半导体材料应用

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇半导体材料应用范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

半导体材料应用范文第1篇

关键词：铋系半导体材料 光催化 改性

1. 铋系半导体光催化材料简介

自上世纪70年代首次发现二氧化钛（TiO2）可以光照分解水这一现象以来，越来越多的研究者投入到光催化领域中来。TiO2具有无毒、催化活性较好以及稳定性高等优点，在光催化领域应用十分广泛。但在可见光区域没有响应，禁带宽度大等缺点同时也限制了它的应用。因此，研究者的研究方向主要集中在对TiO2的改性以及开发新型的半导体光催化材料上。铋系半导体材料由于其独特的晶体结构与电子结构引起了研究者的注意，并取得了一系列研究成果。

铋系光催化材料有两个很明显的优点，其一，Bi的外层电子结构为6s26p3，因此，Bi元素主要有两个价态，+3和+5，且可以通过不同的实验方法合成其他的中间价态。当Bi失去外层电子时，可以与其他元素（如O元素）复合并杂化，在半导体中形成价带顶端，从而形成s-p杂化轨道，降低其禁带宽度，有利于光生电子与空穴的传递，抑制光生载流子的复合，从而可以提高光催化性能。其二，铋系半导体材料有很多的微观形貌，如纳米片、纳米棒、纳米花等，大多为多层结构，比表面积高，有利于和其他半导体材料复合，从而提高其光催化性能。

2. 铋系半导体光催化材料的改性

铋系半导体光催化材料的性能虽然较其他一些催化材料有很明显的优势，但依然有上升空间。因此对铋系半导体光催化材料进行改性以提高其光催化性能成了目前的研究热点。铋系光催化材料的改性主要集中在合成新型半导体光催化材料、与其他半导体光催化剂复合形成异质结以及掺杂一些元素进行改性。

2.1 合成新型半导体光催化材料

在铋系化合物中，Bi2WO6、BiVO4、Bi2MoO6等一些二元复合氧化物以及卤氧化铋材料已经被发现并得到了广泛研究。因此研究者们又把目光转向了新材料的开发上，以此来拓宽研究范围并不断提高铋系材料的光催化性能。

Bi2S3是近几年被报道的用于光催化领域的一种半导体，其晶体结构与Bi2O3很相似，据文献报道，Bi2S3的禁带宽度为1.4eV左右，在光电催化方面活性较好。Bi2S3的制备方法也很多，包括水热法、化学沉积法、超声化学法等，在制备过程中，通过不断调节实验条件，例如加入表面活性剂、调节pH值以及控制反应时间等，可以合成不同形貌的Bi2S3。目前所合成的形貌有纳米片。纳米花、纳米线等等。沈林等人[1]用水热法，在实验过程中加入EDTA并调节溶液的pH值，合成出了各种形貌的Bi2S3。

NaBiO3也是近几年研究的热点，其光催化性能较Bi2O3有明显的提升，在光催化领域有着巨大的应用前景。在NaBiO3中，Na的3s轨道和O的2p轨道发生杂化反应形成s-p轨道，可以加快光生电子和空穴的传递，抑制光生载流子的复合，从而增强其光催化活性。谌春林等人[2]用热处理的方法在不同条件下处理商品铋酸钠，并对所得的样品进行光催化活性测试。实验结果显示，铋酸钠对甲基橙、亚甲基蓝以及苯酚等污染物均有一定的降解活性，并且经过热处理过得铋酸钠的活性较之前有所提高。

碱土金属铋酸盐也是一类新型的可见光催化剂，文献报道不多，因此发展空间很大。在化合物中，Bi3+的孤对电子使化合物呈现出Bi-O的三维网络片状结构。继Tang等人首次发现CaBi2O4在可见光的照射下可以降解亚甲基蓝以及甲醛以后，其他碱土金属铋酸盐也相继被报道出来，例如CaBi6O13以及SrBi2O4等。

2.2 与其他半导体材料复合

在提高铋系化合物光催化活性方面，除了发现新型化合物，使用最多的应该是与其他半导体光催化剂复合。复合主要包括铋系化合物与其他化合物的复合以及铋系化合物与贵金属的复合等几个方面。

Shang等人将Bi2WO6负载在TiO2纳米纤维薄膜上，成功的制备出了Bi2WO6/TiO2异质结，并对其光催化活性进行了测试。实验结果表明，该异质结催化剂在可见光条件下，降解活性远高于Bi2WO6和TiO2。

