半导体材料设计精选(九篇)

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第1篇：半导体材料设计范文

【关键词】电子化工材料 半导体材料 晶体生长技术

半导体材料的发展，是在器件需要的基础上进行的，但从另一个角度来看，随着半导体新材料的出现，也推动了半导体新器件的发展。近几年，电子器件发展的多朝向体积小、频率高、功率大、速度快等几个方面[1]。除了这些之外，还要求新材料能够耐辐射、耐高温。想要满足这些条件，就要对材料的物理性能加大要求，同时，也与材料的制备，也就是晶体生长技术有关。因此，在半导体材料的发展过程中，不仅要发展拥有特殊优越性能的品种，还要对晶体发展的新技术进行研究开发。

1 半导体电子器件需要的材料1.1 固体组件所需材料

目前，半导体电子所需要的材料依然是以锗、硅为主要的材料，但是所用材料的制备方法却不一样，有的器件需要使用拉制的材料，还有的器件需要外延的材料，采用外延硅单晶薄膜制造的固体组件，有对制造微电路有着十分重要的作用。

1.2 快速器件所需材料

利用硅外延单晶薄膜或者外延锗的同质结，可以制造快速开关管。外延薄膜单晶少数载流子只能存活几个微秒[2]，在制造快速开关管的时候，采用外延单晶薄膜来制造，就可以解决基区薄的问题。

1.3 超高频和大功率晶体管的材料

超高频晶体管对材料的载流子有一定的要求，材料载流子的迁移率要大，在当前看来，锗就是一种不错的材料，砷化镓也是一种较好的材料，不过要先将晶体管的设计以及制造工艺进行改变。大功率的晶体管就对材料的禁带宽度有了一定的要求，硅的禁带宽度就要大于锗的禁带宽度，碳化硅、磷化镓、砷化镓等材料，也都具有一定的发展前途。如果想要制造超高频的大功率晶体管，就会对材料的禁带宽度以及载流子迁移率都有一定的要求。但是，目前所常用的化合物半导体以及元素半导体，都不能完全满足要求，只有固溶体有一定的希望。例如，砷化镓-磷化镓固溶体中，磷化镓的含量为5%，最高可以抵抗500℃以上的高温，禁带宽度为1.7eV，当载流子的浓度到达大约1017/cm3的时候，载流子的迁移率可以达到5000cm3/ v.s[3]，能够满足超高频大功率晶体的需要。

1.4 耐热的半导体材料

目前比较常见的材料主要有：氧化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、碳化硅和磷化镓等。但是只有碳化硅的整流器、碳化硅的二极管以及磷化镓的二极管能够真正做出器件。因为材料本身的治疗就比较差，所以做出的器件性能也不尽人意。所以，需要对耐高温半导体材料的应用进行更进一步的研究，满足器件的要求。

1.5 耐辐射的半导体材料

在原子能方面以及星际航行方面所使用的半导体电子器件，要有很强的耐辐照性。想要使半导体电子器件具有耐辐照的性能，就要求半导体所用的材料是耐辐照的。近几年来，有许多国家都对半导体材料与辐照之间的关系进行了研究，研究的材料通常都是硅和锗，但是硅和锗的耐辐射性能并不理想。据研究表明，碳化硅具有较好的耐辐照性，不过材料的掺杂元素不同，晶体生长的方式也就不一样，耐辐照的性能也就不尽相同[4]，这个问题还需要进一步研究。

2 晶体生长技术

2.1 外延单晶薄膜生长的技术

近年来，固体组件发展非常迅速，材料外延的杂质控制是非常严格的，由于器件制造用光刻技术之后，对外延片的平整度要求也较高，在技术上还存在着许多不足。除了硅和锗的外延之外，单晶薄膜也逐渐开展起来。使用外延单晶制造的激光器，可以在室内的温度下相干，这对军用激光器的制造有着重要的意义。

2.2 片状晶体的制备

在1964年的国际半导体会议中，展出了锗的薄片单晶，这个单晶长为2米，宽为8至9毫米，厚为0.3至0.5毫米，每一米长内厚度的波动在100微米以内，单晶的表面非常光滑并且平整，位错的密度为零[5]。如果在制造晶体管的时候，使用这种单晶薄片，就可以免去切割、抛光等步骤，不仅能够减少材料的浪费，还可以提升晶体表面的完整程度，从而提高晶体管的性能，增加单晶的利用率。对费用的控制有重要的意义。

3 半导体材料的展望

3.1 元素半导体

到目前为止，硅、锗单晶制备都得到了很大程度的发展，晶体的均匀性和完整性也都达到了比较高的水平，在今后的发展过程中，要注意以下几点：①对晶体生长条件的控制要更加严格；②注重晶体生长的新形式；③对掺杂元素的种类进行扩展。晶体非常重要的一方面就是其完整性，晶体的完整性对器件有着较大的影响，切割、研磨等步骤会破坏晶体的完整度，经过腐蚀之后，平整度也会受到影响。片状单晶的完整度和平整度都要优于晶体，能够避免晶体的缺陷。使用片状单晶制造扩散器件，不仅能够改善器件的电学性能，还可以降低器件表面的漏电率，所以，要对片状单晶制备的研究进行加强。

3.2 化合物半导体

化合物半导体主要有砷化镓单晶和碳化硅单晶。通过几年的研究发展，砷化镓单晶在各个方面都得到了显著的提高，但是仍然与硅、锗有很大的差距，因此，在今后要将砷化镓质量的提升作为研究中重要的一点，主要的工作内容有：①改进单晶制备的技术，提高单晶的完整度和均匀度；②提高砷化镓的纯度；③提高晶体制备容器的纯度；④通过多种渠道对晶体生长和引入的缺陷进行研究；⑤分析杂质在砷化镓中的行为，对高阻砷化镓的来源进行研究[6]。对碳化硅单晶的研制则主要是在完整性、均匀性以及纯度等三个方面进行。

4 结论

半导体器件的性能直接受半导体材料的质量的影响，半导体材料也对半导体的研究工作有着重要的意义。想要提高半导体材料的质量，就要将工作的质量提高，提高超微量分析的水平，有利于元素纯度的提高，得到超纯的元素。要提高单晶制备所使用容器的纯度。还要对材料的性能以及制备方法加大研究，促进新材料的发展。半导体材料的发展也与材料的制备，也就是晶体生长技术有关。因此，在半导体材料的发展过程中，不仅要发展拥有特殊优越性能的品种，也要对晶体发展的新技术进行研究开发。

