一个能创造许多就业的重大发现、研究和技术落入德国、中国或日本手里。我希望它发生在美国。”
以最早成立的增量制造创新中心为例，成立时政府投入3000万美元，民间机构投资3900万美元。民间机构包括80家公司、9所研究性大学、6个社区学院和18个非赢利机构。大学和制造商团队将携手开发3D打印程序的新工具、新用途和新理解。其中一个获得资金支持的项目是与洛克希勒·马丁等巨头共同研发航空、医疗等领域零部件的3D打印制造。
电力电子半导体先进制造业创新中心整合了18家公司、6所大学和联邦政府机构的力量。轻质金属材料先进制造创新中心由60个世界领先的高强度钢材制造厂商、大学和实验室组成。数码科技和数据管理技术先进制造业创新中心由73个企业、大学、非盈利组织和试验室组成。
必须指出，美国“国家先进制造业创新中心”均定位在制造业的最高端。以电力电子半导体先进制造业创新中心为例，就定位在处于最前沿的第三代半导材料领域。
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【关键词】电子信息材料；低碳经济；发展应用；集成电路和半导体材料
进入新世纪以后，节能环保的概念开始在全世界范围内普及，作为低碳环保的一项有效途径，低碳经济的发展可以有效地促进整个社会的节能环保活动。低碳经济指的就是依托于低能耗、低污染、低排放的“三低要求”来作为核心的节能环保经济模式，这是人类文明的又一伟大壮举。目前，我国在“可持续发展”的理念的指导下，在社会中大力采用“低碳经济”的生产模式，成功的实现了经济效益和环保效益的双丰收。众所周知，二十一世纪是电子信息的时代，人类社会对电子信息材料的需求量也是与日俱增，如何有效的实现电子信息材料的低碳经济，已经成为了电子信息行业发展的一项重大课题。
一、简要介绍各种可以用于低碳经济发展模式的电子信息材料
目前，在世界的电子信息行业里面，可以用来作为电子信息材料的主要材料有以下几种：光电子材料、纳米材料、宽禁半导体材料等等。目前，为了响应电子信息材料的低碳经济发展，可以根据这些原料的特性研制出以下这些电子信息材料：
1、电子信息材料中的光电子材料
电子信息材料的光电子材料主要指的是液晶材料。目前，液晶材料已经在电子信息行业得到了广泛应用，在电子信息行业里面，液晶材料绝大部分被应用于电子显示屏等高新技术范围之内。液晶材料的特性之一便是“光线扭曲向列型”，这种特性可以使液晶材料在有电流经过的时候通过对电流的改变来实现对电子显示屏上面的液晶序列的排列顺序的改变。与此同时，再有电流经过电子显示屏的液晶材料的时候，外面的光线是不能够直接穿过电子显示屏的液晶材料的，这就使得液晶材料有成为低碳经济的特性。与传统的其他电子显示屏材料相比，液晶材料具有很多优良的特性，液晶材料的能耗低已经精确的准确性以及迅捷的反应，再加上柔和的调色功能。除此之外，液晶材料还是一种很有效的非线性光学材料，液晶材料的状态一般是维持在软凝聚的状态。因此，液晶材料可以有效地实现光折变效应，可以在电子仪器在很低的电流供应下，发挥出强劲的性能，具有很高的开发潜力。另外，根据光学原理之中的光的干涉效应，可以利用光线对液晶材料的干涉作用，使得液晶材料在反射类的光学器件里面得到广泛的应用。综上所述，一系列优良的特性使得液晶材料已经逐步成为应用最广泛的电子显示屏使用材料。
2、电子信息材料中的集成电路和半导体材料
目前，世界上的电子信息材料中的集成电路和半导体材料的最基础的原材料大部分都是多晶硅原料，目前最广泛采用的制作电子信息材料中的集成电路和半导体材料的技术则是经过改进的西门子法。经过改良的西门子法制作多晶硅材料的集成电路和半导体材料的原理如下所述：使用盐酸和工业使用的纯硅粉在一个规定的温度之下发生合成反应，最终生成三氯氢硅材料，然后再采用分离精馏的手段，对已经制得的三氯氢硅材料进行进一步的分离提纯工作，最后把提纯后的三氯氢硅放置进入氢还原仪器里面经行相关反应操作，最后制得高纯度的多晶硅，再进一步加工就成为了日常所使用的电子信息材料中的集成电路和半导体材料。
通过改良的西门子法提炼出来的电子信息材料中的集成电路和半导体可以有效地改进目前国际上的光伏零件问题。
二、简述电子信息材料在低碳经济中的发展应用思路
目前，根据节能环保和低碳经济的相关要求，电子信息材料在低碳经济中的发展应用的主体模式应当找寻出新型的发展趋势，其总体趋势应当是朝向电子信息材料的尺寸扩大化、电子零部件的智能化设计、电子材料的多功能作用趋势、电子材料功能的高度集中化的趋势发展。
1、发展集成电路类的电子信息材料
随着电子科学与技术的不断增长，目前的半导体材料和集成电路的主要材料已经成为了环氧模塑料，通过这样的原材料设计，可以有效地使得电子信息材料可以满足低碳经济的节能环保的要求。
2、发展光电子材料类的电子信息材料
随着电子科学与技术的不断增长，作为一种非常有效的信息传输类型的电子信息材料，光电子材料在近几年来得到了快速发展的机会，这将很有效使得电子信息材料可以满足低碳经济之中电子材料的多功能作用趋势、电子材料功能的高度集中化的要求。
3、发展新型元器件材料类的电子信息材料
随着电子科学与技术的不断增长，作为一种非常有效的降低环境污染，并可以有效的降低电子信息材料能量消耗的材料，新型元器件材料正在逐渐成为电子信息材料的重点研究项目之一，其可以有效的满足电子信息材料发展的电子信息材料的尺寸扩大化、电子零部件的智能化设计要求。
三、结语
目前，电子信息材料的低碳发展已经成为了电子信息行业要攻克的主要课题之一，随着科学技术的不断发展，越来越多的电子信息材料已经可以很好的完成节能环保的要求。在本文中，笔者将结合对低碳经济概念的解读，并简要的描述了几种新型的节能环保的电子信息材料，并通过这样的方式，具体的谈了谈研究了电子信息材料在低碳经济中的发展应用思路。但是，由于本人的知识水平有限，因此，本文如有不到之处，还望不吝指正。
参考文献：
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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。
篇6
