半导体材料发展特性精选(九篇)
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第1篇：半导体材料发展特性范文
【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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[2]谢广超，杜新宇，韩江龙.环氧模塑料在半导体封装中的应用[J]，中国集成电路，2013，（106）：64～69
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[4]苏维.多晶硅生产的节能减排措施[J]，有色金属加工，2013，37（2）：57～59
第2篇：半导体材料发展特性范文
关键词：半导体材料 发展趋势
中图分类号：O47文献标识码： A 文章编号：
半导体信息功能材料和器件是信息科学技术发展的物质基础和先导。半导体材料是最重要最有影响的功能材料之一，它在微电子领域具有独占的地位，同时又是光电子领域的主要材料。半导体技术的迅速发展，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。
一、几种主流的半导体材料简介
（一）半导体硅材料
硅是当前微电子技术的基础材料，预计到本世纪中叶都不会改变。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。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，包括智能剥离和SIMOX材料等也发展很快。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。
（二）半导体超晶格、量子阱材料
以GaAs和InP为基的晶格匹配和应变补偿的超晶格、量子阱材料已发展得相当成熟，并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。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。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。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、法、美、日等尖端科技公司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。
（三）光子晶体半导体材料及其发展趋势
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。有科学家提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，并取得了进展。
第3篇：半导体材料发展特性范文
关键词：SiC，宽带隙，紫外光探测器，P-I-N，欧姆接触
前言
碳化硅(SiC)由于其独特的物理性质和电子学特性，被认为是制作高温、高频、大功率和抗辐射器件的极具潜力的宽带隙(2．0eV≤Eg≤7．0eV)半导体材料。虽然，制备SiC晶体的历史可以追溯到1893年，但是真正引起重视还是1991年6H—SiC以及1994年4H—SiC单晶材料商品化以后，即20世纪90年代中后期才使SiC得到重大发展。[1]
：18000多字
有中英文摘要、目录、图、参考文献
400元
第4篇：半导体材料发展特性范文
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。
第5篇：半导体材料发展特性范文
1 实验设计思路
将本课题组已发表的SCI论文“一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料”[5]改为本科实验，主要根据以下原则：
1.1 新颖性原则
螺芴类分子砌块具有共轭打断效应、刚性十字交叉构象和空间位阻效应，被广泛用于有机电致发光二极管、场效应晶体管以及太阳能染料敏化电池等领域[6]，成为一类重要的有机半导体材料。氮杂芴螺环芳烃由芴基螺环芳烃发展而来在继承螺芴的各类优势的基础上增加了氮杂芴基团的功能特性包括电子受体、金属配位、质子化以及超分子弱作用等。因此，具有广阔的发展前景[7-9]。
1.2 可行性原?t
所选的科研成果的反应类型是最经典的傅克反应，与学生所学的有机化学课本紧密联系。通过实验预习、讲解、操作以及总结，进一步巩固与加深对傅克反应的理解和运用。另外，该反应原料易得，合成步骤简单易行，无毒安全性高，可以在本科实验室开展。
1.3 综合性原则
氮杂螺芴氧杂蒽的合成操作涉及反应装置的搭建、TLC点样、柱层析等各类操作。在整个操作过程中，重点学习TLC点样和柱层析。产品表征利用核磁共振。
1.4 环保性原则
目前氮杂螺芴氧杂蒽大部分合成方法具有如下缺点：（1）底物范围拓展的限制和前体合成的困难；（2）合成步骤的冗长。我们课题组发展了一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料。反应过程中依次构建了C-C， C-O和 C-C三支化学键，并高效合成了氮杂芴螺环芳烃，符合绿色化学的理念。
2 实验内容