参考文献

[1] 李忠杰.中国化工新材料产业存在的问题分析与对策[J].中国新技术新产品. 2011（02）：15-16

[2] 张方，赵立群.“石油和化学工业‘十二五’规划思路报告会”特别报导（三） 我国化工新材料发展形势分析[J].化学工业.2011（07）：55-57

[3] 原磊，罗仲伟.中国化工新材料产业发展现状与对策[J].中国经贸导刊.2010（03）：32-33

[4] 孙倩.面向“十二五”专家谈新材料产业未来发展方向――第三届国际化工新材料（成都）峰会引业内热议[J].新材料产业.2010（06）：19-20

第2篇：半导体材料设计范文

关键词:化合物半导体材料;GaAs;GaN;SiC

中图分类号:TP331文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)05-1238-02

On The Compound Semiconductor Materials

HAO Bin, WEN Kai

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)

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

Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC

目前,半导体器件已被广泛应用到各个领域中。但是随着科技的发展,由于硅的电子移动速度使得硅电路传输速度慢并且难以改善。因此新型半导体材料由此产生,以GaAs、GaN、SiC为代表的的化合物半导体是目前应用最广泛、发展最快。

1 化合物半导体材料优势

化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例,通过比较可得:1化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度,因此,可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。2肖特基势垒特性优越,容易实现良好的栅控特性的MES结构。3本征电阻率高,为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离,工艺简化,适合于微波电路和毫米波集成电路。4禁带宽度大,可以在Si器件难以工作的高温领域工。现在化合物半导体材料已广泛应用:在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面,另外还可用于手机、光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域。

2 化合物半导体器件

GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。以下介绍由这三种材料构成的部分器件。

2.1 GaAs材料

高电子迁移率晶体管(HEMT)器件实在能形成2DEG的异质结上用类似MESFET的工艺制成的场效应晶体管。源漏之间主要由2DEG的导电沟道提供,由势垒层上的肖特基栅施加偏压来改变耗尽区的厚度,从而控制沟道2DEG的浓度及器件的工作状态(如图1)。对这类器件若VGS=0时沟道中已有电子存在,则器件是耗尽型的;若沟道被耗尽则器件是增强型的。I-V特性为强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT都呈现出平方规律的饱和特性。

AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层 高纯GaAs层 n型AlGaAs层 n型GaAs层台面腐蚀隔离有源区制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层淀积Ti/Pt/Au栅电极。(如图2)

图1 GaAs HEMT中2-DEG图2 GaAs HEMT基本结构图3 PHEMT的基本结构

随后发现由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱,它能俘获和放出电子,使得2-DEG浓度随温度而改变,导致阈值电压不稳定。为了解决这个问题,采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2-DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。InGaAs层厚度约为20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之间的晶格失配(约为1%)而产生的应力,在此应力作用下,InGaAs的晶格将被压缩,使其晶格常数大致与GaAs与AlGaAs的相匹配,成为赝晶层。因为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着 i CGaAs层的作用,所以成为“赝”层,这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。

2.2 GaN材料

2.2.1 GaN基HEMT

目前GaN基HEMT器件的主要结构是基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件。由于极化效应,AlGaN/GaN异质结很容易出现2DEG,因此有常见工艺生长的绝大部分HEMT器件是属于耗尽型的。在尽量提高沟道2DEG浓度且保持其迁移率和速度,同时又不引起势垒应变弛豫的原则下,应用于HEMT器件的AlGaN/GaN异质结的结构参数已经优化到一个范围(势垒层的Al含量为0.2~0.3,厚度为20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件还有以下特性:1) 缓冲层漏电小即缓冲层呈高阻态且缺陷密度小形成高的输出阻抗;2) 高的击穿电压,对提高器件的输出功率和功率开关的电压承受能力非常重要;3) 跨导高且和栅压保持良好的线性关系,这与器件的频率特性和开关速度相关;4) 好的夹断特性; 5) 较高的截止频率;6) 良好的散热能力。GaN基HEMT的主要工艺为台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触。

2.2.2 GaN基HBT

异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区,大大提高了发射结的载流子注入效率;基区可以高掺杂(可高达1020cm-3),基区电阻rb可以显著降低,从而增加 fmax ;同时基区不容易穿通,从而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸缩小;发射结浓度可以很低(约1017cm-3),从而发射结耗尽层电容大大减小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研发为微波功率放大器件或高压开关器件,其目标特性为高射极注入系数、长的少子寿命、短的基区渡越时间、高击穿电压。

2.3 SiC材料

SiC基结型场效应晶体管(JFET)和肖特基栅场效应晶体管(MESFET)

SiC基MESFET和JFET的沟道载流子的等效迁移率比较高,因此SiC基MESFET主要被开发为微波功率器件,而JFET则是高压功率开关器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波频段,其性能优势为线性化程度比较理想,输出阻抗高,从而大大降低对匹配网络的要求,降低了制作和设计成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在较高和较低温度以及较高频率下工作。

3 结束语

化合物半导体集成电路和普通半导体集成电路相比具有明显的优势,适合于高频高速电路的要求。并且化合物半导体可以发光,可以实现光电集成。因此化合物半导体有更广泛的发展空间。

参考文献:

[1] 何杰,夏建白.半导体科学与技术[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 李效白.砷化镓微波场效应管及其集成电路[M].北京:科学出版社,2005.

第3篇：半导体材料设计范文

本文重点对半导体硅材料，GaAs和InP单晶材料，半导体超晶格、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，光子晶体材料，量子比特构建与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。

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（Smart cut）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。

2.2 GaAs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980nm InGaAs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120K 5μm和250K 8μm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Picogiga MBE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/GeSi MODFET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Lars Samuelson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=67 GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 GaN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6H SiC单晶与外延片，以及3英寸的4H SiC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。

5.2 GaAs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。

本文限于篇幅，只讨论了几种最重要的半导体材料，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，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及发展迅速的有机半导体材料等没有涉及。

第4篇：半导体材料设计范文

关键词：AT89S52单片机；半导体制冷；太阳能；温度传感器外模块

1 概述

当前科技化、自动化和生态化是全世界未来发展的趋势，由市场调查的统计数据说明，随着人们生活节奏的加快，越来越多的人会选择快递（外卖）这种方式，而传统的运送快递（外卖）选择的保温箱在运送途中可能导致重要物品或食品的变质或损坏，并不具备中长时间恒温保存的功能。当今，随着常规能源等消耗量的大规模增加，日益恶化的生态环境迫使人们积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。由于太阳能电池技术的发展和成熟，太阳能电池作为可再生能源是目前应用最为广泛的发电装置。市场保温箱品种性能单一，不具备创新性和环保性。针对以上问题我们设计了基于控制冬夏季温度变化的新型太阳能保鲜箱。