除了以上两个方法外，与贵金属的复合也应用的十分广泛。在光催化过程中，贵金属一般作为助催化剂，加快光生电子的传递来提高光催化活性。Pugazhenthiran等人采用超声法将Au与Bi2O3复合，实验结果显示，所制备的复合光催化剂能够在可见光下降解酸性橙-10。

与其他半导体材料的复合为铋系半导体催化剂材料在光催化领域的发展提供了更为广阔的前景。

2.3 与其他元素掺杂

在铋系半导体的材料改性方面，元素掺杂也是很重要的一方面。Xu等人用水热法合成出了BiVO4之后，用浸渍法掺杂不同的稀土元素并改变其比例，合成了一批样品。通过光催化活性测试，Gd3+-BiVO4的活性最好，尤其当Gd的含量为8at.%时，光催化活性达到最高。

3. 铋系半导体光催化材料的应用

铋系半导体材料在光催化方面的主要集中在降解有机染料、抗生素以及分解水等几个方面。

随着经济的发展以及人民生活水平的提高，在工业生产过程中会产生很多工业废水，其中就包括很多有机染料，例如罗丹明B、甲基橙、亚甲基蓝、甲基紫等。这些染料废水对人们的生产以及生活带来很大的危害。而铋系光催化材料在这方面的表现极为优异。Ping等人采用溶剂法法，以1-丁基-3-甲基咪唑碘为原料，合成出了BiOI纳米片。实验结果表明，该样品在可见光下对罗丹明B的降解性能十分优异。

抗生素的滥用也是目前的一大问题，这直接导致了水体中出现了大量的抗生素残留，包括环丙沙星、四环素、氯酚以及微囊藻毒素等等。Ling等人以Bi2O3以及TiO2为原料，采用高温固相法合成出了钛酸盐Bi4Ti3O12。在后续的光催化实验中，研究者用所得产物降解氯酚（4-CP）以及微囊藻毒素（MC-RR）。结果显示，当4-CP的浓度为1.25×10-5mol/L时，降解活性最高。同时在后期的表征中显示，反应中起主要作用的活性物种为羟基自由基和超氧自由基。

除环境问题外，能源短缺也是当今社会的一大问题。化石能源的过渡开采必然导致能源紧缺，因此开发新能源，例如氢能、太阳能以及潮汐能等也是一项迫切的任务。铋系半导体材料大多可以在可见光的照射下分解水产生氧气，因此，在铋系材料的基础上复合可以分解水产氢且价导带匹配的化合物就能够实现全分解水的过程。Kudo等人于1998年首次发现BiVO4在可见光的照射下，可以分解水。在此基础上，研究者又经过不断努力，合成了更多可以分解水的异质结。

除了上述在降解污染物以及能源方面的应用，铋系光催化材料还广泛的应用于光催化还原以及光催化氧化等方面。

4. 结语

到目前为止，有大量关于铋系半导体材料在光催化领域的应用的文章的报道。但由于其制备过程不适宜大规模生产且一些材料成本太高，不利于工业生产。在未来的科研工作中，可以将目光主要集中在对铋系半导体材料的工业化应用方面，通过制备方法的改进以及原材料的选择上降低其成本，提高重复利用率，进而推广到工业生产上。

参考文献

半导体材料应用范文第2篇

1、常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等,以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。

2、半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

（来源：文章屋网 ）

半导体材料应用范文第3篇

【关键词】半导体；材料与器件；教学改革

0 引言

《半导体材料与器件》是信息显示与光电子工程本科专业的专业基础课程，旨在使学生理解并掌握半导体材料的物理学的理论体系及基本器件的功能和应用，了解半导体器件的特性以及相应的仪器检测方法，仪器测试原理，以及相关理论；了解半导体物理学发展的前沿及发展动态。同时，使学生学习本课程领域内专业知识的同时，提高专业英语的听说读写能力，全面提高中英文专业水平，为社会输送高质量人才。

