半导体材料研究现状

半导体材料研究现状（精选6篇）

半导体材料研究现状 第1篇

半导体材料与器件发展趋势总结

材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。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过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。

一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势

1.硅单晶材料

硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。

除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的集成度来看，最终要研制出适用于硅深亚微米乃至硅纳米工艺所需要的硅外延片，将会成为硅材料发展的主流。

目前硅技术的线条发展越来越细了。现在我们国家的909工程是0.35微米的工艺，可以做到0.25微米；然而随着集成度的提高，要求光刻线条越来越细，是否有个极限呢？当线条的宽度变到35个纳米的时候，或者比35个纳米更小的时候，或许就是硅集成电路的“极限”，当然这个极限不是物理的极限。因为这个所谓的极限预测过多次，曾经预测过1微米是硅线条的极限，后来是0.5微米，又变到0.35微米，现在实验室的0.18微米的集成电路也已经做出来了。通过人们的努力和新的技术的发明，线条也许还可以进一步的减小，当然它最终将受到量子力学测不准原理、光速和热力学的限制。这里讲的所谓的技术限制，就是说在目前这样的条件和技术下，它能够达到的一个极限。我们知道现在的集成电路的布线可多达七、八层以上。如果多层分布的连线过长，那么电子从一个器件到另一个器件的所需的时间完全消耗在走的路上了。也就是说，延迟时间限制了速度的进一步提高。硅材料虽然可能到21世纪的中期仍将占有很重要的地位，然而，硅微电子技术最终是难以满足人们对更大信息量的需求的；所以，发展新型半导体材料比如说Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，超晶格量子阱材料以及硅基锗硅合金材料等，作为硅材料的一个替补材料也是很重要的。

2.GaAs和InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料

GaAs和InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料可能是一个好的替补材料。我们知道硅材料是间接带隙材料，它的发光效率很低，所以它不可能作为光电集成的基础材料，用硅来做发光管、激光器目前还是不可能的。那么Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，像GaAs和InP，首先，它的电子的光跃迁不需要声子的参与，它的发光效率很高；与硅相比，它的电子的漂移速度高，同时它耐高温，抗辐照；与此同时，作为微电子器件来讲，它具有高速、高频，低噪音，故在光电子器件和光电集成方面，占据非常独特的优势。Ⅲ-Ⅴ族化合物,现在的市场情况怎么样呢？随着移动通信的发展，目前工作在0.8GHz以下的手机，是以硅材料为主体，那么到2.2GHz的时候，或超过这个频段到7.5GHz的时候，硅材料作为它的接收和发射器件或电路，可能就不行了；这个时候，一定要用GaAs, InP或者GeSi材料。从光纤通信来看，也是如此。所以说从移动通信和光纤通信的发展需求看，对半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，特别是用于集成电路的GaAs材料的需求，将会每年以20％到30％的速度增长。那么它的研究现状是怎么样的呢？以GaAs, InP为代表的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，两英寸和三英寸的n型的和p型的材料，基本上能够满足现代的微电子和光电子器件的需求。没有掺杂的半绝缘体的GaAs单晶材料，它是GaAs集成电路的一个基础材料，目前主要采取一种叫作液封直拉法LEC的方法制造。就是将GaAs熔体放置在一个热解BN的坩埚里面，因为As是易挥发的，而氧化砷有很大毒性，因此在它上面覆盖一层材料，比如说三氧化二硼。三氧化二硼的熔点低于GaAs的熔点，可以把熔体的GaAs覆盖起来。在单晶炉里面充了很高的气压，使As不能挥发出来，然后把GaAs籽晶通过氧化硼这个透明的液体伸入到GaAs的熔体里面拉晶。这项生产技术，叫做液封直拉法。目前用这种办法，直径为两英寸、三英寸、四英寸的片材已经商品化。我们国家可以拉制三英寸GaAs单晶。两英寸的可以小批量生产。在国际上，六英寸的半绝缘砷化单晶已在实验室里拉制成功。

这种材料也存在的问题。半绝缘体GaAs的纯度与硅相比，是远不如硅的。硅可以做得非常纯，有12个9的纯度。就是10－6PPM，就是说它的杂质的含量仅为百万分之一PPM。但GaAs呢，仅仅只有6个9，就是一个PPM，即它的杂质和缺陷的浓度高达一个PPM。所以说GaAs半绝缘体的性质并不是由纯度高、杂质少决定的，而是由杂质和缺陷互相补偿，这样的材料实际上是电学补偿导致的高阻材料。这种材料的热学稳定性较差，在器件工艺的热处理过程中，缺陷产生、杂质缺陷络合等，可能改变它的导电性能。这是什么原因呢？我们知道，硅是一个元素半导体，它只有两种点缺陷，即硅的空位和硅间隙。那么对于Ⅲ-Ⅴ族材料，它的点缺陷就有六种，有两种空位，两种间隙，两种反位的缺陷。比如As占了Ga位，Ga占了As位，这都是点缺陷。这些缺陷都对导电性能产生影响。所以对这种材料，如果把它的杂质和缺陷络合物加起来的话，缺陷就更多了，因而这种材料的制作是非常困难的。它是用LEC法拉制的。晶体拉制过程中，在固体与液体交界面处，它的温度剃度比较大，在晶体内部存在着大的应力；在晶体冷却过程中应力的释放将产生大量缺陷，它的位错密度非常高。所以说这种材料目前存在着很多的问题要求克服。从硅来讲，硅可以做到无位错，所以说它可以用于制作超大规模集成电路。比如说，对于一个平方微米内有一个器件，或多个器件的电路，那么GaAs就不行了；因为，它每一个平方厘米就有一万个以上的缺陷。如果一个器件，碰到这个缺陷，那么整个电路就失效了。所以说，用GaAs研制大规模集成电路，它的质量还有待提高。

Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的发展趋势，也可以总结为下面几点。从提高它的价格和性能比来看，增大直径仍是大趋势，只有增大直径，它的价格才可能进一步降低。从另外一个方面来讲，为满足大规模集成电路和光电器件的衬底的需求，它的位错密度必须降下去。要降到每个平方厘米1000或100以下，甚至更小，这最终取决于集成度和材料将要用在什么地方。我刚才讲到，GaAs的高阻性能是杂质与缺陷补偿的结果，很不均匀；如何提高这种材料的电学和光学均匀性，也是需要解决和克服的问题。此外，还要重视片材制备技术，即要做到片材拿来就可以用的要求，不需要再去抛光或腐蚀和再去作其他的处理。这就是说，要将拉制的锭条进行滚圆、磨定位边、抛光和在保护氛围下将抛好的片子封装起来等。当然，还要求片材的表面没有被损伤，除了肉眼看不见的损伤以外，亚表面损伤，即在材料的表层下面，比如说几十个纳米以下的地方，人的肉眼甚至光学显微镜看不见的损伤也是不能有的。即在片材制备的过程中，不能在它的表皮下面一层产生应力或缺陷。

3.半导体超晶格、量子阱材料

比如说GaAlAs和GaAs的晶格常数相差很小，而它们的禁带的宽度不同。GaAlAs的宽度要大于GaAs的，把这两种半导体材料用新的生长技术，像分子束外延技术，金属有机化合物化学汽相淀积技术等一层一层的、周期性的生长出来。这个周期人为地可以控制，不像硅单晶，它的晶格常数是一定的；这样的结构，我们称为超晶格结构。这种超晶格结构的想法，是1969年由日本的江琦和美籍华人朱兆祥提出来的，而且江琦因此获得了诺贝尔奖。我们知道，超晶格的概念提出来的时候，还没有实现这种想法的技术，只是从理论上预测这种结构会有很多新的性质。一直到20世纪70年代中期的时候，分子束外延技术的发展，还有MOCVD技术的发展，才使这种材料生长得到了实现。我们知道，现在的分子束外延，MOCVD可以控制一个原子层一个原子层的生长，界面的陡峭度也可以做到单原子层。由于这种材料的结构可以人为地改变，可以设计一个程序，通过计算机的控制，把它生长出来；如果设计的是一个器件结构，那么它的电学和光学的性质则可由人工控制，所以，能带工程设计是研制新一代量子器件的基础。

4.高温半导体材料

主要介绍几种重要的高温半导体材料。如Ⅲ族氮化物，它主要有GaN、AlGaN和InGaN等，它不仅仅是一个高温微电子材料，也是很好的光电子材料。比如现在发蓝光、绿光的半导体发光二极管和激光器，就是用这种材料作出来的。另外，碳化硅，立方氮化硼和金刚石，也是很好的高温半导体材料。当然，要达到应用，还存在很多问题要解决。这类材料，主要是应用在一些恶劣的环境，像在高温、航空、航天、石油钻探等方面。现在的电视，广播发射台仍然用的是一人高的电子管，它的寿命短、笨重且耗电多。那么将来，若用碳化硅和氮化镓材料制成的数字电视用发射模块的话，有可能使体积大大减少，寿命增加。从研究现状来看，美国西屋公司，已经研制成功的4H碳化硅的晶体管的功率已达到了400瓦。在碳化硅衬底上生长GaN制成的场效应晶体管，功率也已达2.3瓦。GaN高电子迁移率晶体管的最高频率已做到67GHz。那么这种材料存在的问题是什么呢？例如GaN，这种材料没有好的衬底，现在都是在蓝宝石衬底上外延生长的。GaN外延层的位错密度高达每平方厘米108以上；所幸的是这种材料的键能比较强，即使这么高的位错密度，作为发光管，它的寿命仍然可以达到10万小时以上。但是用这种材料作激光器，如蓝光或绿光激光器的话，这么高的缺陷密度是不行的。此外金刚石单晶薄膜制备，是另一个重要方向。金刚石有着比氮化镓更大的禁带宽度，可以耐更高的温度，它抗腐蚀性能好，可工作在非常恶劣的环境。但是，这种材料存在主要的一个问题是单晶薄膜生长非常难。至今还没有人能够生长出单晶金刚石薄膜。P型金刚石材料已经研制出来，但N型掺杂至今没有完全解决。单晶金刚石薄膜是一个具有非常重要应用前景的材料，但要实用，还要走很长的路。

二、低维半导体材料和量子器件

1.一维量子线和零维量子点材料

维的定义是构成空间中的每一个因素，如长、宽、高，甚至时间，都可以叫做一个维。若不考虑时间，空间是三维的，平面是二维的，而直是一维的，零维的就是一个点。如果载流子仅在一个方向可以自由运动，在另外两个方向受到约束，那么这种材料我们称为量子线材料。如果在载流子运动的三个方向都受到约束，就是说它只能在一个小点内或就像在一个小箱子里头运动，这时，电子的运动受到了三维的约束，我们称之为量子点。按照量子力学原理，量子点里的电子或空穴，它的能量是量子化的。因为它不可以自由运动，它只能是一级一级地跳跃。量子点的这种分立的态密度函数与体材料是截然不同的，体材料是抛物线分布，量子线则像脉冲一样的函数分布，量子点则完全是分立的线，就像分子光谱那样，这样的密度函数就决定了低维材料有着非常优越的性能。随着材料尺寸减小，维度降低，量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿、库仑阻塞效应变得越来越明显。这就构成了量子器件的基础，这完全不同于基于PN结里面电子、空穴通过扩散和漂移运动的器件，它是一种崭新的器件。量子点可以是半导体材料，也可以是金属材料做成。基于这种量子效应的新器件，很可能成为新一代微电子技术、光电子技术的发展的基础，它是一个有着非常重要应用前景的研究领域。