2 系统组成

系统以AT89S52单片机为核心控制模块，分别与温度传感器、半导体制冷片、半导体散热套件来实现自动保持箱内温度的功能；利用太阳能电池板，光伏充电控制器和蓄电池装置对其进行供电，环保无污染；利用路继电器模块带光耦隔离、TTL RS232模块、可调降压稳压模块控制并稳定元件的输出及耗损，通过电流的持续输出达到一个稳定的控温状态。

3 功能及原理介绍

3.1 通过半导体制冷片控温并稳定的原理

该种保鲜箱的低温环境试验与一般的恒温空调不同，它要求对制冷量和加热量进行比较频繁的调节，因此，其控制要求较高。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。半导体材料制冷片的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，当电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端； 当电流由P 型元件流向N 型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小通过电流的大小以及半导体材料N、P极的元件对数来决定。当制冷片内部由上百对电偶联成一热电堆同时工作时，就能达到我们所需要的制冷或制热效果。[1]

3.2 太阳能电池板连接蓄电池对系统进行供电

采用12V太阳能电池和12V蓄电池连接，用一个光伏充电控制器，控制太阳能电池的输出电压，可以保护电池不被过充， 同时，也确保晚上太阳能电池不发电时，防止蓄电池的电倒流。连接方式如下：太阳能电池――光伏控制器――蓄电池――直流负载。在太阳能给蓄电池充电的同时，蓄电池向外供电完全可行，在这样的情况下，负载使用的电力会优先直接使用太阳能电池的电，剩余的充到电池里；相反，若此太阳能电池的电量不够，会同时从蓄电池内取电。[2]

3.3 AT89S52单片机控制的温度传感器对温度系统的调节

基于AT89S52单片机的数字温度计设计，即对温度进行实时测量，使用单线数字温度传感器DS18B20把温度信号直接转换成数字信号输入单片机。测量温度的关键是温度传感器，采用智能温度传感器以实现温度数字化，既能以数字形式直接输出被测温度值，具有测量误差小分辨力高，抗干扰能力强，能够远程传输数据，带串行总线接口等优点。

4 新型太阳能保鲜箱推广应用实践策略

当然要想充分发挥新型太阳能保鲜箱的效能，展现其环保性、稳定性和经济性的特点，还需要注重新型太阳能保鲜箱的推广应用工作的开展。具体来讲，需要积极做好以下几个方面的工作：

4.1 鼓励太阳能保鲜箱的创新设计

无论是AT89S52单片机芯片与温度传感器模块，还是路继电器模块带光耦隔离和TTL RS232模块，或者是可调降压稳压模块和半导体制冷片，乃至是半导体散热套件及太阳能电池板，都是当前高新技术发展的代表。也就是说在开展新型太阳能保鲜箱设计的时候，要树立创新意识，结合当前市场客户的需求，研发出适销对路的产品。当然鼓励太阳能保鲜箱的创新设计需要对应的激励机制：其一，高度重视关于太阳能保鲜箱相关理论的研究，鼓励学者和专家紧跟当前国际保鲜技术理论潮流，深入研究，形成健全的太阳能保鲜箱设计理论体系；其二，高度重视自主知识产权的保护工作，为太阳能保鲜创新设计工作者创造良好的政策环境，以实现自身创新能力的提升。

4.2 健全新型太阳能保鲜箱推广体系

此款新型太阳能保鲜箱有着经济效益好，运行稳定，环保低碳的特点，这与当前建设资源节约型和环境友好型社会来讲，是很值得在市场上进行推广的产品。为此，建立健全新型太阳能保鲜箱推广体系，显得尤为必要。为此，其主要需要做好以下几个方面的工作：其一，培养专业化的太阳能保鲜箱推广团队，要求各个成员全面了解新型太阳能保鲜箱的优势，明确其消费群体的特点，以便高效的去开展营销活动；其二，国家应该针对于这种环保型的太阳能保鲜箱制定对应的补贴政策，刺激新型太阳能保鲜箱的消费需求，使得其更加快的融入到市场中去。

5 结束语

目前，随着社会节奏的加快，快递或物品的运输业也十分发达，从而贵重或不易保存的物品的储存运输方法就显得尤为重要。而传统的运输保存方式，一是因保存不周可能会导致产品质量发生变化，二是可能因过高的运输保存成本导致人们难以承受，针对这种情况设计的基于控制冬夏季温度变化的新型太阳能保鲜箱通过成本较低的AT89S52单片机控制的半导体制冷系统及常用的温度传感器外模块即可达到上述几点要求。并且此套设计系统以太阳能电池板和蓄电池装置供电，替代常规能源，绿色环保无污染，符合可持续发展要求。其经济实用，简易创新，绿色环保的设计定会被人们接受，可以广泛推广，从而创造良好的市场前景。

参考文献

[1]郑弘.一种基于半导体制冷技术的冷暖控制器主机设计[J].机电工程技术，2009，7.

第5篇：半导体材料设计范文

关键词：半导体器件；物理；教学改革

半导体器件物理是微电子学、电子科学与技术等专业的重要专业基础课程，也是应用型本科院校培养新兴光电产业所需的应用技术人才必备的理论与实践基础课程。该课程是连接半导体材料性质和器件应用的桥梁学科，在新兴产业应用技术人才的知识结构中具有重要的基础地位。因此，探讨教学中存在的问题，改革教学的方式方法具有重要意义。

一、课堂教学中产生的问题及原因分析

1.学生听课效率低，学习兴趣淡薄，考试成绩低

以某大学光电行业方向工科专业近三年半导体器件物理考试成绩分布情况为例，表1中近三年学生成绩均显示出60分左右的人数最多，以60分为原点，其高分和低分两侧的人数呈现出逐渐降低的正态分布。从表1中还可以看出，成绩低分人数逐年增多，成绩偏离理想状况较多。

2.针对问题分析原因

导致表1结果的原因有以下三方面：

（1）学生的物理基础参差不齐，知识结构存在断层

近年来，由于高考制度的改革，部分学生参加高考时未选报物理，物理仅作为会考科目使得相当一部分高中学生轻视物理的学习。当学生进入大学，有些专业大学物理成为必修课，由于学生高中物理基础差别很大，因此，同一班级的学生物理学习能力就表现得参差不齐。