实验名称：一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料
实验仪器：磁力搅拌器，圆底烧瓶，回流冷凝管、电子天平、分液漏斗、锥形瓶、层析柱、核磁共振波谱仪。
药品：氮杂芴酮，对甲基苯酚，三氟甲磺酸，1，2-二氯苯，碳酸钾，二氯甲烷，无水硫酸镁，乙酸乙酯。
2.1 实验原理
该反应是典型的傅里德-克拉夫茨反应，简称傅-克反应，英文Friedel?CCrafts reaction，是一类芳香族亲电取代反应，1877年由法国化学家查尔斯?傅里德和美国化学家詹姆斯?克拉夫茨共同发现。本实验在酸性条件下反应，首先通过氮杂芴酮与苯酚的傅克反应生成中间体I，紧接着脱水形成三正电型超亲电体II，由于电荷间的排斥作用，导致氮杂芴9 号位的正电荷会通过共振方式迁移至酚羟基上，活化酚羟基的反应活性。随后另一苯酚分子以亲核进攻的方式与中间体III 发生反应，形成醚键。紧接着分子内的质子转移与脱水过程在苯环上再次生成碳正离子V。最后碳正离子重新迁移到氮杂芴的9 号位发生分子内的傅克合环反应，得到最终的目标产物氮杂螺芴氧杂蒽。
2.2 实验步骤
2.2.1 氮杂螺芴氧杂蒽的合成
先向圆底烧瓶中加入0.18克的氮杂芴酮，再分别加入2ml 1，2-二氯苯与0.8ml三氟甲磺酸。在室温下搅拌大约半小时后，向其中加入0.54克的对甲基苯酚。随后升高温度至 85度。通过TLC 板监控反应至氮杂芴酮反应完全。将反应降温至室温，用碳酸钾溶液淬灭此反应，之后用二氯甲烷萃取，收集有机相并用无水硫酸镁干燥，抽滤。最后柱层析分离提纯得到氮杂螺芴氧杂蒽。
2.2.2 螺环氧杂蒽的结构表征
使用核磁共振（NMR）对所得到的产物进行结构表征。通过与标准的氮杂螺芴氧杂蒽的氢谱和碳谱进行对比确认结构
2.2.3 实验报告
实验报告要全面总结实验，特别强调实验结果的分析，并对实验结果提出自己的观点。
3 教学效果
3.1 理论联系实际，深化理论知识
体现有机化学基础知识的综合性，在所设计的实验中涉及《有机化学》中典型的傅克反应。通过TLC板监测反应进度，有助于理解反应现象以及反应过程。通过核磁共振表征产物，可以了解核磁测试过程以及核磁共振表征原理。通过对氢谱的解析，理解化学位移、耦合常数以及自旋裂分等理论知识。
3.2 科研和教学结合，强化创新思维
将科研和教学相结合，促进了教学方法的改革和教学方式的创新，也培养了适应社会发展需要的高素质人才。实践证明，从事科学研究的教师能更准确地把握教学内容，更好地把科?W研究的方法贯穿到教学实践之中，是培养学生的创新思维和创新能力的重要途径。同时高水平、高层次的科研项目和平台也为本科生的培养创造了优越的条件。
3.3 实验与生活相结合，激发学习兴致
将制备的氮杂螺芴氧杂蒽作为电致发光材料，应用于有机电致发光二极管、存储器以及太阳能电池中。在整个实验过程中，详细说明每个操作与所学专业的内在联系，
让学生深刻体会到所学专业知识的重要性和必要性，激发学生的学习兴趣以及求知欲望和积极探索精神。在实验操作过程中，锻炼了学生的动手能力以及实践操作能力。通过科学实验报告的撰写，锻炼并加强了学生的写作能力。
4 结语
第6篇：半导体材料发展特性范文
摘要：简要说明了非晶硅、多晶硅和有机半导体用作薄膜晶体管沟道层的不足，从电学性质、光学性质和制备温度等几方面介绍了氧化物薄膜晶体管在有源阵列驱动显示技术中的优势，并介绍了氧化物沟道层制备工艺的优化和掺杂方法。最后，展望了氧化物半导体薄膜晶体管应用前景。
关键词：平板显示技术；氧化物； 薄膜晶体管
中图分类号：TN304.055文献标识码：A
Research Progress On Oxide based Thin Film Transistors
ZHANG Xin-an1,2ZHANG Jing-wen1 ZHANG Wei-feng2HOU Xun1,2
(1. Key Laboratory of photonics technology for information, Shanxi province,
Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049 ,China;2. School of Physics
and Electronics, Henan University, Kaifeng 475001,China)
Abstract: We reviewed the defects of amorphous silicon, polycrystalline silicon and organic semiconductors as the active channel layer of thin film transistors. The benefits of oxide based thin film transistor in active matrix display were introduced from electical,optial and fabrication temperature aspect. Then, we reviewed the optimize and doping of oxide channel layer. At the last, we prospected the utilization of oxide based TFTs and the problems existent.