1 优质教学资源建设

合适的教材是保证双语教学能够顺利进行的前提，拥有外文原版教材是双语教学的必要条件。目前，在国内找不到一本合适的半导体材料与器件方面的教材；相关教材，如刘恩科等编著的《半导体物理学》、孟庆臣等编著的《半导体器件物理》、田敬民编著的《半导体物理问题与习题》，邓志杰等编的《半导体材料》，杨树人等编《半导体材料》，但能同时满足《半导体材料与器件》教学要的教材还没有。通过对网络资料搜索，我们找到了相关的英文原版教材《Semiconductor Materials and Device Characterization》，是由美国Arizona State University 的Dieter K. Schroder教授等著作的，这本书系统地介绍了半导体材料与器件的基本参数、特性、测试仪器以及测试方法和原理，是一本优秀的教材，先后在美国、加拿大、德国等地出版。在国内，尚未有出版发行，亦没有影印版可以借鉴。另外，还有一些地道的英文原版教材，如University of Florida的Franky So等编著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》，Robert F. Pierret等编著的《Semiconductor Device Fundamentals》。通过充分整合这些优秀教材，建立教材库，供教学使用，将为半导体材料与器件教学提供有力保障。

2 新型双语教学模式的探索

2.1 传统“填鸭式”教学方式的改进

传统的“填鸭式”教学方法，一个最大的优点是可以在极短的时间内，传授完大部分的课本知识，节省时间。但是，其缺点也显而易见，不利于学生消化、吸收新知识，造成“左耳进、右耳出”的现象。为避免这种现象，我们针对《半导体材料与器件》这门课的教学方式特作改进。以知识点串讲的方式取代传统的逐章逐节的讲解模式，做到一半以上的时间用英语讲解，对重点、难点分别用中、英文对译；穿插师生互动环节，课堂提问，鼓励学生用英语作答，营造双语学习环境。考虑到这门课的开设，设置在第6个学期，学生经过近3年的大学英语学习，应该具备一定的英文阅读写作能力，可以安排一些调研性内容，以报告或小论文的形式体现。对于个章节中专业词汇和专业术语，提前发放给学生自学，以减轻课堂负担。根据循序渐进的原则，讲解的时间逐渐缩短，点到为止，启发式教学。另外，还可以穿插一些最新的研究动态，使学生对知识的应用以及科学前沿有所了解，提高学习兴趣，树立科技知识不断更新进步的理念。

2.2 学生讲授课程的探索

在吃透半导体材料与器件这门课的基础上，精炼教学内容，简化PPT课件，在保证不减少知识点的以及课程进度的前提下，适当添加一些学生讲授课程的比例，激发学生内在的学习潜能，培养其知识获取、内化、表达的能力，内容以课本知识点为主，形式上可以多样化，如分组讨论、随机抽查、即兴演讲等；给学生表现自己才能的机会，营造口语表达的环境，解决“开口难”的难题。条件许可的情况下，邀请外籍老师来听课、指导工作。考虑到学生之间的差异，针对英语基础较差和化学背景比较薄弱的同学，可以单独进行辅导，开开“小灶”，做到因材施教。

3 考核方式的探索

加大平时分所占的比例。现有的考核方式为（30%）平时分 + （70%）期末考试卷面分数，这不利于公平评价学生双语课的成绩，因为听、说能力没有得到体现。既然这样，就应该在平时的表现中体现出来，如，可以将平时分提高到40%，甚至50%，将学生平时在课堂上的听、说、读、写等表现情况也纳入平时分的考核中来，在双语课程考核中，增加这么一条；当然，平时分还应包括出勤率、课堂表现、习题作业完成情况等，一并纳入到平时分的考核中来，这样的考核方式应该更客观、有效。对于平时的习题，任课老师要做到及时评阅，及时发现问题，对错误之处要进行评述，习题必须用英语表述，包括老师对习题的评阅，也必须用英语，错误之处要用英语纠正，起到示范作用。

4 考试题型多样化，增加赠分题

考试题型多样化，除了常见的五大题型，即选择题、填空题、名词解释、简答题、论述题，可以试探性的增加赠分题。赠分题应该是一些难度较大的综合题，以激励那些优秀的学生深入学习科技知识、施展才艺，同时拉开不同层次学生之间的距离，体现层次，进一步充分做到优生优培，因材施教。

5 结论

双语课的教学是一项巨大而漫长的人才培养工程，要遵循渐进的原则。本文就《半导体材料与器件》这门课的双语教学过程中出现的问题做出了讨论，试探性的提出了新的双语教学模式、优质课程建设以及评价方式的变革，以便更好地为社会需求培养高素质人才。

