導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

 

1.半導(dǎo)體材料的概念與特性

當(dāng)今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品普遍進(jìn)入人們的生活，如電視機(jī)，電子計(jì)算機(jī)，電子表，半導(dǎo)體收音機(jī)等都已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｋ豢扇鄙俚募矣秒娖?。半?dǎo)體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用，這需要我們從了解半導(dǎo)體材料的概念和特性開始。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類物質(zhì)，在某些情形下具有導(dǎo)體的性質(zhì)。半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用源于它們獨(dú)特的性質(zhì)。首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發(fā)就是利用了這個(gè)特性；其次，雜質(zhì)參入對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，它們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得PN結(jié)形成，進(jìn)而制作出各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)會因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷器等；半導(dǎo)體基片可以實(shí)現(xiàn)元器件集中制作在一個(gè)芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路。這種種特性使得半導(dǎo)體獲得各種各樣的用途，在科技的發(fā)展和人們的生活中都起到十分重要的作用。

2.半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

半導(dǎo)體材料從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展，從使用到創(chuàng)新，也擁有著一段長久的歷史。在20世紀(jì)初期，就曾出現(xiàn)過點(diǎn)接觸礦石檢波器。1930年，氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應(yīng)用，使半導(dǎo)體材料開始受到重視。1947年鍺點(diǎn)接觸三極管制成，成為半導(dǎo)體的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生長技術(shù)的開發(fā)和集成電路的發(fā)明，使得微電子技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。60年代，砷化鎵材料制成半導(dǎo)體激光器，固溶體半導(dǎo)體材料在紅外線方面的研究發(fā)展，半導(dǎo)體材料的應(yīng)用得到擴(kuò)展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜志工程”發(fā)展到“能帶工程”，將半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用推向了一個(gè)新的領(lǐng)域。90年代以來隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，砷化鎵和磷化銦等半導(dǎo)體材料得成為焦點(diǎn)，用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子器件等；近些年，新型半導(dǎo)體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進(jìn)半導(dǎo)體材料開始體現(xiàn)出其超強(qiáng)優(yōu)越性，被稱為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機(jī)。

3.各類半導(dǎo)體材料的介紹與應(yīng)用

半導(dǎo)體材料多種多樣，要對其進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，我們需要從不同的類別來認(rèn)識和探究。通常半導(dǎo)體材料分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、超晶格半導(dǎo)體材料。不同的半導(dǎo)體材料擁有著獨(dú)自的特點(diǎn)，在它們適用的領(lǐng)域都起到重要的作用。

3.1元素半導(dǎo)體材料

元素半導(dǎo)體材料是指由單一元素構(gòu)成的具有半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和鍺為典型。硅在在地殼中的含量較為豐富，約占25%，僅次于氧氣。硅在當(dāng)前的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，它不僅是半導(dǎo)體集成電路、半導(dǎo)體器件和硅太陽能電池的基礎(chǔ)材料，而且用半導(dǎo)體制作的電子器件和產(chǎn)品已經(jīng)大范圍的進(jìn)入到人們的生活，人們的家用電器中所用到的電子器件80%以上元件都離不開硅材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由于鍺的特有性質(zhì)，使得它的應(yīng)用主要集中于制作各種二極管，三極管等。而以鍺制作的其他器件如探測器，也具備著許多的優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

3.2化合物半導(dǎo)體材料

通常所說的化合物半導(dǎo)體多指晶態(tài)無機(jī)化合物半導(dǎo)體，即是指由兩種或兩種以上元素確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體性質(zhì)?；衔锇雽?dǎo)體材料種類繁多，按元素在元素周期表族來分類，分為三五族（如砷化鎵、磷化銦等），二六族（如硒化鋅），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半導(dǎo)體材料已經(jīng)在太陽能電池、光電器件、超高速器件、微波等領(lǐng)域占據(jù)重要的位置，且不同種類具有不同的性質(zhì)，也得到不同的應(yīng)用。。

3.3固溶體半導(dǎo)體材料

固溶體半導(dǎo)體材料是某些元素半導(dǎo)體或者化合物半導(dǎo)體相互溶解而形成的一種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固態(tài)溶液材料，又稱為混晶體半導(dǎo)體或者合金半導(dǎo)體。隨著每種成分在固溶體中所占百分比（X值）在一定范圍內(nèi)連續(xù)地改變，固溶體半導(dǎo)體材料的各種性質(zhì)（尤其是禁帶寬度）將會連續(xù)地改變，但這種變化不會引起原來半導(dǎo)體材料的晶格發(fā)生變化.利用固溶體半導(dǎo)體這種特性可以得到多種性能的材料。

3.4非晶半導(dǎo)體材料

非晶半導(dǎo)體材料是具有半導(dǎo)體特性的非晶體組成的材料，如α-硅、α-鍺、α-砷化鎵、α-硫化砷、α-硒等。。這類材料，原子排列短程有序，長程無序，又稱無定形半導(dǎo)體，部分稱作玻璃半導(dǎo)體。非晶半導(dǎo)體按鍵合力的性質(zhì)分為共價(jià)鍵非晶半導(dǎo)體和離子鍵非晶半導(dǎo)體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸發(fā)或?yàn)R射的方法制備。在工業(yè)上，非晶半導(dǎo)體材料主要用于制備像傳感器、太陽能電池薄膜晶體管等非晶半導(dǎo)體器件。

3.5有機(jī)半導(dǎo)體材料

有機(jī)半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間，具有熱激活電導(dǎo)率且電導(dǎo)率在10-10～100S·cm的負(fù)一次方范圍內(nèi)的有機(jī)物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡(luò)合物等.其中聚丙烯腈等有機(jī)高分子半導(dǎo)體又稱塑料半導(dǎo)體。有機(jī)半導(dǎo)體可分為有機(jī)物、聚合物和給體-受體絡(luò)合物三類。相比于硅電子產(chǎn)品，有機(jī)半導(dǎo)體芯片等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力較差，但是擁有加工處理更方便、結(jié)實(shí)耐用、成本低廉的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。目前，有機(jī)半導(dǎo)體材料及器件已廣泛應(yīng)用于手機(jī)，筆記本電腦，數(shù)碼相機(jī)，有機(jī)太陽能電池等方面。

3.6超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料

超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料是指按所需特性設(shè)計(jì)的能帶結(jié)構(gòu)，用分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積等超薄層生產(chǎn)技術(shù)制造出來的具有各種特異性能的超薄膜多層結(jié)構(gòu)材料。由于載流子在超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中的特殊運(yùn)動，使得其出現(xiàn)許多新的物理特性并以此開發(fā)了新一代半導(dǎo)體技術(shù)。。當(dāng)前，對超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用依然在研究之中，它的發(fā)展將不斷推動許多領(lǐng)域的提高和進(jìn)步。

4.半導(dǎo)體材料的發(fā)展方向

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和各種電子器件、產(chǎn)品等要求不斷的提高，半導(dǎo)體材料在未來的發(fā)展中依然起著重要的作用。在經(jīng)過以Si、GaAs為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程后，第三代半導(dǎo)體材料的成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。我們應(yīng)當(dāng)在兼顧第一代和第二代半導(dǎo)體發(fā)展的同時(shí)，加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料。目前的半導(dǎo)體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進(jìn)。隨著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代逐漸過渡，我們需要進(jìn)一步提高半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的研究，開創(chuàng)出半導(dǎo)體材料的新領(lǐng)域。相信不久的將來，通過各種半導(dǎo)體材料的不斷探究和應(yīng)用，我們的科技、產(chǎn)品、生活等方面定能得到巨大的提高和發(fā)展！

參考文獻(xiàn)

[1]沈能玨,孫同年,余聲明,張臣.現(xiàn)代電子材料技術(shù).信息裝備的基石[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002.

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[3]彭杰.淺析幾種半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].硅谷, 2008,(10).