LED是Light Emitting Diode的缩写，中文意思为“发光二极管”，这是一种特殊的半导体二极管，可以把电能转化成光能。LED光源与白炽灯具有不同的发光原理，具有许多极其优秀的品质。与普通二极管一样，LED也是由一个PN结（即一块半导体一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体）组成的，也具有单向导电性。当给LED加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN接面附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，从而产生自发辐射的荧光。优质LED灯的能耗可以降低至普通白炽灯的1/20以下，而其耐久度分别为荧光灯和白炽灯的10倍和100倍，并且照明效果更加稳定可靠。因此，LED光源以其节能环保、经久耐用而独领，大有成为21世纪照明“主角”之势。
被尘封的历史故事
LED的发明经历了一个极其艰难的过程。1907年，英国马可尼实验室的科学家在一块金刚砂上观测到了电致发光现象，金刚砂的主要成分为碳化硅。不过，由于无机半导体发出的黄光太过暗淡，研究者因此没有把试验继续进行下去。1920年，德国科学家进行了硫化锌的电致发光试验，但最后也因发出的光太过暗淡而再次被搁置下来。
电致发光又被称为场致发光，是电能直接转换为光能的一类发光现象。半导体PN结在一定条件下的电致发光，是发明发光二极管的物理基础。尽管在20世纪初对半导体PN结电致发光原理的阐释还没有取得重大突破，但是科学家并没有因为困难和失败而停止探索的脚步。在世界上第一个发红光的发光二极管诞生之前，不同国别的科学家用各自不同的方式探索着同样一个主题，那就是半导体PN结电致发光现象。
大约在1927年前后，苏联科学家奥列格・洛谢夫曾独立制成了世界上第一个发光二极管，但其成果并没有引起人们的注意。更不幸的是，他于1942年过早地离开了人世，使得他发明发光二极管的故事渐渐地被历史淡忘了。
1955年，美国无线电公司的科学家布朗斯坦首次发现了砷化镓及其他半导体材料的红外放射作用，并在物理上实现了二极管的发光，不过发出的光不是可见光而是红外光。1961年，美国德州仪器公司的科学家布莱德和皮特曼发现，砷化镓在施加电子流时会释放出红外光辐射，从而率先生产出了具有商业用途的红外发光二极管，并获得了砷化镓红外发光二极管的发明专利。
此后，红外发光二极管就被广泛应用于传感及光电设备当中，从而为电子工业增添了活力。红外发光二极管作为一种把电能直接转换成红外光能的发光器件，在今天仍然具有极其重要的应用。比如，在电视机、录像机、影碟机、空调器等各类红外遥控系统中，红外发光二极管就是一个不可或缺的电子器件。
从碳化硅到硫化锌，从硫化锌再到砷化镓……实验证明，改变半导体材料的化学组成成分，可以让其在电致发光时发出不同的光来。不过，此前电致发光发出的都是不可见光。从照明的角度来说，具有实用意义的发光二极管应当能够发射可见光。因此，为了实现这个目标，还需要技术上的突破。
砷化镓与神奇红光
1962年，通用电气公司的尼克・何伦亚克开发出世界上第一个发出红色可见光的发光二极管，此前，他曾在美国贝尔实验室从事研究工作。何伦亚克当时使用的半导体材料是磷砷化镓，发出的可见光波长为650纳米，表现为神奇的红光。何伦亚克认为，发光二极管是一种很有发展前途的新型电光源，因此他断言未来的照明及显示领域将是发光二极管的天下。
何伦亚克不仅发明了发红光的二极管，而且还发明了可以调节光强的调光器，何伦亚克因此被誉为“可见光LED之父”，并获得了许多国家的科技大奖。无缘2014年诺贝尔物理学奖，令他自己与业内一些人士颇感不平。
1963年，何伦亚克离开通用电气公司，出任其母校美国伊利诺大学电机工程系教授，此后发明了世界上第一个发红光的半导体激光器。这种激光器目前仍然是CD、DVD、激光打印机和复印机的关键部件。何伦亚克预测，未来的发光二极管将会发出其他波长的光，因此呈现出多种不同的颜色来。
从人类第一个具有实用意义的红外发光二极管的诞生，到第一个红色可见光发光二极管的发明，新型半导体材料砷化镓都扮演了重要的角色。砷化镓是继硅半导体材料之后的又一个应用最为广泛的半导体材料，不仅是光电子器件的制造材料，而且在微电子技术方面也具有重要的应用。那么，你知道砷化镓具有哪些神奇的魔力吗？
砷化镓最大的特点是具有很好的光电性能，即在光照或外加电场的条件下，电子激发可以释放出光能来，并且其光发射效率也要比其他半导体材料高一些，因此用作发光二极管的材料具有多方面的优势。与其他半导体材料一样，砷化镓对于杂质元素也是十分敏感的。因此，能否确保砷化镓准确的化学配比，将直接影响砷化镓材料的电学性能。此外，砷化镓在高温下容易分解，因此要制备出具有理想化学配比的高纯单晶材料，在技术和工艺上具有非常高的要求。在地面上制备的砷化镓单晶材料，由于受到地球重力的影响，产品存在着均匀性差、缺陷多、纯度低、不稳定等诸多缺陷。为此，我国曾在人造卫星上利用微重力条件，进行了砷化镓单晶的生长试验，使得制备出的砷化镓单晶没有杂质条纹、材料均匀性好、缺陷少，整体性能有很大的提高。
磷化镓的“绿光缘”
人类历史上第一个商用红光发光二极管，是采用镓、砷、磷3种元素组成的半导体材料制成的，因此又被称为三元素发光二极管。例如，在红光发光二极管中，是采用砷化镓作为基板，并以磷元素取代部分砷元素。与砷化镓一样，磷化镓同样在光电技术领域占有重要的地位。用磷化镓制成的发光二极管可以发出绿色的光，因此具有重要的应用价值。从理论上来说，采用三元素材料结构，可以生产出从红外光到绿色光范围内的任何波长的发光二极管。
1972年，何伦亚克的学生克劳福德以磷化镓为基板开发出了世界上第一个发橙黄光的发光二极管，其亮度是何伦亚克发明的红光二极管的10倍，标志着发光二极管向着提高发光效率的方向迈出了坚实的一步。如何进一步提高发光二极管的发光效率，是当时科学家研究的重点之一。
科学家发现，铝的引入有助于消除磷化镓和磷砷化镓的缺点，从而提高发光二极管的发光效率。由于铝的加入改善了与砷化镓基板的晶格匹配等多种原因，因而提高了其发光效率。在20世纪80年代，砷化铝镓的应用导致了第一代高亮度发光二极管的诞生。20世纪90年代初，四元素半导体材料磷化铝镓铟的采用，使得发光二极管的发光效率有了更大的提高。磷化铝镓铟属于直接带隙半导体，即可以直接复合把能量几乎全部以光的形式释放出来，因此具有很高的发光效率。用磷化铝镓铟制成的超高亮度红色、橙色、黄色和绿色发光二极管，可以应用于户外显示领域。
“蓝色魔光”的召唤
高效节能的LED能否用于普通照明呢？其关键取决于能否制造出白色发光二级管。然而，在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白色光不是单色光，而是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等多种单色光合成的复合光。