对于一般工科专业的学生（包括面向新兴光电产业的工科专业）来说，他们大二或大三开始学习半导体器件物理课程（或半导体物理课程）时，他们的物理基础只有在高中学过的普通物理和大学学过大学物理，其内容也仅涉及经典物理学中的力学、热学、电学和光学的基本规律，而近代物理中的实物粒子的波粒二象性、原子中电子分布和原子跃迁的基本规律、微观粒子的薛定谔方程和固体物理的基本理论均未涉及。半导体器件物理课程的接受对象，不仅在物理基础上参差不齐，而且在物理知识结构上还存在断层，这给该课程的教和学增加了难度。

另外，即使增加学习该门课程所必需的近代物理、量子物理初步知识和固体物理的基础内容，但由于课程课时的限制，也决定了该课程在学习时存在较大的知识跨度，很多学生难以跟上进度。

（2）课程理论性强，较难理解的知识点集中

半导体器件物理课程以半导体材料的基本性质和应用为基本内容，内容编排上从理想本征半导体的性质和半导体的掺杂改性，到P型半导体和N型半导体结合形成半导体器件的核心单元，再到各种PN结的设计和控制，采取层层推进的方式，逻辑严密，理论性强，对学生的要求也高，每一部分的核心内容都要扎实掌握才能跟上学习的进度。同时，在各章内容讲解过程中几乎都有若干较难的知识点，如本征半导体性质部分的有效质量、空穴的概念、能带的形成、导带和价带的概念等；半导体掺杂改性部分的施主、受主、施主能级、受主能级、半导体中的载流子分布规律、平衡载流子和非平衡载流子以及载流子的漂移和扩散运动；简单PN结部分的平衡PN结、非平衡PN结、PN结的能带和工作原理；不同专业在PN结的设计和控制这部分会根据所设专业选取不同的章节进行学习，面向光电行业的本科专业则通常选取半导体的光学性质和发光这部分来讲授，该部分包含半导体的跃迁类型，以及半导体光生伏特效应和发光二极管等的工作原理。这些知识点分布集中，环环相套，步步递进，因此理解难度较大。

（3）学习态度不端正的现象普遍存在

近几年，在社会大环境的影响下，学习态度不端正现象在本科各专业学生中普遍存在。无故迟到旷课情况经常发生，作业抄袭现象严重，学生独立思考积极性差。电子产品的普及也严重影响到了学生上课的积极性，很多学生成了手机控，即使坐在课堂上也频频看手机、上网。有些学生上课连课本都不带，更谈不上用记录本记录重点、难点。特别是半导体器件物理这门课程涉及的知识点密集，重点、难点较多，知识连贯性要求高，如果一些知识点漏掉了，前后可能就连贯不起来，容易使疑难问题堆积起来，对于不认真听讲的部分学生来说，很快就跟不上进度了。另外，学生畏难情绪较严重，课下也不注意复习答疑，迎难而上的精神十分少见。俗话说，“师傅领进门，修行在个人。”在课时紧张、学生积极性差、课程理论性强等多重因素影响下，教师的单方面努力很难提高课堂教学效率。

二、改进方法的探讨

针对教学过程中发现的问题，本文从教学方法和教学手段两个方面入手来探讨该课程教学的改进。

1.教学方法的改革

半导体器件物理课程教学改革以建设完整的半导体理论体系和实践应用体系为目标，一方面，着重在教学观念、教学内容、教学方法、教师队伍、教学管理和教材方面进行建设和改革，形成适合应用型本科专业学生的课程体系。另一方面，我国本科院校正处于教育的转型发展时期，围绕应用型人才培养目标，按照“专业设置与产业需求相对接、课程内容与职业标准相对接、教学过程与生产过程相对接”的原则，半导体器件物理课程改革重视基础知识和基本技能教学，力争构建以能力为本的课程体系，做到与时俱进。本课程改革具体体现在以下六个方面：

（1）转变教学观念

改变传统向学生灌输理论知识的教学观念，以学习与新兴行业相关的基础知识和关键应用技术为导向，确定该课程在整个专业课程体系中承上启下的基础性地位，在教学观念上采取不求深，但求透的理念。

（2）组织教学内容

为构建以能力为本的课程体系，本课程改革在重视基础知识和基本技能的教学、合理构建应用型人才的知识体系的同时，力争使学生了解半导体器件制作和应用的职业标准及其发展的热点问题，并积极实现“产学研”一体化的教学模式，故此本课程改革分几个层次组织教学内容。

第一层次为基础知识铺垫。为解决学生知识结构不完整的问题，在讲授半导体器件物理之前要进行固体物理学课程知识的铺垫，还要增加近论物理学知识，如原子物理和量子力学的知识，为学生构建完整的知识框架，降低认知落差。

第二层次为半导体物理基本理论，也是本课程的主体部分。包括单一半导体材料的基本性质、半导体PN结的工作原理、常见半导体结构的工作原理和半导体的光电及发光现象和应用。

第三层次为课内开放性实验。在理工科学生必修的基础物理实验项目（如“电阻应变传感器”、“太阳电池伏安特性测量”、“光电传感器基本特性测量”、“霍尔效应及其应用”等）的基础上，结合专业方向设置若干实验让学生了解半导体电子和光电器件的类型、结构、工作原理及制作的工艺流程以及职业要求和标准，还有行业热点问题，激发其学习兴趣，提高动手能力和实践能力。

第四层次为开展课题式实践教育，实现“产学研”一体化。为解决传统教学理论和实践脱节问题，以基础物理实验项目和针对各专业方向设置的与半导体器件应用相关的实验项目为实践基础，开展大学生科技创新活动，鼓励学生利用课余时间进入实验室和工厂企业，利用已学理论对行业热点问题进行思考和探究，加强实践教学。

（3）调整教学方法

一方面，要正确处理物理模型和数学分析的关系，不追求公式推导的严密性，强调对物理结论的正确理解和应用。另一方面，充分利用现代化的教学设施和手段，变抽象为具体，化枯燥为生动，采用讨论式、启发式和探究式教学，调动学生积极性和主动性。

（4）建设教学队伍

对国内知名院校的相关专业进行考察和调研，学习先进教学理念和教学方法，邀请国内外相关专业的专家进行讲座，邀请企业高级技术人才和管理人才作为兼职教授来为学生讲授当前最前沿、最先进的技术及产品，并参与教学大纲及教学内容的修订。另外，鼓励教师团队充分利用产学研践习的机会深入企业，提高教师队伍的实践经验和综合素质，为培养双师型教师打下基础。