Keywords: flat panel display; oxide; thin film transistor
引言
随着信息时代的到来，显示器件正加速向平板化、节能化的方向发展，其中以薄膜晶体管（TFT）为开关元件的有源阵列驱动显示器件成为众多平板显示技术中的佼佼者。TFT是一种场效应半导体器件，包括衬底、半导体沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分，其中半导体沟道层对器件性能和制造工艺有至关重要的影响[1]。在近十几年时间，以硅材料（非晶硅和多晶硅）TFT为驱动单元的液晶显示器件以其体积小、重量轻、品质高等优点获得了迅速发展，并成为主流的信息显示终端。然而，非晶硅存在场效应迁移率低、光敏性强以及材料不透明等缺点，而多晶硅TFT大面积制作工艺复杂、低温工艺难以实现[2]。平板显示器的发展重新聚焦在寻求新材料、制作高迁移率的TFT、提高性能、降低成本以满足技术发展的轨道上来。目前，研究比较热门的是以并五苯等有机半导体材料为沟道层的有机薄膜晶体管（OTFT）和以ZnO为代表的宽带隙氧化物半导体为沟道层的TFT。OTFT具有加工温度低、工艺过程简单、成本大幅度降低等优点，这些特点符合社会发展和技术进步的趋势。但是，目前报道的OTFT的迁移率较低（一般在1 cm2/V・s），仍停留在非晶硅TFT的水平，另外一个致命缺点就是OTFT的寿命低，存在严重的老化问题[3]。2003年美国科学家Hoffman等[4]报道了以ZnO为沟道层的全透明TFT并指出可以将其应用在有源矩阵驱动显示中，引起了人们的广泛关注。
1氧化物半导体薄膜晶体管的优势
氧化物半导体薄膜种类很多，一般具有离子键强、熔点较高、无色透明和较大的禁带宽度（Eg>3 eV）等特点。化学计量比的偏离和点缺陷所引起的附加能级对其电学性质有很大影响，因此也可通过调节制备工艺或掺杂来控制其电学性能。多年来，氧化物半导体薄膜作为一种传统的功能半导体材料，在气敏传感、湿敏传感、透明导电薄膜等领域有广泛的应用。最近，日本和韩国许多课题组尝试用该类材料作为TFT的沟道层，以期在有源阵列驱动显示技术中有出色的表现，包括ZnO [5]，MgZnO [6]，Zn-Sn-O (ZTO)[7]，In-Zn-O(IZO)[8], SnO2[9], Ga2O3[10], In-Ga-O (IGO) [11], In2O3 [12], In-Sn-O (ITO)[13]和In-Ga-Zn-O[14]等多种薄膜，如表1所示。采用上述材料作为TFT的沟道层有以下优势：
表1 几种氧化物半导体薄膜晶体管的光电性质
1.1良好的电学性能
氧化物半导体TFT有较高的迁移率和较大的电流开关比，能够提高显示器的响应速度，满足高清晰、大容量终端显示的要求，这对于需要电流驱动的有机电致发光显示更有重要意义。Carcia等[15]报道了制备在重掺杂硅衬底上的底栅式ZnO-TFT，其中以原子层沉积法制备的HfO2薄膜为绝缘层，射频磁控溅射法制备的ZnO薄膜为沟道层，其转移特性和输出特性如图1所示。该器件工作在N沟道增强模式，有很好的饱和特性和夹断效应，表明ZnO沟道层中的电子被栅压有效控制。进一步计算得到其阈值电压为2.55 V，电流开关比为106，电子迁移率达到12.2 cm2/V・s。氧化物薄膜多为宽禁带半导体材料，可以避免可见光照射对器件电学性能的影响，简化制备工艺，降低成本。
图1 ZnO-TFT的电学性质
1.2高透过率
氧化物薄膜在可见光范围有很高的透过率，结合透明的衬底、绝缘层和电极材料可以制备全透明薄膜晶体管（TTFT），如将其用在有源阵列驱动液晶显示中，可以提高液晶显示器的开口率，使显示器屏幕更清晰明亮并降低能耗。甚至可以和有机发光二极管（OLED）结合实现全透明电子显示器。Cheng等[16]报道了用化学溶液法制备的全透明ZnO-TFT阵列，其中ZnO-TFT采用顶栅式结构，氮化硅为绝缘层，ITO薄膜为源、漏、栅电极，导电沟道宽长分别为W=500μm、L=10μm。图2是该ZnO-TFT在200 ~1,200 nm范围的透过率，整个器件在可见光范围的最高透过率达到85％，电学测试得到电子的迁移率为0.67 cm2/V・s，电流开关比为107左右。随着薄膜制备工艺的不断提高，近几年已有很多P型透明氧化物薄膜的报道，并已经实现了P沟道的透明氧化物场效应晶体管[17]，从而为实现全透明的集成电子线路打下基础，将来可以利用氧化物半导体 CMOS电路制作显示阵列的驱动电路,解决高密度引线困难等问题，提高显示器的可靠性和稳定性。
图2 透明ZnO-TFT阵列的透过率及实物图
1.3低温制备工艺
一般氧化物半导体薄膜的生长温度低，对衬底要求不高。衬底可以选择廉价的玻璃或者柔韧性塑料等，这些都可以降低显示器的成本，并为便携式柔性显示器件开辟新的途径。Carcia等[18]在PET塑料衬底上制备了TFT阵列，其中磁控溅射生长的ZnO薄膜为沟道层，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的SiN薄膜为绝缘层，热蒸镀的金属铝膜作为源漏电极。尽管整个制备过程在室温条件下完成，该器件有很好的电学性能，其阈值电压、电流开关比和电子迁移率分别为0.1 V、105和3.4 cm2/V・s，图3是单个器件的结构示意图和ZnO-TFT阵列的实物图。
（a）单个ZnO-TFT结构示意图 （b）ZnO-TFT阵列实物图