如果要使LED发出白光来，根据物理学的研究成果，至少需要两种单色光的混合，即通过二波长发光（蓝色光+黄色光）或三波长发光（蓝色光+绿色光+红色光）的模式才能得到白色光。这两种模式都需要蓝色光的参与，所以开发出能发蓝色光的发光二极管具有十分重要的意义。
20世纪70年代，发光二极管已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色，一旦攻克蓝光二极管这个堡垒，白光半导体照明的新时代就有可能来临。
其实在20世纪70年代初，世界范围内就已掀起了一场研究氮化镓的热潮，并寄希望利用它来开发出蓝光二极管。然而，根据当时的工艺技术水平，要制造出具有这种性能的LED几乎是不可能的，故到了20世纪70年代末，大多数科学家都放弃了该项研究。但是，日本名古屋大学教授赤崎勇在失败面前没有放弃对蓝光LED的研究，并最终为利用氮化镓材料制造蓝光二极管奠定了基础。1981年，他研制成功了PN接面的氮化镓发光二极管，不过其亮度很小。
1982年，天野浩作为一名本科生加入到赤崎勇的研究小组，从此开始了蓝光LED材料的研究。赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行的蓝光LED基础性研发取得了重要成就，并于1989年首次研发成功了蓝光LED。
1988年，日本日亚公司的一名普通职员冒然闯进董事长的办公室，提出要开发氮化镓蓝光发光二极管，董事长当即决定资助他500万美元予以支持。这个普通职员就是中村修二，后来被人们誉为“蓝光发光二极管之父”。
21世纪的“魔法石”
一般的半导体发光二极管，多以Ⅲ～Ⅴ或Ⅱ～Ⅵ族半导体元素为材料。那为什么科学家要选择氮化镓半导体材料呢？原来，氮化镓这种无色透明晶体有立方晶系和六方晶系两种晶型，二者均为直接跃迁型能带，是Ⅲ～Ⅴ族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料。
在当时，活跃在蓝光二极管研究领域的科学家可谓是高手如云，中村修二这个不知天高地厚的毛头小伙能行吗？1989年，中村修二另辟蹊径，要走一条别人没有走过的道路。他在没有实验员和助手的条件下，采用独特的工艺技术路线，经过短短4年的时间就解决了蓝光二极管研究领域的两大材料制备工艺难题：一是高质量氮化镓薄膜的生长，另一个则是氮化镓空穴导电的调控。
篇7
关键词：电子材料与元器件;教学内容;教学方法
中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2016）41-0090-02
一、电子材料与元器件课程简介
电子材料与元器件课程是电子科学与技术专业的基础性课程，是后续专业课的学习基础。进入21世纪后，随着以集成电路技术为基石的电子信息技术的加速发展，各类电子器件及系统都在朝着小型化、集成化的方向发展，而其中的集成化不仅意味着要尽可能地实现系统中电路的单芯片集成，而且要实现将包括声、光、电、磁等物理量感知的传感器集成在系统中，实现多功能集成[1]。
处于电子科学与技术产业链前端的电子材料与元器件是众多核心基础产业的重要组成部分，是计算机网络、通讯、数字音频等系统和相关产品发展的基础[2]。
二、电信学院电子材料与元器件课程参考教材内容的选取
我院电子科学与技术本科专业，采用科学出版社出版、王巍主编的，普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材《现代电子材料与元器件》作为“电子材料与元器件”课程的主要参考教材，其内容涵盖了电子信息技术中的主要电子材料与器件类型。笔者结合国内外研究动态、应用前景及发展趋势，并考虑我院微电子教研室及教师的研究特长以及电子科学与技术专业毕业生就业需求等多方面因素，对授课内容进行了适当的增减。
1.增强半导体材料内容。半导体材料是集成电路的基础，在信息的存储、传输、加工处理和显示方面都有重要的应用[1]。笔者授课过程中除了介绍半导体材料结构、性质、制备工艺方法外，还增加了有机半导体材料、液晶材料等相关内容，为集成电路的设计与制造、发光显示储备了扎实的半导体材料基础知识。
2.增强光电子材料与器件内容。授课时，详细介绍了光纤材料、激光材料与器件，还增加了半导体中光吸收及光电效应基础知识、光电导效应型与光伏效应型光敏器件相关内容。
3.增强敏感陶瓷材料与器件内容。除了讲解常见敏感陶瓷器件特性及应用外，增加了各种敏感器件结构、制作工艺和ZnO、SnO2等无机敏感陶瓷材料和有机敏感材料的制备方法、工艺等内容，为信息技术中传感器的设计与制作奠定扎实的基础。
4.增加了化合物晶体缺陷化学内容。鉴于我校电子科学与技术相关教师在传感器、光电、太阳能电池等方面的研究，以及国内外对于高性能敏感陶瓷材料与器件和太阳能电池等涉及到新能源材料与器件方面的迫切需求，结合笔者在纳米半导体材料与器件方面的研究，授课中增加了缺陷化学表示方法、晶体中缺陷平衡、杂质对晶体中缺陷平衡影响、晶体中点缺陷扩散与分布等相关内容。为敏感陶瓷材料制备，太阳能电池材料制备奠定良好的基础。
5.弱化磁性材料与器件内容。考虑到磁性材料的独特性，授课时只讲述磁性材料特性、应用，对于磁性元器件内容采用学生自学的方式。
三、课程教学方法改进
1.课堂讲授与研讨并行。该课程采取课堂讲授与研讨并行，学习与研讨相结合的教学方法，提倡教师与学生、学生与学生研讨问题，从而提高学生对于汲取、创造知识的兴趣。通过研讨启发学生的创新思维，使整个课堂教学成为教师为辅、学生为主，教师与学生、学生与学生互动的网状结构[3]。
研讨的内容可以为教师拟题，学生自选。采取分组讨论，并且每一组派代表到讲台上进行相应内容的讲解，所有学生进行讨论。从而促使学生主动出击去学习、解决相关问题，最终实现教师传授、学生自学研究、教师与学生相互解惑的教学模式。
2.与实验中心“联动教学”机制。我院传统课程讲授往往局限于普通的多媒体教室，学生无论是听取教师传授还是互动研讨都是凭空进行学习和理解。笔者讲授该课程是采取与实验中心“联动教学”模式，使传统的课堂讲授与研讨“搬入”实验中心相关实验室进行，学生在真实接触电子材料的制备和元器件制作的过程中，更加深入地理解所学的知识，并能够更好地启发并锻炼学生提出问题、分析研讨问题、解决问题的能力。该课程的讲授采取二分之一学时分配机制，即：一半学时在普通多媒体教室进行;一半学时在相应电子材料与元器件实验室“联动教学”进行。