这种低维材料有哪些特点呢？为什么会引起人们的兴趣？首先，它的工作频率高。假设一个电子在一个10个纳米的线上运动，若电子在真空中运动的速度接近光速，那么我们可以算出它通过10nm线所需时间，电子从这一点飞到那一点，中间若不经过任何的散射，就像一个炮弹打过来，所以它的工作频率可以非常高，可达到1000GHz以上。现在做到的InP基P-HEMT器件，最高频率已达600GHz。其次它具有很高的集成度。因为这种器件非常小，可以做到每个平方厘米1010个器件以上，相当于每平方厘米有100亿个器件。第三功耗很小。从光电子器件的激光器看，用这种材料制成的量子点激光器的阈值电流密度非常低。所谓阈值，就像一个门槛，当注入激光器的电流高于这个门槛的时候，发光不再是向四面八方的自发辐射，而是光突然集中起来了，沿着一个方向发射出相干的光，称为激光。用低维材料制成的激光器，它的阈值电流密度是非常低的。原因就是由于它分立的态密度函数决定了的。它的量子转换效率非常高，它的调制速度很高，它激光的线宽非常窄，这是因为它源于固定分立量子能级之间的跃迁；窄的线宽在光纤通信上是非常有用的。所以说这种材料在光电子和微电子技术应用上，特别在将来的纳米电子学、光子学以及新一代的超大规模集成电路方面都有着重要的应用前景，极有可能触发新的技术革命。这里强调的低维半导体材料实际上是一个人工设计、通过先进技术如MBE等制造的材料，但是这种材料自然界是不存在的。基于这种新型半导体材料的新一代量子器件，很可能成为21世纪高新技术产业的一个重要支柱。

MBE等生长技术与精细加工技术相结合，可以制备出量子线、量子点材料。这种技术的优点就是可以人为地控制量子线的形状、尺寸、密度。它的缺点是电子束的曝光。干法、湿法刻蚀技术制备的量子结构尺寸远比生长厚度大，目前最好为几十个纳米。刚才讲的量子阱的材料的阱宽可以控制到一个单原子层。一个单原子层就是几个埃，零点几个纳米。要保证横向尺寸同纵向尺寸一样，现在的加工技术是做不到的，要实现这一点，需要发展新的加工技术。我们知道，用电子束曝光也好，离子束注入隔离也好，都要产生缺陷。沿直线两边产生的损伤，都会成为散射中心。电子沿着这样的直线运动时，当碰到损伤的地方，就发生散射，其结果使低维材料所具有的优异特性，就被这些缺陷完全抵消掉了。所以用这种技术制备的低维材料，要想真正达到理论上预计的性能，必须要发展一种高空间分辨和没有损伤的加工技术。

2.基于低维半导体材料的量子器件的研究和发展现状

量子线调制掺杂场效应晶体管，共振隧穿二极管和三极管等都已经研制成功。单电子器件，单电子存储器和单电子晶体管也分别于1993年和1994年在实验室研制成功。这是一个单电子存储器原形器件，源和漏之间有一条宽为10纳米的线，线中间是一个7×7纳米量子点，线与量子点之间有两个缩径，比10纳米还要小。基于库仑阻塞效应的单电子器件的工作原理是两边是金属电极，中间是一个小岛，如果这个岛的面积足够小，它的电容也就非常小。如果有一个电子已经在这个小岛上，当另外一个电子进入这个小岛时，这两个电子则相互排斥，使系统能量提高，致使第二个电子也无法进入这个小岛；同时，处在这个状态的电子也不可能自由地跑走，而要留在这个岛上；只有当加一个偏压使第一个电子离开这个小岛后，下一个电子才会再来。而有电子和没有电子相应于0和1态，这就是单电子存贮器的基本原理。如何利用STM去制作单电子器件？它是在硅衬底上首先氧化生成SiO2，然后镀上金属钛薄膜，在针尖和钛金属膜间放点纯水，加电场使钛氧化，氧化钛是不导电的，而钛是导电的，只要按一定的图形就可以做出一个单电子晶体管来。当有一个电子到这个小岛上以后，它就会被陷在岛上，只有当加一个偏压将这个电子移走以后，第二个电子才能来，那就完成了一个0，1操作。这就是上面说的单电子存储器的工作原理。最近，据报道，在单电子存储器的原形样机的研制上已取得了突破进展。日本用0.25微米的工艺模拟了一个单电子存储器电路，获得成功。我这里讲的所谓单电子，可能不止是一个电子，可能有十几个或几十个电子。与现在的几千，几万个电子的存储器来说，功耗是小多了，存储密度也高多了。

低维半导体结构发展很快，取得很大进展，但存在很多问题。除了超晶格、量子阱的材料在微电子器件、光电子器件中已经得到使用以外，纳米器件研制也已经开始。人们利用STM和AFM这种技术可以研制分立的器件已经不是非常困难的了，但是我们所关心的是要做到每平方厘米制造上亿或更多的器件，而且要连在一起形成一个电路，目前还是难以实现的。采取什么样的连结方式，什么样的技术，还没有解决。从现在来看，如果使用GaAs材料，要制成0.1mm的工艺的器件，要在4.2度K下，才可以工作。在50个纳米的情况下，工作温度也要在77K。因而必须发展纳米加工工艺，才能够满足纳米器件在室温下的工作需要。这种工艺应该是无损伤的纳米加工工艺。若能在每一个探针上配一个可三维移动的微机械，100×100的阵列，就是一万个探针，自动控制一次制作一个芯片就成为可能。设想中这个纳米加工技术，据报道目前已经做到了16×16的规模。纳米技术采用什么材料，也有很多问题。硅材料本身虽然很好，加之天然SiO2的绝缘介质，真可以说是天赐的！但作为绝缘隔离器件的二氧化硅是非晶，杂质、缺陷、表面和界面态的存在，使它作为纳米电子学的基础材料也会遇到问题。我们刚才讲的SK生长模式，量子点的密度、形状、尺寸是比较难以控制的。

半导体材料研究现状 第2篇

课题名称 磷化铟晶体半导体材料的研究 学生学院 机电工程学院 专业班级2013级机电（3）班 学 号 31120000135 学生姓名 王琮 指导教师 路家斌

2017年01月06日

中文摘要

磷化铟(InP)已成为光电器件和微电子器件不可或缺的重要半导体材料。本文详细研究了快速大容量合成高纯及各种熔体配比条件的InP材料；大直径 lnP单晶生长；与熔体配比相关的缺陷性质；lnP中的VIn心相关的缺陷性质和有关InP材料的应用，本文回顾了磷化铟(InP)晶体材料的发展过程 , 介绍了磷化铟材料的多种用途和优越特性，深入分析InP合成的物理化学过程，国际上首次采用双管合成技术，通 过对热场和其他工艺参数的优化，实现在60—90分钟内合成4．6Kg高纯InP多晶。通过对配比量的调节，实现了熔体的富铟、近化学配比，富磷等状态，为进一步开展不同熔体配比对InP性质的影响奠定了基础.关键词：磷化铟磷注入合成晶体 材料 器件

ABSTRACT Indium Phosphide(InP)has been indispensable to both optical and electronic devices．This paper used a direct P—injection synthesis and LEC crystal growth method to prepare high purity and various melt stoichiometryconditions polycrystalline InP and to grow high quality,large diameter InP single crystal in our homemade pullers．In this work，we have obtained the abstract this paper looks back the developing process on the bulk InP crystals, introduces vario us uses a nd superior character of the InP ma terials and a large quantity of high purity InP crystal material has been produced by the phosphorus in-situ injection synthesis and liquid encapsulated Czochralski(LEC)growth process．In the injection method，phosphorus reacts with indium very quickly so that the rapid polycrystalline synthesis is possible．The quartz injector with two Or multi-transfer tubes was used to improve the synthesis result．It will avoid quartz injector blast when the melt was indraft into the transfer tube．The injection speed，melt temperature，phosphorus excess，and SO on are also important for a successful synthesis process．About 4000—60009 stoichiometric high purity poly InP is synthesized reproducibly by improved P-injection method in the high—pressure puller．

Keywords：InP , P-injection synthesis, Crystal , Material, Device

引言

磷化铟(InP)是重要的Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体材料之一 , 是继 Si、Ga As之后的新一代电子功能材料。几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时 , 科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。1952年 Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半导体 , 而且某些化合物半导体如 Ga As、In P等具有 Ge、Si 所不具备的优越特性(如电子迁移率高、禁带宽度大等等), 可以在微波及光电器件领域有广泛的应用 , 因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。但是, 由于这些化合物中含有易挥发的Ⅴ族元素 , 材料的制备远比 Ge、Si 等困难。到 50年代末 , 科学工作者应用水平布里奇曼法(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生长出了 Ga As、InP单晶 , 但由于晶体太小不适于大规模的研究。1962年 Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半导体晶体 , 1965 ～ 1968 年 M ullin等人第一次用三氧化二硼(B2 O3)做液封剂 , 用 LEC法生长了 Ga As、InP等单晶材料 , 为以后生长大直径、高质量Ⅲ-Ⅴ 族单晶打下了基础 , InP材料的研究也才真正开始。但由于InP在熔点温度 1335±7K时 , 磷的离解压为27.5atm, 因此 InP多晶的合成相对比较困难 , 单晶生长也困难得多 , 就是说整个过程始终要在高温高压下进行, 所以 InP单晶就难获得 , 而且在高温高压下生长单晶 , 其所受到的热应力也大 ,所以晶片加工就很难 ,再加上 InP的堆垛层错能较低 ,容易产生孪晶 ,致使高质量的 In P单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的 InP抛光片要比 Ga As的贵 3～ 5 倍。而对 In P材料的研究还远不如 Si、Ga As等材料来得深入和广泛。只是在 70年代由于有人提出了 In P可能具有三能谷能带结构而使许多科学工作者的目光投向了 In P材料, 使 In P的研究形成了一次小高潮 , 但后来证明 In P和 Ga As一样是两能谷能带结构。但这一过程使国际上形成了一批专门从事 InP性质研究的科学家。随着 80年代 HEM T 技术和应用的迅速发展以及光纤通信事业的大发展 , 光电器件的走红 , 太阳能电池的大量需求, 极大地推动了与这些技术密切相关的 InP材料的研究和发展。

由于 InP材料的一系列优越性被发现 , 使其在军用、民用光纤通信、微波、毫米波器件、抗辐射太阳能电池、异质结晶体管等许多高技术领域有广泛应用 , 所以各技术先进国家普遍加强了对 InP材料的重视程度。北大西洋公约组织(N ATO)在 1980年就召开了三年一届的 In P工作会议并有专门组织进行管理 , 到 1989 年由于 In P材料与器件发展迅速 , 所以工作会议就改为由 IEEE 等国际著名组织主办的以 In P命名的国际性学术会议—— “磷化铟及相关材料国际会议(IPRM)”, 会议每年召开一次 , 1998年 5月在日本的筑波举办第 10届IPRM 会议 , 这次 IPRM’98会议将总结最近10年来国际上 In P发展的最新成果 , 并将举办隆重的 10周年庆祝仪式。中国大陆的两位学者已被邀请参加此次盛会。

