導(dǎo)語：如何才能寫好一篇半導(dǎo)體材料與技術(shù)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體，超晶格，集成電路，電子器件

 

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，電子計算機，電子表，半導(dǎo)體收音機等都已經(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)體基片可以實現(xiàn)元器件集中制作在一個芯片上，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，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)出其超強優(yōu)越性，被稱為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機。

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)體材料擁有著獨自的特點，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，廣泛的應(yīng)用于多個領(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)或濺射的方法制備。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有機半導(dǎo)體材料

有機半導(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高分子半導(dǎo)體又稱塑料半導(dǎo)體。有機半導(dǎo)體可分為有機物、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)實耐用、成本低廉的獨特優(yōu)點。目前，有機半導(dǎo)體材料及器件已廣泛應(yīng)用于手機，筆記本電腦，數(shù)碼相機，有機太陽能電池等方面。

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)計的能帶結(jié)構(gòu)，用分子束外延或金屬有機化學(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。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，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)。隨著微電子時代向光電子時代逐漸過渡，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)

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關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷 研究現(xiàn)狀 制冷效率 應(yīng)用與前景

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，想要降低能耗，實現(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，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， 同時影響半導(dǎo)體制冷的各種因素都是相輔相成的， 不是獨立的。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， 但也面臨諸多難點，其中影響其制冷效率主要有兩個基本因素：

（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，半導(dǎo)體制冷與機械式制冷制冷系數(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)運行比較困難。半導(dǎo)體制冷空調(diào)冷熱一體，獨立運行，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，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)計出不用的性能，以拓展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，可以堅信，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>

參考文獻(xiàn)

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篇3

1月，奧巴馬宣布在北卡羅來納州成立電力電子半導(dǎo)體先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心。2月奧巴馬宣布，在底特律成立輕型金屬材料先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心，在芝加哥成立數(shù)碼科技和數(shù)據(jù)管理技術(shù)先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心。至此，連同2012年8月在俄亥俄州成立的增量制造（3D打印）先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心，美國已擁有4家國家級先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心。美國奧巴馬政府2013年提出要成立15所國家級先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心，預(yù)計今年還會成立更多的美國國家級先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心。

國家先進(jìn)制造創(chuàng)新中心的設(shè)想源于美國智庫布魯金斯學(xué)會“先進(jìn)工業(yè)系列”研究項目。該研究指出，先進(jìn)制造業(yè)事關(guān)國家長遠(yuǎn)競爭力，是一個國家最具戰(zhàn)略性的創(chuàng)新，是發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動機。研究確定了先進(jìn)制造業(yè)所涉及的17個領(lǐng)域，提出了以國家投資牽引，政府部門內(nèi)部競標(biāo)，民間機構(gòu)一比一資金配套，組建“國家先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心”的基本模式。

美國媒體指出，“國家先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心”是德國模式的美國翻版，德國已建成60余所此類中心。奧巴馬在2013年宣布“國家先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心”計劃時稱，設(shè)立先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心，是學(xué)習(xí)德國經(jīng)驗，扶持美國制造業(yè)和鼓勵企業(yè)在本土投資。中心將把公司、大學(xué)、其他學(xué)術(shù)與培訓(xùn)實體與聯(lián)邦機構(gòu)聚在一起，共同投資技術(shù)領(lǐng)域，促進(jìn)在美國的投資和生產(chǎn)。他說，“我不希望下一個能創(chuàng)造許多就業(yè)的重大發(fā)現(xiàn)、研究和技術(shù)落入德國、中國或日本手里。我希望它發(fā)生在美國。”

以最早成立的增量制造創(chuàng)新中心為例，成立時政府投入3000萬美元，民間機構(gòu)投資3900萬美元。民間機構(gòu)包括80家公司、9所研究性大學(xué)、6個社區(qū)學(xué)院和18個非贏利機構(gòu)。大學(xué)和制造商團(tuán)隊將攜手開發(fā)3D打印程序的新工具、新用途和新理解。其中一個獲得資金支持的項目是與洛克希勒·馬丁等巨頭共同研發(fā)航空、醫(yī)療等領(lǐng)域零部件的3D打印制造。

電力電子半導(dǎo)體先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心整合了18家公司、6所大學(xué)和聯(lián)邦政府機構(gòu)的力量。輕質(zhì)金屬材料先進(jìn)制造創(chuàng)新中心由60個世界領(lǐng)先的高強度鋼材制造廠商、大學(xué)和實驗室組成。數(shù)碼科技和數(shù)據(jù)管理技術(shù)先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心由73個企業(yè)、大學(xué)、非盈利組織和試驗室組成。

必須指出，美國“國家先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心”均定位在制造業(yè)的最高端。以電力電子半導(dǎo)體先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新中心為例，就定位在處于最前沿的第三代半導(dǎo)材料領(lǐng)域。

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【關(guān)鍵詞】電子信息材料；低碳經(jīng)濟(jì)；發(fā)展應(yīng)用；集成電路和半導(dǎo)體材料

進(jìn)入新世紀(jì)以后，節(jié)能環(huán)保的概念開始在全世界范圍內(nèi)普及，作為低碳環(huán)保的一項有效途徑，低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展可以有效地促進(jìn)整個社會的節(jié)能環(huán)?；顒?。低碳經(jīng)濟(jì)指的就是依托于低能耗、低污染、低排放的“三低要求”來作為核心的節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)模式，這是人類文明的又一偉大壯舉。目前，我國在“可持續(xù)發(fā)展”的理念的指導(dǎo)下，在社會中大力采用“低碳經(jīng)濟(jì)”的生產(chǎn)模式，成功的實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的雙豐收。眾所周知，二十一世紀(jì)是電子信息的時代，人類社會對電子信息材料的需求量也是與日俱增，如何有效的實現(xiàn)電子信息材料的低碳經(jīng)濟(jì)，已經(jīng)成為了電子信息行業(yè)發(fā)展的一項重大課題。