（5）完善教材体系

教材是保证教学质量的重要环节，也是提高专业教学水平的有效方法。针对理工科专业特色方向及学生培养的目标，除选用经典的国家级规划教材――《半导体物理学》以外，还组织精干力量编写专业特色方向的相关教材，以形成完善的半导体理论和实践相结合的教材体系，在教材中融入学校及专业特色，注重理论和实践相结合，增加案例分析，体现学以致用。

（6）加强教学管理

良好的教学管理是提高教学质量的必要手段。首先根据学生特点以及本课程的教学目标合理制订教学大纲及教学计划。在授课过程中充分发挥学生主体作用，积极与学生交流，了解学生现状，建立学生评价体系，改进教学方法、教学手段及教学内容等，提高教学质量。

2.教学手段改革

（1）采用类比的教学方法

课堂上将深奥理论知识与现实中可比事物进行类比，让学生易于理解基本理论。例如，在讲半导体能带中电子浓度计算时，将教室中一排排桌椅类比为能带中的能级，将不规则就座的学生类比为占据能级的电子，计算导带中电子的浓度类比为计算教室中各排上学生数量总和再除以教室体积。让学生从现实生活中找出例子与抽象的半导体理论进行形象化类比，帮助学生理解半导体的基本概念和理论。

（2）采用理论实践相结合的方法

在教学中时刻注意理论联系实际的教学方法，例如，根据学生专业方向，在讲述宽带隙半导体材料的发光性能时，给学生总结介绍了LED芯片材料的类型和对应的发光波长，让学生体会到材料性质是器件应用的基础。

（3）构建网上学习系统

建立纸质、网络教学资源的一体化体系，及时更新、充实课程资源与信息，通过网络平台建设，实现课程的网络辅助教学和优秀资源共享。这些资源包括与本课程相关的教学大纲、教材、多媒体课件、教学示范、习题、习题答案、参考文献、学生作业及半导体行业发展前沿技术讲座等。

（4）开展综合创新的实践

充分利用现有的实验条件，为学生提供实践条件。同时积极开拓校外实践基地，加强校企合作，为学生实习、实践提供良好的平台，使课程教学和实践紧密结合。鼓励学生根据所学内容，与教师科研结合，申请大学生创新项目，以提高学生实践创新能力及应用能力。

（5）改革考核体制

改变传统以闭卷考试为主的考核方式，在考核体制上采取闭卷、讨论、答辩和小论文等多种评价方式，多角度衡量、综合评定教学效果。

参考文献：

[1]刘秋香，王银海，赵韦人，等.“半导体物理学”课程教学实践与探索[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010（10）：87-88，94.

[2]徐炜炜，黄静.从半导体物理课程教学谈高素质人才培养[J].南通航运职业技术学院学报，2009，8（4）：97-99.

[3]王印月，赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

第6篇：半导体材料设计范文

关键词：太阳能电池；半导体 ；非晶硅薄膜材料；

【分类号】：TK519；TK121

一、太阳能电池半导体工作原理

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池材料可分为：1、硅太阳能电池材料；2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶材料太阳能电池等。

二、太阳能电池材料的严格要求

不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率；3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上 几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主 的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的 太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

三、太阳能电池产业化发展

太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的光电池 。以太阳电池组成的地面发电系统， 管理简单、使用可靠、易于实现无人值守。 由于组件框架式结构 ，质量轻 ，运输 、安装 、拆卸都很方便。安装时对场地基础要求不高，建设工期短，运行时无噪声、无振动 。作为一种特殊的供电装置，受到广大无电地区的用户欢迎。近年来全球太阳能电池产量增长迅速，1994 年产量为 72.7M w ，1995 年产量为 90M w 。国内市场也 出现需求旺盛 ，产量同步增长的情况。

四、薄膜太阳能电池材料的发展状况

为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池材料的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池材料，其中多晶硅薄膜太阳能电池材料和非晶硅薄膜太阳能电池材料就是典型代表。

1、多晶硅薄膜材料电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350～450μm 的高质量硅片上制成的， 这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省 材料，人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的 硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。 解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚 的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主 要有固相结晶法和中区熔再结晶法。

2、非晶硅薄膜太阳能电池

开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜材料太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到 迅速发展，其实早在 70 年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅材料电池的研 制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上己有许多家公司在此种 材料的基础上生产该种电池产品。 非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV， 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶 硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即 所谓的光致衰退 S 一 W 效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的 p、i、n 层单结太阳能电池 上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保 证 i 层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰 退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。 非晶硅薄膜材料太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD 法、LPCVD 法等，反应原料气体为 H2 稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及 不锈钢片， 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。

3、化合物薄膜太阳能电池

3.1 碲化镉太阳能电池

碲化镉（ Cd Te）材料成本低、效率高.且光谱响应与太阳光谱分吻合。薄膜的 生长工艺主要有丝网印刷烧结法、近空间升华法、真空蒸发法等。碲化镉半导体 光伏材料理论转换效为 30 % o。Cd Te 电池实验室效率 16. 4%大规模生产的商业 化电池平均效率 8%一 10%。四川大学制备出的电池率达 11.6 %。以 cd Te 吸收 层，CdS 作窗口层的结构为：减反射膜/玻璃/ SnOz ： F/ CdS/ P-CdTe/背电极，这种 电池转换效率达 16 %。

3.2砷化镓太阳能电池

1954 年.首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应，1974 年砷化镓电池效率的 理论值达 22 %～25 %。实验室条件下在 CaA s 单结电池效率已超过 25 %。目前 研究的砷化镓系列太阳能电池有单品砷化镓、多品砷化镓 ， 镓铝砷一砷化镓异 质结、金属一半导体砷化镓、金属一绝缘体半导体砷化镓等。材料的制备类似于 硅半导体的制备，有晶体生长法、直.接拉制法、气相生长法、液相外延法等。 另外 III-V 族三、四元化合物（ CaInP ，Al CaInP ， CaInA s 等）半导体材料的技术日 益成熟，可通过设计电池结构来提高效率和降低成本。双结电池的效率最高为 30%，三结电池为 38%，四结电池为 41 %。

4、聚合物薄膜太阳能电池

以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向.具有分子结构自行设计合成、易加工、毒性小、成本低等特点。目前制作聚合物半导体层主要是：真空技术，主要包括真空镀膜溅射和分子束外延生长技术； 溶液处理成膜技术.主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装技术、印刷技 术等；单品技术.主要有电化学法、扩散法和气相法。 Heeger 等发现.聚乙炔用 Iz ，AsFs 掺杂后电导率明显增高。口前 P3 H T/ PCB M 体系最高的光电转化效率为 4% 。使带双嚓嗯乙烯撑边链的二维共 扼聚嚓吩与 PCB M 共混时.能量转换效率达 3. 18%。虽然聚合物电池有着众多优点，但性能无法与传统太阳能电池相比。

参考文献： [1]梁宗存.沈辉.李戮洪.太 GR 能电池及材料}J（ufJ l.