3.多媒体教学与实验教学相辅相成。多媒体教学是指采用计算机和视频技术相结合的一种教学方式，与传统的教学方式不同，它有其自身鲜明的特色，如信息量输入紧凑、量多、质高，文字图像清晰直观、风格多样，内容丰富等等[4]。电子材料与元器件课程教学中，采用多媒体教学能丰富多彩地演示各种元器件结构、半导体材料的制备工艺等相应的教学内容。并且在教学过程中辅以相关的视频，让学生更加清楚地了解电子材料制备、元器件制作相关设备，更清楚地理解相应的原理。并且安排相应的配套实验，让学生真正能动手接触实物，不但可增强学生学习本课程的兴趣，而且可以提高学生对电子材料及元器件实体的感性认识，达到理论与实践相结合的目的。
4.理论考试与科学研究相结合。素质教育的电子材料与元器件课程学生评价机制应该区别于传统的仅考试评价方式，教师应将学生的平时表现、理论基础知识掌握、实践动手能力、科学研究（综合训练项目）等纳入对学生的评价体系中。课程考核除了前面提到的配套实验外，还包括平时表现、考试和综合训练情况。考试是检验学生对电子材料与元器件课程基础知识掌握程度的手段，但不宜开发学生自身科学研究的潜力，有时更无法判别学生对所学知识是死记硬背还是融会贯通。我院本课程实施过程中要进行综合训练项目，即通过分组开展综合训练题目（题目可以是教师提出，也可根据自身知识储备自拟），进行电子材料或元器件相关设计，最终形成综合训练报告，并且所做设计要分组在课堂上进行展示讲解和讨论。
5.学生对该课程授课的评价。虽然教师在进行课程设计过程中可提出一些创新性的方式方法，但毕竟只是从教师的角度去设计课程。我院在面向每一届电子科学与技术专业学生开设电子材料与元器件课程后，开展学生对本课程讲授内容、授课方式方法等的意见和建议的活动，并形成书面意见书存档。从学生角度了解学生各方面的需求，集思广益发挥学生对于本课程创新性的教学方式方法。
四、结语
本文通过对电子科学与技术专业特点以及电子材料与元器件课程性质及内容的分析，结合国内外研究动态、应用前景及发展趋势，并考虑教学单位及教师的研究特长以及电子科学与技术专业毕业生就业需求等多方面因素，对电子材料与元器件教学内容的选取、教学方式方法的改进等方面进行了改革。教学过程中增强了半导体材料、光电子材料与器件、敏感陶瓷材料与器件内容，增加了化合物晶体的缺陷化学的教学内容。对电子材料与元器件课程的教学方式方法提出了课堂讲授与研讨并行、与实验中心“联动教学”机制、多媒体教学与实验教学相辅相成、理论考试与科学研究相结合、学生对课程授课评价的改进，以便提高本课程的教学质量，提升本专业学生的专业素养。
参考文献：
[1]王巍，冯世娟，罗元.现代电子材料与元器件（第1版）[M].北京：科学出版社，2012.
[2]杨锋.浅谈电子材料与器件课程教学[J].北京：文理导航，2015，（4）.
[3]王春雨，王春青，张威，温广武.“电子材料”课程教学实践与提高措施探讨[J].石家庄：价值工程，（2010），14.
[4]于英霞，刘小敏，张益华，谢镭.多媒体教学在土木工程施工教学中的应用和实践[J].廊坊：廊坊师范学院学报（自然科学版），（2011），11（4）.
The Reform in Teaching of Electronic Materials and Component Course
ZHONG Tie-gang，JIANG Fang，ZHAO Wang
（College of Electronics and Information Engineering，Liaoning Technical University，Huludao，Liaoning 125105，China）
篇8
关键词：卟啉酞菁类化合物 自组装纳米结构 有机半导体特性
中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0095-02
自组装是一种较为复杂的分子之间的协同作用，该技术的主要内容为，在非共价键的相互之间的作用之下，分子会自发的形成一种结构，该种结构具有一定的有序性，分子在进行自组装的过程中，影响最终的组装效果既有分子自身性质等内在因素，也存在一定的外在因素的影响，如分子所处的环境中化学因素及物理因素的影响，不同结构的纳米结构能够应用于不同的领域。卟啉酞菁是一种共轭的大环体系，其结构非常的稳定，其稳定性远远高出了其他的有机半导体材料，这种半导体材料的应用前景越来越广泛，越来越多的研究人员开始投入到卟啉酞菁化合物的设计合成的研究中来，该文就将针对卟啉酞菁化合物的设计合成、自组装纳米结构及有机半导体特性进行简单的分析研究。
1 卟啉酞菁类化合物的自组装纳米结构的研究现状
在化学的研究中有一个重要的分支为超分子化学，其主要的研究内容是分子之间的化学键的研究及分子组装的研究，其最重要的几个特性表现为：自复制、自组织、自组装，当颗粒的尺寸处于一千纳米之内时，超分子的性质会发生非常显著的改变，这种性质在磁学性能、电学性能、光学性能、力学性能等领域具有非常鲜明的体现，由此而诞生了纳米化学，纳米技术是目前的研究中非常流行、应用广泛的技术，但是在纳米级尺寸的器件的制备过程中，其合成方法是较大的难题，分子的自组装技术逐渐引起人们的关注。
通过超分子的自组装技术，能够合成出各种结构复杂的纳米材料，根据其性能的不同，具有各种不同的用途，卟啉、酞菁类的化合物具有非常典型的大环共轭结构，广泛的应用于分子存储材料、分子磁体、有机场效应管、传感器、电子学等领域，根据各种卟啉酞菁类化合物的取代基的不同，可以采用不同的自组装方法得到各种不同的组装体，近年来，有很多研究，通过一定的纳米自组装技术将卟啉酞菁类化合物制备成各种不同的、有序的纳米结构，然后根据用途的不同将其制成各种纳米器件，这已经演变成为超分子化学研究过程中的一个重要的分支，为实际应用中的超分子聚集体的研究提供了更多的有力依据。
2 不对称的八取代酞菁自组装纳米结构的研究
2.1 酞菁分子的设计及合成
酞菁分子的结构时非常典型的共轭电子结构，分子之间主要存在的相互作用力是π-π作用力，想要调节这类化合物的分子之间的相互作用力，只需要在酞菁分子的引入适当的官能团，就能很好的解决这一问题，本次研究中，在酞菁分子的β位置引入二甲基氨基乙氧基，通过醋酸锌.2H2O及自由酞菁在DMF中进行回流反应能够得到锌酞菁Zn{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，标记为化合物1，，根据相关的文献能够制备得到自由酞菁H2{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，标记为化合物2，实验过程中通过柱层析进行反复的分离，能够得到元素的核磁、质谱、分析等结果。
2.2 酞菁自组装纳米结构的电子吸收光谱