篇2

半導(dǎo)體材料的發(fā)展，是在器件需要的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但從另一個(gè)角度來看，隨著半導(dǎo)體新材料的出現(xiàn)，也推動了半導(dǎo)體新器件的發(fā)展。近幾年，電子器件發(fā)展的多朝向體積小、頻率高、功率大、速度快等幾個(gè)方面[1]。除了這些之外，還要求新材料能夠耐輻射、耐高溫。想要滿足這些條件，就要對材料的物理性能加大要求，同時(shí)，也與材料的制備，也就是晶體生長技術(shù)有關(guān)。因此，在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，還要對晶體發(fā)展的新技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。

1 半導(dǎo)體電子器件需要的材料1.1 固體組件所需材料

目前，半導(dǎo)體電子所需要的材料依然是以鍺、硅為主要的材料，但是所用材料的制備方法卻不一樣，有的器件需要使用拉制的材料，還有的器件需要外延的材料，采用外延硅單晶薄膜制造的固體組件，有對制造微電路有著十分重要的作用。

1.2 快速器件所需材料

利用硅外延單晶薄膜或者外延鍺的同質(zhì)結(jié)，可以制造快速開關(guān)管。外延薄膜單晶少數(shù)載流子只能存活幾個(gè)微秒[2]，在制造快速開關(guān)管的時(shí)候，采用外延單晶薄膜來制造，就可以解決基區(qū)薄的問題。

1.3 超高頻和大功率晶體管的材料

超高頻晶體管對材料的載流子有一定的要求，材料載流子的遷移率要大，在當(dāng)前看來，鍺就是一種不錯的材料，砷化鎵也是一種較好的材料，不過要先將晶體管的設(shè)計(jì)以及制造工藝進(jìn)行改變。大功率的晶體管就對材料的禁帶寬度有了一定的要求，硅的禁帶寬度就要大于鍺的禁帶寬度，碳化硅、磷化鎵、砷化鎵等材料，也都具有一定的發(fā)展前途。如果想要制造超高頻的大功率晶體管，就會對材料的禁帶寬度以及載流子遷移率都有一定的要求。但是，目前所常用的化合物半導(dǎo)體以及元素半導(dǎo)體，都不能完全滿足要求，只有固溶體有一定的希望。例如，砷化鎵-磷化鎵固溶體中，磷化鎵的含量為5%，最高可以抵抗500℃以上的高溫，禁帶寬度為1.7eV，當(dāng)載流子的濃度到達(dá)大約1017/cm3的時(shí)候，載流子的遷移率可以達(dá)到5000cm3/ v.s[3]，能夠滿足超高頻大功率晶體的需要。

1.4 耐熱的半導(dǎo)體材料

目前比較常見的材料主要有：氧化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、碳化硅和磷化鎵等。但是只有碳化硅的整流器、碳化硅的二極管以及磷化鎵的二極管能夠真正做出器件。因?yàn)椴牧媳旧淼闹委熅捅容^差，所以做出的器件性能也不盡人意。所以，需要對耐高溫半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，滿足器件的要求。

1.5 耐輻射的半導(dǎo)體材料

在原子能方面以及星際航行方面所使用的半導(dǎo)體電子器件，要有很強(qiáng)的耐輻照性。想要使半導(dǎo)體電子器件具有耐輻照的性能，就要求半導(dǎo)體所用的材料是耐輻照的。近幾年來，有許多國家都對半導(dǎo)體材料與輻照之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究的材料通常都是硅和鍺，但是硅和鍺的耐輻射性能并不理想。據(jù)研究表明，碳化硅具有較好的耐輻照性，不過材料的摻雜元素不同，晶體生長的方式也就不一樣，耐輻照的性能也就不盡相同[4]，這個(gè)問題還需要進(jìn)一步研究。

2 晶體生長技術(shù)

2.1 外延單晶薄膜生長的技術(shù)

近年來，固體組件發(fā)展非常迅速，材料外延的雜質(zhì)控制是非常嚴(yán)格的，由于器件制造用光刻技術(shù)之后，對外延片的平整度要求也較高，在技術(shù)上還存在著許多不足。除了硅和鍺的外延之外，單晶薄膜也逐漸開展起來。使用外延單晶制造的激光器，可以在室內(nèi)的溫度下相干，這對軍用激光器的制造有著重要的意義。

2.2 片狀晶體的制備

在1964年的國際半導(dǎo)體會議中，展出了鍺的薄片單晶，這個(gè)單晶長為2米，寬為8至9毫米，厚為0.3至0.5毫米，每一米長內(nèi)厚度的波動在100微米以內(nèi)，單晶的表面非常光滑并且平整，位錯的密度為零[5]。如果在制造晶體管的時(shí)候，使用這種單晶薄片，就可以免去切割、拋光等步驟，不僅能夠減少材料的浪費(fèi)，還可以提升晶體表面的完整程度，從而提高晶體管的性能，增加單晶的利用率。對費(fèi)用的控制有重要的意義。

3 半導(dǎo)體材料的展望

3.1 元素半導(dǎo)體

到目前為止，硅、鍺單晶制備都得到了很大程度的發(fā)展，晶體的均勻性和完整性也都達(dá)到了比較高的水平，在今后的發(fā)展過程中，要注意以下幾點(diǎn)：①對晶體生長條件的控制要更加嚴(yán)格；②注重晶體生長的新形式；③對摻雜元素的種類進(jìn)行擴(kuò)展。晶體非常重要的一方面就是其完整性，晶體的完整性對器件有著較大的影響，切割、研磨等步驟會破壞晶體的完整度，經(jīng)過腐蝕之后，平整度也會受到影響。片狀單晶的完整度和平整度都要優(yōu)于晶體，能夠避免晶體的缺陷。使用片狀單晶制造擴(kuò)散器件，不僅能夠改善器件的電學(xué)性能，還可以降低器件表面的漏電率，所以，要對片狀單晶制備的研究進(jìn)行加強(qiáng)。

3.2 化合物半導(dǎo)體

化合物半導(dǎo)體主要有砷化鎵單晶和碳化硅單晶。通過幾年的研究發(fā)展，砷化鎵單晶在各個(gè)方面都得到了顯著的提高，但是仍然與硅、鍺有很大的差距，因此，在今后要將砷化鎵質(zhì)量的提升作為研究中重要的一點(diǎn)，主要的工作內(nèi)容有：①改進(jìn)單晶制備的技術(shù)，提高單晶的完整度和均勻度；②提高砷化鎵的純度；③提高晶體制備容器的純度；④通過多種渠道對晶體生長和引入的缺陷進(jìn)行研究；⑤分析雜質(zhì)在砷化鎵中的行為，對高阻砷化鎵的來源進(jìn)行研究[6]。對碳化硅單晶的研制則主要是在完整性、均勻性以及純度等三個(gè)方面進(jìn)行。

4 結(jié)論

半導(dǎo)體器件的性能直接受半導(dǎo)體材料的質(zhì)量的影響，半導(dǎo)體材料也對半導(dǎo)體的研究工作有著重要的意義。想要提高半導(dǎo)體材料的質(zhì)量，就要將工作的質(zhì)量提高，提高超微量分析的水平，有利于元素純度的提高，得到超純的元素。要提高單晶制備所使用容器的純度。還要對材料的性能以及制備方法加大研究，促進(jìn)新材料的發(fā)展。半導(dǎo)體材料的發(fā)展也與材料的制備，也就是晶體生長技術(shù)有關(guān)。因此，在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，也要對晶體發(fā)展的新技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張方，趙立群.“石油和化學(xué)工業(yè)‘十二五’規(guī)劃思路報(bào)告會”特別報(bào)導(dǎo)（三） 我國化工新材料發(fā)展形勢分析[J].化學(xué)工業(yè).2011（07）：55-57

[3] 原磊，羅仲偉.中國化工新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策[J].中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊.2010（03）：32-33

篇3

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球能耗劇增，能源資源幾近危機(jī)，想要降低能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研究和開發(fā)新型的環(huán)境友好型技術(shù)就成為了必須。半導(dǎo)體制冷起源于20世紀(jì)50年代，由于它結(jié)構(gòu)簡單、通電制冷迅速，受到家電廠家的青睞。但是由于當(dāng)時(shí)局限于材料元件性能的不足而沒有普遍使用。近年來，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體制冷器件的各個(gè)技術(shù)難題逐步攻破，使半導(dǎo)體制冷的優(yōu)勢重新顯現(xiàn)出來，廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等諸多領(lǐng)域。