一、簡要介紹各種可以用于低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的電子信息材料

目前，在世界的電子信息行業(yè)里面，可以用來作為電子信息材料的主要材料有以下幾種：光電子材料、納米材料、寬禁半導(dǎo)體材料等等。目前，為了響應(yīng)電子信息材料的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，可以根據(jù)這些原料的特性研制出以下這些電子信息材料：

1、電子信息材料中的光電子材料

電子信息材料的光電子材料主要指的是液晶材料。目前，液晶材料已經(jīng)在電子信息行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，在電子信息行業(yè)里面，液晶材料絕大部分被應(yīng)用于電子顯示屏等高新技術(shù)范圍之內(nèi)。液晶材料的特性之一便是“光線扭曲向列型”，這種特性可以使液晶材料在有電流經(jīng)過的時候通過對電流的改變來實現(xiàn)對電子顯示屏上面的液晶序列的排列順序的改變。與此同時，再有電流經(jīng)過電子顯示屏的液晶材料的時候，外面的光線是不能夠直接穿過電子顯示屏的液晶材料的，這就使得液晶材料有成為低碳經(jīng)濟(jì)的特性。與傳統(tǒng)的其他電子顯示屏材料相比，液晶材料具有很多優(yōu)良的特性，液晶材料的能耗低已經(jīng)精確的準(zhǔn)確性以及迅捷的反應(yīng)，再加上柔和的調(diào)色功能。除此之外，液晶材料還是一種很有效的非線性光學(xué)材料，液晶材料的狀態(tài)一般是維持在軟凝聚的狀態(tài)。因此，液晶材料可以有效地實現(xiàn)光折變效應(yīng)，可以在電子儀器在很低的電流供應(yīng)下，發(fā)揮出強勁的性能，具有很高的開發(fā)潛力。另外，根據(jù)光學(xué)原理之中的光的干涉效應(yīng)，可以利用光線對液晶材料的干涉作用，使得液晶材料在反射類的光學(xué)器件里面得到廣泛的應(yīng)用。綜上所述，一系列優(yōu)良的特性使得液晶材料已經(jīng)逐步成為應(yīng)用最廣泛的電子顯示屏使用材料。

2、電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料

目前，世界上的電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料的最基礎(chǔ)的原材料大部分都是多晶硅原料，目前最廣泛采用的制作電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料的技術(shù)則是經(jīng)過改進(jìn)的西門子法。經(jīng)過改良的西門子法制作多晶硅材料的集成電路和半導(dǎo)體材料的原理如下所述：使用鹽酸和工業(yè)使用的純硅粉在一個規(guī)定的溫度之下發(fā)生合成反應(yīng)，最終生成三氯氫硅材料，然后再采用分離精餾的手段，對已經(jīng)制得的三氯氫硅材料進(jìn)行進(jìn)一步的分離提純工作，最后把提純后的三氯氫硅放置進(jìn)入氫還原儀器里面經(jīng)行相關(guān)反應(yīng)操作，最后制得高純度的多晶硅，再進(jìn)一步加工就成為了日常所使用的電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體材料。

通過改良的西門子法提煉出來的電子信息材料中的集成電路和半導(dǎo)體可以有效地改進(jìn)目前國際上的光伏零件問題。

二、簡述電子信息材料在低碳經(jīng)濟(jì)中的發(fā)展應(yīng)用思路

目前，根據(jù)節(jié)能環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的相關(guān)要求，電子信息材料在低碳經(jīng)濟(jì)中的發(fā)展應(yīng)用的主體模式應(yīng)當(dāng)找尋出新型的發(fā)展趨勢，其總體趨勢應(yīng)當(dāng)是朝向電子信息材料的尺寸擴大化、電子零部件的智能化設(shè)計、電子材料的多功能作用趨勢、電子材料功能的高度集中化的趨勢發(fā)展。

1、發(fā)展集成電路類的電子信息材料

隨著電子科學(xué)與技術(shù)的不斷增長，目前的半導(dǎo)體材料和集成電路的主要材料已經(jīng)成為了環(huán)氧模塑料，通過這樣的原材料設(shè)計，可以有效地使得電子信息材料可以滿足低碳經(jīng)濟(jì)的節(jié)能環(huán)保的要求。

2、發(fā)展光電子材料類的電子信息材料

隨著電子科學(xué)與技術(shù)的不斷增長，作為一種非常有效的信息傳輸類型的電子信息材料，光電子材料在近幾年來得到了快速發(fā)展的機會，這將很有效使得電子信息材料可以滿足低碳經(jīng)濟(jì)之中電子材料的多功能作用趨勢、電子材料功能的高度集中化的要求。

3、發(fā)展新型元器件材料類的電子信息材料

隨著電子科學(xué)與技術(shù)的不斷增長，作為一種非常有效的降低環(huán)境污染，并可以有效的降低電子信息材料能量消耗的材料，新型元器件材料正在逐漸成為電子信息材料的重點研究項目之一，其可以有效的滿足電子信息材料發(fā)展的電子信息材料的尺寸擴大化、電子零部件的智能化設(shè)計要求。

三、結(jié)語

目前，電子信息材料的低碳發(fā)展已經(jīng)成為了電子信息行業(yè)要攻克的主要課題之一，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的電子信息材料已經(jīng)可以很好的完成節(jié)能環(huán)保的要求。在本文中，筆者將結(jié)合對低碳經(jīng)濟(jì)概念的解讀，并簡要的描述了幾種新型的節(jié)能環(huán)保的電子信息材料，并通過這樣的方式，具體的談了談研究了電子信息材料在低碳經(jīng)濟(jì)中的發(fā)展應(yīng)用思路。但是，由于本人的知識水平有限，因此，本文如有不到之處，還望不吝指正。

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關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點材料光子晶體