美国国防部早在 1989年就把 InP和 Ga As 放在一起制定了专门的到 2000年的发展规划 , 其具体目标是到 2000年要有 6英寸的 Ga As单晶 ,而对 In P单晶材料是要有可靠的来源。从目前的资料看 , 他们的目标提前实现了。而到90年代中期 , 美国陆军制定了包括 InP技术在内的 20项关键电子技术 , 以提高其在21世纪的实战能力, 因为 In P的微波和毫米波单片电路能使陆军采用固态器件和相控技术来发展先进的雷达、电子战系统和通信系统。其它英、日、俄、法等技术先进国家也早在 70年代末就对InP单晶材料的制备和相关器件的发展给以极大的关注 , 所以目前仍是这些国家在此领域保持领先地位 , 并积极开拓市场 , 逐步将这一高科技军事领域的奇葩转化到民用工业上来 , 使之真正实现广泛应用。

我国的 InP材料研究起步并不晚 ,在 70年代就开始了 InP单晶材料的研制工作 , 到 1976 年就用国产自行设计制造的首台高压单晶炉生长出了我国第一根具有使用和研究价值的 InP 单晶。到 80年代初开始了我国自己的 InP基器件研制工作。在我国老一辈半导体材料专家中科院林兰英院士的始终关注下 , 尽管由于我国的基础工业还比较落后 , In P的应用在我国还远不如人意 , 但我国一直没有放弃这一重要领域的研究工作。我国的科学工作者在艰苦的条件下 , 在 InP多晶合成和单晶生长方面取得了许多成果 , 在某些方面的工艺技术还处于国际先进水平。

第一章 绪论

1．1 InP晶体概述

人类认识半导体的历史可以追溯到1782年以前，沃尔特(A．Volta)通过静电计对不同材料进行接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介 于其间的“半导体”，随后他也最早使用了“半导体”一词。1833年，法拉第(M．Faraday)发现了A92S具有负的电阻温度系数12J，史密斯(W． R．Smith)发现硒的光电导现象，布劳恩(F．Braun)于1874年发现了 PbS和FeS2与金属探针接触时的整流现象，揭开了人类研究半导体材料 的新篇章。20世纪成为人类在材料发展史中流光溢彩的辉煌历史时期，由于社会进步及军事电子技术发展的迫切需要，使人们意识到：未雨绸缪 的时候到了。于是一大批新型电子材料应运而生：1910年蒂埃尔(Thiel)等 首次报道了人工合成磷化铟(InP)材料，这成为了人类研究III．V族化合 物的最早记录；1929年，戈尔德施米特(Goldschmidt)首次合成了出了 GaAs，并指出其具有闪锌矿结构。1940～1945年，对PbS，PbSe和PbTe 作为红外探测材料进行了大量研究。1950年，用直拉(CZ)法制备出第一颗 锗(Ge)单晶．1952年，制备出第一颗硅(si)单晶；1954年，用区熔(FZ)法，水平(HB)法制备出砷化镓(GaAs)单晶；德国的Welker于1 950年代 初期开展了III．V族半导体材料的生长研究IlOl，1963年纳尔逊(H．Nelson)用液相外延法(LPE)生长了GaAs外延层，并做出了半导体激光器111|。1965年，耐特(Knight)首次用气相外延(VPE)法成功地制备了砷化镓(GaAs)单晶薄膜；1965年，Mullin等报道了GaAs单晶的液封直拉生长方法，1960年代末开始用LEC法生长InP和GaP单晶[13-151。从新材料家族中涌 现出来的新秀，不但为材料王国的兴盛带来了曙光，也为新一代军事电子装备的发展带来了希望。

与锗、硅材料相比，化合物半导体GaAs、InP具有许多优点：直接跃 迁型能带结构，具有高的电光转换效率；电子迁移率高，易于制成半绝缘 材料，适合制作高频微波器件和电路；工作温度高(400．450℃)；具有强的抗辐射能力；作为太阳能电池材料的转换效率高等。这些特性决定了 GaAs、InP等材料在固态发光、微波通信、光纤通信、制导／导航、卫星等 民用和军事等领域的应用十分广阔。

半导体技术的商业化生产历史可以看作是一系列工艺技术不断更新发 展的历史。第一个商业化晶体管是用锗(Ge)制造的，但在20世纪60年代 早期，硅(Si)器件很快就在性能和价位上超过了它。硅现在能确立在半导体工业中的统治地位，部分要归功于工艺技术的不断开发，使得硅器件在 集成功能性和价位上具有很强的竞争能力。第三种商业化半导体技术出现 于20世纪80年代后期，来自于化合物材料领域一一砷化镓(GaAs)，当时 曾有人预言GaAs将全面代替Si，20多年过去了，这种局面不仅没有出现，而且Si在更多的领域发挥出优异的表现。在1970年代中后期，以InP单 晶为衬底制作的长波长激光器首次实现了室温下激射后，lnP单晶开始逐 步引起人们的重视，到1980年代初期，InP基高电子迁移率晶体管的出现，使得InP在微电子领域也表现出优异的特性，而且人们认为可以在InP上 方便的实现光电集成，使相关领域产生巨大的飞跃，因此，1980年代后期 即有科学家预言半导体材料发展的第四次浪潮已经出现，认为InP及其相 关材料能够很快替代砷化镓的化合物半导体技术，用于高性能、大批量商 业应用中。确实，InP在光纤制造、毫米波甚至在无线应用方面都明 显地显示出使人信服的优于砷化镓的性能优点，我们相信这些优点将使 InP与其它材料拉开差距，但由于其性价比和很多实际工艺问题，GaAs、InP所扮演的角色只是发挥其各自优势，与其他材料间没有完全替代性的 关系。而且，化合物半导体材料的很多属性还远远未被了解，还有待于进一步深入探讨。InP的发展之路还充满了曲折与艰辛。但这一切正说明了 lnP继续值得深入研究的重要性。

InP的主要应用有以下几个方面：

光通信中所用的石英光纤的最小损耗波长是在1．3斗m～1．55I．tm。因此 这是光纤通信的两个主要窗口，前者用于短距离局域通信网，后者用于长 距离高速率的光通信系统。因为这些系统中必需的III．V族三元、四元合 金lnGaAs光探测器、InGaAsP激光器等在这个波长范围，而lnP与这些合 金晶格匹配。因此InP就是生产光通讯中InP基激光二极管(LD)，发光 二极管(LED)和光探测器等的关键材料，这些器件实现了光纤通信中信 息的发射、传播、放大、接收等功能。事实上，目前全球高速互联网就是建立在这些器件的基础上的。

InP也非常适用于高频器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质 结双极晶体管(HBT)等方面。因为与InP晶格匹配的lnGaAs外延层的载 流子浓度和电子迁移率非常高，超过与GaAs晶格匹配的A1GaAs，这些作 为高频器件的lnP基器件在超过几十GHz的频率范围有很大的应用前景。InP基器件在毫米波通讯、防撞系统、图像传感器等新的领域也有广泛应 用。集成激光器、光探测器和放大器等的光电集成电路(OEIC)是新一代 40Gb／sec通信系统必不可少的，可以有效提升器件的可靠性和减小器件的尺寸。OC．768(Optical Carrier 768，光载波768是SONET规范中定义的 传输速度。OC．768定义为光设备的传输速度为OC．1的768倍)作为宽带 综合业务数字网的一部分，是最快的同步光纤网络(SONET)的光纤数据 传输标准速度。为了适应日益增长的带宽需求，OC．768采用了密集波分复 用(DWDM)来在同一光纤上传输多重数据通路。新的DWDM系统现在 发展到每根光纤以10 Tbps的速度传输。这相当于一根光纤的理论容量能 够同时支持一个激活的Internet连接到美国的每个家庭。而OC．768的材料、元件基础就是lnP基相关器件。随着能带工程理论、超薄材料工艺技术及深亚微米制造技术的进展越来越显示出其异乎寻常的特性，成为毫米波高端器件的首选材料，受到广泛的重视，特别受到军方的青睐。

InP的带宽在1．4eV附近，因此可以制成高转换效率的太阳能电池。并由于其具有高抗辐射性能被用于空间卫星的太阳能电池。

以上这些情况使得磷化铟在目前现有的应用基础上能有更多可开发的 应用前景，比如，在共振隧穿器件方面的最新进展。而所有的这些应用都 基于高质量的InP衬底的提供。因此，开展InP材料的合成、单晶生长以 及特性研究对制备高质量InP基器件就特别重要。

目前研究的重点主要集中在以下几个方面：①发展InP多晶的直接合 成技术，简化合成工艺、降低成本。②发展大直径InP单晶制备技术，减 少孪晶，提高成晶率降低成本。③降低大直径InP单晶的位错密度。除采 用垂直梯度凝固技术(VGF)和汽压可控直拉(VCz)等工艺外，改善热场结 构，减少热应力，控制掺杂条件等工艺措施也可以实现这一目标。④完善 4英寸的InP晶片制备技术。尤其是改善材料表面质量。⑤提高半绝缘InP 单晶片的热稳定性，减少掺杂剂Fe的使用量。这也就是本论文主要研究的 课题内容。

1．2 InP半岛特材料的基本性能

磷化铟(InP)是由III族元素铟(In)和V族元素磷(P)化合而成 III-V族化合物半导体材料。InP具有闪锌矿结构，晶格常数5．869A。常温 下禁带宽度1．35eV，直接跃迁型能带结构，发射波长0．929m，熔点温度1335K。lnP与三元合金lnGaAs以及四元合金InGaAsP晶格匹配。这就是 为什么磷化铟作为波长在1．3．1．55微米光纤通信中的激光器和光探测器和 像HEMT、HBT等高频电子器件所必需的衬底材料。InP的带宽正好适合 高转换效率的太阳能电池。具有同样晶格常数的InGaAsP的带宽可以从 1．35eV转变为0．74eV(0．9．1．7微米)。通过改变InGaAsP的组分，它可以获得和InP衬底一致的晶格常数以适合光纤通讯所需的波长。

InP的晶格可以看作是两个互穿的面心立方晶格，其中一个是由In 原子构成，另一个是由P原子构成，这种结构也可看成In原子所构成的面 心立方晶格与P原子所构成的面心立方晶格沿体对角体(<“1>方向)互 相位移(1／4，1／4，1／4)套构(穿插)而成。因此，In原子被四个磷原子围 绕，形成四面体结构，如图1．1。这种结构除每个原子最近邻是异种原子 外，与金刚石结构是相同的，每个原子最近邻有4个异种原子，配位数为 4。若该原子位于一正四面体中心，则其最近邻的异种原子处于正四面体的 项角，其化学键为四面体键，键角为1 09。28 7。因为闪锌矿结构是立方 结构的一种，在使用(001)晶向衬底时，是四路对称解理的，因此特别适 合生产激光器件所需的做为激光谐振镜面的平行解理面。

图1．1 InP晶格结构及晶向示意图

从图1．1可以看到，所有(1l 0)面(族)上都包含In，P两种原子，而所有(1 11)面(族)上都只包含P或ln一种原子。共有8个(11 1)面，4个是(11 1)A面只包含In原子，另4个是(1l 1)B面，只包含P原子，在方向上，InP晶体是由一系列In，原子和P原子组成的双原子层依 次排列而成的。故其与两个晶向是不等价的，使其沿 方向具有极性。InP在熔点温度附近1335±7K时，磷的离解压为27．5atm，因此InP 多晶的合成相对比较困难。从目前的报道看，自然界中尚未找到天然形成 的InP块状晶体材料。但是人们还是发明了许多方法用以合成InP多晶和 4 第一章绪论 生长InP单晶。图1．2给出了lnP的能带结构示意图，表1．1给出了InP的 能带参数。