1、半導(dǎo)體制冷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從國內(nèi)外文獻(xiàn)研究來看，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的理論研究已基本成熟。隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展， 前蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士發(fā)現(xiàn)摻雜的半導(dǎo)體材料 ， 有良好的發(fā)電和制冷性。這一發(fā)現(xiàn)引起學(xué)者們對熱電現(xiàn)象的重視， 開啟了半導(dǎo)體材料的新篇章， 各國的研究學(xué)者均致力于尋找新的半導(dǎo)體材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半導(dǎo)體材料系數(shù)2.4。宜向春等人又對影響半導(dǎo)體材料優(yōu)值系數(shù)的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析。指出半導(dǎo)體材料的優(yōu)值系數(shù)除與電極材料有關(guān)，也與電極的截面和長度有關(guān)， 不同電阻率和導(dǎo)熱率的電極應(yīng)有不同的幾何尺寸， 只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最大優(yōu)值系數(shù)的半導(dǎo)體制冷器。

2、半導(dǎo)體制冷的工作原理

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷，系統(tǒng)僅包括冷熱端、電源、電路等設(shè)備。P型半導(dǎo)體元件和N型半導(dǎo)體元件構(gòu)成熱電對，熱電對兩端均有金屬片導(dǎo)流條。如圖1所示：當(dāng)電流流經(jīng)熱電對時(shí)，就會發(fā)射帕爾貼效應(yīng)，電流在上端由N流向P，溫度降低形成冷端，從外界吸熱；電流在下端有P流向N，溫度升高形成熱端，向外界放熱。

3、半導(dǎo)體制冷效率的影響因素

半導(dǎo)體制冷的研究涉及傳熱學(xué)原理、熱力學(xué)定律以及帕爾貼效應(yīng)， 還要考慮多種因素， 同時(shí)影響半導(dǎo)體制冷的各種因素都是相輔相成的， 不是獨(dú)立的。所以半導(dǎo)體制冷的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)， 但也面臨諸多難點(diǎn)，其中影響其制冷效率主要有兩個(gè)基本因素：

（1） 半導(dǎo)體材料優(yōu)值系數(shù)Z

半導(dǎo)體制冷的核心部件是熱電堆，熱電堆的半導(dǎo)體制冷材料熱電轉(zhuǎn)換效率不高，是半導(dǎo)體制冷空調(diào)器效率較低的主要原因。決定熱電材料性能優(yōu)劣的是優(yōu)值系數(shù)Z 。若要半導(dǎo)體制冷效率達(dá)到機(jī)械制冷效率水平，制冷材料優(yōu)值系數(shù)必須從3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如圖2 給出了不同優(yōu)值Z時(shí)，半導(dǎo)體制冷與機(jī)械式制冷制冷系數(shù)的比較結(jié)果。

（2） 半導(dǎo)體制冷裝置熱端散熱效果的影響。

熱電堆熱端的散熱效果是影響熱電堆性能的重要因素。實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體制冷裝置總要通過熱交換器與冷、熱源進(jìn)行不斷的熱交換才能維持工作。而熱端散熱比冷端更為關(guān)鍵，如若設(shè)制冷器冷端散熱量為Q1，熱端散熱量為Q2，系統(tǒng)工作消耗的電功為W0。

顯然，Q2=Q1+W0

4、提高半導(dǎo)體制冷效率的途徑

制冷效率低成為半導(dǎo)體制冷最大的不足，這限制了半導(dǎo)體制冷的推廣和應(yīng)用。為了提高半導(dǎo)體制冷的效率，就要從上文所介紹的兩個(gè)影響因素入手，找出有效的解決方法。

（1）尋找高優(yōu)值系數(shù)Z的半導(dǎo)體材料：研制功能性非均質(zhì)材料、方鈷礦的研究、帶量子空穴的超晶格研究。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷熱端散熱系統(tǒng)，以保證熱端的散熱處于良好的狀態(tài)。

5、半導(dǎo)體制冷應(yīng)用與前景

隨著低溫電子學(xué)得到迅速的發(fā)展， 在多種元器件和設(shè)備冷卻上， 半導(dǎo)體制冷有獨(dú)特的作用。 采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)， 對電子元件進(jìn)行冷卻， 能有效改善其參數(shù)的穩(wěn)定性， 或使信噪比得到改善， 從而提高放大和測量裝置的靈敏度和準(zhǔn)確度。 半導(dǎo)體制冷器可以用直接制冷方式和間接制冷方式來冷卻電子器件和設(shè)備。

為了解決石油資源匱乏的問題，部分車輛使用天然氣、乙醇作為燃料，但與使用汽油相比，汽車空調(diào)運(yùn)行比較困難。半導(dǎo)體制冷空調(diào)冷熱一體，獨(dú)立運(yùn)行，可直接利用車輛直流電源，因而系統(tǒng)簡單，且與車輛具有很好的兼容性，因此半導(dǎo)體制冷在汽車領(lǐng)域內(nèi)有較好的發(fā)展前景。

千瓦級以上的半導(dǎo)體制冷空調(diào)成本比壓縮制冷空調(diào)成本要高的多。但百瓦級的小型空調(diào)裝置的成本與壓縮制冷空調(diào)的成本相差不大，且無制冷劑、調(diào)控方便、無噪音等特點(diǎn)，用于某些特殊的小型空間非常方便；而十瓦級的微型空調(diào)裝置的成本則遠(yuǎn)低于壓縮制冷裝置，在電子設(shè)備冷卻、局部微環(huán)境溫度控制方面，具備壓縮制冷裝置無法替代的優(yōu)勢，使中小型半導(dǎo)體制冷空調(diào)器進(jìn)入民用領(lǐng)域成為可能。

在半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用中，需要因地制宜，根據(jù)不用的使用要求，設(shè)計(jì)出不用的性能，以拓展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，可以堅(jiān)信，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的未來會發(fā)展得越來越好，越來越廣?！?/p>

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篇4

它的應(yīng)用范圍覆蓋半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)類電子等朝陽領(lǐng)域。

它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料，將引領(lǐng)光電產(chǎn)業(yè)的新一輪革命。

它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，如今世界各國爭相布局的戰(zhàn)略高地。

在世界范圍內(nèi)，第三代半導(dǎo)體材料在各個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。盡管我國起步較晚，發(fā)展較緩，無論基礎(chǔ)研究還是產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)都仍有很長的路要走，但這并未影響該領(lǐng)域內(nèi)科研人員潛心攻關(guān)、奮起直追的決心。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與交叉科學(xué)研究院宋波教授，就是奮戰(zhàn)在我國第三代半導(dǎo)體材料研究最前沿的優(yōu)秀科研人員之一。

他L期從事第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質(zhì)量輸運(yùn)動態(tài)平衡控制及溫場調(diào)控等關(guān)鍵科學(xué)問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學(xué)優(yōu)化、關(guān)鍵工藝參數(shù)控制與物理性質(zhì)調(diào)控等相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)問題開展了系統(tǒng)研究，成果頗豐。

雛鳳新聲，結(jié)緣寬禁帶半導(dǎo)體

一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到印證。

以硅（Si）為代表的第一代半導(dǎo)體材料，引發(fā)了電子工業(yè)大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料，則拓展了半導(dǎo)體在高頻、光電子等方面的應(yīng)用，使人類進(jìn)入光纖通信、移動通信的新時(shí)代。而如今，正是第三代半導(dǎo)體材料“大展身手”的時(shí)代。

第三代半導(dǎo)體材料又叫寬禁帶半導(dǎo)體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導(dǎo)體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現(xiàn)出的高溫下的穩(wěn)定性、高效的光電轉(zhuǎn)化能力、更低的能量損耗等絕對優(yōu)勢，吸引了業(yè)界的普遍關(guān)注，有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，開啟半導(dǎo)體新時(shí)代。

宋波進(jìn)入這一領(lǐng)域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學(xué)院物理研究所，師從我國著名晶體結(jié)構(gòu)專家陳小龍研究員開展研究。當(dāng)時(shí)國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體研究起步不久，各項(xiàng)研究都非常薄弱。