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)計思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從“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)正處在由實驗室向工業(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驗室研制成功，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算和DNA生物計算等之外，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。

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；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，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。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)極薄(～0．01μm）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道了單個激光器準(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年美國貝爾實驗室發(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實驗室等的科學(xué)家，在過去的7年多的時間里，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量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，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)重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，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，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關(guān)鍵參數(shù)，至今未見國外報道。

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)實現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，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，基于量子點的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計算機，單光子源和應(yīng)用于量子計算的量子比特的構(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)重點實驗室的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理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現(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，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。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，這是因為它們在長波長光通信用高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，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迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。這個問題的解泱，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)體材料仍處在實驗室研制階段，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族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關(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，可形成適用于可見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，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm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)的功能強大的計算機是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。

所謂量子計算機是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計算的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計算機的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的方案。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現(xiàn)其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現(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現(xiàn)量子計算的關(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)模計算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計算機走向?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力，首先開展8英寸硅單晶實用化和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)及時布點研制。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。

5.2GaAs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MBE和MOCVD兩個基地的建設(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，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。基于低維半導(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、量子點材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個重要研究方向接近當(dāng)時的國際先進(jìn)水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，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，它的實施必將極大地增強我國的經(jīng)濟(jì)和國防實力。

篇6

LED是Light Emitting Diode的縮寫，中文意思為“發(fā)光二極管”，這是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。LED光源與白熾燈具有不同的發(fā)光原理，具有許多極其優(yōu)秀的品質(zhì)。與普通二極管一樣，LED也是由一個PN結(jié)（即一塊半導(dǎo)體一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體）組成的，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給LED加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN接面附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。優(yōu)質(zhì)LED燈的能耗可以降低至普通白熾燈的1/20以下，而其耐久度分別為熒光燈和白熾燈的10倍和100倍，并且照明效果更加穩(wěn)定可靠。因此，LED光源以其節(jié)能環(huán)保、經(jīng)久耐用而獨領(lǐng)，大有成為21世紀(jì)照明“主角”之勢。

被塵封的歷史故事

LED的發(fā)明經(jīng)歷了一個極其艱難的過程。1907年，英國馬可尼實驗室的科學(xué)家在一塊金剛砂上觀測到了電致發(fā)光現(xiàn)象，金剛砂的主要成分為碳化硅。不過，由于無機半導(dǎo)體發(fā)出的黃光太過暗淡，研究者因此沒有把試驗繼續(xù)進(jìn)行下去。1920年，德國科學(xué)家進(jìn)行了硫化鋅的電致發(fā)光試驗，但最后也因發(fā)出的光太過暗淡而再次被擱置下來。

電致發(fā)光又被稱為場致發(fā)光，是電能直接轉(zhuǎn)換為光能的一類發(fā)光現(xiàn)象。半導(dǎo)體PN結(jié)在一定條件下的電致發(fā)光，是發(fā)明發(fā)光二極管的物理基礎(chǔ)。盡管在20世紀(jì)初對半導(dǎo)體PN結(jié)電致發(fā)光原理的闡釋還沒有取得重大突破，但是科學(xué)家并沒有因為困難和失敗而停止探索的腳步。在世界上第一個發(fā)紅光的發(fā)光二極管誕生之前，不同國別的科學(xué)家用各自不同的方式探索著同樣一個主題，那就是半導(dǎo)體PN結(jié)電致發(fā)光現(xiàn)象。

大約在1927年前后，蘇聯(lián)科學(xué)家奧列格?洛謝夫曾獨立制成了世界上第一個發(fā)光二極管，但其成果并沒有引起人們的注意。更不幸的是，他于1942年過早地離開了人世，使得他發(fā)明發(fā)光二極管的故事漸漸地被歷史淡忘了。

1955年，美國無線電公司的科學(xué)家布朗斯坦首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵及其他半導(dǎo)體材料的紅外放射作用，并在物理上實現(xiàn)了二極管的發(fā)光，不過發(fā)出的光不是可見光而是紅外光。1961年，美國德州儀器公司的科學(xué)家布萊德和皮特曼發(fā)現(xiàn)，砷化鎵在施加電子流時會釋放出紅外光輻射，從而率先生產(chǎn)出了具有商業(yè)用途的紅外發(fā)光二極管，并獲得了砷化鎵紅外發(fā)光二極管的發(fā)明專利。

此后，紅外發(fā)光二極管就被廣泛應(yīng)用于傳感及光電設(shè)備當(dāng)中，從而為電子工業(yè)增添了活力。紅外發(fā)光二極管作為一種把電能直接轉(zhuǎn)換成紅外光能的發(fā)光器件，在今天仍然具有極其重要的應(yīng)用。比如，在電視機、錄像機、影碟機、空調(diào)器等各類紅外遙控系統(tǒng)中，紅外發(fā)光二極管就是一個不可或缺的電子器件。

從碳化硅到硫化鋅，從硫化鋅再到砷化鎵……實驗證明，改變半導(dǎo)體材料的化學(xué)組成成分，可以讓其在電致發(fā)光時發(fā)出不同的光來。不過，此前電致發(fā)光發(fā)出的都是不可見光。從照明的角度來說，具有實用意義的發(fā)光二極管應(yīng)當(dāng)能夠發(fā)射可見光。因此，為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，還需要技術(shù)上的突破。

砷化鎵與神奇紅光

1962年，通用電氣公司的尼克?何倫亞克開發(fā)出世界上第一個發(fā)出紅色可見光的發(fā)光二極管，此前，他曾在美國貝爾實驗室從事研究工作。何倫亞克當(dāng)時使用的半導(dǎo)體材料是磷砷化鎵，發(fā)出的可見光波長為650納米，表現(xiàn)為神奇的紅光。何倫亞克認(rèn)為，發(fā)光二極管是一種很有發(fā)展前途的新型電光源，因此他斷言未來的照明及顯示領(lǐng)域?qū)⑹前l(fā)光二極管的天下。