图1．2磷化铟的能带结构及载流子浓度

表1．1 InP能带的基本参数

表1．2 InP材料的基本参数

磷化铟的分子量为145．795，密度为4．7879／cm3，显微硬度为 435士20／mm。磷化铟单晶质地软脆，呈银灰色，有金属光泽。常压下磷化 铟为闪锌矿结构，在压力≥13．3GPa时，其结构变为NaCI型面心立方结构，空间群为05h-Fm3m。磷化铟的硬度比硅、磷化镓、砷化镓等小。这是磷 化铟比硅、磷化镓、砷化镓更易碎的主要原因，因而磷化铟的晶片厚度的 规格就要比硅厚很多。SEMI(国际半导体标准组织)规定了磷化铟的晶片 尺寸和标准。常温下磷化铟是稳定的，在长时间范围的观察，常温下，表面氧化速 度很慢。在360℃以上开始有离解现象，但800℃开放式退火10小时，表 面离解不明显。1 000℃以上离解加快，在1 062℃(熔点)的离解压为 2．75MPa。磷化铟在空气中加热时生成氧化膜。磷化铟与卤素发生反应，溶于C12、Br2的有机溶剂(如甲醇或乙醇)可作为InP的抛光腐蚀剂。磷化铟可溶于王水、溴甲醇。

磷化铟在室温下可以与盐酸发生反应。对于(100)InP材料，盐酸是 一种很有效的腐蚀剂，各向异性的腐蚀特性非常明显。InP与HC!．HN03 的混合液、氢卤酸．双氧水系也起反应，可作为腐蚀剂，用于厚度控制不严 格的表面抛光。含有Br2的氢卤酸与InP反应很快，其腐蚀速率在室温附近与温度关系不大，而是随Br2含量的增加而提高。以前的InP化学机械 抛光大量使用Br系的溶液，近期发展出一些无Br系的腐蚀液。磷化铟与碱性溶液发生反应，但反应速度缓慢。一般不做腐蚀液。

第二章 InP的加工合成技术

2．1合成InP多晶方法简介

高纯、近化学配比、无夹杂的InP多晶料是生产高质量InP的前提条 件。InP晶体的很多特性，都与起始原料，即多晶材料的特性相关，如材 料的配比度，材料的纯度，对晶体生长，晶体的电学表现，晶体的完整性，均匀性等都有很大的影响。从图2.1给出的磷的蒸汽压与温度之间的函数 关系来看，在熔点温度1062℃下lnP材料具有很高的离解压，大约为2.75MPa，此时，磷的蒸汽压超过了10Mpa，因此在单晶生长炉内像GaAs 那样将磷和铟直接合成磷化铟多晶非常的困难。因此，一般要在高压炉内 用高纯铟和高纯红磷首先合成InP多晶料，然后再进行晶体生长工作，但 是能够实现原位或准原位合成连续拉晶一直是科学家研究的方向。目前，已有多种合成InP多晶料的方法，包括：溶质扩散合成技术(SSD)，水平布里奇曼法(HB)，水平梯度凝固法(HGF)和原位直接合成法(In-situ Synthesis)包括磷注入法、磷液封法等。

图2．1磷蒸汽压与温度之间的关系

2．1．1溶质扩散法合成(SSD)溶质扩散法(SSD)1229-232]最早被用于GaP的晶体生长和InP的多晶合成。图2．2给出了SSD法合成InP的基本形式和温度曲线。SSD法从富 铟的熔体中生长的InP晶体所用的温度较低(900．1000℃)。In和P在真空 下密封在一个石英安瓿中，将P加热到一定温度以使P蒸气的压力低于一 个大气压。P蒸气溶解于In熔体中，直至达到饱和。由于坩埚底部的温度 低于In熔体表面的温度，溶解的P从熔体表面扩散到坩埚底部。当坩埚底 部的P增加并超过其溶解度时，就从坩埚底部合成并析出InP多晶。SSD 技术的优点在于生长温度低，有效的避免了Si的沾污，因此提高了纯度，用这种方法合成的多晶的载流子浓度可以达到10‘4cm。的水平。早期的结 果认为使用SSD技术生长的InP比HB法等其他方法的纯度更高。SSD技 术的缺点是和HB法相比合成量太少、速度太慢，目前基本不再使用。这 是因为P在In熔体中的扩散系数很小，而扩散又是SSD合成技术的主要 机制。使用这种方法成本太高，无法满足工业生产的需求，而从纯度方面 讲，其他合成方法通过改进工艺条件也可以达到需求。

图2-2 SSD法合成磷化铟示意图

2．1．2水平布里奇曼法(HB)和水平梯度凝固法(HGF)合成

在磷化铟晶体研究的早期许多研究者对水平布里奇曼法(HB)和水平梯度凝固法(HGF)合成磷化铟进行了广泛的研究1233J。这种方法是使磷蒸 汽和铟熔体反应合成磷化铟多晶。当铟熔体的温度高于磷化铟熔体的熔点，磷蒸汽就被铟熔体吸收，直到铟熔体全部转变为磷化铟熔体。因为铟熔体 的温度比熔点的温度高，而且P蒸汽与In熔体的接触面积远远大于SSD 法，因此合成速率比SSD法要高，但是从石英安瓿产生的Si的沾污也比较明显。通过采用pBN(热解氮化硼)舟可以大幅降低Si的沾污。但合成 时间仍相对较长，早期的工作中的一个重点就是防止由于压力不平衡造成 的“炸管”现象，现在由于压力传感器和计算机控制的使用，使得采用 HB／HGF合成InP的技术相当成熟。目前，工业上合成InP多晶的主要方 法即为HB／HGF法。目前可达到的合成时间和合成量为1 OO小时合成4KgInP多晶。目前，工业生产InP多晶时使用的三温区加热的高压HB法合成装置 如图2．3所示。其目的是克服以前的HB／HGF法的缺点。炉体采用高压釜 形式，内部炉体有三个区域，即铟熔化区，合成区和磷蒸气控制区。高纯 In在一石英舟或pBN舟内，高纯红P密封在一石英安瓿内加热。高压釜 中加入惰性气体如N2或Ar2，一般管内的P压要稍大于管外压力，通过压 力传感器的精确控制和计算机控温系统，使磷蒸汽从安瓿的一侧按照溶解 度溶解到铟熔体中。在高频加热区的温度最高，但是仍然低于磷化铟的熔 点，由于提高了溶解度，熔体中的磷不断增加，直至合成出配比多晶。

图2．3合成InP多晶用HB技术示意图

在HB技术中，为了能够得到理想纯度的InP多晶，无多余的In夹杂，而且合成速度理想，必须优化以下的参数：(1)In熔体的温度；(2)P蒸 气的压力；(3)舟的运动速度；(4)合成区的温度；(5)合成配比量；(6)舟的材料。In熔体的温度越高，P的溶解度越大，这样富P的可能性将降 低。但另一方面，由于温度的升高，In与舟反应，Si进入In熔体中，合 成的多晶料的纯度会降低。Si的沾污以两种方式发生。一是In与石英舟的 直接反应，如式：

可以通过加入In203防止此反应的发生。然而，加入In203会增加In熔体 中的O含量。发生Si沾污的另外一条途径是通过In蒸气。尽管In的蒸气 压低，但它与舟壁反应并产生SiO气体。SiO气体与In熔体反应并使Si 进入熔体。Janson考虑了SiO气体与ln熔体的热动力学。这些反应可以表达如式(2-2)和式(2．3)、(2．4)：

由于Si元素的沾污，使得InP多晶中的主要杂质就是Si。当使用6N铟，6N磷的原材料时，通常只能得到剩余载流子浓度n=ND--NA=1～5 X l 016 cm一，迁移率ll～3500 cm2／V．s(300K)量级的InP多晶材料。Yamamoto等通过研究在InP多晶中掺杂Si的分凝，证实了Si是主要 杂质。Dean等认为主要的施主杂质是S或者本身的缺陷1236J。使用pBN舟 可以使载流子浓度达到1015 cmo的量级，甚至有报道可以达到5 X 1014 cm。的水平[64,2371。P蒸气的压力越高，InP多晶越少富In，但是石英管炸裂的可能性就 越大，瞬间压力变化也容易产生。在多晶生长的过程中，In熔体中的P饱 和，InP就会沿液相线温度从饱和的In熔体中析出。如果舟的运动速度比 析出速度快，那么In熔体在生长界面上来不及反应而形成富In。合成区的 温度会影响纯度和生长速度。当此温度增加时，生长界面处的熔体中P的 饱和成分与液相线的温度增加会使生长速度增加，而且析出的In会减少。然而合成区的温度增加，从前述纯度的角度来说是不希望发生的，即会造 成Si的沾污。因此合成区温度的增加显然会增加InP多晶中的载流子浓度。通过优化前述的合成参数，可以得到少富In或者不富In的多晶InP。如果 采用pBN舟进行HB法合成，也能得到高纯的InP多晶。而且，目前的脱 舟技术也越来越成熟，使得使用pBN舟的成本得到有效的控制。Yashida等开发了一种梯度凝固法来合成多晶和晶体生长。在一个经过喷砂和打磨的石英舟中将铟和磷合成多晶，防止了多晶料粘在石英面上，而且防止了Si的沾污。然后经过梯度凝固可以生长晶体。用这种石英舟获 得的多晶料的载流子浓度可以达到5X 1015cm。的水平。

但是HB／HGF技术，从原理上还是一种通过溶解进行合成的方法，工 艺上合成量越大则合成时间越长，Si的沾污也越明显(可能来自石英管壁)，并且“炸管”的可能性也越大，并且无论什么形式的合成舟，增加In的重 量都非常困难，而且增加石英管的直径，势必要求更大口径的高压釜，成 本也将迅速增加。目前，InPact公司的常规合成量仅1．25Kg，锭条长 300mmI配J。其他公司采用的合成量也基本在1．4Kg，使得用这种方法合成 lnP的成本始终居高不下，这也说明，高纯In、P和高纯Ga、As的单位价 格接近，而InP晶片高于GaAs晶片5．10倍的重要因素。

2．1．3直接合成法

直接合成技术为在更快的合成速度下生产更高纯度的InP晶体提供了可能，是InP合成方法的发展方向。对于直接合成，已经研究了三种方法：磷蒸气注入技术；液态磷液封技术；在压力非常高的腔内直接合成铟和磷。