2008年，宋波回到家鄉(xiāng)哈爾濱，并在哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士引薦下加入該?；A(chǔ)與交叉科學(xué)研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導(dǎo)體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域著手，改善我國關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性戰(zhàn)略材料依賴進(jìn)口的局面，促進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力，縮小與西方國家的差距。

在近十年的研究過程中，宋波作為課題負(fù)責(zé)人承擔(dān)了包括國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、總裝“十二五”預(yù)先研究重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國際科技合作項(xiàng)目等在內(nèi)的20多項(xiàng)科研項(xiàng)目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國際著名SCI學(xué)術(shù)雜志上100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權(quán)發(fā)明專利13項(xiàng)。特別是在SiC基稀磁半導(dǎo)體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創(chuàng)新性成果，引領(lǐng)了國內(nèi)外相關(guān)研究的進(jìn)步，在行業(yè)內(nèi)形成了一定的影響力。

層層深入，攻關(guān)SiC基稀磁半導(dǎo)體

稀磁半導(dǎo)體是自旋電子學(xué)的材料基礎(chǔ)，能夠同時(shí)利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導(dǎo)體和磁性的性質(zhì)，新穎而獨(dú)特，是第三代半導(dǎo)體材料的熱點(diǎn)研究之一。

現(xiàn)階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導(dǎo)體的研究已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，但仍無法滿足人們對自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現(xiàn)恰逢其時(shí)。宋波在這一前沿方向進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進(jìn)展。

他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導(dǎo)體，在200 K觀察到了玻璃態(tài)的鐵磁有序，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了4H-SiC晶型的穩(wěn)定可控。首次提出了非磁性元素?fù)诫sAlN基稀磁半導(dǎo)體的研究思路，有效地避免磁性雜質(zhì)的引入，為探討稀磁半導(dǎo)體的磁性來源提供了理想的實(shí)驗(yàn)體系。

論文在2009年發(fā)表后，至今已被他引50余次，得到不少業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的直接認(rèn)可，認(rèn)為其啟迪了思考。中國科學(xué)院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來自磁性雜質(zhì)而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉(zhuǎn)變的過程中所導(dǎo)致。

隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境――

同樣在2009年，他利用在h-BN中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了美國布法羅州立大學(xué)Peihong Zhang教授等人的理論預(yù)言，即在帶隙寬度達(dá)5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導(dǎo)的內(nèi)稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學(xué)院物理研究院O. Volnianska教授在內(nèi)的業(yè)界專家的正面引用和廣泛認(rèn)可。

2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復(fù)合摻雜SiC基稀磁半導(dǎo)體的研究思路。在Al摻雜穩(wěn)定4H-SiC晶型的基礎(chǔ)之上，同時(shí)摻雜磁性過渡金屬元素，來獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導(dǎo)體。

2011年，他提出了采用缺陷工程調(diào)控半導(dǎo)體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導(dǎo)出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實(shí)驗(yàn)上給出了硅-碳雙空位導(dǎo)致鐵磁性的證據(jù)，并從理論上揭示了雙空位產(chǎn)生磁性的物理機(jī)制，證實(shí)了磁性元素并非半導(dǎo)體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導(dǎo)體的磁性起源提供了新的科學(xué)認(rèn)識。在此之后，國內(nèi)外有超過18個(gè)研究小組開展了缺陷誘導(dǎo)半導(dǎo)體磁性的研究工作，并在相關(guān)論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導(dǎo)致磁性的典型例子。

把握前沿，初探AIN晶體生長

AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達(dá)、通信等現(xiàn)代化軍事和航天裝備等領(lǐng)域急需的電子器件。

宋波介紹，與其它的半導(dǎo)體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導(dǎo)致對其新性質(zhì)和新應(yīng)用的探索受到了較大的制約。

因此，深入開展生長動力學(xué)研究，探究生長過程中質(zhì)量輸運(yùn)-溫場分布-成核動力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從微觀機(jī)理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應(yīng)，成為制約寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題，同時(shí)也是一項(xiàng)亟待開展的基礎(chǔ)性研究工作。

在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績――

（一）在AlN機(jī)理生長方面，首次發(fā)現(xiàn)本征的六重螺旋生長機(jī)制。

他@得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結(jié)構(gòu)、AlN平面六邊形環(huán)等新穎納米結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性研究首次發(fā)現(xiàn)AlN納米/微米結(jié)構(gòu)和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉(zhuǎn)生長機(jī)制。

這一發(fā)現(xiàn)極大地豐富了人們對于AlN晶生長機(jī)理的認(rèn)識，對調(diào)控AlN生長形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價(jià)值。

（二）在AlN新物理性質(zhì)探索方面，他首次在AlN微米螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了時(shí)間長達(dá)300秒的長余輝效應(yīng)。

研究中，他分別從理論和實(shí)驗(yàn)上對AlN螺旋結(jié)構(gòu)中氮空位和鋁間隙耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。首次發(fā)現(xiàn)氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導(dǎo)出新的能級，進(jìn)而導(dǎo)致長余輝效應(yīng)的顯現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)，豐富了人們對于AlN基本物理性質(zhì)的認(rèn)識，為設(shè)計(jì)和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導(dǎo)。

在AlN納米線螺旋結(jié)構(gòu)的力學(xué)測試中首次發(fā)現(xiàn)了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發(fā)現(xiàn)為制備AlN基納米器件提供了進(jìn)一步的認(rèn)識。

（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括形核溫度控制技術(shù)、晶粒長大過程控制技術(shù)、形核控制技術(shù)等。

研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術(shù)、多型缺陷濃度控制技術(shù)以及晶體質(zhì)量穩(wěn)定性控制技術(shù)等在內(nèi)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲得了高質(zhì)量的晶體材料。

他所獲得的直徑達(dá)35mm的雙面拋光片，位錯密度小于107個(gè)/cm2，申報(bào)了國家發(fā)明專利7項(xiàng)，研究水平居于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

他重新設(shè)計(jì)和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補(bǔ)充系統(tǒng)和垂直梯度坩堝。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新的生長組合系統(tǒng)大大提高了AlN的晶體質(zhì)量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個(gè)數(shù)量級，電阻率提高了約2個(gè)數(shù)量級，為進(jìn)一步獲得高質(zhì)量的AlN晶體提供了技術(shù)支撐。

多年來，宋波非常在意與國際學(xué)者的交流與合作，不僅承擔(dān)了科技部國際科技合作項(xiàng)目，還在多年的研究中與美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學(xué)Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關(guān)系。特別值得一提的，是在對俄對烏合作方面，宋波與俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所國際知名晶體學(xué)家Vladimir Kurlov教授、國際SiC晶體生長專家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院半導(dǎo)體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關(guān)系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻(xiàn)。

篇5

中圖分類號:TP331文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: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,半導(dǎo)體器件已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。但是隨著科技的發(fā)展,由于硅的電子移動速度使得硅電路傳輸速度慢并且難以改善。因此新型半導(dǎo)體材料由此產(chǎn)生,以GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導(dǎo)體是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快。

1 化合物半導(dǎo)體材料優(yōu)勢

化合物半導(dǎo)體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例,通過比較可得:1化合物半導(dǎo)體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度,因此,可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度。2肖特基勢壘特性優(yōu)越,容易實(shí)現(xiàn)良好的柵控特性的MES結(jié)構(gòu)。3本征電阻率高,為半絕緣襯底。電路工藝中便于實(shí)現(xiàn)自隔離,工藝簡化,適合于微波電路和毫米波集成電路。4禁帶寬度大,可以在Si器件難以工作的高溫領(lǐng)域工?，F(xiàn)在化合物半導(dǎo)體材料已廣泛應(yīng)用:在軍事方面可用于智能化武器、航天航空雷達(dá)等方面,另外還可用于手機(jī)、光纖通信、照明、大型工作站、直播通信衛(wèi)星等商用民用領(lǐng)域。