何倫亞克不僅發(fā)明了發(fā)紅光的二極管，而且還發(fā)明了可以調(diào)節(jié)光強的調(diào)光器，何倫亞克因此被譽為“可見光LED之父”，并獲得了許多國家的科技大獎。無緣2014年諾貝爾物理學(xué)獎，令他自己與業(yè)內(nèi)一些人士頗感不平。

1963年，何倫亞克離開通用電氣公司，出任其母校美國伊利諾大學(xué)電機工程系教授，此后發(fā)明了世界上第一個發(fā)紅光的半導(dǎo)體激光器。這種激光器目前仍然是CD、DVD、激光打印機和復(fù)印機的關(guān)鍵部件。何倫亞克預(yù)測，未來的發(fā)光二極管將會發(fā)出其他波長的光，因此呈現(xiàn)出多種不同的顏色來。

從人類第一個具有實用意義的紅外發(fā)光二極管的誕生，到第一個紅色可見光發(fā)光二極管的發(fā)明，新型半導(dǎo)體材料砷化鎵都扮演了重要的角色。砷化鎵是繼硅半導(dǎo)體材料之后的又一個應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，不僅是光電子器件的制造材料，而且在微電子技術(shù)方面也具有重要的應(yīng)用。那么，你知道砷化鎵具有哪些神奇的魔力嗎？

砷化鎵最大的特點是具有很好的光電性能，即在光照或外加電場的條件下，電子激發(fā)可以釋放出光能來，并且其光發(fā)射效率也要比其他半導(dǎo)體材料高一些，因此用作發(fā)光二極管的材料具有多方面的優(yōu)勢。與其他半導(dǎo)體材料一樣，砷化鎵對于雜質(zhì)元素也是十分敏感的。因此，能否確保砷化鎵準(zhǔn)確的化學(xué)配比，將直接影響砷化鎵材料的電學(xué)性能。此外，砷化鎵在高溫下容易分解，因此要制備出具有理想化學(xué)配比的高純單晶材料，在技術(shù)和工藝上具有非常高的要求。在地面上制備的砷化鎵單晶材料，由于受到地球重力的影響，產(chǎn)品存在著均勻性差、缺陷多、純度低、不穩(wěn)定等諸多缺陷。為此，我國曾在人造衛(wèi)星上利用微重力條件，進(jìn)行了砷化鎵單晶的生長試驗，使得制備出的砷化鎵單晶沒有雜質(zhì)條紋、材料均勻性好、缺陷少，整體性能有很大的提高。

磷化鎵的“綠光緣”

人類歷史上第一個商用紅光發(fā)光二極管，是采用鎵、砷、磷3種元素組成的半導(dǎo)體材料制成的，因此又被稱為三元素發(fā)光二極管。例如，在紅光發(fā)光二極管中，是采用砷化鎵作為基板，并以磷元素取代部分砷元素。與砷化鎵一樣，磷化鎵同樣在光電技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位。用磷化鎵制成的發(fā)光二極管可以發(fā)出綠色的光，因此具有重要的應(yīng)用價值。從理論上來說，采用三元素材料結(jié)構(gòu)，可以生產(chǎn)出從紅外光到綠色光范圍內(nèi)的任何波長的發(fā)光二極管。

1972年，何倫亞克的學(xué)生克勞福德以磷化鎵為基板開發(fā)出了世界上第一個發(fā)橙黃光的發(fā)光二極管，其亮度是何倫亞克發(fā)明的紅光二極管的10倍，標(biāo)志著發(fā)光二極管向著提高發(fā)光效率的方向邁出了堅實的一步。如何進(jìn)一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，是當(dāng)時科學(xué)家研究的重點之一。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鋁的引入有助于消除磷化鎵和磷砷化鎵的缺點，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。由于鋁的加入改善了與砷化鎵基板的晶格匹配等多種原因，因而提高了其發(fā)光效率。在20世紀(jì)80年代，砷化鋁鎵的應(yīng)用導(dǎo)致了第一代高亮度發(fā)光二極管的誕生。20世紀(jì)90年代初，四元素半導(dǎo)體材料磷化鋁鎵銦的采用，使得發(fā)光二極管的發(fā)光效率有了更大的提高。磷化鋁鎵銦屬于直接帶隙半導(dǎo)體，即可以直接復(fù)合把能量幾乎全部以光的形式釋放出來，因此具有很高的發(fā)光效率。用磷化鋁鎵銦制成的超高亮度紅色、橙色、黃色和綠色發(fā)光二極管，可以應(yīng)用于戶外顯示領(lǐng)域。

“藍(lán)色魔光”的召喚

高效節(jié)能的LED能否用于普通照明呢？其關(guān)鍵取決于能否制造出白色發(fā)光二級管。然而，在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白色光不是單色光，而是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等多種單色光合成的復(fù)合光。

如果要使LED發(fā)出白光來，根據(jù)物理學(xué)的研究成果，至少需要兩種單色光的混合，即通過二波長發(fā)光（藍(lán)色光+黃色光）或三波長發(fā)光（藍(lán)色光+綠色光+紅色光）的模式才能得到白色光。這兩種模式都需要藍(lán)色光的參與，所以開發(fā)出能發(fā)藍(lán)色光的發(fā)光二極管具有十分重要的意義。

20世紀(jì)70年代，發(fā)光二極管已經(jīng)出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，一旦攻克藍(lán)光二極管這個堡壘，白光半導(dǎo)體照明的新時代就有可能來臨。