[2]耿新华.张建军.硅基薄膜太阳电池新进展[[J].

第7篇：半导体材料设计范文

关键词碳化硅；半导体；材料；技术；工艺；发展；

中图分类号：TQ163+.4 文献标识码：A 文章编号：

引言

随着科学技术的发展，宇脱国防,是有勘探等领域对半导体电子器件提出了极为严格的要求，开发研制高温、高频、高功率、高耐压及抗辐射等新型半导体器件成为日益紧迫的问题.目前，半导体行业中常用的Si材料由于本身条件的限制，对上述要求难以胜任;而作为N-N族二元半导体材料的SiC具有较大的热导率、高临界击穿电场、宽禁带、高载流子迁移率等特点，越来越引起人们的重视.国外现已研制出多种SiC器件.特别是在高沮功率器件方面，所制备的SiC MC3SFET等器件的性能远远超出同类Si器件.目前已有SiC蓝色发光器件作为商品出售.随着SiC单晶生长技术和薄膜生长技术的突破，SiC材料在研制高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件方面受到极大关注，并加速了该领域的发展步伐.近两年来，国际上已掀起了对SiC材料及器件研究的热潮。

一、半导体材料的特征

半导体材料在自然界及人工合成的材料中是一个大的部类。顾名思义，半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。它具有如下的主要特征。（1）在室温下，它的电导率在103—10-9S/cm之间,S为西门子，电导单位，S=1/r(W. cm) ；一般金属为107—104S/cm,而绝缘体则

二、晶体生长

SiC具有同质异型体的特点，其每一种晶体结构都有着自己独特的电学及光学性质.表1给出了常见的几种具有不同晶体结构的SiC的电学特性与硅及砷化稼的比较.在许多器件应用中，SiC的高击穿电场(比硅的5倍还大、宽的禁带宽度吸大于硅的2倍、高载流子饱和漂移速度(是硅的2倍)以及大热导率(大于硅的3倍)将充分发挥器件的应用潜力。

尽管许多年以前人们就已经知道了SiC的一些潜在的优良电学特性，但由于材料生长的原因，直到现在还不能将这些特性充分应用到器件或集成电路中去.目前通过改进型Lely升华的方法得到了大面积重复性好的&H-SiC单晶,1989年2. 54 cm的6H-SiC单晶片首先商业化，此后SiC半导体器件技术得到迅猛发展。

在众多的SiC晶休结构中，4H-sic和6H-S〔由于其单晶生长工艺的成熟性以及较好的重复性，使它们在电子器件中应用比较广泛.市场上可得到的4H或8H SiC晶片的直径已经达到4.445 cm，具体价格根据其规格的不同从800 -2 000美元/片不等，这些产品主要来自于美国的Cree公司.如果晶片的价格有所下降，将会更加促进SiC技术的发展.另外，Westinghouse公司在SiG材料方面也取得了一些可喜的成果:他们成功地制备了半绝缘SiC晶片，其室温下的电阻率大于10Ωcm，并首次得到7. 82 cm的SFC晶片。

4H-S iC的载流子迁移率较8H-SiC.的要高，这使其成为大多数SiC器件的首选材料. 8H-SiG本身固有的迁移率各向异性使之在平行于G轴方向导通率有所下降，导致纵向MOSFET功率器件多选用4H-SiC.为减小纵向MOSFET功率器件中衬底寄生电阻，目前4H-SiC电阻率可达到0.0028dΩcm.4H-SIG的高迁移率掩盖了利用8H-SiG为衬底进行同质外延而生成3G-SiG薄膜所带来的优点。

目前影响SiG电子器件实现的首要因素之一就是控制生长高质量的SiC外延薄膜.在SiC电子器件的实现过程中，控制生长高质量的外延层是关键的一步、目前，化学气相淀积技术可满足制备重复性好的外延层及批t生产这两方面的需求.为了减少由于晶格失配、热膨胀系数不同所带来的缺陷等间题，生长时选用SiC基片.首先要抛光SiC基片使其表面偏离(0001)基面3 ^4度，这将使外延层中原子堆垛顺序与SiC衬底内的原子堆垛顺序相同.同时，为得到N 型外延层，可在反应气体中加人氮气(N2);而P型则加入三甲基铝或三乙基铝.如果在今后的工作中能够很好地解决在大面权Si上异质外延生长低块陷的3GSiC薄膜的问题。那么3C-SiC必将在以后的SiG器件和集成电路中发挥越来越重要的作用。

随着从SiC器件向着SiC集成电路的发展，SiC外延层的均匀性和外延层表面形态的好坏也越来越重要.目前，商业上SiC外延层厚度的容差为士25%，而研究人员报道了修杂均匀性为士20%厚度均匀性容差为士7%的大于5. 08 cm的SiC基片.对于所有的SiC同质外延层，目前均为观察到具有十分理想的表面形貌、据预侧，借助于精密的CVD反应装置、日益成熟的反应条件，在不远的将来这些问题都会迎刃而解、

三、分立器件

近几年来，在一些文献中相继报道了许多SiC器件模型，其中的一些已经进人商品市场.蓝色发光二极管是首次进人商业领域的SiC器件，而小信号二极管、结型场效应晶体管(工作温度大于350℃)以及紫外光敏管也正逐步商品化。到目前为止，对于像金属化、离子注人、表面钝化、氧化及刻蚀等这些基本的器件工艺技术只进行了有限的研究工作(因此SiC器件均未采用优化的器件设计和工艺流程).