【参考文献】

半导体材料应用范文第4篇

在大家的不懈努力下，有机半导体技术和材料都取得了很大的发展，这个学科集合了材料学、物理和化学等等很多学科，是一个交叉学科，半导体技术正在不断发展，将来还会以更快的速度发展。一些专家认为，有机半导体材料开发出的各种器件正在改变未来高科技的发展。

1 有机太阳电池

传统的太阳电池是化合物薄膜太阳电池，而新型的太阳电池要采用新型的技术，有机太阳电池将作为一种新型产物摆在大家的面前，有机太阳电池的生产流程很简单，而且可以通过讲解来减少对环境的污染，由于这些优点符合当代社会的需要，所以有机太阳电池越来越受到大家的关注。如此廉价的太阳电池会让世界的能源发生巨大的改变。有机太阳电池比传统的电池更薄，重量更轻，受光面积在不断增加，所以可以大大提高光电的使用效率，在电脑等小型设备当中可以当作电源来用。可以使用有机太阳电池作为OLED屏幕的电源，可以大大减少重量。虽然太阳电池很薄、很轻，也很有柔性，但是它的效率不高，而且寿命也比较短，通过研究，改变太阳电池的缺点，使得效率达到10%，寿命也可以超过5年。

2 有机半导体晶体管

有机半导体材料的晶体管是有机电子器件当中很重要的一种器件，比如OFET。当前OFET的技术主要有聚合物、小分子蒸发或者是小分子溶液铸模等等。OFET的优点是成本低、柔性大等等，有很好的发展前景。OFET的发展很迅速，无论是材料还是制备工艺方面都有了突破，它可以使OLED发光，形成逻辑电路，发光场效应晶体管以及单晶场效应晶体管等等器件都已经开发出来。世界各个国家都在研究有机半导体晶体管，2009年，日本的专家使用液相外延工艺生产了并五苯单晶，几乎是没有任何缺陷的，之后使用这种单晶制成了OFET，场效应的迁移率可以得到0.6cm2/（V.s）。2010年法国研究人员研究出一种能够模仿神经元突触功能的有机存储场效应晶体管，有机半导体晶体管会有希望成为新一代集成电子器件。

3 OLED技术

与LCD技术比较，OLED不仅可以做到折叠和随身携带，还具有更好的可适度、更好的图像质量以及更薄的显示器。现在OLED已经开始应用到手机、以及数码相机等小型设备当中。当前在OLED显示器开发的市场当中占有很大优势的企业有三星、LG以及柯达等等。2010年初，三星展出了OLED笔记本电脑，还推出了带有OLED平面的MP3播放器。预计未来五年智能手机会促使OLED显示器呈现出快速发展的势头。随着OLED技术的快速发展，未来很可能会应用到显示器、照明当中。由于OLED的刷新速率很高，这使得视频图像更加逼真，还可以随时进行图像的更新。未来的报纸也有可能成为OLED显示器，能够更新新闻，还能够卷起来。有机半导体技术已经在很多领域都占有自己的重要位置，很多企业已经开始开发半导体技术的产品。使用OLED技术的玻璃窗在电源关闭的时候和普通的玻璃没区别，但是在接通电源之后就会变成显示器。使用OLED技术的汽车挡风玻璃也不仅仅是挡风，还能够提供其它的帮助。

有机半导体材料作为一种新型材料，经过不断开发和研究，已经进入商品化的阶段，并且会有很好的发展。有机半导体器件成本低，操作流程简单，而且功耗小，这是很多无机半导体器件没有的特点，所以有机半导体器件有很大的发展。但是有机半导体器件在寿命已经性能方面还需要改进。哟及半导体器件的速度比较慢，这使得它取代传统的半导体的可能性不大，所以在这方面需要解决，但是有机半导体更加经济，成本更低，值得推广。

参考文献

[1]陈岩.纳米电子技术――21世纪的电子热点[J].北京工商大学学报：自然科学版，2001(3).

[2]刘明，谢常青，王丛舜，龙世兵，李志钢，易里成荣，涂德钰.纳米加工和纳米电子器件[J]. 微纳电子技术，2005(9).

[3]杜晋军，李俊，洪海丽，刘振起.纳米电子器件的研究进展与军事应用前景[J].装备指挥技术学院学报，2004(4).

半导体材料应用范文第5篇

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。超级秘书网

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。