图3 PET衬底上制备的ZnO-TFT阵列
2沟道层薄膜制备工艺的优化和掺杂
在氧化物半导体薄膜晶体管中，对ZnO沟道层的研究最为广泛。一般对沟道层材料的要求是在较低温度下，获得低本征载流子浓度、高迁移率、高透过率的沟道层薄膜。研究表明不同的制备技术和工艺对ZnO薄膜的电学性质影响很大。目前，用于制备ZnO-TFT的方法主要有磁控溅射法、脉冲激光沉积技术、溶胶凝胶法等。本征载流子浓度是影响TFT开关特性的一个重要参数，即使TFT工作在增强模式，低本征载流子浓度使器件在零伏栅极电压下的源漏电流很小。相反，高的本征载流子浓度使TFT工作在耗尽模式，增强型晶体管可以简化电路设计、降低功耗，因而较耗尽型晶体管有很大优势[19,20]。Fortunato等[21]报道了在室温条件下采用磁控溅射方法制备的全透明ZnO-TFT，发现调节溅射功率大小可以调节ZnO薄膜的电阻和透过率。当溅射功率为5 W/cm2时得到的ZnO薄膜的电阻最高，同时薄膜的透过率也达到最大值，作者认为这种条件下生长的ZnO薄膜具有完整的化学计量比，氧空位和锌间隙等本征缺陷最小，因而有很好的电学性质。在此基础上以ATO/ITO/Glass衬底上制备透明ZnO-TFT，其中ATO是原子层沉积交替生长的Al2O3和TiO2薄膜，作为TFT的绝缘层，ITO薄膜作为栅极。其阈值电压为21V，电流开关比为2×105，场效应迁移率为20 cm2/Vs，同时，器件在可见光范围的透过率达到80％，如图4所示。
图4 （a）溅射功率对ZnO光电性质的影响
（b）ZnO-TFT的透过率
除优化薄膜制备工艺外，还可以通过掺杂的方法来控制ZnO薄膜的本证载流子浓度。我们实验室采用激光分子束外延法（L-MBE）在氧气和氨气氛围下制备氮掺杂ZnO薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，由于氮原子容易在ZnO薄膜中形成浅受主能级，补偿了ZnO薄膜由于本征缺陷所形成的自由电子，使ZnO薄膜呈现较高的本征电阻。在此基础上，以氮掺杂ZnO薄膜制备了薄膜晶体管，由于沟道层中较低的本征载流子浓度，该器件能够很好的工作在增强模式,并有优异的电学性质[22]。同时发现氮原子的掺杂对器件的场效应迁移率影响很小，器件的电流开关比、阈值电压、迁移率分别达到104、5.15V和2.66cm2 /V・s,其电学性能如图5所示。
图5 氮掺杂ZnO-TFT的电学性质
尽管ZnO-TFT表现出高迁移率、高透过率等优点，但是ZnO薄膜大都是多晶结构的模式生长。晶粒不均匀性和晶粒间界的存在导致器件工作稳定性及大面积制备的一致性变差。最近，非晶态氧化物半导体薄膜用作TFT的沟道层并取得很大成功。氧化物薄膜中掺入具有（n-1）d10ns0（n≥4）电子结构的重金属阳离子后，就可以组成非晶态氧化物半导体。由于氧离子的2p轨道小，金属阳离子的ns（n为主量子数）轨道半径大，这样即使在非晶态情况下，相邻的金属阳离子ns轨道重叠的几率也很高，从而有较高的迁移率[23,24]。非晶金属氧化物半导体薄膜在具有良好均匀性的前提下，具有制备温度低、可见光透过率高、均匀性好等优点，目前已有多篇利用非晶Zn-Sn-O、Zn-In-O和InGaZnO作为TFT沟道层的报道。Manabu等[25]在PET塑料衬底上制备了80×60的TFT阵列，其中磁控溅射制备的非晶InGaZnO为沟道层，SiON薄膜为绝缘层，每个像素大小为500 μm×500 μm。 图5（a）是非晶InGaZnO TFT的转移特性曲线，计算得到其电流开关比、阈值电压、迁移率分别为106、5.8 V和5.1 cm2 /V・s。然后将E-Ink公司利用电泳技术生产的电子墨水显示膜碾压到TFT阵列上，这样就形成了用非晶氧化物TFT驱动的柔性电子纸张，如图5（b）所示。上述成果显示了非晶氧化物TFT在有源阵列显示技术中有广阔的应用前景。
图5 （a）非晶InGaZnO TFT的转移特性曲线
（b）非晶InGaZnO TFT驱动的柔性显示器
结论和展望
总之，最近几年以氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT引起了人们的广泛关注，并取得了很大的进展，为开发新一代有源驱动显示器件打下基础。然而，目前以非晶硅和多晶硅为为主体的有源驱动显示吸引了大量的投资，发展十分迅速，新型材料的介入显得十分困难。而氧化物TFT的研究处于刚起步阶段，历史上也曾经出现过硒化隔（CdSe）、硫化隔（CdS）和碲（Te）等材料的TFT，但是由于材料性质的限制没有成功市场化，氧化物半导体薄膜目前还没有发现致命性的缺点。可以预见，氧化物TFT要取代硅基薄膜晶体管还有很长的路要走，并且必须要在低成本、高性能、高兼容性、容易产业化等几个方面做深入的研究。
参考文献
[1] Klauk H, Gundlach DJ, Jackson TN. Fast organic thin-film transistor circuits [J]. Ieee Electron Device Letters, 1999, 20: 289-291.
[2] Miyasaka M, Stoemenos J. Excimer laser annealing of amorphous and solid-phase-crystallized silicon films [J]. Journal Of Applied Physic, 1999, 86: 5556-5565.