尽管三温区HB法被用于工业化生产磷化铟多晶，但是由于在高压容 器内用磷注入法合成多晶的速度快、成本低，因此很有可能成为一种非常 可行的方法。由于这种方法所具有的明显的优点，所以很多研究者开展了广泛的研究。用这种注入法，磷与铟的反应非常快，因此快速合成完全可以实现。而且这种方法也非常容易增加产量，因此这种方法有可能在未来 成为大规模生产磷化铟多晶所使用的方法。实际上Bliss等为此已经开发了一个新的系统[243]。然而，这种方法因为很难找到磷注入时的合适的熔点温度因而很难获得配比的多晶。如果这种方法要成为工业化生产所用的 话，配比熔体的控制度就是最关键的技术之一。Inada等发明了一种多晶合成和晶体生长同步的方法。其反应原理见图2.4，合成示意图见2．5。用这种方法铟和磷都放在坩埚中。坩埚顶部盖有一个加热罩。这样使得在这个温区磷蒸汽加热分解到这个壁后形成液态的磷。这样液磷滴到铟熔体中与铟进行瞬间反应，直到全部反应为磷化铟熔体。剩下的液态磷作为液封剂防止晶体生长中磷的离解。多晶合成后晶体生长可以不经冷却连续生长。该方法基本实现了原位合成，连续拉晶的概念，但因为固态红磷在转变为液态磷的过程中，会有大量的挥发，使得使用石英观察窗进行晶体生长的观察，基本不可能，所以，为了解决这个问题，他们采用了X射线扫描技术，来观察籽晶接触和生长情况。该方法在工艺尚未成熟前的摸索阶段，工序中大量的磷损失，且将形成大量的 白磷，极剧毒性，且易自燃，而晶体生长过程大量使用X射线，不仅造成工艺成本过大，而且，将对操作人员造成伤害，因而，该工艺开展的时间不长。

图2．4磷液封合成技术原理图

图2．5磷液封原位合成、拉晶示意图

V．Prasad等开发了一种在极高压下原位合成InP，之后用MLEK技术连续拉晶的工艺。而且开展了熔体富磷的单晶生长工作。从成本角度讲极高压方法合成InP也不适合工业化生产的要求。

2．2磷注入合成InP多晶

2．2．1磷注入合成InP原理

对InP晶体生长而言，由于磷的过高的蒸汽压因而迄今没有如GaAs 系统中完整的P．T-X的相图。图2-6(a)示出磷化铟的压力．温度相图，图 2-6(b)示出磷化铟的组分．温度相图。详细的相图从缺陷形成的角度仍在 进行讨论。非配比范围的磷化铟现在还不是非常清楚，但是利用库伦滴定 法进行的初步研究表明这个范围比砷化镓要窄。从表2．1可以看出与砷化 镓相比磷化铟的组分偏离是非常小的。图2．7显示了非配比的磷化铟的范 围远小于砷化镓的配比情况。这可能就是磷化铟不能形成像砷化镓的EL2 那样的原生缺陷的原因。关于从富磷熔体中生长的InP材料的有关研究，由于工艺上的难度，其深度和广度都不如从富铟熔体中生长的InP材料那 样详细。

表2．1 InP库仑滴定测试

图2．7磷化铟固液相线示意图

从原理上讲，磷注入合成是一种原位(或准原位)直接合成技术。无 论其注入形式如何，基本过程就是依据磷的相图，逐渐增加磷源炉的输入功率(或熔体温度)，使红磷以适当的速率汽化注入到铟熔体内，在lnP的 熔点温度(1335K)附近，磷和铟发生反应，合成得到不同化学计量比的InP 熔体。磷注入原理与化学反应式(2．1)：

则铟和磷在InP的熔点温度附近反应方程式为(2-2)：

从压力平衡角度讲，为了保证合成顺利进行，则P泡内的压力要大于外压。这种压力关系表现在式(2-3)和(2-4)，图2．12 In—InP液相线上的磷的浓度与温度的比

只有通过深入了解InP体系的各种热物理条件，建立高温、高压下磷 注入系统内部固、液、气多相热物理模型，才能真正将工艺上升为理论。图2．8所示的是温度与热容的关系。

图2-

9、图2．

10、图2．

11、图2．

12、图2．13所示的是与蒸汽压有关的 数据。

图2-1 1 lnP最佳分压与In．P液相线上的气态铟、P2和P4的温度倒数的比

图2．12 In—InP液相线上的磷的浓度与温度的比

图2一13根据不同种类的平衡线计算的分压

以上各图揭示的各种关系，对于合成高质量InP多晶具有很大帮助。通过这些数据，可以看出，InP熔化时的特性非常重要。

2．2．2磷注入合成方法

高纯InP是制备高质量InP的前提条件，决定着InP单晶材料的应用 和发展。InP单晶的纯度不仅影响其电学性质，而且影响器件质量，因此 制备掺Fe半绝缘InP单晶时，希望材料越纯越好，以便尽可能降低Fe的 掺杂量而得到半绝缘性质的InP材料。低Fe含量的半绝缘InP单晶对于电 子器件的制造具有十分重要的意义。这只有通过使用高纯lnP多晶来制备。已经证明：通过对高纯非掺杂InP单晶片退火可获得半绝缘InP单晶片。由此可见高纯InP材料的制备是十分重要的。

InP的合成需要在高温、高压的环境中进行，工艺难度相当大，但人们还是发明了许多方法用以合成lnP多晶。早期，包括高压炉内使用水平布里奇曼技术(HB)和梯度冷却技术(GF)进行合成及SSD技术都不能 满足人们对材料纯度的要求，而且，人们认为最好的多晶合成技术应该能 生成出高纯度的多晶，尽可能少量铟残余和快的合成速度，并且能够实现，合成后即连续可以进行晶体生长，这就要求进行原位合成。但显然，InP 无法像GaAs那样将两种元素放在一起直接合成。这样，人们受到其他工 艺中的一些现象的启发，发明了磷注入式合成技术。并开展了多种形式的 探索。国际上，l 970年代初，Fischer等最早提出了注入式合成的概念，早期，该技术是应用于GaP材料的合成【24引。其原理见图2．14。到1980年NATO 组织的lnP会议上Wardill等提出可以将该技术用于lnP合成

随后，J．P．Farges，G．W．Iseler，G．A．Antypas等都开展了有关 磷注入合成的早期研究。

国内，孙同年等在1968年前后已经完成比较成熟的注入式合成GaAs 的工作。1970年开展了InP合成炉的设计，已经将该技术作为主要因素，设计到炉子的结构中。1975年该组设计成功我国首台高压单晶炉，后获得 全国科学大会奖。1 976年生长了国内首根InP单‘晶，同时在国际上率先完 成了磷注入合成，连续拉晶工艺，该工作于1977年柳州召开的全国GaAs 及III．V族材料会议上发表，并获得国家发明奖[238,2391。1982年首次在国际上发表，并多次被国际同行引用。虽然，由于时处特殊历史时期，很多文献、记录有些模糊，但我国科学家在该领域所傲的开拓性工作，意 义重大，在InP的发展史上已成为一个里程碑。图2.5给出了我国设计的 P注入合成连续单晶生长的高压单晶炉的示意图。图2.6为我国最早的高 压单晶炉照片。

孙同年等殴计制造的球形高压单晶炉与国际上通用的钟罩式单晶炉和 筒形单晶炉结构不同，其为球形门结构．使得其内部空间较大，在炉体内 设计安装两只供磷注入合成的机械手，因此该单晶能够首先采用原位磷注 入法合成不同化学计量比的InP熔体。合成结束后，操作机械手移开磷源 炉，然后引入籽晶，利用LEC法从不同化学计量比的InP熔体中生长InP 单晶。该高压单晶炉的另一显著特点为其采用侧开门结构，使得装料方便，另一对称侧有强力捧风系统，可以迅速将炉内的挥发性气氛捧出。国际上，根多科学工作者开展了各种形式的P注入合成的探索。比如-Farges借鉴了Sun等的工艺柚魄出了两种磷注入合成的模式。一是将磷 泡固定在耔晶杆上，待熔体温度达到要求时，下降耔晶杆将磷泡插入熔体 中，靠熔体的温度来对磷泡进行烘烤，进行合成。后来，其他一些单位借 鉴了该方法，在磷泡上加上电阻丝．使得烘烤和磷源炉加热，使得磷蒸气 注入到铟熔体中，生成lnP熔体。该方法的示意图见图2-17。

第二种模式是磷泡置于坩埚上方，籽晶杆穿过磷泡中部，首先下降磷 泡(外置磷源炉)，通过两方面的加热使得红碡气化，注入到铟熔体中，进行化合反应，图2-】8给出了这种形式的两个示意图。待合成后，提升磷泡 和磷源炉，下降籽晶，进行单晶生长，但是园为炉内行程所服，一般采取 基本不提拉的LEK技术进行单晶生长，此时还可以增加磁场．进行MLEK 单晶生长。该技术得到了Bliss等的较好的笈展。并于纽约州立大学石溪 分校的研究人员开展了热场和磷泡运动的热分布的计算机模拟，给出了传 输机制。Bliss和Jafri等I$2,2461给出了利用这种方式合成InP并连续拉晶的示意 图．见图2．19。

由于LEK技术对于生长lnP单晶来讲，具有较大的难度，且晶体所受 的热应力相当太，晶体品质难以保证，故而，在美国军方的支持下，Bliss联合GT公司和纽约州立大学石溪分校的研究人员一起设计了一个新型的 能够原位合成，且连续拉晶的大型单晶炉[52,53,2431。该单晶炉的示意图和操 作过程见图2．20。该单晶炉分为三个炉室，晶体合成、生长室；磷源炉室； 籽晶室，该单晶炉还可以加装磁场。以改善大直径单晶生长的热对流条件。该炉可以实现1 5Kg的InP合成和6英寸lnP单晶生长，实际在近7小时 左右合成了3Kg高纯InP多晶，连续单晶生长的结果，未见报道。其使用 的磷源炉和磷泡装架使用不锈钢，并在磷泡上布置了多个压力和温度传感 器，以精确控制磷注入速度。其合作者Zhang等在多区域自适应网格计算 方法的基础上，对InP的注入式合成过程中的输运过程进行了计算，获得 了很多有益的结果124卜25 01。

图2．2l显示了另外一种磷注入合成的形式。其将磷源炉和磷泡放 在加热器的一侧，首先，提升坩埚，使注入管插入熔体中，通过控制磷源 炉的加热功率，使磷蒸气注入到铟熔体中进行化合，形成InP熔体，合成 结束后，下降坩埚使得注入管脱离熔体，然后下降籽晶，进行InP生长。英国MCP公司发展了一种大容量合成InP‘的方法【165|。如图2．22。该 方法在常规筒形单晶炉外侧连接了一个水平高压加热炉，合成时，磷注入 管推到坩埚上方，然后翻转1800，注入管插入到熔体中，水平炉内的磷容 器经多段加热，形成磷蒸气，与铟熔体反应，化合成InP。合成后，再翻 转注入管，将磷容器拉回起始位置，之后，还可以下降籽晶，进行单晶生 长。利用这种方法，实现了一次合成1 1 Kg多晶InP，但材料纯度不够高。

以上给出了多年来不同科学工作者在磷注入合成方面的一些思路，磷 注入合成技术可以说是最接近直接原位合成的技术，从各方面讲，该技术 相对来说比较有优势，这是因为这种方法可以以比其他方法更快的速度来 进行合成，而且可以降低生产成本，相对还比较安全，且可较容易的增加合成量。是未来磷化铟多晶合成的发展方向。