第8篇：半导体材料设计范文

关键词：半导体制冷；帕尔帖效应；制冷效率；热电堆

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.252

0 引言

上个世纪初，人们做了很多电磁的实验，发现了金属材料的热电效应，但是由于这些金属材料的热电性能比较差，所以效率是非常低的。直到本世纪50年代之后，半导体材料发展迅速，所以致使热电效率也大幅的增加，从而使热电制冷也开始发展。由于半导体材料具有非常好的热电能量转换性质，将它的这一性质在热电制冷中得到了应用，所以把热电制冷叫做半导体制冷；同时又由于帕尔帖效应与温差发电对应，所以又叫做温差电制冷。这种比较新型的制冷技术与传统的制冷技术不同，没有制冷剂和一些制冷设备，从而在一些特殊的领域中将得到十分广阔的前景。

热电效应是由塞贝克、珀尔帖、汤姆逊、焦耳和富里叶五种不同的效应组成的，其中前三种效应电和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应的热是不可逆效应。

1 半导体制冷技术

1.1 半导体制冷的原理

热电制冷装置是由热电制冷效率较好的，热电效应比较明显的半导体热电偶构成的。如图1-1所示，把一只N型半导体元件和一个P型半导体元件组合成的热电偶，通电之后，就会在接头处产生热量的转移和温度差。对于N型半导体，其导电机构是自由电子，与金属的价电子相类似；对于P型半导体，其导电机构是空穴，与自由电子的区别是电荷数相等而符号相反。所以，上面的接头处是冷端，吸热且温度下降，电流的方向是N到P；下面的接头处是热端，放热且温度上升，电流的方向是P到N。其次借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去不断的吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。

Z代表了热点材料的一种特性。同时可以决定制冷元件所能达到的最大温差。由上式可以得到，为了提高优值系数Z，就要提高温差电动势α，降低电阻率R和导热系数K。上式公式也说明热电材料性能的提高还要有待于半导体材料的发展，因为金属的热电势很低，而半导体靠空穴和电子可以呈现出非常大的温差电动势。

其次电偶在热端放出的热量：QH=Q0+Q1，其中Q1为一对电偶的消耗功率，故放热系数ε1 = QH/Q1 = 1+ε。可以看出利用热电原理做热泵是很有利的。

1.2 多级半导体制冷

一个P型和N型半导体制冷元件与连接片串联起来，组成的制冷单元称为单级热电堆。但是由于单个制冷电偶的制冷效率比较低，如果把电偶进行串联或并联起来组成多级热电堆，这样就会增大制冷温差，所以制冷效率将会大大提高。

如下图所示，图1-2是常见的二级堆串联电路，图1-3是常见的二级堆并联电路，图1-4是常见的串并联混合电路。

串联型多级热电堆的特点是各级的电流都相同。级与级之间需要一层电绝缘导热层，（一般用阳级氧化铝、氧化铍等[1]），同时为了使每一级都处于最佳工作电流，上一级元件的长度比下一级元件的长度要略长一点，来防止上一级元件电导率增加引起的电流的偏离。对于串联型多级热电堆在同一温差和承受同一负载时要比并联型消耗较大的功率。

并联型多级热电堆的特点是工作电流较大，级与级之间无需电绝缘导热层，因此级间无有害温差。同时各级的电偶数与级数应对应相等，每一级的两边的两个元件的截面积应比中间的大一些。其次把并联型多级堆各级的中间部位断开，在级与级之间加上绝缘层之后，用导线连接起来可以成为串联多级电堆。

串并联多级热电堆的特点结合串联型多级热电堆的特点和并联型多级热电堆的特点。

如前所述，热端的散热量比冷端产冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，为了得到较大温差，第一级元件对数比第二级元件对数大许多倍。由于这个因素以及温度越低热电性能越差，所以级数不宜过多，一般2到3级为宜。

1.3 半导体制冷技术与机械压缩制冷技术的异同

半导体制冷与机械压缩制冷相比，在正常工作通入电流时，自由电子和空穴在电场的作用下，离开热电堆的冷端向热端运动，这一过程相当于制冷机中的压缩过程，其中热电堆起压缩机的作用。在热电堆的冷端，通过热交换器吸热，同时产生空穴―电子对，这一过程相当于在蒸发器中的吸热和蒸发过程，其中冷端及其热交换器起着蒸发器的作用。在热电堆的热端，发生空穴―电子对的复合，同时通过热交换器散热，相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结，其中热端及其热交换器起着冷凝器的作用。

半导体制冷与机械压缩制冷的区别在于：不使用制冷剂，有很好的环境友好型，消除了制冷剂泄漏对环境的危害，所以对一些特定的场合比较适用；没有制冷装置的运动部件，所以无噪音，无振动，工作可靠，维护比较方便；半导体制冷的尺寸比较小型化，在一些场合可以提现出它的优势；半导体制冷可以通过调节工作电压来改变它的制冷量；半导体制冷一般使用直流电工作，所以对工作电压的脉动范围有一定的要求。

基于以上半导体制冷所表现出来的特点，在一些特殊的，不能使用制冷剂的情况中，以及一些小容量等一些制冷条件中，半导体制冷表现出了它的优越性，同时也成为了现代制冷技术中的一个重要的组成部分。

2 半导体制冷技术的发展前景

2.1 半导体制冷在工业技术的应用

半导体制冷在工业上的应用也是非常广泛的，一些产品的生产工艺及产品的性能的测试都离不开半导体制冷；一些变电站的除湿问题也需要通过半导体制冷解决；油等一些液体的恒温控制，通过半导体制冷都能很方便的解决。其次半导体制冷在真空技术中也有非常重要的应用。所以，半导体制冷技术的发展对工业技术具有非常大的意义。

2.2 半导体制冷在电子技术的应用

半导体制冷在电子技术的发展中是一项不可缺少的先进技术，在一些大规模的集成电路，功率元件和一些设备冷却方面，半导体都提现了它独一无二的功能。同时，随着现代技术的进步，对各类电子元器件的温度性能要求越来越高，而利用热电制冷器的正反向工作特性，就能早就一个合适的高低温条件，而且工作容积非常小，使用方便，应用范围也非常广泛。

2.3 半导体制冷在测温技术的应用

随着现代制冷技术的进步，半导体制冷技术在测温技术方面也表现出了它极大的优势。例如半导体制冷零点仪的出现，改变了一般习惯上使用冰作为电热偶测温零度基准点的传统，并且操作简单，零点准确，在测温技术中是一个重大的创新。由此可见半导体制冷在测温技术中的应用是其他制冷技术所不能代替的。

3 结论

（1）半导体制冷技术虽然在制冷过程中表现出了它独特的优势，但是其制冷效率还是比较低的，所以现在提高半导体的优值系数Z显得尤为重要。

（2）相比与单级制冷热电堆，多级制冷热电堆可以获得更大的温差和更低的温度，所以大大提高了制冷效率，同时也更加实用。

（3）半导体制冷在一些特殊行业和环境中的应用以及考虑节能等因素，表现出了它的重要性，对半导体制冷技术的深入研究是非常必要的。

参考文献：

[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

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[4]刘辉.半导体多级制冷器的设计与性能优化[D].上海：同济大学，2008.