2 化合物半導(dǎo)體器件

GaAs、GaN、SiC為主要應(yīng)用的化合物半導(dǎo)體材料。以下介紹由這三種材料構(gòu)成的部分器件。

2.1 GaAs材料

高電子遷移率晶體管(HEMT)器件實(shí)在能形成2DEG的異質(zhì)結(jié)上用類似MESFET的工藝制成的場效應(yīng)晶體管。源漏之間主要由2DEG的導(dǎo)電溝道提供,由勢壘層上的肖特基柵施加偏壓來改變耗盡區(qū)的厚度,從而控制溝道2DEG的濃度及器件的工作狀態(tài)(如圖1)。對這類器件若VGS=0時(shí)溝道中已有電子存在,則器件是耗盡型的;若溝道被耗盡則器件是增強(qiáng)型的。I-V特性為強(qiáng)電場下工作的耗盡型HEMT和增強(qiáng)型HEMT都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。

AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs緩沖層 高純GaAs層 n型AlGaAs層 n型GaAs層臺面腐蝕隔離有源區(qū)制作Au/Ge合金的源、漏歐姆接觸電極干法選擇腐蝕去除柵極位置n型GaAs層淀積Ti/Pt/Au柵電極。(如圖2)

圖1 GaAs HEMT中2-DEG圖2 GaAs HEMT基本結(jié)構(gòu)圖3 PHEMT的基本結(jié)構(gòu)

隨后發(fā)現(xiàn)由于n-AlGaAs層存在一種所謂DX中心的陷阱,它能俘獲和放出電子,使得2-DEG濃度隨溫度而改變,導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問題,采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2-DEG的溝道材料制成了贗高電子遷移率晶體管。InGaAs層厚度約為20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配(約為1%)而產(chǎn)生的應(yīng)力,在此應(yīng)力作用下,InGaAs的晶格將被壓縮,使其晶格常數(shù)大致與GaAs與AlGaAs的相匹配,成為贗晶層。因?yàn)镮nGaAs薄層是一層贗晶層且在HEMT中起著 i CGaAs層的作用,所以成為“贗”層,這種HEMT也就相應(yīng)地成為贗HEMT。

2.2 GaN材料

2.2.1 GaN基HEMT

目前GaN基HEMT器件的主要結(jié)構(gòu)是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT器件。由于極化效應(yīng),AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)很容易出現(xiàn)2DEG,因此有常見工藝生長的絕大部分HEMT器件是屬于耗盡型的。在盡量提高溝道2DEG濃度且保持其遷移率和速度,同時(shí)又不引起勢壘應(yīng)變弛豫的原則下,應(yīng)用于HEMT器件的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化到一個(gè)范圍(勢壘層的Al含量為0.2~0.3,厚度為20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件還有以下特性:1) 緩沖層漏電小即緩沖層呈高阻態(tài)且缺陷密度小形成高的輸出阻抗;2) 高的擊穿電壓,對提高器件的輸出功率和功率開關(guān)的電壓承受能力非常重要;3) 跨導(dǎo)高且和柵壓保持良好的線性關(guān)系,這與器件的頻率特性和開關(guān)速度相關(guān);4) 好的夾斷特性; 5) 較高的截止頻率;6) 良好的散熱能力。GaN基HEMT的主要工藝為臺面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸。

2.2.2 GaN基HBT

異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管器件具有寬帶隙發(fā)射區(qū),大大提高了發(fā)射結(jié)的載流子注入效率;基區(qū)可以高摻雜(可高達(dá)1020cm-3),基區(qū)電阻rb可以顯著降低,從而增加 fmax ;同時(shí)基區(qū)不容易穿通,從而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸縮小;發(fā)射結(jié)濃度可以很低(約1017cm-3),從而發(fā)射結(jié)耗盡層電容大大減小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研發(fā)為微波功率放大器件或高壓開關(guān)器件,其目標(biāo)特性為高射極注入系數(shù)、長的少子壽命、短的基區(qū)渡越時(shí)間、高擊穿電壓。

2.3 SiC材料

SiC基結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)和肖特基柵場效應(yīng)晶體管(MESFET)

SiC基MESFET和JFET的溝道載流子的等效遷移率比較高,因此SiC基MESFET主要被開發(fā)為微波功率器件,而JFET則是高壓功率開關(guān)器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波頻段,其性能優(yōu)勢為線性化程度比較理想,輸出阻抗高,從而大大降低對匹配網(wǎng)絡(luò)的要求,降低了制作和設(shè)計(jì)成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在較高和較低溫度以及較高頻率下工作。

3 結(jié)束語

化合物半導(dǎo)體集成電路和普通半導(dǎo)體集成電路相比具有明顯的優(yōu)勢,適合于高頻高速電路的要求。并且化合物半導(dǎo)體可以發(fā)光,可以實(shí)現(xiàn)光電集成。因此化合物半導(dǎo)體有更廣泛的發(fā)展空間。

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[1] 何杰,夏建白.半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

篇6

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要組成部分，不僅因?yàn)槠涫钦n堂教學(xué)的延伸，更由于通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以加深學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，拓展學(xué)生的創(chuàng)造思維［1，2］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)兩部分［3，4］:基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)面向全校學(xué)生，如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)等，其主要任務(wù)是鞏固學(xué)生對所學(xué)基礎(chǔ)知識和規(guī)律的理解，旨在提高學(xué)生的觀察、分析及解決問題的能力，提供知識儲備［5，6］;與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)不同，專業(yè)實(shí)驗(yàn)僅面向某一專業(yè)，是針對專業(yè)理論課程的具體學(xué)習(xí)要求設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對于學(xué)生專業(yè)方向能力的提高具有極強(qiáng)的促進(jìn)作用［7～8］。通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生能夠更好的理解、掌握和應(yīng)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，提高分析問題的能力并解決生活中涉及專業(yè)的實(shí)際問題，為學(xué)生開展專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐活動打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［9～11］。

1半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程存在的問題與困難

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)專業(yè)電子材料與器件工程方向必修的一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生對半導(dǎo)體材料和器件的制備及測試方法的實(shí)踐操作能力，其教學(xué)效果直接影響著后續(xù)研究生階段的學(xué)習(xí)和畢業(yè)工作實(shí)踐。通過對前幾年本專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)情況分析，發(fā)現(xiàn)該專業(yè)畢業(yè)生缺乏對領(lǐng)域內(nèi)前沿技術(shù)的理解和掌握。由于沒有經(jīng)過相關(guān)知識的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，不少畢業(yè)生就業(yè)后再學(xué)習(xí)過程較長，融入企事業(yè)單位較慢，因此提升空間受到限制。1．1教學(xué)內(nèi)容簡單陳舊。目前，國內(nèi)高校在半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上大同小異，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)居多，對于新能源、新型電子器件等領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完全沒有或涉及較少。某些高校還利用虛擬實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其實(shí)驗(yàn)效果遠(yuǎn)不如學(xué)生實(shí)際動手操作。我校的半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)原有教學(xué)內(nèi)容主要參照上個(gè)世紀(jì)七、八十年代國家對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)的要求所設(shè)置，受技術(shù)、條件所限，主要以傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊。但是在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中添加新能源、新型電子器件等領(lǐng)域的技術(shù)方法，對于增加學(xué)生對所學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最新前沿技術(shù)的了解，掌握現(xiàn)代技術(shù)中半導(dǎo)體材料特性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)手段和測試技術(shù)是極為重要的。1．2儀器設(shè)備嚴(yán)重匱乏。半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生熟練掌握半導(dǎo)體材料和器件的制備、基本物理參數(shù)以及物理性質(zhì)的測試原理和表征方法，為半導(dǎo)體材料與器件的開發(fā)設(shè)計(jì)與研制奠定基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)隨著專業(yè)知識的更新及行業(yè)的發(fā)展及時(shí)調(diào)整，從而能更好的完成課程教學(xué)目標(biāo)的要求，培養(yǎng)新時(shí)代的人才。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整和更新需要有新型的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備做保障，但我校原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備絕大部分生產(chǎn)于上個(gè)世紀(jì)六七十年代，在長期實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，不少儀器因無法修復(fù)的故障而處于待報(bào)廢狀態(tài)。由于儀器設(shè)備不能及時(shí)更新，致使個(gè)別實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法正常進(jìn)行，可運(yùn)行的儀器設(shè)備也因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)誤差大、重復(fù)性低，有時(shí)甚至?xí)玫藉e誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只能作學(xué)生“按部就班”的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，將新技術(shù)新方法應(yīng)用于教學(xué)中。因此，在改革之前半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)為主，設(shè)計(jì)性、應(yīng)用性、綜合性等提高類實(shí)驗(yàn)較少，且無法開展創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)。缺少自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、協(xié)作等實(shí)踐能力的訓(xùn)練，不僅極大地降低學(xué)生對專業(yè)實(shí)驗(yàn)的興趣，且不利于學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程的改革勢在必行。