第7篇：半导体材料发展特性范文
【关键词】LED；节能应用；节能技术
一、LED节能应用理论
（一）LED结构构成
LED的中文全称为发光二极管，其由磷、砷、氮等多种化合物制成的二极管，当电子和空穴复合时便能够辐射出可见光。对于LED灯来说，其核心部分为被固定于楔形支架上一块半导体晶片及该楔形支架之下的两根一端接电源正极，一端接电源负极的引线架。
半导体晶片由三部分构成：
（1）P型半导体组件，即该组件通常被焊接于接通电源正极的引线架之上；
（2）N型半导体组件，即该组件通常被焊接于接通电源负极的引线架之上；
（3）PN节，即P型半导体组件与N型半导体组件之间的过渡层。另外，运用分子中含有两个或多个环氧基团的环氧树脂对以上三部分进行封闭，从而便可构成LED灯。
（二）LED发光原理
LED实际上隶属于半导体二极管，依托其能够实现电能向光能的转化。发光二极管同样具备普通二极管的单向导电性。当将正向电压引入发光二极管后，从P区注入至N区的空穴与由N区注入至P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，之后便会出现自发辐射的荧光。特别注意的是半导体材料不同，其电子与空穴所处的能量状态存在较大差异，其中电子与空穴复合时释放出能量的多少与发出的光的波长呈现负相关性，即电子与空穴复合时释放出的能量越少，则发出的光的波长越长；反之电子与空穴复合时释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
（三）LED的特性
与普通二极管相比，LED的特性更为显著，具体体现为：工作电流小与工作电压低；使用寿命相对较长；抗冲击与抗震性能较好等。LED正是存在上述一系列特征才被用作光源或信号显示器。
（四）LED的分类
以相关标准为依据可将LED划分为多类，包括普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、变色发光二极管、超高亮度发光二极管、电压控制型发光二极管及负阻发光二极管等。其中以普通单色发光二极管最为常用，究其原因在于普通单色发光二极管作为电流控制型半导体器件，不仅工作电流小与工作电压低、体积较小，而且响应速度较快、发光相对均匀稳定。同时发光的波长决定着普通单色发光二极管的发光颜色，而发光的波长又与制造发光二极管所用的半导体材料密切相关。
二、LED节能应用现状
受LED诸多方面优点的影响，使其在全世界范围内各行业应用较广泛。截止当前，LED已在我国多个行业应用较成熟，并发挥了至关重要的积极效应。以LED在显示屏及车灯的应用为例，具体表现为：
（1）LED在显示屏中的应用
在数字化信息快速发展的推动下，以往的显示技术的滞后性日益突出，为此则需要采取有效措施逐步加大对显示技术的创新、完善，即通过将LED引入显示屏行业中，使得显示屏得以优化升级，同时具备一系列优点：其一为轻薄，便携性增强；其二为增加了屏幕亮度与色彩表现力，使其更具均匀性；其三位功耗降低，发光效率高，续航能力显著提高；气死环保无污染。
（2）LED在车灯中的应用
与发达国家相比，当前LED在我国汽车市场的应用正处于起步阶段，诸多方面有待进一步成熟与完善。笔者认为，LED在汽车市场的应用既有优点又有缺点。
其优点体现为：
其一，使用寿命较长，即汽车照明灯若使用LED，那么正常情况下该车终生无需更换灯具；
其二，高效率、低能耗，符合可持续发展战略理念；
其三，结构较简单，即内部支架结构，四周以透明的环氧树脂密封，抗震性能较好；
其四，光线质量相对较高；
其五，符合低电压工作条件，较适用于汽车上；
其六，点亮无延迟，亮灯响应速度较快，适应用于移动速度快的物体；
其七，LED占用体积相对较小，通常不会影响到汽车整体的美观。
其缺点体现为：
第一，成本相对较高；
第二，光型设计难度系数较大；
第三，散热性能较差，易出现光衰现象；
第四，维修性能较差。
纵观全球诸多发达国家，汽车LED灯在汽车上的使用率均已接近50%，而汽车LED灯在我国汽车商的使用率仍不足1%，究其原因在于我国广大汽车用户未能够全面、准确认识到LED车灯的优越性，并且一些价低质劣的LED车灯产品混入汽车市场误导了广大汽车用户对LED车灯的认识，致使诸多汽车用户对LED车灯产生抵制情绪。
三、LED节能应用发展趋势
目前，由于全球的照明能耗大约占整个电力资源消耗的五分之一，所以从照明节能入手能够为节能减排带来较为无可估量的贡献。LED的出现至今虽然已经过了几十年的时间，但是它在照明领域的使用还处于起步阶段。随着近年来LED照明技术的快速进步，各项性能指标的稳步提升，使得它的应用领域日趋广泛，尤其是在全球能源危机忧虑再度升温的环境下，LED的市场将倍受人们的关注与青睐。
2011年日本地震引发的核泄漏事件，加大了世界各国对资源环境的担忧。同时该事件也给新能源的开发和发展结构带来了较大的影响，加快了风电、光伏以及水电等新兴能源大范围投入使用的发展步伐。
LED作为新型照明设备，确实具有很多独特的优势。但不可回避的是，LED自身还存在有些许的问题和不足，这还仍需要我们继续对其研究、完善，使LED能够在我们生活当中发挥出最好的效果。
参考文献
[1]陈俄振，郭震宁，智佳军.LED扩展光源均匀照明的透镜设计[J].华侨大学学报（自然科学版），2013（6）.