其實在20世紀(jì)70年代初，世界范圍內(nèi)就已掀起了一場研究氮化鎵的熱潮，并寄希望利用它來開發(fā)出藍(lán)光二極管。然而，根據(jù)當(dāng)時的工藝技術(shù)水平，要制造出具有這種性能的LED幾乎是不可能的，故到了20世紀(jì)70年代末，大多數(shù)科學(xué)家都放棄了該項研究。但是，日本名古屋大學(xué)教授赤崎勇在失敗面前沒有放棄對藍(lán)光LED的研究，并最終為利用氮化鎵材料制造藍(lán)光二極管奠定了基礎(chǔ)。1981年，他研制成功了PN接面的氮化鎵發(fā)光二極管，不過其亮度很小。

1982年，天野浩作為一名本科生加入到赤崎勇的研究小組，從此開始了藍(lán)光LED材料的研究。赤崎勇和天野浩在名古屋大學(xué)合作進(jìn)行的藍(lán)光LED基礎(chǔ)性研發(fā)取得了重要成就，并于1989年首次研發(fā)成功了藍(lán)光LED。

1988年，日本日亞公司的一名普通職員冒然闖進(jìn)董事長的辦公室，提出要開發(fā)氮化鎵藍(lán)光發(fā)光二極管，董事長當(dāng)即決定資助他500萬美元予以支持。這個普通職員就是中村修二，后來被人們譽為“藍(lán)光發(fā)光二極管之父”。

21世紀(jì)的“魔法石”

一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，多以Ⅲ～Ⅴ或Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體元素為材料。那為什么科學(xué)家要選擇氮化鎵半導(dǎo)體材料呢？原來，氮化鎵這種無色透明晶體有立方晶系和六方晶系兩種晶型，二者均為直接躍遷型能帶，是Ⅲ～Ⅴ族半導(dǎo)體材料中最具有希望的寬禁帶光學(xué)材料。

在當(dāng)時，活躍在藍(lán)光二極管研究領(lǐng)域的科學(xué)家可謂是高手如云，中村修二這個不知天高地厚的毛頭小伙能行嗎？1989年，中村修二另辟蹊徑，要走一條別人沒有走過的道路。他在沒有實驗員和助手的條件下，采用獨特的工藝技術(shù)路線，經(jīng)過短短4年的時間就解決了藍(lán)光二極管研究領(lǐng)域的兩大材料制備工藝難題：一是高質(zhì)量氮化鎵薄膜的生長，另一個則是氮化鎵空穴導(dǎo)電的調(diào)控。

篇7

關(guān)鍵詞：電子材料與元器件;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2016）41-0090-02

一、電子材料與元器件課程簡介

電子材料與元器件課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)性課程，是后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著以集成電路技術(shù)為基石的電子信息技術(shù)的加速發(fā)展，各類電子器件及系統(tǒng)都在朝著小型化、集成化的方向發(fā)展，而其中的集成化不僅意味著要盡可能地實現(xiàn)系統(tǒng)中電路的單芯片集成，而且要實現(xiàn)將包括聲、光、電、磁等物理量感知的傳感器集成在系統(tǒng)中，實現(xiàn)多功能集成[1]。

處于電子科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈前端的電子材料與元器件是眾多核心基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是計算機網(wǎng)絡(luò)、通訊、數(shù)字音頻等系統(tǒng)和相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。

二、電信學(xué)院電子材料與元器件課程參考教材內(nèi)容的選取

我院電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)，采用科學(xué)出版社出版、王巍主編的，普通高等教育電子科學(xué)與技術(shù)類特色專業(yè)系列規(guī)劃教材《現(xiàn)代電子材料與元器件》作為“電子材料與元器件”課程的主要參考教材，其內(nèi)容涵蓋了電子信息技術(shù)中的主要電子材料與器件類型。筆者結(jié)合國內(nèi)外研究動態(tài)、應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢，并考慮我院微電子教研室及教師的研究特長以及電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)需求等多方面因素，對授課內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑鰷p。

1.增強半導(dǎo)體材料內(nèi)容。半導(dǎo)體材料是集成電路的基礎(chǔ)，在信息的存儲、傳輸、加工處理和顯示方面都有重要的應(yīng)用[1]。筆者授課過程中除了介紹半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備工藝方法外，還增加了有機半導(dǎo)體材料、液晶材料等相關(guān)內(nèi)容，為集成電路的設(shè)計與制造、發(fā)光顯示儲備了扎實的半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)知識。

2.增強光電子材料與器件內(nèi)容。授課時，詳細(xì)介紹了光纖材料、激光材料與器件，還增加了半導(dǎo)體中光吸收及光電效應(yīng)基礎(chǔ)知識、光電導(dǎo)效應(yīng)型與光伏效應(yīng)型光敏器件相關(guān)內(nèi)容。

3.增強敏感陶瓷材料與器件內(nèi)容。除了講解常見敏感陶瓷器件特性及應(yīng)用外，增加了各種敏感器件結(jié)構(gòu)、制作工藝和ZnO、SnO2等無機敏感陶瓷材料和有機敏感材料的制備方法、工藝等內(nèi)容，為信息技術(shù)中傳感器的設(shè)計與制作奠定扎實的基礎(chǔ)。

4.增加了化合物晶體缺陷化學(xué)內(nèi)容。鑒于我校電子科學(xué)與技術(shù)相關(guān)教師在傳感器、光電、太陽能電池等方面的研究，以及國內(nèi)外對于高性能敏感陶瓷材料與器件和太陽能電池等涉及到新能源材料與器件方面的迫切需求，結(jié)合筆者在納米半導(dǎo)體材料與器件方面的研究，授課中增加了缺陷化學(xué)表示方法、晶體中缺陷平衡、雜質(zhì)對晶體中缺陷平衡影響、晶體中點缺陷擴散與分布等相關(guān)內(nèi)容。為敏感陶瓷材料制備，太陽能電池材料制備奠定良好的基礎(chǔ)。

5.弱化磁性材料與器件內(nèi)容。考慮到磁性材料的獨特性，授課時只講述磁性材料特性、應(yīng)用，對于磁性元器件內(nèi)容采用學(xué)生自學(xué)的方式。