2半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程改革的內(nèi)容與舉措

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)開設(shè)時(shí)間為本科大四秋季學(xué)期，該實(shí)驗(yàn)課與專業(yè)理論課半導(dǎo)體物理學(xué)、半導(dǎo)體器件、薄膜物理學(xué)在同一學(xué)期進(jìn)行。隨著半導(dǎo)體技術(shù)日新月異發(fā)展的今天，對半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容也提出了新的要求，因此，要求這門實(shí)驗(yàn)課程不僅能夠通過對半導(dǎo)體材料某些重要參數(shù)和特性的觀測，使學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料和器件的制備及基本物理參數(shù)與物理性質(zhì)的測試方法，而且可以在鋪墊必備基礎(chǔ)和實(shí)際操作技能的同時(shí)，拓展學(xué)生在電子材料與器件工程領(lǐng)域的科學(xué)前沿知識，為將來獨(dú)立開展產(chǎn)品的研制和科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2．1實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。2013年年底，基于我校本科教學(xué)項(xiàng)目的資金支持，半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過調(diào)研國內(nèi)外高?，F(xiàn)行半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自身特點(diǎn)，按照創(chuàng)新教育的要求重新設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并根據(jù)所開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容合理配置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，新配置儀器設(shè)備具有一定的前瞻性，品質(zhì)優(yōu)良，數(shù)量合理，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。由于作為一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，每學(xué)年只有一個(gè)學(xué)期承擔(dān)教學(xué)任務(wù)，為了提高儀器設(shè)備的利用率，做到實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源的不浪費(fèi)，計(jì)劃成立一間半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)專屬的實(shí)驗(yàn)室，用于陳放新購置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在沒有教學(xué)任務(wù)的學(xué)期，該實(shí)驗(yàn)室做為科研實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室使用。通過近三年的建設(shè)，半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)專屬實(shí)驗(yàn)室———新能源材料與電子器件工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建成并投入使用，該實(shí)驗(yàn)室為電子材料與器件工程方向的本科生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)以及全院本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了基本保障，更為重要的是該實(shí)驗(yàn)室的建成極大地改善了半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的原有教學(xué)條件，解決了實(shí)際困難，使得半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著提升。不僅加強(qiáng)了學(xué)生對專業(yè)核心知識理解和掌握，而且啟發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題，有效提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。2．2實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新。半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)是一門72學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，在專屬實(shí)驗(yàn)室建成后，按照重視基礎(chǔ)、突出綜合、強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新、提升能力的要求，逐步培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和創(chuàng)新能力，構(gòu)建了“九—八—五”新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，包括如下三個(gè)層次(表1)。第一層次為“九”個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，涵蓋對半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)(結(jié)構(gòu)、電學(xué)、光學(xué))的測定，通過對物理量的測量驗(yàn)證物理規(guī)律，訓(xùn)練學(xué)生觀察、分析和研究半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，掌握常用基本半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)儀器的原理、性能和測量方法等。第二層次為“八”個(gè)提高型實(shí)驗(yàn)(綜合、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn))，學(xué)生通過第一層次的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，已掌握了基本的實(shí)驗(yàn)方法和技能，在此基礎(chǔ)上，開展綜合性實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識以及分析和解決問題的能力。通過應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生將來利用設(shè)備原理從事生產(chǎn)或者技術(shù)服務(wù)的能力。第三層次為“五”個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需運(yùn)用多學(xué)科知識、綜合多學(xué)科內(nèi)容，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新研究，通過設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可以鍛煉學(xué)生組織和自主實(shí)驗(yàn)的能力，著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和基本的科研素質(zhì)。每個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，提高型實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)，規(guī)定基礎(chǔ)型為必修實(shí)驗(yàn)，提高型、創(chuàng)新型為選作實(shí)驗(yàn)。九個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)全部完成后，學(xué)生可根據(jù)興趣和畢業(yè)設(shè)計(jì)要求在提高型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)中各分別選做一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，在開課學(xué)期結(jié)束時(shí)完成至少72個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)并獲得成績方為合格。2．3實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的優(yōu)化。在教學(xué)方式上，建立以學(xué)生為中心、學(xué)生自我訓(xùn)練為主的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。將之前老師實(shí)驗(yàn)前的講解轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生代表講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后老師提問并補(bǔ)充完善，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)安排過程中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深、由簡單到綜合、逐步過渡至設(shè)計(jì)和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形成連貫的實(shí)驗(yàn)梯度教學(xué)體系，在充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自發(fā)解決問題的能力。2．4實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制的改革。目前大部分實(shí)驗(yàn)課的成績由每次實(shí)驗(yàn)后的“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的平均成績決定，然而單獨(dú)一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告并不能夠完整反應(yīng)學(xué)生的實(shí)際動手操作能力和對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的熟悉程度。因此，本課程將此改革為總成績由每次“實(shí)驗(yàn)”的平均成績決定。每次實(shí)驗(yàn)成績包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分，實(shí)驗(yàn)開始前通過問答以及學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來給出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績;實(shí)驗(yàn)操作成績是個(gè)團(tuán)隊(duì)成績反映每組實(shí)驗(yàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的動手能力以及組員之間的相互協(xié)助情況;針對提高型和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，特別是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，要求以科技論文的形式來撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以此來鍛煉本科生的科技論文寫作能力。通過三部分綜合來給出的實(shí)驗(yàn)成績更注重對知識的掌握、能力的提高和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)等方面的考核。

3半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程改革后的成效

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)在我校本科教學(xué)項(xiàng)目的支持下，購置并更新了實(shí)驗(yàn)設(shè)備建立了專屬實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建了“九—八—五”新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，并采用新的教學(xué)方式和考核機(jī)制，教師和學(xué)生普遍感覺到新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的目的性、整體性和層次性都得到了極大的提高。教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的調(diào)整，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力得到增強(qiáng)，提高了學(xué)生的積極性和主動性。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生實(shí)際動手的機(jī)會增多，對知識的渴求程度明顯加強(qiáng)，為了更好地完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，部分本科生還會主動去查閱研中英文科技文獻(xiàn)，真正做到了自主自覺的學(xué)習(xí)。通過實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，學(xué)生掌握了科技論文的基本格式，數(shù)據(jù)處理的圖表制作，了解了科學(xué)研究的過程，具備了基本的科研能力，也為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，利用新購置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備建立的實(shí)驗(yàn)室，在做為科研實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)，也取得了優(yōu)異的成績。依托本實(shí)驗(yàn)室，2015年“國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”立項(xiàng)3項(xiàng)，2016年“國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”立項(xiàng)4項(xiàng)。

篇7

近幾年來，寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料引起人們極大的興趣，是因?yàn)檫@些材料在藍(lán)光及紫外光發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和紫外光探測器上有重要的應(yīng)用價(jià)值。這些器件在光信息存儲、全色顯示和紫外光探測上有巨大的市場需求，人們已經(jīng)制造出III族氮化物和ZnSe等藍(lán)光材料，并用這些材料制成了高效率的藍(lán)光發(fā)光二極管和激光器，這使全色顯示成為可能。量子點(diǎn)（QuantumDot）憑借自身獨(dú)特的光電特性越來越受到人們的重視，成為研究的熱點(diǎn)。

由于量子點(diǎn)所具有的量子尺寸、量子隧穿、庫侖阻塞、量子干涉、多體關(guān)聯(lián)和非線性光學(xué)效應(yīng)非常明顯，故在低維量子結(jié)構(gòu)的研究中，對載流子施以盡可能多的空間限制，制備零維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)并開發(fā)其應(yīng)用，受到世界各國科學(xué)家和企業(yè)家的高度重視。