[2]孔强强，宋庆军，张玉华.LED驱动电源的电磁兼容测试及整改[J].中国测试，2013（6）.
第8篇：半导体材料发展特性范文
【关键词】LED；OLED；发光原理；工艺
LED与OLED是当今发光与显示领域最热门的技术与材料，就本质来说，两者都是半导体发光器件，LED采用了无机材料，而OLED采用的是有机材料。这就造成了他们在制造工艺和发光技术上的差别，因此也造成其面向的显示领域的巨大不同。但相同的的是，他们在能效、功耗、数字化、模块化等方面较传统显示（CRT LCD PDP）的巨大优势以及在制造工艺与成本等方面面临的问题。
1.LED与OLED发光原理
LED，即发光二极管（Light Emitting Diode），是一种有镓、砷与磷的化合物制成的二极管，其核心是由P型半导体和N型半导体晶片，在P型、N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合形成激子时，就会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转化为光能。这种龙注入式电致发光原理制成的二极管，就叫做发光二极管，也就是俗称的LED，当他处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就会发出紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关，光的颜色与构成材料有关。通常，磷砷化二镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
OLED，即有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode），又称有机电激光显示。OLED的基本结构是有一薄而透明的具有半导体特性的铟锡氧化物，与正极相连，再加上另一个金属阴极。整个结构层中包含：空穴传输层、发光层、电子传输层。在电厂的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当而正在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子产生可见光。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红绿蓝光，按照三基色原理形成基本色彩。
2.LED与OLED的差异
S虽然厚实发光半导体，但是LED与OLED的构成上存在区别，主要区别在于：
1）OLED中的激子与LED的不同，LED通过注入的电子与空穴形成激子而发光，发光色取决于组成半导体的能带间隙；OLED通过注入的电子与空穴形成激子，激子衰减而发光，发光色取决于有机分子的荧光光谱。
2）构成LED的有机膜不论分子大小还是聚合物，一般都是无定形薄膜，（有机物采用热蒸发，蒸发的分子在室温基板上以过冷状态形成薄膜），而且是带隙很大的绝缘膜，而无机LED则是有序的参杂半导体单晶体。
3）在OLED中的载流子传输过程也与LED不同，在有机分子间的电荷移动靠的是分子离化，例如空穴在分子中的传输过程实际上是中性分子和带正电荷的分子间的反复氧化和还原的过程。而无机半导体中电荷传输靠的是带传导。
3.LED与OLED显示技术比较
LED结构稳定，发光器件为单像素封装，通常是在基板上生长一层层的半导体薄层，切割成数千管芯，再将管芯镶嵌在反射碗上形成单个像素单元。与目前制作工艺制作出来的管芯尺寸皆超过200μm，对于许多现实起来说确实太大了，而RGB真彩色显示需要3颗限速点组合在一起，所以难以制作成高分辨率的屏幕，目前使用的LED显示屏幕实点距躲在10mm以上，部分产品可以做到1-2mm。但是因其结构稳固，模块化，能效高，因此很容易扩展，是的大型屏幕甚至是超大型屏幕（100m2以上）的实现变得容易，因为，超大屏幕的观看距离都在几十米，甚至上千米。此外，由于LED所有发光器件都进行完全的封装，和环境无接触，故而使用寿命都比较长，并且在相当长的时间里性能几乎没有变化。但是OLED采用的是夹心结构，由多层金属盒分子化合物层叠而成，类似于印刷电路板，因此很容易做成高分辨率甚至是超高分辨率的屏幕，如果使用柔性材料，开可以制成各种形状甚至是可折叠屏幕。但由于无法像LED一样在每个发光器件上制作反射杯，因此OLED的光损耗较LED大，亮度和色彩也叫LED差。此外OLED发光过程中不断的化合反应，使其发光强度随着时间而降低，使用寿命也要短得多。
另外一个影响的重要因素就是成本因素，从材料上来看，LED对于光色的控制需要改变的能带间隙，对于半导体材料工艺的要求比较高，而OLED只需要改变有机分子荧光光谱，可以通过化学方法修正。从制作工艺复杂成都看，LED的单晶生长工艺要比OLED复杂得多，特别是影响LED全彩显示的蓝色LED，有机比无机更易于实现，而蓝色OLED由于他的寿命问题，脱了OLED显示技术的后腿。还有就是OLED成品率极低，12年的时候只能做到32，造成了成本的急剧上升，而LED成品率很高，从而造成了OLED的成本比LED高得多，最终限制了产业化的进行。