三、課程教學(xué)方法改進(jìn)

1.課堂講授與研討并行。該課程采取課堂講授與研討并行，學(xué)習(xí)與研討相結(jié)合的教學(xué)方法，提倡教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生研討問題，從而提高學(xué)生對于汲取、創(chuàng)造知識的興趣。通過研討啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使整個課堂教學(xué)成為教師為輔、學(xué)生為主，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生互動的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]。

研討的內(nèi)容可以為教師擬題，學(xué)生自選。采取分組討論，并且每一組派代表到講臺上進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的講解，所有學(xué)生進(jìn)行討論。從而促使學(xué)生主動出擊去學(xué)習(xí)、解決相關(guān)問題，最終實現(xiàn)教師傳授、學(xué)生自學(xué)研究、教師與學(xué)生相互解惑的教學(xué)模式。

2.與實驗中心“聯(lián)動教學(xué)”機制。我院傳統(tǒng)課程講授往往局限于普通的多媒體教室，學(xué)生無論是聽取教師傳授還是互動研討都是憑空進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解。筆者講授該課程是采取與實驗中心“聯(lián)動教學(xué)”模式，使傳統(tǒng)的課堂講授與研討“搬入”實驗中心相關(guān)實驗室進(jìn)行，學(xué)生在真實接觸電子材料的制備和元器件制作的過程中，更加深入地理解所學(xué)的知識，并能夠更好地啟發(fā)并鍛煉學(xué)生提出問題、分析研討問題、解決問題的能力。該課程的講授采取二分之一學(xué)時分配機制，即：一半學(xué)時在普通多媒體教室進(jìn)行;一半學(xué)時在相應(yīng)電子材料與元器件實驗室“聯(lián)動教學(xué)”進(jìn)行。

3.多媒體教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成。多媒體教學(xué)是指采用計算機和視頻技術(shù)相結(jié)合的一種教學(xué)方式，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式不同，它有其自身鮮明的特色，如信息量輸入緊湊、量多、質(zhì)高，文字圖像清晰直觀、風(fēng)格多樣，內(nèi)容豐富等等[4]。電子材料與元器件課程教學(xué)中，采用多媒體教學(xué)能豐富多彩地演示各種元器件結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體材料的制備工藝等相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。并且在教學(xué)過程中輔以相關(guān)的視頻，讓學(xué)生更加清楚地了解電子材料制備、元器件制作相關(guān)設(shè)備，更清楚地理解相應(yīng)的原理。并且安排相應(yīng)的配套實驗，讓學(xué)生真正能動手接觸實物，不但可增強學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣，而且可以提高學(xué)生對電子材料及元器件實體的感性認(rèn)識，達(dá)到理論與實踐相結(jié)合的目的。

4.理論考試與科學(xué)研究相結(jié)合。素質(zhì)教育的電子材料與元器件課程學(xué)生評價機制應(yīng)該區(qū)別于傳統(tǒng)的僅考試評價方式，教師應(yīng)將學(xué)生的平時表現(xiàn)、理論基礎(chǔ)知識掌握、實踐動手能力、科學(xué)研究（綜合訓(xùn)練項目）等納入對學(xué)生的評價體系中。課程考核除了前面提到的配套實驗外，還包括平時表現(xiàn)、考試和綜合訓(xùn)練情況?？荚囀菣z驗學(xué)生對電子材料與元器件課程基礎(chǔ)知識掌握程度的手段，但不宜開發(fā)學(xué)生自身科學(xué)研究的潛力，有時更無法判別學(xué)生對所學(xué)知識是死記硬背還是融會貫通。我院本課程實施過程中要進(jìn)行綜合訓(xùn)練項目，即通過分組開展綜合訓(xùn)練題目（題目可以是教師提出，也可根據(jù)自身知識儲備自擬），進(jìn)行電子材料或元器件相關(guān)設(shè)計，最終形成綜合訓(xùn)練報告，并且所做設(shè)計要分組在課堂上進(jìn)行展示講解和討論。

5.學(xué)生對該課程授課的評價。雖然教師在進(jìn)行課程設(shè)計過程中可提出一些創(chuàng)新性的方式方法，但畢竟只是從教師的角度去設(shè)計課程。我院在面向每一屆電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生開設(shè)電子材料與元器件課程后，開展學(xué)生對本課程講授內(nèi)容、授課方式方法等的意見和建議的活動，并形成書面意見書存檔。從學(xué)生角度了解學(xué)生各方面的需求，集思廣益發(fā)揮學(xué)生對于本課程創(chuàng)新性的教學(xué)方式方法。

四、結(jié)語

本文通過對電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)特點以及電子材料與元器件課程性質(zhì)及內(nèi)容的分析，結(jié)合國內(nèi)外研究動態(tài)、應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢，并考慮教學(xué)單位及教師的研究特長以及電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)需求等多方面因素，對電子材料與元器件教學(xué)內(nèi)容的選取、教學(xué)方式方法的改進(jìn)等方面進(jìn)行了改革。教學(xué)過程中增強了半導(dǎo)體材料、光電子材料與器件、敏感陶瓷材料與器件內(nèi)容，增加了化合物晶體的缺陷化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。對電子材料與元器件課程的教學(xué)方式方法提出了課堂講授與研討并行、與實驗中心“聯(lián)動教學(xué)”機制、多媒體教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成、理論考試與科學(xué)研究相結(jié)合、學(xué)生對課程授課評價的改進(jìn)，以便提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，提升本專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]于英霞，劉小敏，張益華，謝鐳.多媒體教學(xué)在土木工程施工教學(xué)中的應(yīng)用和實踐[J].廊坊：廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），（2011），11（4）.