通过实验发现，以上制备的两种化合物在氯仿中并没有发生聚集反应，自由酞菁存在着一个非常强的吸收带，表示为Q带，并且具有很好的C2h分子的对称性，锌酞菁的分子对称性与自由酞菁分子的对称性相比有一定程度的增加，变为D4h，两种化合物分散于氯仿中及甲醇中的吸收能力有一定的区别，由于分子之间强烈的相互作用，在组装体中形成了非常明显的宽锋，两种化合物分散与甲醇中形成的主要的吸收峰与分散于氯仿中的吸收峰相比，出现了蓝移现象，这主要是因为化合物分子之间所存在的强烈的π-π的相互作用，使化合物中形成了H型的面对面的聚集模式。
2.3 傅立叶变换的红外光谱表征
在自由酞菁的红外光谱中，自由酞菁中的吡咯环中的N-H键的收缩振动，表现为自由酞菁的吸收峰，在自由酞菁化合物的组装体中，侧链的二甲氨基乙氧基中的氮原子会与相邻的酞菁分子的中心的氢原子结合形成一个氢键，这会使伸缩振动峰在组装体中的作用变宽、变弱，使得其与水峰的重叠区域无法区分开来。在锌酞菁化合物中，其纳米结构的红外光谱中，其振动峰裂分为肩峰与主峰，这种现象表明，在其聚集体中存在着Zn-N的配位作用。
2.4 聚集体的形貌表征
为了得到酞菁化合物的聚集体的形成机理，在实验中，对不同聚集时间下的自由酞菁化合物的形貌进行了测试，将自由酞菁化合物注入到甲醇中，静置一个小时的时间，能够观察到大量的空心球状的聚集体，也含有少量的带状的聚集体，将其静置两个小时的时间，能够观察到大量的空心纳米管及螺旋状的纳米带，并且他们的螺旋角及螺距是不同的，在聚集刚刚开始时，聚集发生的最主要的驱动力为酞菁分子对甲醇疏溶剂的作用，所以会形成大量的空心球，而当N-H配位键形成之后，会形成平直的纳米带，纳米带的继续生长会产生倾斜的形变，纳米带会产生弯曲，这就形成了螺旋结构。将锌酞菁化合物置于甲醇中，经过分子的自组装作用，会形成多根一维的纳米线所组成的纳米束，通过分析得知，这些纳米束是由酞菁二聚体沿着纳米线的长轴的方向面对面的堆积而成的。
3 卟啉自组装微米管及其半导体特性的研究
随着第一根碳纳米管的制造，人们逐渐认识到其巨大的潜在价值，随后各种各样的微米管及纳米管被研究出来，制备纳米管的材料也开始变得多种多样，聚合物、无机物等材料都开始应用于纳米管的制造中，制造纳米管的方法也是多种多样的，在本次研究中，将自由卟啉采用自组装技术将其制备成微米级的树枝状的微米管及叶片状的聚集体，下面予以简单的分析。
3.1 电子光谱的吸收
通过实验发现，将自由卟啉放置于氯仿中，并没有发生聚集，这一特征是自由卟啉的典型特征，将其置于正己烷中，由于其分子的紧密排列，出现了明显的宽锋，而在氯仿中只出现了一个变宽的S带，在正己烷及氯仿的气氛中形成的聚集体表现出了一个变宽、裂分的S带，出现这种情况主要是因为相邻的卟啉之间有一定的激子耦合作用，在氯仿中形成的聚集体及在正己烷中形成的聚集体都出现了一定的红移现象，但是二者出现红移的程度是有一定的区别的，这说明在自由卟啉化合物的自组装过程中，形成聚集体的主要的推动作用是卟啉分子与溶剂之间的相互的作用。
3.2 聚集体的形貌表征
对化合物自组装所形成的聚集体的形貌进行观察时，采用扫描电竞来进行观察，将自由卟啉化合物分别置于正己烷气氛中、氯仿气氛中，所形成的的自组装聚集体具有不同的形貌，在氯仿气氛中主要形成方向一致的纳米管，这说明自由卟啉化合物的分子间的排列是有序的，这一特性非常适合应用于场效应晶体管及光电晶体管中，在正己烷气氛中，主要形成叶片状的纳米结构。
4 两亲性三层卟啉酞菁化合物的设计合成及其有机半导体特性的研究
自从第一次在有机场效应管中应用有机的半导体，已经在这方面取得了很大的进步，相比于无机的半导体材料，有机的光电设备具有柔软性好、成本低、轻便等诸多的优点，卟啉酞菁类化合物自身具有很好的电学性质及化学性质，很早就将其应用于有机的场效应晶体管材料的制造中，本次研究中主要阐述Eu2[Pc（15C5）4]2[T（C10H21）4P]标记为化合物1与Eu2[Pc（15C5）4]2[TPOPP]标记为化合物2，两种典型的两亲性的三层分子卟啉化合物的有机半导体特性。
通过实验得到两种化合物的红外光谱图，二者都出现吸收峰，可以认为是其侧链上的甲基上C-H对称弯曲所形成的的吸收峰，同时其C-O-C键的对称、不对称收缩都会形成相应的吸收峰。
本次实验中，以烷链作为疏水层，生成的两亲性三层三明治型的卟啉酞菁化合物，这是一种新型的有机半导体材料，用其LB膜所制成的场效应晶体管器件具有很好的迁移率，为设计、制造场效应晶体管器件的分子材料，提供了很好的依据。
5 结语
随着超分子化学、纳米科技的发展，越来越的研究将有机半导体分子的自组装特性应用于纳米材料、器件的制造中，该文中例举了几种典型的酞菁类化合物、卟啉类化合物、酞菁卟啉类化合物，对其基本的性能进行了简单的介绍，对于纳米材料及器件的研发、制造，有一定的参照作用。
参考文献
[1] 高颖宁.卟啉酞菁类化合物的设计合成及性质与自组装纳米结构[D].山东大学：无机化学，2010.
篇9
关键词：graphene, 石墨烯， 单原子石墨膜， 新型材料
中图分类号：N04；O47；H059 文献标识码：A 文章编号：1673-8578(2012)01-0036-05
Novel Material―Graphene
QIAN Jiajun
Abstract：Graphene is a two-dimensional material, merely one atom thick sheet of carbon arranged laterally in a honeycomb lattice. Its π-valence band and π*-conduction band touch at two in-equivalent points in the honeycomb lattice Brillouin zone. In graphene, charge carriers exhibit giant intrinsic mobility and can travel ballistically over submicrons without scattering at room temperature. It is the thinnest electronic material and can be used to enable transistors operating at very high frequencies. This review analyzes trends in graphene research and applications, and attempts to identify future directions.