4.LED与OLED显示技术的前景
综上所述，由于LED能效（可换算成单位面积发光强度和耗电比值），寿命方面的有点，以及像素单元机构方面的特点，使其在超大显示面积屏幕上有着先天的优势，其模块化（市面上常见的是16×16和32×32等LED单元板）设计使大屏显示结构变得非常简单，目前世界上大型单色、双色、全彩色显示屏，基本上都是LED，超大显示屏甚至可以做到几十千米的可视距离。但是LED的成本随着像素间距下降而成平方级增长。间距下降30%，像素数量增加100%，而通常是在基板上生长一层层的半导体薄膜，切割成数千管芯，再将管芯镶嵌在各应用产品中。以目前的制作工艺制作出来的管芯尺寸皆超过200μm，对于许多室内用的显示屏幕来说太大了，因此目前的LED技术并不合适。
OLED在能效和光色方面不如LED，而且寿命也短，但是成本较低，最主要的是像素很高，适合做高清显示屏，其主要对手是TFT-LCD。TFT-LCD需要背光源，OLED本身就是发光材料，因此在能耗和亮度方面OLED有压倒性优势，但是依然需要解决的是成本问题，OLED成本比TFT-LCD高出不止一倍，使得其主要的应用只能在智能手机和高端笔记本的显示屏上，但是随着技术的成熟，成品率提高，蓝光OLED得等到解决，OLED必然如LCD取代CRT和一样取代LCD。
5.总结
无论是LED还是OLED，目前都还存在适用局限性的问题。OLED技术已经渐趋成熟，随着生产工艺改进，有望在近几年逐步取代LCD。总体性能上无机LED还是更加有优势，但是在成本和工艺上存在问题，无法小型化。2009年，美国成功制成50μm的无机LED芯片方块，虽然目前技术还不成熟，同时，还是只能做出红光显示器，但是，随着他们进一步的研究，实用化的微型无机LED芯片早晚会成为下一代显示技术的发展方向。
参考文献
[1]沈培宏.OLED发光及显示技术.光电技术，2005年第1期
第9篇：半导体材料发展特性范文
关键词：碳化硅材料；电力电子器件；应用；发展
1、碳化硅电力电子器件概述
大功率半导体器件在近年来得到了快速的发展，促使现代电力系统中高性能电力电子装置得到广泛的应用。其主要有变流、变频的特点，响应性能较为快速，能够利用小功率来控制大功率。碳化硅由于其优良的物理特性和电特性，在电力系统中得到了广泛的应用。碳化硅属于新研发的宽禁带的半导体材料，这种器件的优势在于它的高压高温的特性。碳化硅电力电子器件能够突破硅基半导体器件由于电压和温度的限制会造成电力系统有一定的局限性。当前碳化硅材料研发不断发展，新型碳化硅电力电子器件不断涌现，低压领域和高压领域的碳化硅功率器件不断产业化，在电力系统中不断替代原有器件。碳化硅电力电子器件的研发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统高压领域中得到更多的应用，其发展能够对电力系统变革产生较为深远的影响。相信在不久的将来，在电力电子器件的制造中碳化硅的使用将会更加广泛，电力电子器件也将会具有更高的使用性能。
2、电力系统中碳化硅电力电子器件的应用
在电力系统中碳化硅电力电子器件在以下几个方面得到了广泛的应用：
2.1固态变压器。
近年来分布式发电系统和智能电网技术不断发展，碳化硅基于其很好的性能在当前的固态变压器中具有广泛的应用。其利用宽禁带材料能够有效提高器件工作适应温度。6H-SiC、4H-SiC禁带宽度分别为3.0eV、3.25eV，这两种材料对应的本征温度为8000摄氏度以上，也就是意味着即使禁带最窄的3C-SiC，它的禁带宽度也能够在2.3eV左右。利用碳化硅材料制造的电力系统器件，它的工作温度最高能够超过6000℃。电力系统中功率开关器件反向的电压承受力和它的漂移区以及基区长度、电阻率具有密切的关系，单极性功率的开关器件通态比电阻将直接受漂移区长度、电阻率的影响。由以上可知与其制造材料击穿电场强度的立方成反比。在电力系统中技术人员利用击穿电场强度较高的碳化硅材料制作的高压功率开关控制器，它的电阻率不用选择过高，碳化硅电力电子器件漂移区或基区也不需要太长。通过这种工艺不但器件通态与电阻相比会有较明显的降低，其工作频率将有大幅度的提高。固态变压器是电力电子变流器和高压变压器中能量转换的关键装置。固态变压器相较于传统变压器具有体积较小、供电质量较高、供电效率比较高、工作性能稳定的特点。固态变压器在电力系统中应用将有效解决当前传统变压器所存在的问题。碳化硅电力电子器件在固态变压器中的应用将能够简化其结构和提高其工作性能。
2.2柔流输电系统。