1、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備方法

高質(zhì)量半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備是量子器件和電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)對無缺陷量子點(diǎn)的形狀、尺寸、面密度、體密度和空間分布有序性等的可控生長，一直是材料科學(xué)家追求的目標(biāo)和關(guān)注的熱點(diǎn)。

應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)生長技術(shù)是指在半導(dǎo)體外延生長過程中，由于襯底和外延層的晶格失配及表面、界面能不同，導(dǎo)致外延層島狀生長而制得量子點(diǎn)的方法。這種生長模式被稱為SK生長模式。外延過程的初期為二維平面生長，平面生長厚度通常只有幾個(gè)原子層厚，稱為浸潤層。隨浸潤層厚度的增加，應(yīng)變能不斷積累，當(dāng)達(dá)到某一臨界層厚度時(shí)，外延生長則由二維平面生長向三維島狀生長過渡，由此形成直徑為幾十納米、高度為幾納米的小島，這種材料若用禁帶較寬的材料包圍起來，就形成量子點(diǎn)。用這種方法制備的量子點(diǎn)具有尺寸小、無損傷的優(yōu)點(diǎn)。用這種方法已經(jīng)制備出了高質(zhì)量的GaN量子點(diǎn)激光器。

化學(xué)自組裝量子點(diǎn)制備方法是一種通過高分子偶聯(lián)劑將形成量子點(diǎn)的團(tuán)簇或納米顆粒聯(lián)結(jié)起來，并沉積在基質(zhì)材料上來制備量子點(diǎn)低維材料的方法。隨著人們對量子線、量子點(diǎn)制備和應(yīng)用的迫切需求，以上物理制備方法顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是在批量制備時(shí)更是如此，化學(xué)自組裝為納米量子點(diǎn)的平面印刷和納米有機(jī)-無機(jī)超晶格的制備提供了可能。由于化學(xué)自組裝量子點(diǎn)的制備具有量子點(diǎn)均勻有序、制備速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，且選用不同的偶聯(lián)劑可以對不同的量子點(diǎn)前驅(qū)顆粒進(jìn)行不同對稱性的組裝，從而能制備出不同的量子點(diǎn)。它的出現(xiàn)為批量制備高功率半導(dǎo)體量子器件和激光器提供了一種有效的途徑，因此這種方法被認(rèn)為是制備量子點(diǎn)最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光原理和發(fā)光特性

2.1 發(fā)光原理

半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光原理（如圖1-1所示），當(dāng)一束光照射到半導(dǎo)體材料上，半導(dǎo)體材料吸收光子后，其價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上的電子還可以再躍遷回價(jià)帶而發(fā)射光子，也可以落入半導(dǎo)體材料的電子陷阱中。當(dāng)電子落入較深的電子陷阱中的時(shí)候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數(shù)的電子以光子的形式躍遷回價(jià)帶或吸收一定能量后又躍遷回到導(dǎo)帶。因此當(dāng)半導(dǎo)體材料的電子陷阱較深時(shí)，它的發(fā)光效率會明顯降低。

2.2 發(fā)光特性

由于受量子尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)的影響，半導(dǎo)體量子點(diǎn)顯示出獨(dú)特的發(fā)光特性。主要表現(xiàn)為：（1）半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)可以通過改變量子點(diǎn)的尺寸來加以調(diào)控；（2）半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對稱的熒光譜峰（半高全寬只有40nm）；（3）半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有較高的發(fā)光效率。半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光特性，除了量子點(diǎn)的三維量子限制作用之外，還有其他諸多因素需要考慮。不過人們通過大膽嘗試與努力探索，已在量子點(diǎn)的發(fā)光特性研究方面取得了很大的進(jìn)展。

3、量子點(diǎn)材料的應(yīng)用

鑒于量子點(diǎn)的獨(dú)特理化性質(zhì)，科學(xué)工作者就量子點(diǎn)材料的應(yīng)用研究開展了大量的工作，研究領(lǐng)域主要集中在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、生命科學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域，下面介紹一下量子點(diǎn)在這些方面的應(yīng)用。

3.1量子點(diǎn)激光器

用量子線或量子點(diǎn)設(shè)計(jì)并制作微結(jié)構(gòu)激光器的新思想是由日本的兩名年輕的科學(xué)家在1982年提出了，但是由于制備工藝的難度很大而擱淺。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技術(shù)，通過 Stranski―Krastanow（S―K）模式生長In（Ga）As/GaAs自組裝量子點(diǎn)等零維半導(dǎo)體材料有了突破性的進(jìn)展，生長出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發(fā)射率較高的InAs量子點(diǎn)，并于1994年制備出近紅外波段In（Ga）As/GaAs量子點(diǎn)激光器。

3.2量子點(diǎn)紅外探測器

半導(dǎo)體材料紅外探測器的研究一直吸引人們非常廣泛的興趣。以量子點(diǎn)作為有源區(qū)的紅外探測器從理論上比量子阱紅外探測器具有更大的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括：（1）量子點(diǎn)探測器可以探測垂直入射的光，無需像量子阱探測器那樣要制作復(fù)雜的光柵；（2）量子點(diǎn)分立態(tài)的間隔大約為50meV-70meV，由于聲子瓶頸效應(yīng)，電子在量子點(diǎn)分立態(tài)上的弛豫時(shí)間比在量子阱能態(tài)上長，這有利于制造工作溫度高的器件；（3）三維載流子限制降低了熱發(fā)射和暗電流；（4）探測器不需冷卻，這將會大大減少陣列和成像系統(tǒng)的尺寸及成本。因此，量子點(diǎn)探測器已經(jīng)成為光探測器研究的前沿，并取得了重大進(jìn)展。

3.3 單電子器件

電子器件是基于庫侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本原理，通過控制在微小隧道結(jié)體系中單個(gè)電子的隧穿過程來實(shí)現(xiàn)特定功能的器件，是一種新型的納米電子器件。

3.4 量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合單電子量子點(diǎn)上的自旋態(tài)來構(gòu)造量子比特，實(shí)現(xiàn)信息傳遞的方法。

除此之外，量子點(diǎn)在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景。

結(jié)束語 我們相信量子點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用的未來出現(xiàn)很多奇跡，隨著對量子點(diǎn)的深入研究，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景還將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] Hong S， Hanada T， Makino H， Chen Y， Ko H， Yao T， et al. Band alignment at a ZnO/GaN （0001） heterointerface [J]. Appl. Phys. Lett. ， 2001， 78（21）： 3349-3351.

篇8

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體 材料 量子線 量子點(diǎn) 材料 光子晶體

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進(jìn)一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smart cut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術(shù)的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。

2.2 GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。

（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。

2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極?。ā?.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過10瓦好結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子級聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的Picogiga MBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。

2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料

基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。

目前低維半導(dǎo)體材料生長與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見國外報(bào)道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準(zhǔn)（垂直或斜對準(zhǔn)）的物理起因和生長控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。

王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的Lars Samuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長制各方面也取得了重要進(jìn)展。

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67 GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256 GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊陂L波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6H SiC單晶與外延片，以及3英寸的4H SiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)?。其他SiC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長足的進(jìn)步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。

寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。這個(gè)問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問題，國內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長相比擬的尺度，來自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。

4量子比特構(gòu)建與材料

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越?。╪m尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。

這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲過程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位

至少到本世紀(jì)中葉都不會改變，至今國內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國家集中人力和財(cái)力，首先開展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國家之林。

5.2 GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國際水平。

寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開發(fā)工作。

（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想?；诘途S半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國際先進(jìn)水平，并在國際該領(lǐng)域占有一席之地?？梢灶A(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國的經(jīng)濟(jì)和國防實(shí)力。

篇9

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進(jìn)一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術(shù)的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。

（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。

2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極?。ā?.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過10瓦好結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。

2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料

基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。

目前低維半導(dǎo)體材料生長與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見國外報(bào)道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準(zhǔn)（垂直或斜對準(zhǔn)）的物理起因和生長控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。