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半导体材料研究现状 第3篇

对材料的物理性质和化学性质进行人为的裁剪一直是化学家和材料科学家所面临的挑战。目前, 化学家和材料科学家正在研究在纳米尺度实现这一裁剪的方法。块体的无机材料具有它们特有的特征和性质, 如颜色、熔点等。但是, 在纳米尺度它们的这些性质可以根据人的意愿进行任意裁剪。例如, 块体的半导体CdSe具有红区的特征发光, 然而在粒径低于10nm时, 它的发光可以从红区到蓝区进行连续的调节。直径为1.6nm左右的金颗粒的熔点约为350℃, 这和块体金的熔点相比已经有了很大的降低。这些新奇的现象都和两个几何物理量有关, 材料的尺寸和形貌。早期的研究表明, 材料的许多物理性质都取决于材料的尺度, 即尺寸效应。例如, 随着材料的尺度的降低, 导致材料的带隙逐渐量子化, 带隙变宽。另外, 材料的尺寸对电子的运输过程也有很大的影响。同时, 材料的形状也对材料的性质有很大的影响, CdSe纳米晶的直径减小时表现出很强的量子限域效应, 然而, 当长度减小时量子限域效应反而变的很弱。

近来报道的在高沸点非水溶剂中, 以长烷基链的胺类和酸类为稳定剂, 进行热分解反应制备零维纳米材料。通常来说, 反应的温度较高, 产物的结晶度好, 粒径分布在10%左右, 经过尺寸选择性处理后粒径分布可减小到5%, 通过控制反应时间, 稳定剂和反应底物的摩尔比, 及两种稳定剂的浓度可以精确的控制产物形貌。同时, 还可以选择亲油性或亲水性的化合物作为稳定剂来实现对产物亲油或亲水等性质的控制。而且, 利用这种方法制备出的产物表面具有一层有机稳定剂, 可以通过这些稳定剂相互作用使纳米晶在载体上形成均匀的纳米薄膜, 这使得产物纳米晶在生物传感、单电子晶体管、铁电存储器件方面有很大的潜在用途。

一、氧化锌纳米材料

ZnO是一种宽能隙的氧化物半导体, 能隙宽度约为3.37eV, 表现出奇特的电学和光学性能, 使其在低压和短波长光电子器件方面可能具有潜在的应用前景。如发光二极管、透明导电电极、气体传感器、荧光器等。因此, 它一直是材料科学领域研究的热点和重点。Moonsub等报道了一种以二乙基锌为前驱体的方法, 首先将二乙基锌的癸烷溶液和通过氧气的辛胺溶液混和, 再将混和液在氩气的保护下注入200oC的TOPO中, 通过控制温度可以将粒子粒径的偏差控制在10%以内。Cozzoli报道了以烷基胺和TBPA为溶剂分解醋酸锌得到了表面有一层有机层保护的ZnO纳米晶, TBPA在反应过程起了很重要的作用, 没有其存在时会使产物为多晶或发生团聚, 产物的粒径可以通过控TBAP与醋酸锌的摩尔比来实现, 他们还通过连续还原氧化的方法制备出了粒径小于8nm的ZnO纳米晶, 具体步骤为在十六胺和油酸的混合体系中, 将ZnCl2还原为零价的锌纳米颗粒后, 再用三甲基氧化胺为氧化剂进行氧化, 结果表明最终产物纳米晶的粒径和零价颗粒及氧化反应的条件有关。Miguel等人提出了一种类似的改进方法, 首先将二环乙基锌溶解于四氢呋喃中, 在室温下蒸发, 通过控制烷基胺的链的长度, 试剂的相对浓度、溶剂、蒸发时间和蒸发时的温度来实现对粒子的尺寸和形貌的控制。这是因为二环乙基锌在空气中不稳定, 分解为零价的锌, 它进一步被空气中的氧气氧化。Zhong等人利用ZnO可以和油酸反应生成配合物的性质, 在十六胺中分解ZnO-油酸配合物得到了泪珠状的ZnO纳米晶, 和块体材料相比它具有明显的量子限域效应。Jana等报道在十八烯和油酸的混合溶液中, 分解油酸锌合成出了子弹状, 三角形和点状的ZnO纳米颗粒。Joo等报道了利用非水相醚消除反应制备出了各种形貌的ZnO纳米晶, 首先利用醋酸锌和三辛基氧化膦形成的配合物和1, 12-十二二醇反应得到了由形状单一的楔形纳米晶紧密堆积而成的球形颗粒, 当在制备醋酸锌和三辛基氧化膦形成的配合物时加入油胺, 其他反应条件不变时, 可得单分散的锥形纳米晶, 但是在制备过程中仅加入十六胺时, 可以得到六方锥状的ZnO纳米晶, 继续改变反应条件, 以TOPO和TDPA为稳定剂时则可得到棒状的ZnO纳米结构。Choi等报道了在油胺和油酸的混合液中热解油酸锌制得了六方锥形的ZnO纳米晶, 产物在380nm处有吸收, 在387nm处有带隙发光, 在468nm外存在以蓝——绿发射带, 优化反应条件后, 在300ml油胺和90ml油酸制备出了2.83g产物。Yin课题组报道, 以三辛胺和油酸为稳定剂, 在286oC分解醋酸锌得到了单分散的ZnO纳米棒, 它的直径约为2nm, 长度达到40～50nm, 产物纳米晶和块体的ZnO相比具有明显的量子限域效应。

二、二氧化钛纳米材料

TiO2纳米结构具有比表面积大, 表面活性高, 且具有较高的热稳定性、化学稳定性以及优良的光学、力学和电学特性, 广泛应用于许多领域, 如功能陶瓷、催化剂、高级涂料、化妆品及传感材料等, 光催化材料是近十年来发展起来的一种新型光催化无机材料, 可用于空气净化、污水处理等, 常用的制备方法有化学气相沉积法、醇盐水解法、钛盐直接水解法等, 但低温快速的水解过程会使产物为多晶、多相混合体系, 同时产物的尺寸也具有多分散性。在高温有机溶剂中制备TiO2纳米晶的报道不多, Colvin等首先通过TiCl4和Ti (OiPr) 4之间在高温三辛基氧化膦溶剂中发生烷基氯的消除反应制得了球形的TiO2纳米晶。Alivisatos等利用相同的底物以月桂酸和三辛基氧化膦为稳定剂, 利用它们和TiO2选择性吸附能力的不同, 调节月桂酸和三辛基氧化膦的摩尔比, 使TiO2的形貌由起始的子弹状或宝石状, 变为棒状, 最终变为支状的棒。Weller课题报道以碱为催化剂在油酸中热分解Ti (OiPr) 4得到了TiO2纳米棒。Hyeon等利用相似的方法通过油酸和Ti (OiPr) 4之间的酯化反应也制备出了TiO2纳米晶。Han课题组报道了以异丙醇钛为钛源, 将含有异丙醇钛和油酸的十八烯的溶液高温加热20分钟后, 通过胺解制备出了TiO2纳米棒, 纳米棒的直径和长短可通过调节油酸和十六烷基溴化铵的用量进行控。Steigerwald等报道利用钛的一种不稳定的化合物Ti (COT) 2为钛源, 以三丁基氧化磷和三丁基膦为稳定剂, 在邻二氯代苯中和二甲基亚砜中在室温或120oC下反应制备出了TiO2, 但是需要指出的是产物具有多晶结构。

三、氧化铟纳米材料

In2O3是一种重要的透明导电氧化物材料, 它的带隙为 (3.55eV～3.75eV) , 具有高的导电率和光学穿透性, 可以运用在很多领域。如紫外激光器、光电调节器、低透过率窗口、太阳能电池、平板显示器、传感器等。对于它的纳米结构的合成, 主要集中在CVD和MOCVD法。近来, 也有一些利用金属有机配合物为前驱体来制备氧化铟的报道。Won等报道了在油胺中热分解乙酰丙酮铟制备出了单分散的In2O3纳米晶, 通过调节油胺和乙酰丙酮铟的摩尔比及多次投料的方法实现了对纳米晶粒径的控制。Katerinade等报道了一种和合成ZnO纳米晶类似的方法, 在室温下, 茂铟在含8%的甲醇的甲苯溶液中分解, 生成粒径约为15nm的铟纳米晶, 经过热处理后, 可得立方相的In2O3。Liu等报道了以醋酸铟为反应底物, 油胺和油酸为溶剂, 三甲基氧化胺为氧化剂, 制备出了粒径约为11.5nm的单分散纳米晶, 这些纳米晶可以自组装为达到几平方微米的薄膜, 研究结果表明, 在反应过程中油胺和油酸起了很重要的作用, 只有油酸时反应不能进行, 只有油酸和三甲基氧化胺时产物中含有氢氧化铟, 仅用油胺时颗粒会快速生长而发生团聚。Narayanaswamy等报道了多种合成单分散氧化铟纳米晶的方法, 如将马来酸铟或硬脂酸铟的十八烯溶液注入高温十八烯和十八醇的混合液中, 或将癸醇注入到含有马来酸铟和马来酸的十八烯中, 后者制备出的粒径稍大, 作者还指出当体系中含有足够的表面活性剂时, 产物为球状的颗粒, 当体系中的表面活性剂的浓度有限时, 产物为花瓣状, 这对不同形貌的纳米晶的制备具有重要的指导意义。

四、氧化亚铜纳米材料

Cu2O是一种重要的P型半导体材料, 用途非常广泛, 可以用作色素、着色剂、催化剂、焊料、防腐剂、海洋防污涂料、光电材料、镇流器等。作为光电转换的重要材料之一, 纳米Cu20半导体的能级差为1.92eV, 600nm波长 (可见光) 激发.在太阳能电池的研究中已发现Cu2O是一种可见光催化剂, 而且其稳定性超出人们的预期, 且无毒性, 已经被广泛地应用于太阳能电池等领域, 同时, Cu2O也是制备传感器和高温超导体的材料。纳米Cu2O必将以其特殊的性质有着更为广泛的应用前景, 因此, 研究它的制备方法具有一定的现实意义。Cu2O纳米结构的合成方法主要为水相法, 在高沸点有机溶剂中合成的报道比较少, 因为Cu2O的化学性质很活泼, 很容易失去氧变为Cu。Alivisatos课题组曾报道以铜和铜铁试剂反应形成的有机沉淀为前驱体, 在十六胺中分解得到了粒径约为6.6nm的Cu2O纳米晶, 作者指出产物Cu2O是由CuO还原得来的, 而且注射后反应必须马上停止, 否则Cu2O会被迅速还原为Cu。Hyeon等利用乙酰丙酮铜在油胺中热解得到了单分散的Cu纳米晶, Cu可以进一步被氧化成Cu2O制备出了表面含有一层Cu2O的Cu纳米颗粒。实际上, 乙酰丙酮铜的热解的过程是一个逐步被还原的过程, 我们课题组通过控制温度和反应时间的长短在油胺中热解乙酰丙酮铜分别得到了的CuO、Cu2O和Cu纳米颗粒。Yan课题组在油胺和油酸的混合体系中分解甲酸铜得到了CuOx, 并认为甲酸铜首先被还原为Cu纳米晶, 然后被空气氧化为CuO和Cu2O的混合体系。O’Brien等利用相似的方法, 在三辛胺和油酸的混合体系中分解醋酸亚铜得到了Cu纳米晶, 这些纳米晶在环己烷溶剂中很容易被氧化为Cu2O, 产物在可见光范围内的吸收还表明Cu2O纳米晶表面有一层CuO薄膜。