柔流输电系统是当前交流电网比较先进的技术之一。碳化硅电力电子器件在其中应用将能够科学、高效的实现系统电压、功率和输电品质的控制，并能够有效降低输电的损耗。碳化硅器件的击穿电场强度为普通硅材料的8倍，这种器件的电子饱和漂移速度是普通硅材料的2倍，这种特性更有利于提高碳化硅器件的工作频率，故碳化硅单极性功率开关不仅通态比普通电阻低，一般它的工作频率也会比普通硅材料器件高到10倍以上。碳化硅电力电子器件由于其热导率较高，故能够在高温下长时间、稳定性的工作。另外碳化硅材料为当前唯一能够采用热氧化法来生成高性能的本体氧化物化合物的半导体材料。这种特性使其可以和普通硅材料一样去制造MOSFBT、IGBT这种含有MOS结构的电力系统电力电子器件。碳化硅材料在常压下生成熔体较为困难，当其加热到2400℃时就会升华，故其像普通晶体通过籽晶在熔体中缓慢生长制备单晶是十分困难甚至是不可能的。这种工艺难度要比锗、硅、砷化镓等常见常用的半导体材料制备更为困难和复杂。碳化硅材料功率器件自身具有优良的耐压特性，随着碳化硅器件研发和制造技术的提高，其在FACTS技术中将会受到越来越多的重视。
2.3静止无功补偿器件。
在电力系统中静止无功补偿器主要用于潮流控制和无功补偿，碳化硅电力电子器件应该有效提高其系统的稳定性和响应速度，掺杂是当前半导体器件制备最基本的工艺。由于杂质在碳化硅器件中扩散系数与在SiO2中一样较低，在适于碳化硅有效杂质扩散温度条件下，SiO2将失去对杂质掩蔽的作用，并且碳化硅材料自身在同样高温条件下性能不稳定，故其不宜采用扩散掺杂，需利用离子注入以及材料制备过程中进行伴随掺杂来达到制备碳化硅器件的条件。碳化硅晶片制备技术可以分为物理法和化学合成方法。物理法主要包括机械粉碎法和结晶法；化学合成法主要包括化学气相沉积法以及碳热还原法。化学气相沉积法和碳化硅晶须的制备工艺较为相同，但其工艺复杂，价格昂贵，目前研究和应用较少；碳热还原法是利用碳和SiO2为原材料，利用催化剂将原材料加热至合适的温度进而合成，这种方法是碳化硅晶体制造的主要方法。碳化硅电力电子器件在STATCOM的应用结构能够得到有效简化。由于碳化硅电力电子器件开关频率得到有效的提高，电力系统中电能质量也能够得到有效的提升。在风能、太阳能等洁净、可再生能源方面，无变压器STATCOM结构将会得到大力推广和应用。
2.4电力系统的直流输电技术。
碳化硅电力电子器件能够促进高压直流的输电技术快速的发展。碳化硅电力电子器件耐压性能良好，这种特性能够有效减少电力系统中需要的器件数量，大大简化直流输电电力系统的结构，并能够有效降低电能传输中的能耗，不断促进高压直流输电技术的发展和进步。
3、碳化硅器件在电力电子中研发工作的进展
随着碳化硅器件在电力电子中的应用越来越广泛，使得关于碳化硅的研发工作进展也不断加快。
3.1碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）
当前碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压已经达到10000V以上，大电流器件的通态电流为130A，其阻断电压达到5000V。这种碳化硅肖特基势垒二极管主要采用了n型高阻厚外延片，同时在肖特基势垒接触和欧姆接触中使用了镍，该器件的尺寸也较小，肖特基势垒接触的直径只有300um，且采用了大面积的芯片。在碳化硅肖特基势垒二极管中，若肖特基上的金属是铂，同时为降低阳极电流的扩散电阻而在铂金属上再蒸镀2um的金膜，在背电极经过退化处理的这种器件不具备较好的反向特性，其漏电流随着电压的增加而增加。器件的反向特性与芯片的面积有关，芯片面积越低器件的反向特性越高。同时根据研究者的研究表明，JBS结构在降低碳化硅肖特基势垒二极管的反向漏电流以及改善其正向特性中都具有很好的效果，同时兼顾正反向特性的优化设计已经将碳化硅肖特基势垒二极管的JBS结构的通态比电阻相较于硅器件理论值的1：400。
3.2碳化硅场效应器件
碳化硅功率金属-氧化物-半导体场效晶体管的开发优势就是能够兼顾阻断电压和通态比电阻，随着1994年首次报道的碳化硅功率金氧半场效晶体管耐压只有250V，短短四年时间其阻断电压就提高到了1400V，同时采用栅增强功率结构设计，可以进一步提高阻断电压，降低通态比电阻。近年来人们充分挖掘了碳化硅材料在场效应器件方面的应用潜力，对结型场效应晶体管的结构也做了很多改良，从而减少了结型场效应晶体管常规工艺流程中的碳化硅外延生长这道高难度工序，同时还在器件结构中取消了横向结型场效应晶体管栅，从而使器件的通态比电阻有所下降，使得场效应器件品质因子也获得了提高。
3.3碳化硅双极型器件
随着碳化硅器件的使用性能越来越广泛，研发碳化硅双极晶体管成为了当前的发展方向，开发碳化硅双极晶体管的关键问题就是提高电流增益，采用外延层作基区，用离子注入形成发射极的方法可以提高电流的增益，同时采用达林顿结构也会获得更高的电流增益。