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[8]宜向春，王维扬.一种空间复合制冷系统的可行性分析―半导体制冷器/热管/辐射制冷器[J].低温工程，1999（06）：40-44.

[9]王宏杰，陈金灿.耦合半导体制冷系统性能特性的优化分析[J].半导体学报，2001，22（7）：938-943.

第9篇：半导体材料设计范文

关键词：磁控溅射 TiO2 薄膜 椭偏技术 光学性能

薄膜材料是一种物质形态，其膜材十分广泛，单质元素、化合物或复合物、无机材料或有机材料均可制作成薄膜。薄膜材料与块状物质一样，可以是非晶态、多晶态或单晶态。从薄膜的厚度看，已有厚度仅为几纳米到一微米的超薄膜制品。 纳米薄膜在许多领域的广泛应用归功于其特异于普通薄膜的光学、电学等性质。 自 70 年代以来，薄膜技术得到了突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应 用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术和薄膜材料的发展涉及到几乎所有的前沿学 科，它的应用与推广又反渗透到各个学科以及应用技术中，如电子、计算机、磁 记录[1]、信息、传感器[2]、能源、机械[3]、光学[4]、航空航天、核工业、化工、 生物[5]、医学等，现己成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，所制 备的各种类型的新材料，新结构、新功能的薄膜，对材料的研究和使用都起到了巨大的推动作用。

纳米 Ti02 薄膜是一种常见的功能薄膜，具有如下特殊的性质：

（1）光学特性

氧化钛（Ti02）薄膜具有优良的透光性、高折射率和良好的化学稳定性，并且折射率可随制备工艺变化，是非常重要的光学膜，已被广泛地应用于抗反射涂层、干涉滤波片、电致变色窗和薄膜光波导等。而且因为半导体纳米粒子的尺寸与物理的特征量相差不多，如纳米粒子的粒径与波尔半径或德布罗意波长相当时，纳米粒子的量子尺寸效应就十分显著。另外，纳米粒子拥有很大的比表面积，又相当一部分的原子处于颗粒表面，处于表面态的原子、电子与处于内部的原子、电子有很大的区别。量子尺寸效应和表面效应对纳米半导体粒子的光学特性有很大的影响，并使之产生一些新的光学性质，如宽频带吸收。纳米 Ti02 对紫外光有 强吸收作用，而微米级的 Ti02 对紫外光几乎不吸收，这主要是因为纳米二氧化钛的半导体性质，即在紫外光的照射下，电子被激发，由价带向导带跃迁引起的。

（2）光催化特性

Ueda 等人较早对半导体的微多相光催化进行了系统的研究。研究表明，Ti02 纳米半导体复合粒子的量子尺寸效应强烈地影响其光催化甲醇脱氢活性。此外， 纳米 Ti02 半导体粒子能够催化体相半导体所不能进行的反应。

（3）光电转换特性

近年来，由纳米半导体粒子构成的多孔大比表面积太阳能电池具有优越的光电转换特性而备受瞩目。Gratzei 等人在 1991 年报道了经三双吡啶合钌染料敏 化的纳米太阳能电池的卓越性能，在模拟太阳光源的照射下，其光电转换性能可 达 12%。由于纳米 Ti02 多孔电极表面吸附的染料分子数是普通电极的 50倍，而且几乎每个染料分子都与 Ti02 分子直接作用，光生载流子的界面电子转移速度 快，因而具有优异的光吸收和光电转换特性[9]。

（4）电学特性

介电和压电是材料的基本特征之一。纳米半导体的介电行为和压电性能与常

规的半导体材料有很大不同，归纳起来是:介电常数随测量频率的减少呈明显的 上升趋势;在低频范围内，纳米半导体材料的介电常数呈现尺寸效应;纳米半导体 可以产生强的压电效应。

二氧化钛薄膜的应用：二氧化钛是一种重要的氧化物陶瓷，也是一种重要的 宽带隙半导体氧化物材料，它有着独特的光学、电学等物理性能及优良的化学稳 定性。在可见光和近红外波段透光性好等许多优良的光学性质，具有高介电常数、 高折射率及良好的电光学效果，还具有优良的介电、压电、气敏、光催化性能， 并能够抵抗介质的电化学腐蚀。该材料价廉无毒和性能稳定，在超薄电容器、红 外窗口材料、光电转换、光催化、非线形光学、光通讯、气（湿）敏传感等微电子 工业、光学器件、传感器、太阳能利用、催化工业和环境保护等科学技术领域里 得到了广泛的研究和应用，吸引了中外广大科技工作者的关注。Ti02 薄膜己成为 一种重要的无机功能材料，在国民经济建设中正发挥着越来越大的作用。

（1）TiO2 薄膜在光电领域的应用有:

作为用于太阳能电池的减反膜，可使光学反射降低 50%左右，相应地使 太阳能电池的输出提高 10%，还用在电致变色显示器、电致变色开关、大型天文 望远镜等;作为紫外线过滤层;可作为高反射膜的膜层使光纤端面的反射性能大大

提高；用于波分复用滤波膜[12]等;在光纤尖上镀 Ti02 膜以提高光纤尖的工作寿命，实验表明这种方法能够有效的提高光纤尖的抗污染能力。

（2）光催化

1972 年，日本的 Fujishima 等人首次发现 Ti02 具有光催化性能，从那时起半 导体光催化受到广泛重视。现在普遍采用悬浮相 Ti02 作光催化剂，这种催化剂存 在易失活、易团聚、难回收等缺点，严重限制了光催化的应用发展。制备负载型 光催化剂是解决这一问题的有效办法。纳米 Ti02 光催化剂的应用主要是基于纳米 氧化钛在紫外光的激发下具有氧化一还原性的基本原理。纳米氧化钛的这一活泼 的性质越来越广泛地应用于人们的日常生活。

（3）太阳能电池与水分解

单晶硅太阳能光电池自 20 世纪 40 年明以来，人们为在光电转换中得到 大量的电能而付出了巨大的努力。1991 年，Gratzel 等报道了染料敏化 Ti02 纳米 薄膜太阳能光电池，光电转换效率达 10%以上。由于这种光电池使用了液相电解 质，使得制造极不方便，而且整个装置的稳定性也不好，因而转向固相电解质光 电池的研究。将 Ti02 用于光催化分解水，产生氢气和氧气，可提供无污染的、高效的、无害的清洁能源。

参考文献：