Keywords：graphene，novel material，one-atom thick sheet of carbon
引 言
2010年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖项，授予在英国曼彻斯特大学任教的两位俄罗斯裔科学家：安德列•吉姆（Andre Geim 荷兰籍，时年51岁)和康斯坦丁•诺沃塞洛夫（Konstatin Novoselov 英国籍，时年36岁)，以奖励他们在新颖材料graphene方面杰出的先驱性实验物理研究。这种新型材料，实际上是透明的，比金刚石还硬，是世界上最薄和最硬的电子材料，具有超强的导电性能和导热性能，可承受电流密度比铜高六个数量级，有可能用于制备透明触摸屏、平板阅读器、太阳能电池、复合材料、贮氢材料以及运算速度极快的超级计算机等。尽管这种材料出现的时间很短，却显现出极其丰富的物理现象和潜在的应用前景。
然而，在有关这种新型材料的报道中，一些文献与媒体将graphene一词译作“石墨烯”。虽然，按化学名词的惯例，将英文词根graphite(石墨) + ene (烯类化合物的结尾)，从字面上直译为“石墨烯”是符合一般化学译名法的，但笔者认为，如此译法不准确，容易引起混淆，值得商榷。
正如前面已经指出的，graphene 来源于英文graphite，因此中文译名中保留“石墨”这个词根是恰当的，问题是出在后面的“烯”字上。按照《新华词典》的解释［1］，“烯”是分子中含有碳-碳双键的烃类化合物的总称；而“烃”则是由碳和氢两种元素组成的有机化合物。这就是说，“烯”包含几个要素，其一是它必须是碳氢化合物；其二是它必须含有碳-碳双键；第三，它的分子结构是链状。再来看新材料graphene, 其中既没有氢元素，也不包含碳-碳双键，而且分子结构是按单键蜂房结构密集排列的，因此，把它译成“石墨烯”，会使人误认为是某种碳氢化合物，引起概念上的混淆。
实际上，在两位诺奖得主的原始文献［2-3］中，对graphene的定义很明确，就是按蜂房结构密集排列的单原子层碳薄膜，如图1a所示。换言之，graphene实际就是二维单原子层石墨薄膜。把这层石墨膜包围起来，可以构成一个零维的富勒球分子（图1b）；把单层（或多层）卷起来，则形成一维的碳纳米管（图1c）; 而把它们按三维堆积在一起，就构成了通常的体石墨（图1d）。所以，graphene材料实际就是各种碳基材料的最基本的组成原料。
由此看来，将graphene材料直译作“石墨烯”，虽然符合化学名词译法的惯例，但此种译法容易出现混淆。不如采取意译的方式，除保留“石墨”这个词根外，再加上“单原子层”的含义――即“单原子石墨膜”（简称石墨膜）为妥。本文将采用这一译名，对这种材料的能带结构、性能、可能的应用前景以及主要的制备方法做一简单介绍，以供参考。
一 单原子石墨膜能带结构及性质
单原子石墨膜（以下简称石墨膜），是碳原子在二维平面上按蜂房（苯环）结构密集排列的一层单原子碳薄膜。每个碳原子最外层4个电子，占据1个2s轨道和3个2p轨道。当碳原子彼此靠近形成单原子层碳晶格时，2s轨道与分子平面内的2个2p轨道重叠（sp2杂化），形成 σ-σ* 强共价键。此键十分坚固，把碳原子紧密地连接在一起，形成二维平面内的蜂房结构。此键对碳晶格的电导没有贡献。碳原子外层电子中剩下一个未成对的2p轨道，其方向垂直于分子平面，在形成碳晶格过程中，杂化形成π键（价带）和π*（导带）。导带与价带，在蜂房结构晶格布里渊区顶角的两个不等价点K和K’（称之为“狄拉克点”）相互接触。低能量能带结构，近似为K和K’点上的两个对顶角园锥（图2）。在狄拉克点附近，载流子能量色散关系是线性的，电子的动力学是按“相对论”处理。导带与价带的电子态具有相反的手征性（chirality）。当多数电子具有相同的手征性时，其相互作用能量降低。这点，与铁磁物质中大多数粒子具有相同自旋时，其相互作用能量降低类似。
由于石墨膜这种特殊的能带结构，使其载流子具有非常独特的物理性质。通常，在凝聚态物理中，采用薛定谔方程就足够描述材料体系的电学性质。例如，在典型的半导材料中，电子与空穴（荷正电载流子）分别占据导带和价带。导带和价带之间存在一个有限能量的带隙。载流子获得超过带隙的能量后，才能从价带跃迁到导带。电子与空穴的运动，符合一般粒子的运动规律：它们具有质量，当它们被加速时，其速度从零开始增加，而且它们的动能正比于其速度的平方。然而在石墨膜中，电子与空穴的行为完全不同于常规粒子运动规律：这里的电子与空穴具有一个恒定的速度VF (费米速度)，它不依赖于粒子运动的动能, 这一点类似于光子的行为，即光子总是以恒定光速c（约3×1010cm/s）运行。而在石墨膜中，电子与空穴的速度要比光速慢，大约是光速的1/300，即费米速度VF≈1×108cm/s。电子与空穴的运动规律不能再用薛定谔方程描述，而是要采用（2+1）维的狄拉克方程精确描述。这类准粒子称为无质量狄拉克-费米子。在形式上可以把它们看作是失去了静止质量（m0）的电子，或者是获得了电子电荷（e）的中微子。因此，实验研究石墨膜材料的电学性质，可以为从理论上探索量子电动力学（quantum electrodynamic, QED）现象开辟出一条实验研究的路径，这在基础科学研究中具有重要意义。
此外，石墨膜的特殊电子态结构，也极大地影响其中的量子输运现象。众所周知，当电子被限制在二维半导体材料中时，能够观察到量子力学增强输运现象，例如量子霍尔效应（quantum hall effect，QHE）：即在垂直于霍尔样品平面的磁场作用下，霍尔电导率（σxy）与载流子浓度（n）之间出现一系列等间距的导电率“平台”。与这些平台相对应，霍尔样品纵向的电阻率（ρxx），降低到近似为零的极小值。这个现象被称之为“量子霍尔效应”［4］。然而，对于通常的二维半导体系统，这些电导率平台与纵向电阻率极小值，是出现在传导量子（e2/h）（其中e为电子电荷，h为普朗克常数）为整数值（或分数值）的位置。对于石墨膜而言，这些平台和电阻率极小值是出现在传导量子为半整数值的位置上［3］（图3）。不仅如此，对于通常的二维半导体材料，只能在极低的温度下（例如液氦温度），才能观察到量子霍尔效应。但对于石墨膜，甚至在室温下，还能观察到这个现象［5］。这是因为在石墨膜中，载流子的行为如同一个无质量的相对论粒子（狄拉克-费米子），而且，即使在室温下，它们与声子的散射速率也是极低的缘故。
在石墨膜中，实验测量出的电子与空穴迁移率，在室温下均能超过1.5×104cm2/Vs( 4K下约为6×104cm2/Vs)。如此高的迁移率表明，载流子的运动主要是受杂质或缺陷的影响。因此，改善石墨膜晶格质量，预期迁移率或许可以达到 1.0×105cm2/Vs。虽然在所有半导体材料中，锑化铟(InSb)半导体材料具有最高的室温迁移率（7.7×104cm2/Vs），但该值是从未掺杂的高纯材料获得。一般来讲，其载流子浓度是非常低的。然而，在石墨膜中，即使在较高的载流子浓度下（n>1012/cm2），其迁移率（μ）仍然很高。换算成粒子的平均自由程长度在亚微米范围（约0.4μm）。也就是说，一个荷电载流子，大约要运行通过2800个原子间距之后才能被散射一次。这说明，在亚微米范围内，载流子实际上是弹道运行的。这种特性在高速高频碳基电子器件的实际应用中具有十分重要的意义。