The Reform in Teaching of Electronic Materials and Component Course

ZHONG Tie-gang，JIANG Fang，ZHAO Wang

（College of Electronics and Information Engineering，Liaoning Technical University，Huludao，Liaoning 125105，China）

篇8

關(guān)鍵詞：卟啉酞菁類化合物 自組裝納米結(jié)構(gòu) 有機半導(dǎo)體特性

中圖分類號：TB383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0095-02

自組裝是一種較為復(fù)雜的分子之間的協(xié)同作用，該技術(shù)的主要內(nèi)容為，在非共價鍵的相互之間的作用之下，分子會自發(fā)的形成一種結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)具有一定的有序性，分子在進(jìn)行自組裝的過程中，影響最終的組裝效果既有分子自身性質(zhì)等內(nèi)在因素，也存在一定的外在因素的影響，如分子所處的環(huán)境中化學(xué)因素及物理因素的影響，不同結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。卟啉酞菁是一種共軛的大環(huán)體系，其結(jié)構(gòu)非常的穩(wěn)定，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了其他的有機半導(dǎo)體材料，這種半導(dǎo)體材料的應(yīng)用前景越來越廣泛，越來越多的研究人員開始投入到卟啉酞菁化合物的設(shè)計合成的研究中來，該文就將針對卟啉酞菁化合物的設(shè)計合成、自組裝納米結(jié)構(gòu)及有機半導(dǎo)體特性進(jìn)行簡單的分析研究。

1 卟啉酞菁類化合物的自組裝納米結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

在化學(xué)的研究中有一個重要的分支為超分子化學(xué)，其主要的研究內(nèi)容是分子之間的化學(xué)鍵的研究及分子組裝的研究，其最重要的幾個特性表現(xiàn)為：自復(fù)制、自組織、自組裝，當(dāng)顆粒的尺寸處于一千納米之內(nèi)時，超分子的性質(zhì)會發(fā)生非常顯著的改變，這種性質(zhì)在磁學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能、力學(xué)性能等領(lǐng)域具有非常鮮明的體現(xiàn)，由此而誕生了納米化學(xué)，納米技術(shù)是目前的研究中非常流行、應(yīng)用廣泛的技術(shù)，但是在納米級尺寸的器件的制備過程中，其合成方法是較大的難題，分子的自組裝技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注。

通過超分子的自組裝技術(shù)，能夠合成出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米材料，根據(jù)其性能的不同，具有各種不同的用途，卟啉、酞菁類的化合物具有非常典型的大環(huán)共軛結(jié)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于分子存儲材料、分子磁體、有機場效應(yīng)管、傳感器、電子學(xué)等領(lǐng)域，根據(jù)各種卟啉酞菁類化合物的取代基的不同，可以采用不同的自組裝方法得到各種不同的組裝體，近年來，有很多研究，通過一定的納米自組裝技術(shù)將卟啉酞菁類化合物制備成各種不同的、有序的納米結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)用途的不同將其制成各種納米器件，這已經(jīng)演變成為超分子化學(xué)研究過程中的一個重要的分支，為實際應(yīng)用中的超分子聚集體的研究提供了更多的有力依據(jù)。

2 不對稱的八取代酞菁自組裝納米結(jié)構(gòu)的研究

2.1 酞菁分子的設(shè)計及合成

酞菁分子的結(jié)構(gòu)時非常典型的共軛電子結(jié)構(gòu)，分子之間主要存在的相互作用力是π-π作用力，想要調(diào)節(jié)這類化合物的分子之間的相互作用力，只需要在酞菁分子的引入適當(dāng)?shù)墓倌軋F(tuán)，就能很好的解決這一問題，本次研究中，在酞菁分子的β位置引入二甲基氨基乙氧基，通過醋酸鋅.2H2O及自由酞菁在DMF中進(jìn)行回流反應(yīng)能夠得到鋅酞菁Zn{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，標(biāo)記為化合物1，，根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)能夠制備得到自由酞菁H2{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，標(biāo)記為化合物2，實驗過程中通過柱層析進(jìn)行反復(fù)的分離，能夠得到元素的核磁、質(zhì)譜、分析等結(jié)果。

2.2 酞菁自組裝納米結(jié)構(gòu)的電子吸收光譜

通過實驗發(fā)現(xiàn)，以上制備的兩種化合物在氯仿中并沒有發(fā)生聚集反應(yīng)，自由酞菁存在著一個非常強的吸收帶，表示為Q帶，并且具有很好的C2h分子的對稱性，鋅酞菁的分子對稱性與自由酞菁分子的對稱性相比有一定程度的增加，變?yōu)镈4h，兩種化合物分散于氯仿中及甲醇中的吸收能力有一定的區(qū)別，由于分子之間強烈的相互作用，在組裝體中形成了非常明顯的寬鋒，兩種化合物分散與甲醇中形成的主要的吸收峰與分散于氯仿中的吸收峰相比，出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，這主要是因為化合物分子之間所存在的強烈的π-π的相互作用，使化合物中形成了H型的面對面的聚集模式。

2.3 傅立葉變換的紅外光譜表征

在自由酞菁的紅外光譜中，自由酞菁中的吡咯環(huán)中的N-H鍵的收縮振動，表現(xiàn)為自由酞菁的吸收峰，在自由酞菁化合物的組裝體中，側(cè)鏈的二甲氨基乙氧基中的氮原子會與相鄰的酞菁分子的中心的氫原子結(jié)合形成一個氫鍵，這會使伸縮振動峰在組裝體中的作用變寬、變?nèi)?，使得其與水峰的重疊區(qū)域無法區(qū)分開來。在鋅酞菁化合物中，其納米結(jié)構(gòu)的紅外光譜中，其振動峰裂分為肩峰與主峰，這種現(xiàn)象表明，在其聚集體中存在著Zn-N的配位作用。