王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長制各方面也取得了重要進(jìn)展。

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊陂L波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)?。其他SiC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長足的進(jìn)步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。

寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配

異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。這個(gè)問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問題，國內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長相比擬的尺度，來自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。

4量子比特構(gòu)建與材料

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越?。╪m尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。

這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲過程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位

至少到本世紀(jì)中葉都不會改變，至今國內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國家集中人力和財(cái)力，首先開展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國家之林。超級秘書網(wǎng)

5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國際水平。

寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開發(fā)工作。

篇10

中圖分類號：TN782 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 11-0000-02

準(zhǔn)確可靠的觸發(fā)是脈沖功率技術(shù)研究的重要內(nèi)容。隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，觸發(fā)源技術(shù)也日新月異，新型觸發(fā)源不僅要求快導(dǎo)通前沿、高重復(fù)頻率還要有高穩(wěn)定度。上世紀(jì)70年代在線性和非線性兩種模式下，它對控制光脈沖有很好的響應(yīng)，幾乎可以實(shí)現(xiàn)與光同步，它帶領(lǐng)著脈沖功率觸發(fā)技術(shù)走到了另一個(gè)時(shí)代。

一、光導(dǎo)開光

光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脈沖激光器和光電半導(dǎo)體相結(jié)合形成的新型器件，通過觸發(fā)光對半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通。PCSS具有響應(yīng)速度快（小于0.6ps），重復(fù)率高（GHz量級）、易于精確同步（觸發(fā)晃動僅ps量級）、不易受電磁干擾（光電隔離）、耐高壓、寄生電感電容小、結(jié)構(gòu)簡單靈活等優(yōu)點(diǎn)。隨著研究的不斷深入，至今已能利用光導(dǎo)開光技術(shù)研制太赫茲脈沖發(fā)生器，結(jié)合fs激光觸發(fā)，光導(dǎo)開光可以產(chǎn)生高功率皮秒脈沖和脈寬在ps量級的電磁輻射，擁有從接近直流到THz級的超寬頻帶，為超寬帶雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

GaAs光電導(dǎo)開關(guān)是由脈沖激光器與半絕緣GaAs相結(jié)合形成的器件，如圖1所示，基于內(nèi)光電效應(yīng)工作原理。

（一）光導(dǎo)開光結(jié)構(gòu)

常見的光導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)有橫向結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)和相對電極結(jié)構(gòu)。根據(jù)光電導(dǎo)開關(guān)的偏置電場和觸發(fā)光脈沖的入射方向關(guān)系可將開關(guān)分為橫向開關(guān)和縱向開關(guān)兩種基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)觸發(fā)光脈沖入射方向與開關(guān)偏置電場方向相互垂直時(shí)，為橫向結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)開關(guān)。當(dāng)觸發(fā)光脈沖入射方向與開關(guān)偏置電場方向相互平行時(shí)，為縱向結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)開關(guān)。

橫向光電導(dǎo)開關(guān)光作用區(qū)域面積大。無論光的吸收深度是幾微米還是幾百微米，所有光都被激活區(qū)吸收。在線性模式均勻光照條件下，開關(guān)的峰值電流、上升時(shí)間和脈寬僅僅依賴于觸發(fā)光脈沖的幅值、脈寬、載流子復(fù)合時(shí)間和開關(guān)所處電路結(jié)構(gòu)。橫向光電導(dǎo)開關(guān)的缺點(diǎn)是在工作時(shí)，由于偏置電場穿通開關(guān)整個(gè)表面，從而使得開關(guān)的表面擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)小于材料的本征擊穿強(qiáng)度。開關(guān)常常會出現(xiàn)表面閃絡(luò)或沿面放電等現(xiàn)象，從而大大限制了開關(guān)的耐壓能力和功率容量。

縱向結(jié)構(gòu)開關(guān)可以減少開關(guān)表面電場，從而提高開關(guān)的擊穿電壓。但這種開關(guān)的主要缺點(diǎn)是開關(guān)至少需要一個(gè)透明電極，而這種透明電極的制作工藝非常復(fù)雜。此外開關(guān)芯片的吸收深度對開關(guān)的瞬態(tài)特性有較大影響。

橫向開關(guān)和縱向開關(guān)各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體選用哪一種結(jié)構(gòu)的開關(guān)，要根據(jù)開關(guān)的具體應(yīng)有來決定。由于橫向光電導(dǎo)開關(guān)制作簡單，有較大光照面積和電導(dǎo)通道，可以用較寬波長范圍的光來觸發(fā)，因而在制作大功率光電導(dǎo)開關(guān)時(shí)主要采用橫向結(jié)構(gòu)的開關(guān)。

（二）光導(dǎo)開關(guān)半導(dǎo)體材料

光導(dǎo)開關(guān)的發(fā)展與半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過程中，一般將以硅（Si）為代表的半導(dǎo)體材料稱為第一代半導(dǎo)體材料；將以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導(dǎo)體稱為第二代半導(dǎo)體材料：將以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶化合物半導(dǎo)體稱為第三代半導(dǎo)體材料。與之相對應(yīng)，相繼出現(xiàn)了Si光導(dǎo)開關(guān)、GaAs光導(dǎo)開關(guān)和SiC光導(dǎo)開關(guān)。

Si光導(dǎo)開關(guān)，由于Si禁帶寬度窄，載流子遷移率低等特點(diǎn)不適合制作超快大功率光導(dǎo)開關(guān)；GaAs光導(dǎo)開關(guān)，雖然GaAs的大暗態(tài)電阻率和寬禁帶有利于制作大功率器件，但由于GaAs熱導(dǎo)率低、抗高輻射性能較差，運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)熱奔和鎖定效應(yīng)，限制了GaAs光導(dǎo)開關(guān)窄高溫、高重復(fù)速率、高功率和高輻射環(huán)境中的使用；SiC光導(dǎo)開關(guān)可以將觸發(fā)光的能力大大降低，但其在高電壓下容易擊穿，在高重復(fù)頻率下容易出現(xiàn)熱擊穿，且只能工作在線性模式下。

二、皮秒脈沖源

項(xiàng)目主要任務(wù)就是研制一個(gè)高穩(wěn)定度快脈沖源裝置，該裝置的主要功能是：接到系統(tǒng)給出的觸發(fā)指令后，打開電光開關(guān)，輸出脈寬約為2ns的光脈沖，驅(qū)動光導(dǎo)開關(guān)輸出高壓脈沖信號。要求輸出的高壓脈沖信號前沿小于200ps，幅度為3～5kV，系統(tǒng)晃動時(shí)間不大于250ps。

本方案的基本工作原理如圖3所示：利用高壓電源對儲能電容充電，充電完成后，激光器在接到觸發(fā)脈沖指令時(shí)，發(fā)出脈寬為2ns的光脈沖信號驅(qū)動光導(dǎo)開關(guān)，儲能電容內(nèi)存儲的能量通過光導(dǎo)開關(guān)釋放到取樣電阻上，輸出高壓脈沖信號。

本項(xiàng)目技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)主要在于兩個(gè)方面：a.主脈沖波形的質(zhì)量，包括主脈沖的峰值、脈寬、前后沿以及穩(wěn)定性；b.觸發(fā)脈沖至主脈沖1的時(shí)間間隔T1的穩(wěn)定性。為了獲得滿足技術(shù)指標(biāo)要求的主脈沖信號，主放電回路擬采用光導(dǎo)開關(guān)對貯能元件進(jìn)行放電。由于光導(dǎo)開關(guān)具有高速導(dǎo)通和關(guān)斷、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，只要選擇合適的基本回路參數(shù)可以確保獲得高質(zhì)量的滿足指標(biāo)要求的主脈沖信號。電路基本參數(shù)仿真機(jī)波形如圖4、5、6所示。

三、結(jié)論

光導(dǎo)開關(guān)在2ns激光脈沖控制下，輸出高壓脈沖與控制光脈沖響應(yīng)良好，上升時(shí)間169ps，脈寬2ns。利用光導(dǎo)開關(guān)設(shè)計(jì)的皮秒脈沖發(fā)生器可以在重復(fù)頻率下工作，圖7為75kHz下高壓脈沖輸出波形。

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