摘要：由于纳米材料尺寸小, 可以与电子的德布罗意波长、超导相干波长相比拟, 从而导致纳米材料与常规块材所不同的新奇的光、电、磁等性能和物理效应。本文重点对几种半导体纳米材料目前达到的研究水平和器件应用概况进行了综述。

浅谈半导体材料的发展现状 第4篇

【关键词】半导体材料；发展；现状

半导体材料这一概念第一次被提出是在二十世纪，被维斯和他的伙伴考尼白格首次提及并使用，半导体材料从那时起便不断的进步发展，伴随着现代化的生活方式对一些数字产品的应用需求，社会对半导体材料推出了更高的要求，这使得半导体材料得到了飞跃性的发展【1】。本篇论文就半导体材料的概念性理解，半导体材料的历史性发展，新一代半导体材料的举例以及发展应用现状等方面展开了基本论述，谈论我国在半导体材料这一领域的应用与发展的实际情形。

1.对半导体材料的概念性理解

对半导体材料的理解不能脱离当今二十一世纪这个有着高需求和高速度特点的时代，这个时代同时也是崇尚环保观念，倡导能源节约的时代，因此新的信息时代下半导体的发展要脱离以往传统的发展模式，向新的目标迈进。

首先，我们要了解什么是半导体材料，这将为接下来的论述打下概念性的基础。众所周知，气体，液体，固体等状态都可称之为物质的存在状态，还有一些绝缘体，绝缘体是指导热性或者导电性较差的物质，比如陶瓷和琥珀，通常把鐵，银，金，铜等导热性和导电性较好的一类物质成为导体，所以顾名思义，半导体既不属于绝缘体，也不属于导体，它是介于导体和绝缘体性质之间的一种物质【2】。半导体没有导体和绝缘体发现的时间早，大约在二十世纪三十年代左右才被发现，这也是由于技术原因，因为鉴定物质的导热性和导电性的技术到了一定的时期才得到发展，而且对半导体材料的鉴定需要利用到提纯技术，因此，当对物质材料的提纯技术得到升级到一定水平之后，半导体的存在才真正意义上在学术界和社会上被认可。

2.半导体材料的历史发展及早期应用

对半导体材料的现代化研究离不开对这一材料领域的历史性探究，只有知道半导体材料是怎样，如何从什么样的情形下发展至今的，才能对当今现代半导体材料形成完整的认识体系。对半导体材料的接触雏形是先认识到了半导体材料的四个特性。论文接下来将会具体介绍，并对半导体材料早期应用做出详细解释。

2.1半导体材料发现之初的特性

半导体材料第一个被发现的特性，在一般的情况之下，金属材料的电阻都是随着温度的升高而增加的，但是巴拉迪，这位英国的科学研究学者发现硫化银这一物质的电阻随着温度的升高出现了降低的情况，这就是对半导体材料特性的首次探索，也是第一个特性。

半导体材料的第二个特性是由贝克莱尔，一位伟大的法国科学技术研究者发现的，他发现电解质和半导体接触之后形成的结会在施加光照条件之下产生一个电压，这是后来人们熟知的光生伏特效应的前身，也是半导体材料最初被发现的第二个特性。

半导体材料的第三个特性是由德国的科学研究学者布劳恩发现的，他发现一些硫化物的电导和所加电场的方向有着紧密的联系，也就是说某些硫化物的导电是有方向性的，如果在两端同时施加正向的电压，就能够互相导通，如果极性倒置就不能实现这一过程，这也就是我们现在知道的整流效应，也是半导体材料的第三个特性。

半导体材料的第四个特性是由英国的史密斯提出的，硒晶体材料在光照环境下电导会增加，这被称作光电导效应，也是半导体材料在早期被发现的第四个特性【3】。

2.2半导体材料在早期的应用情况

半导体材料在早期被应用在一些检测性质的设备上，比如由于半导体材料的整流效应，半导体材料被应用在检波器领域。除此之外，大家熟知的光伏电池也应用了早期的半导体材料，还有一些红外探测仪器，总之，早期被发现的半导体材料的四个重要的特性都被应用在了社会中的各个领域，半导体材料得到初步的发展。

直到晶体管的发明，使得半导体材料在应用领域被提升到一个新的高度，不再仅仅是应用在简单的检测性质的设备中或者是电池上，晶体管的发明引起了电子工业革命，在当今来看，晶体管的发明并不仅仅只是带来了这一电子革命，最大的贡献在于它改变着我们的生活方式，细数我们现在使用的各种电器产品，都是有晶体管参与的。因此晶体管的发明在半导体材料的早期应用发展上有着举足轻重的位置，同时也为今后半导体材料的深入发展做足了准备，具有里程碑式的意义与贡献【4】。

3.现代半导体材料的发展情况

以上论文简单的介绍了半导体材料以及其早期的发现与应用，接下来就要具体探讨第三代半导体材料这一新时代背景下的产物。第三代半导体材料是在第一和第二代半导体材料的发展基础之上衍生出的更加适应时代要求和社会需要的微电子技术产物。本篇论文接下来将介绍我国半导体材料领域的发展情况，并介绍一些新型的半导体材料的应用与发展情况。

3.1我国半导体材料领域的发展情形

半导体材料的发展属于微电子行业，针对我国的国情和社会现状，我国微电子行业的发展不能急于求成，这将会是一个很复杂的过程，也必定是一个长期性的工程。从现在半导体材料发展的情况来看，想要使半导体材料更加满足受众的需求，关键要在技术层面上寻求突破。我国大陆目前拥有的有关半导体材料的技术，比如IC技术还只能达到0.5微米，6英寸的程度，相较于国际上的先进水平还有较大的差距。

虽然我国目前在半导体材料领域的发展水平与国际先进水平存在着较大的差距，但是这也同时意味着我国在半导体材料领域有着更大的发展空间和更好的前景，而且当今不论是国内环境还是国际环境，又或者是政治环境影响下的我国的综合性发展方面而言，对中国微电子行业半导体领域的发展还是十分有利的，相信我国在半导体材料这一领域一定会在未来有长足的发展。

3.2新型半导体材料的发展介绍

前文提到，第三代半导体材料如今已经成为半导体材料领域的主要发展潮流，论文接下来将会选取几种关键的三代半导体材料展开论述。

第一种是碳化硅材料。它属于一种硅基化合物半导体材料，这一类材料的优越性体现在其较其他种类半导体材料有着更强的热导性能。因此被应用在广泛的领域，比如军工领域，，也会被应用在太阳能电池，卫星通信等领域。

第二种是氧化锌材料。氧化锌材料被广泛的应用到了传感器和光学材料领域中，这是因为它具备一些关键性的特性，集成度高，灵敏度高，响应速度快等，这些特征恰恰是传感等应用范围广泛的领域中所看中的关键点，不仅如此，氧化锌半导体材料不仅性能好，而且这类材料的原料丰富，所以价格低廉，还具有较好的环保性能【5】。

4.结语

近年来，半导体照明产业得到了飞跃式的发展，被越来越广泛的应用到人们的日常生活中，而支撑这一产业的核心材料正是以碳化硅等半导体材料为主的某些微电子材料，半导体材料利用下的各项技术已经在全球范围内占领者新的战略高地。我国半导体材料领域虽然起步晚，发展水平较国际水平有差距，但是前景光明，尤其是第三代半导体材料的出现和应用，在人们的生活中有着更加广泛和有建设性的应用，改变着人们的生活方式，不断推动着半导体材料的发展。

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半导体材料研究现状 第5篇

2011年硕士招生专业目录

中国科学院半导体研究所成立于1960年, 是集半导体物理、材料、器件、电路及其 应用研究于一体的综合性研究所。研究所目前拥有2个国家级研究中心、3个国家重点实 验室、2个院级重点实验室及研发中心，拥有大批先进的科研仪器设备和设施，承担着一 批国家重点科技支撑项目（如973计划、863计划、国家自然科学基金重大重点项目等），及地方、企业委托项目等。

半导体所是国家首批设立博士后流动站的设站单位和博士、硕士学位授予单位，是

中国科学院博士生重点培养基地之一，现有3个博士后流动站、4个博士学位授权点、5个 学术型硕士学位授权点及3个专业学位硕士（工程硕士）授权点。

研究所现有在职职工640余人，其中科技人员460余人，中国科学院院士7名、中国工 程院院士2名，研究员及正高级工程技术人员79名、副研究员及高级工程技术人员119名，中国科学院“百人计划”入选者及国家杰出青年科学基金获得者36名、国家百千万人 才工程入选者6名。半导体所拥有一支老、中、青相结合及年龄、知识结构、学科分布合 理的研究生指导教师队伍，现有研究生导师106人，其中博士生导师68人。

研究所目前在学研究生536名，博士后在站人员28名，研究生已经成为半导体所科研 工作的生力军。自知识创新工程启动以来，半导体所累计有4人次获全国百篇优秀博士论 文，4人次获院长奖学金特别奖，29人次获院长奖学金优秀奖，其他奖项49项。半导体所 实行研究生兼任研究助理的方式，为研究生提供优越的科研和生活条件，研究生可以直接 参与研究所承担的重大课题项目及前沿研究与攻关。

半导体所2011年预计招收学术型硕士学位研究生102名、专业学位硕士研究生（工程 硕士）10名，所有招生专业（含工程硕士）均接收推荐免试生，共拟接收推免生50～60 名。热忱欢迎广大考生报考！

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单位代码：80136北京市海淀区清华东路邮政编码:100083地址： 甲35号

联系部门：研究生部电话：010-82304321联系人：徐金威

学科、专业名称（代码）研究方向 总招生 人数

考 试 科 目备 注

070205凝聚态物理共..半导体掺杂机制和纳米01.112 人 ①101思想政治理论②201..材料的研究英语一③301数学一④977 固体物理或978量子力学

半导体低维结构材料、02.同上..宽带隙半导体材料、半 导体光伏材料与器件和 半导体材料物理

半导体量子结构中自旋03.同上..相关的物理过程研究

半导体微纳结构理论04.同上..半导体中磁性杂质电子05.同上免试推荐和硕博..态的自旋特性与操控连读

半导体自旋电子的实验06.同上要求硕博连读..第1页2010年8月27日10时46分12秒

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联系部门：研究生部电话：010-82304321联系人：徐金威 学科、专业名称（代码）研究方向 总招生 人数