二 单原子石墨膜的应用
石墨膜中载流子显示出极高的迁移率，其值不仅较硅（Si）大约100倍，比目前认为最高速材料――晶格匹配的磷化铟（InP）也高出大约10倍。因此特别适合于制备射频场效应晶体管（RF-FET）。研究者在一个2英寸的半绝缘高纯碳化硅（6H-SiC (0001)） 衬底的硅面上［6］，采用高温（1450℃）热退火方法，生长出石墨膜（单层或双层）材料。以氧化铪（HfO2）作为栅介质，制备成场效应器件，在2英寸的片子上，霍尔迁移率在900～1520cm2／Vs范围。载流子浓度约为3×1012/cm2,场效应晶体管的截止频率（f T）在射频（RF）范围。对于栅长240nm, fT高达100GHz。而同样栅长（240nm）的硅基金属氧化物――半导体场效应晶体管（MOSFET），其fT 约为40GHz ，仅为石墨膜器件的2/5。在超高频模拟晶体管器件方面，目前主要以砷化镓（GaAs）基器件为主，称之为高电子迁移率晶体管（HEMT）,应用在通讯技术领域。尽管采用石墨膜制备的高电子迁移率晶体管，其工作频率还不如砷化镓基器件，但从石墨膜所显示的室温弹道输运特性推测，对于典型的100nm沟道而言，载流子在源和漏极之间渡越时间仅需0.1 ps。如果石墨膜器件，在制备过程中仍能保持高的迁移率，例如达到2×104cm2/Vs, 在栅长为50 nm 时，场效应晶体管的截止频率（fT）有望达到太拉赫兹［7］，这将成为石墨基纳米电子学的重要里程碑。
在光电子器件应用方面，通常的无机化合物半导体材料，如砷化镓、氮化镓（GaN）等，比有机光电子材料有许多优越之处：高的载流子迁移率，高的辐射复合速率以及长期工作的稳定性和可靠性等等，使这些无机化合物半导体材料，十分适合于制备光电子器件，如光发射二极管（light-emitting diode, LED）等。然而，在大面积、可弯曲甚至可折叠的屏幕显示，或者大面积、低成本的太阳电池等应用中，上述无机半导体材料的应用，受到很大的限制。一方面由于这些材料是外延生长在晶体（如硅、蓝宝石、碳化硅等）衬底上，成本高而且尺寸不可能太大。另一方面，由于外延材料与晶体衬底之间结合得十分紧密，高的机械与化学稳定性，导致很难把外延层从衬底上剥离下来，极大地妨碍了其大规模应用。石墨膜材料的出现，或许能为解决这些难题提供了一种可能的选择途径。正如前面提到的，石墨膜在同一层碳原子之间，彼此是由强共价键结合在一起，十分牢固；而在层与层之间，是靠很弱的范德华分子键结合，使层与层之间容易分离开。利用石墨膜的这种性质，研究者［8］以它作为衬底，先在其上生长出高密度氧化锌（ZnO）纳米柱，作为中间介质层，再在其上外延生长出高质量的氮化镓。这种氮化物薄膜显示出极佳的室温下与激子相关的近带边光致发光（PL）峰，和十分微弱的深能级发射，表明氮化镓薄膜具有极高的光学质量，完全适合于制备光电子器件。不仅如此，利用石墨膜层与层之间易于剥离的特性，能将生长在其上的氮化镓外延层剥离下来，并转移到其他衬底上，例如金属、玻璃和塑料上。采用这些衬底制备的氮化镓光发射二极管，都能发出很强的蓝光，在整个300×300μm2的面积上发光均匀。在通常的室内照明条件下，用肉眼清晰可见［8］。当泵浦功率进一步增加后，引起受激发射，实验测定的阈值泵浦功率约为0.6 MW/cm2。与生长在蓝宝石、硅以及碳化硅衬底上的氮化镓器件，阈值在0.56~0.70MW/cm2值类似。此外，对于大功率光发射二极管器件而言，采用金属衬底不仅有极佳的导电性，而且还可提供良好的热传导性，有利于器件散热和提高功率。采用玻璃或塑料做衬底，则可将无机半导体材料氮化镓制成大面积、柔软可延展的全彩色光发射二极管显示屏幕，以及光伏器件的功能组件，有利于电子与光电子器件集成。
在气体分子探测方面，目前多采用固体传感器，其灵敏度较高。但在通常的固体传感器中，由于电荷有缺陷的热运动涨落，往往使器件的本征噪声要远超过探测器从单个气体分子收集到的信号，一般会高出几个数量级。而采用石墨膜材料制作传感器［9］，由于它是二维材料，整个表面积都暴露在被测环境中，吸附效率最大化；另外这种材料具有超强的导电性，当吸附或脱附一个气体分子时，会引起载流子浓度的显著变化，对应于器件电阻值呈台阶式改变，灵敏度极高，甚至达到可探测单个气体分子的水平。此外，石墨膜材料，对外部的电场，磁场以及机械应力等也十分灵敏，有望在这些实用领域内开发出新型电子器件。
三 单原子石墨膜的制备
目前，制备石墨膜的方法，主要分为两类：机械剥离法（mechanical exfoliation）［1］ 和外延生长法 （epitaxial growth）［10-12］ 。2004年，两位诺奖得主就是采用第一类方法，首先制备出单原子石墨膜材料的。通常，采用这类方法制备的材料，尺寸较小，在数十微米范围，需要把材料转移到覆盖二氧化硅（SiO2）介质膜的硅衬底上，以便制成霍尔样品，进行电学性质测量。应当指出，采用这种方法制备出的单原子石墨膜样品，测量的电学性质与理论上预期的结果十分一致，大大促进了有关这种新型材料的理论研究与应用开发。第二类方法是，在一定的衬底表面上外延生长出大面积石墨膜材料。这类方法的优点是，可以生长出满足器件工艺要求的大面积材料，可为批量制备碳基纳米器件提供支撑。当前，这类技术有两个发展方向：一是在金属表面（例如镍（Ni）［10］, 铜（Cu）［11］, 铂（Pt）［12］ 等）上，化学气相淀积生长大面积石墨膜材料；二是采用宽禁带半导体材料碳化硅的温度感生分解法（temperature-induced decomposition ）制备［13］。第二种方法是在高温（例如 1450℃）下，使碳化硅表面的硅升华，在衬底表面上形成富碳的单原子石墨膜。由于碳化硅本身可以是绝缘的，因此无需再将单原子石墨膜外延层转移到其他绝缘衬底上，无疑在器件工艺方面是一项十分重要的优点。单原子石墨膜应用技术的关键要素是：控制厚度的均匀性，生长大面积薄膜的能力，降低缺陷密度以及提高材料的质量。
四 小 结
单原子石墨膜材料，是碳原子以σ-σ* 强共价键互相连接的二维六角形网络。具有优异的载流子输运特性，其电子的费米速度约为108cm/Vs［14］ 。可用于制备性能优于传统半导体材料，如硅、锗，以及Ш-V族化合物半导体的新一代碳基纳米电子器件与量子集成电路，在基础学科与实际应用两方面都有重要意义。
参 考 文 献
［1］商务印书馆辞书研究中心. 新华词典（2001年修订版）［M］. 北京：商务印书馆. 2001:980,1054.