考 试 科 目备 注 研究

半导体自旋电子学07.同上 半导体自旋电子学基础08.同上 物理理论研究

单光子/纠缠光子发射09.同上 器件、单量子点中电子 /空穴/核自旋相互作用

低维纳米结构、材料和10.同上 新量子器件原理

石墨烯光电子学；低维11.同上要求硕博连读 纳米材料光学性质

石墨烯和拓扑绝缘体12.同上

铁磁半导体器件研究及13.同上具有较强的动手 碳基电子学器件的研究能力和扎实的物 理基础

固体量子计算和量子通14.同上 信的基础物理研究

半导体低维量子结构的15.同上 电子态

自旋相关的电子输运和16.同上 光学性质

半导体与金属复合微纳17.同上 结构中光电耦合效应 080501材料物理与化学

GaN同质衬底的制备01.①101思想政治理论②201 英语一③302数学二④976 半导体物理或977固体物 理

半导体低维结构材料02.同上 宽带隙半导体材料03.同上

半导体低维结构材料物04.同上物理系毕业及有 理科研经历者优先

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学科、专业名称（代码）研究方向 总招生 人数

考 试 科 目备 注

宽带隙半导体材料和材05.同上 料物理

半导体低维纳米材料制06.同上 备及其器件应用

半导体功能材料及其器07.同上 件应用

半导体光伏材料与器件08.同上 和半导体材料物理

半导体纳米功能材料及09.同上 其器件应用

宽带隙半导体材料与应10.同上 用

半导体纳米结构及器件11.同上 研究

氮化物LED材料和器件12.同上 研究

III族氮化物材料生长13.同上 用MOCVD等重大装备研 制；半导体低维结构材 料、宽带隙半导体材料 和器件应用

氮化物材料生长与应用14.同上 研究；新型高效太阳电 池制备与性能研究；新 型异质结半导体高效光 伏材料与器件

低成本太阳能级多晶提15.同上 纯技术、材料性能与电 池制备；CdTeCIGS材 料制备及薄膜太阳能电 池应用 高功率全固态激光器及16.同上

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学科、专业名称（代码）研究方向 总招生 人数

考 试 科 目备 注 其应用研究

高效硅基薄膜太阳电池17.同上..相关技术研究

红外量子材料及器件(18.同上..量子级联激光器、探测 器；太赫兹材料及器件..)化合物半导体(GaSb、I19.同上..nAs、InP、ZnO、AlN)缺陷、杂质及物性研究

宽禁带半导体材料物理20.同上..与应用

全固态激光器及非线性21.同上..频率变换

新型高效率太阳电池技22.同上..术研究；GaN基稀磁半 导体薄膜材料的研究

有机/无机复合半导体23.同上..材料与器件

有机电致发光材料和器24.同上..件应用

太阳电池制备与性能研25.同上..究

080901物理电子学

Si基高效太阳电池研究01.①101思想政治理论②201..英语一③301数学一④976 半导体物理或977固体物 理

半导体光电探测器、单02.同上..光子探测及电路；高效 太阳电池基础研究 半导体量子点材料与量03.同上..第4页2010年8月27日10时46分12秒

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考 试 科 目备 注 子器件，半导体异质结 兼容低维材料与光电子 器件

大功率半导体激光器04.同上学习过半导体或 光电子课程，硕 博连读

氮化镓基激光器；新型05.同上硕博连读 宽禁带半导体光电子器 件

氮化镓基蓝紫光激光器06.同上 和太阳盲紫外焦平面探 测器的设计和研制；基 于III-V族半导体的红 外焦平面探测器

非线性全光逻辑及全光07.同上 信号处理；芯片光互连、高速光调制/光开关 ；通讯用有源、无源光 器件

高效硅基太阳电池08.同上物理系毕业者优 先

光电子与信号处理、光09.同上 纤传感技术

光通信、光传感系统与10.同上 器件

光子晶体材料、物理、11.同上物理类学生优先 器件与集成

光子微结构材料物理光12.同上物理或光电子专 学特性及其器件研究业考生优先

硅基光波导无源器件、13.同上物理、电子、电 光波导传感器力或生物专业

基于硅基光电子的波导14.同上硕博连读

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考 试 科 目备 注 器件、光开关、调制器 和片上光互连系统，光 移相器与慢光器件等

量子点及锑化物二类超15.同上 晶格MBE材料生长，量 子点及锑化物二类超晶 格红外探测器及激光器 研究

纳米结构半导体量子阱16.同上硕博连读、量子点材料生长与激 光器等应用研究；新型 高效太阳能电池研究

锑化物二类超晶格红外17.同上 激光器的研究、表面等 离子激元材料及器件研 究、纳米光源的研究

微波功率晶体管、量子18.同上 点晶体管探测器、高效 太阳能电池、半导体存 储器

微纳光电子器件及集成19.同上熟悉光波导基本 研究理论及半导体光 电子器件

微纳光子学器件物理、20.同上 微腔激光器及光集成

新型半导体材料和器件21.同上 研究

新型光电子器件；硅基22.同上 光子学研究

新型光电子器件及其应23.同上 用

新型信息光电子器件、24.同上

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考 试 科 目备 注 射频与光电子集成电路、高速并行光传输模块 与系统

利用光子学和微纳加工25.同上硕博连读..技术研制基因测序芯片、Lab on chip等生物 传感器

量子点红外探测器及锑26.同上..化物二类超晶格红外探 测器的研究；锑化物二 类超晶格红外激光器的 研究；大功率半导体激 光器的研究

080902电路与系统

半导体人工神经网络硬01.①101思想政治理论②201..件化实现及其应用研究英语一③301数学一④856 电子线路或859信号与系 统

光电信息探测及成像02.同上..光电应用03.同上..目标探测、识别与跟踪04.同上..技术、系统

图像处理与模式识别新05.同上..理论、新方法

先进射频毫米波集成电06.同上..路设计

高速智能图像传感器芯07.同上..片设计

智能感知与先进计算模08.同上..型、算法及其应用技术

多信息融合技术09.同上..时空三维重建可视化技10.同上..第7页2010年8月27日10时46分12秒

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学科、专业名称（代码）总招生 考 试 科 目备 注 研究方向人数

术

11.机器学习与智能计算技 同上 术、系统

080903微电子学与固体电子业务课二:选光电

学子方向为976半导 体物理与977固体 物理，二选一；选 微电子方向为976 半导体物理与856 电子线路，二选一

01.新型微电子、光电子器 ①101思想政治理论②201 件及其集成技术的研究

英语一③301数学一④856、开发、中试规模的生

电子线路或976半导体物 产（微电子、光电子方

理或977固体物理 向均可）

02.新型微电子、光电子器 同上

件及其集成技术的研究、开发与应用（微电子、光电子方向均可）

03.量子阱红外探测器（微 同上

电子、光电子方向均可）

04.半导体纳米器件和电路 ①101思想政治理论②201 英语一③301数学一④856 电子线路或976半导体物 理

05.高速数模混合电路系统 同上 集成研究

06.高速智能图像传感器芯 同上 片设计

07.图画与动漫的自动生成 同上

硕博连读

08.微纳机电系统 同上

硕博连读

09.先进射频毫米波集成电 同上 路设计

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考 试 科 目备 注

新型微机电（MEMS）器10.同上 件与系统的研究

新型信息光电子器件、11.同上 射频与光电子集成电路、高速并行光传输模块 与系统

半导体低维结构材料、12.①101思想政治理论②201 宽带隙半导体材料、半英语一③301数学一④976 导体光伏材料与器件和半导体物理或977固体物 半导体材料物理理

半导体材料与器件物理13.同上 半导体光电探测器、单14.同上 光子探测及电路；高效 太阳电池基础研究

半导体量子点材料与量15.同上 子器件，半导体异质结 兼容低维材料与光电子 器件

半导体新型量子结构器16.同上 件

大功率半导体激光器17.同上学习过半导体或 光电子课程，硕 博连读

大功率宽禁带SiC外延18.同上微电子专业考生 材料与器件制造技术研 究

氮化镓基激光器；新型19.同上硕博连读 宽禁带半导体光电子器 件

氮化物材料生长与应用20.同上 研究；新型高效太阳电 池制备与性能研究；新

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考 试 科 目备 注 型异质结半导体高效光 伏材料与器件

III族氮化物材料生长21.同上..用MOCVD等重大装备研 制；半导体低维结构材 料、宽带隙半导体材料 和器件应用

高效硅基太阳电池22.同上物理系毕业者优..先

光电子集成器件；新型23.同上学过固体物理、..光伏材料和器件半导体物理、量 子力学、光电子 学课程，动手能 力较强

光电子学、集成光电子24.同上..、光子晶体材料、物理、器件与集成

光通信、光传感系统与25.同上..器件

光子晶体材料、物理、26.同上物理类学生优先..器件与集成

硅基光电子材料和器件27.同上..红外量子材料及器件(28.同上..量子级联激光器、探测 器；太赫兹材料及器件..)基于InP光电子器件的29.同上..集成

宽禁带半导体材料生长30.同上..与光电子器件研制

新型光电子器件及其应31.同上..用

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考 试 科 目备 注

宽禁带半导体材料物理32.同上 与应用；半导体纳米功 能材料及其器件应用

量子点及锑化物二类超33.同上 晶格MBE材料生长，量 子点及锑化物二类超晶 格红外探测器及激光器 研究

纳米结构半导体量子阱34.同上硕博连读、量子点材料生长与激 光器等应用研究；新型 高效太阳能电池研究

微波功率晶体管、量子35.同上 点晶体管探测器、高效 太阳能电池、半导体存 储器

微波光电子学36.同上

新型光电子器件；硅基37.同上 光子学研究

用于光通信与光信息处38.同上 理的片上集成光子器件 与系统；并行超高速光 学数字信号处理器

针对光纤通信和光网络39.同上 的基于InP的光电子集 成

高迁移率CMOS器件40.同上物理学、光学、光电、材料专业 者优先

量子点晶体管探测器、41.同上 高效太阳能电池

微纳结构在高增益弱光42.同上

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考 试 科 目备 注 探测中的应用

光子集成、光子晶体43.同上..新型高效硅薄膜电池的44.同上半导体物理基础..结构设计好，半导体光电 相关专业

085204材料工程

GaN基半导体材料及其01.①101思想政治理论②204..应用、产业化开发英语二③302数学二④976 半导体物理或977固体物 理

薄膜和微结构半导体材02.同上..料科学技术

纳米电子、光子材料及03.同上..器件

LED光效率提升研究04.同上..GaN LED外延技术开发05.同上..新型高效率太阳电池技06.同上..术研究；GaN基稀磁半 导体薄膜材料的研究

GaN基第三代半导体发07.同上..光器件关键技术工程化 研究

石墨烯光电子学08.同上..半导体照明及其重大装09.同上..备

085208电子与通信工程

表面等离子激元材料及01.①101思想政治理论②204..器件研究，新型半导体英语二③301数学一④856 激光器研究电子线路或976半导体物 理

GaN基半导体材料及其02.同上..应用、产业化开发

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考 试 科 目备 注

GaN基第三代半导体发03.同上 光器件关键技术工程化 研究

光纤激光器与光纤传感04.同上 用于光通信与光信息处05.同上 理的片上集成光子器件 与系统

085209集成电路工程

数模混合集成电路01.①101思想政治理论②204 英语二③301数学一④856 电子线路或976半导体物 理

半导体纳米器件和电路02.同上 激光器驱动与探测模块03.同上

半导体材料研究现状 第6篇

用溶胶-凝胶法成功地制备了铁电半导体碘硫化锑(SbSI)微晶掺杂有机改性的TiO2薄膜及块状凝胶.铁电SbSI晶体在C轴具有非常大的介电常数,非常高的.电-光系数,较大的光电导系数,同时又是一种本征半导体材料.将SbSI掺杂到非晶态的基质中,通过热处理及气氛保护的方法控制微晶的生长.通过X射线衍射光谱与高分辨透射电子显微镜观察到微晶的存在以及晶体尺寸和分布情况.使用简并的四波混频的方法测得了薄膜样品的三阶非线性极化率,并在块状样品中发现了复合材料中存在的电控双折射效应,测得样品的有效电光系数为2.42103nm/V.

作 者：叶辉 Xu Yuhuan Mackenzie J D 作者单位：叶辉(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,杭州310027)

Xu Yuhuan,Mackenzie J D(Department of Materials Science and Engineering, University of California,Los Angeles, CA 90095, USA)