［2］ Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Science ［J］. 2004, 306: 666-669
［3］ Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Nature ［J］. 2005, 438: 197-200. Zhang Yuanbo, Tan Yanwen, Stomer H L, et al. Nature［J］. 2005, 438: 201-204.
［4］Klitzing von K. Physical Review Letters［J］. 1980, 45: 494-497.
［5］Novoselov K S, Jiang Z, Zhang Y, et al. Science［J］. 2007, 315: 1379.
［6］Lin Yu Ming, Dimitrakopoulos C, Jenkins K A, et al. Science［J］. 2010, 327: 662.
［7］Lin Yu Ming, Jenkins K A, Valdes-Garcia A, et al. Nano Letters［J］. 2009, 9: 422-426.
［8］Chung Kunook, Lee Chul-Ho, Yi Gyu-Chul. Science［J］. 2010, 330: 655-657.
［9］Schedin F, Gaim A K, Morozov S V, et al. Nature Materials［J］. 2007, 6: 652-655.
［10］Iwasaki T, Park H J, Konuma M, et al. Nano Letters［J］. 2011, 11: 79-84.
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篇10
关键词:光电探测器 光电导效应 光电导器件
光电探测器是一种利用半导体材料的光电导效应制成的能够将光辐射转换成电量的器件,它利用这个特性可以进行显示及控制的功能。光探测器可以代替人眼,由于具有光谱响应范围宽的特点,光探测器亦是人眼的一个延伸。光电探测器利用被照射材料由于辐射关系电导率发生改变的物理特点,在红外波段中的应用主要在红外热成像、导弹制造及红外遥感等一些方面;在可见光或近红外波段中的应用主要在在工业自动控制、光度计量及射线测量和探测等方面。随着电子科学技术的日趋成熟,光电探测器的应用将更加广泛。
1、光电探测器的发展
1873年,英国W.史密斯发现硒的光电导效应,但是这种效应长期处于探索研究阶段,未获实际应用。第二次世界大战以后,随着半导体的发展,各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初,中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功,典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au(锗掺金)和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。
在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料,因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级,照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能,就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得λc=1.24/Ei式中Ei代表杂质能级的离化能。
到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变,例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成响应波长为 8～14微米大气窗口的红外探测器。
2、光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理是基于光电效应,热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高,从而改变了它的电学性能,它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。
所谓光电导效应,是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象,它光是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时,光子能够将价带中的电子激发到导带,从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数,v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度(单位为电子伏)。因此,本征光电导体的响应长波限λc为λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。
光电导器件:利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件,通常叫做光敏电阻。在可见光波段和大气透过的几个窗口,即近红外、中红外和远红外波段,都有适用的光敏电阻。光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。
光电子发射器件:光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型(外光电效应)探测器件。其主要特点是灵敏度高,稳定性好,响应速度快和噪声小,是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益,特别适于探测微弱光信号;但它结构复杂,工作电压高,体积较大。光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合,如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。
硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻是可见光波段用得最多的两种光敏电阻;硫化铅PbS光敏电阻是工作于大气第一个红外透过窗口的主要光敏电阻,室温工作的PbS光敏电阻响应波长范围1.0～3.5微米,峰值响应波长2.4微米左右;锑化铟InSb光敏电阻主要用于探测大气第二个红外透过窗口,其响应波长3～5μm;碲镉汞器件的光谱响应在8～14 微米,其峰值波长为10.6微米,与CO2激光器的激光波长相匹配,用于探测大气第三个窗口(8～14微米)。
3、光电探测器的结构
第一支InGaAs光电探测器在1978年就被报道,略晚于第一支InGaAsP光电探测器。这些探测器都可以通过改变组分含量从而达到需要的波长响应,一种典型的InGaAsP光电探测器结构图如下图所示:
图 一种典型的InGaAsP光电探测器结构图
利用异质结构以In0 6qGa0 31As0 66P0 34作为本征吸收层,以In0.7:Ga0.22As0.47P0.53为P型表面入射窗,得到了峰值响应波长为1.36 gm的窄的频谱响应。为了制作方便,一股将这种光电探测器做成台面结构。
InGaAsP光电探测器中,表面钝化层、载流子产生复合及隧穿等都会引起暗电流。通过优化表面钝化层可以使表面漏电流密度小到IlA/cm量级。
s.R.Forrestt等人指出,在较低偏压下载流子产生复合对暗电流起主导作用,只有当偏压大于100V时隧穿电流才变得显著。即使由产生复合引起的小的暗电流也会对光电探测器灵敏度产生不利影响,因此应合理设计结构使暗电流最小。
为了制作方便,将这种光电探测器做成台面结构,包括外延生长,扩散及离子注入等方法。然而这些台面不利于集成,难以实现光电子集成回路(OEIC),因此人们又做出了各种平面结构,这些平面结构类似于上图所示,同时这种平面结构有助于因表面漏电流引起的暗电流。
4、光电探测器的种类