2.4 聚集體的形貌表征

為了得到酞菁化合物的聚集體的形成機理，在實驗中，對不同聚集時間下的自由酞菁化合物的形貌進(jìn)行了測試，將自由酞菁化合物注入到甲醇中，靜置一個小時的時間，能夠觀察到大量的空心球狀的聚集體，也含有少量的帶狀的聚集體，將其靜置兩個小時的時間，能夠觀察到大量的空心納米管及螺旋狀的納米帶，并且他們的螺旋角及螺距是不同的，在聚集剛剛開始時，聚集發(fā)生的最主要的驅(qū)動力為酞菁分子對甲醇疏溶劑的作用，所以會形成大量的空心球，而當(dāng)N-H配位鍵形成之后，會形成平直的納米帶，納米帶的繼續(xù)生長會產(chǎn)生傾斜的形變，納米帶會產(chǎn)生彎曲，這就形成了螺旋結(jié)構(gòu)。將鋅酞菁化合物置于甲醇中，經(jīng)過分子的自組裝作用，會形成多根一維的納米線所組成的納米束，通過分析得知，這些納米束是由酞菁二聚體沿著納米線的長軸的方向面對面的堆積而成的。

3 卟啉自組裝微米管及其半導(dǎo)體特性的研究

隨著第一根碳納米管的制造，人們逐漸認(rèn)識到其巨大的潛在價值，隨后各種各樣的微米管及納米管被研究出來，制備納米管的材料也開始變得多種多樣，聚合物、無機物等材料都開始應(yīng)用于納米管的制造中，制造納米管的方法也是多種多樣的，在本次研究中，將自由卟啉采用自組裝技術(shù)將其制備成微米級的樹枝狀的微米管及葉片狀的聚集體，下面予以簡單的分析。

3.1 電子光譜的吸收

通過實驗發(fā)現(xiàn)，將自由卟啉放置于氯仿中，并沒有發(fā)生聚集，這一特征是自由卟啉的典型特征，將其置于正己烷中，由于其分子的緊密排列，出現(xiàn)了明顯的寬鋒，而在氯仿中只出現(xiàn)了一個變寬的S帶，在正己烷及氯仿的氣氛中形成的聚集體表現(xiàn)出了一個變寬、裂分的S帶，出現(xiàn)這種情況主要是因為相鄰的卟啉之間有一定的激子耦合作用，在氯仿中形成的聚集體及在正己烷中形成的聚集體都出現(xiàn)了一定的紅移現(xiàn)象，但是二者出現(xiàn)紅移的程度是有一定的區(qū)別的，這說明在自由卟啉化合物的自組裝過程中，形成聚集體的主要的推動作用是卟啉分子與溶劑之間的相互的作用。

3.2 聚集體的形貌表征

對化合物自組裝所形成的聚集體的形貌進(jìn)行觀察時，采用掃描電競來進(jìn)行觀察，將自由卟啉化合物分別置于正己烷氣氛中、氯仿氣氛中，所形成的的自組裝聚集體具有不同的形貌，在氯仿氣氛中主要形成方向一致的納米管，這說明自由卟啉化合物的分子間的排列是有序的，這一特性非常適合應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管及光電晶體管中，在正己烷氣氛中，主要形成葉片狀的納米結(jié)構(gòu)。

4 兩親性三層卟啉酞菁化合物的設(shè)計合成及其有機半導(dǎo)體特性的研究

自從第一次在有機場效應(yīng)管中應(yīng)用有機的半導(dǎo)體，已經(jīng)在這方面取得了很大的進(jìn)步，相比于無機的半導(dǎo)體材料，有機的光電設(shè)備具有柔軟性好、成本低、輕便等諸多的優(yōu)點，卟啉酞菁類化合物自身具有很好的電學(xué)性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)，很早就將其應(yīng)用于有機的場效應(yīng)晶體管材料的制造中，本次研究中主要闡述Eu2[Pc（15C5）4]2[T（C10H21）4P]標(biāo)記為化合物1與Eu2[Pc（15C5）4]2[TPOPP]標(biāo)記為化合物2，兩種典型的兩親性的三層分子卟啉化合物的有機半導(dǎo)體特性。

通過實驗得到兩種化合物的紅外光譜圖，二者都出現(xiàn)吸收峰，可以認(rèn)為是其側(cè)鏈上的甲基上C-H對稱彎曲所形成的的吸收峰，同時其C-O-C鍵的對稱、不對稱收縮都會形成相應(yīng)的吸收峰。

本次實驗中，以烷鏈作為疏水層，生成的兩親性三層三明治型的卟啉酞菁化合物，這是一種新型的有機半導(dǎo)體材料，用其LB膜所制成的場效應(yīng)晶體管器件具有很好的遷移率，為設(shè)計、制造場效應(yīng)晶體管器件的分子材料，提供了很好的依據(jù)。

5 結(jié)語

隨著超分子化學(xué)、納米科技的發(fā)展，越來越的研究將有機半導(dǎo)體分子的自組裝特性應(yīng)用于納米材料、器件的制造中，該文中例舉了幾種典型的酞菁類化合物、卟啉類化合物、酞菁卟啉類化合物，對其基本的性能進(jìn)行了簡單的介紹，對于納米材料及器件的研發(fā)、制造，有一定的參照作用。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：graphene, 石墨烯， 單原子石墨膜， 新型材料

中圖分類號：N04；O47；H059 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8578(2012)01-0036-05

Novel Material―Graphene

QIAN Jiajun

Abstract：Graphene is a two-dimensional material, merely one atom thick sheet of carbon arranged laterally in a honeycomb lattice. Its π-valence band and π*-conduction band touch at two in-equivalent points in the honeycomb lattice Brillouin zone. In graphene, charge carriers exhibit giant intrinsic mobility and can travel ballistically over submicrons without scattering at room temperature. It is the thinnest electronic material and can be used to enable transistors operating at very high frequencies. This review analyzes trends in graphene research and applications, and attempts to identify future directions.

Keywords：graphene，novel material，one-atom thick sheet of carbon

引 言

2010年10月，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將該年度諾貝爾物理學(xué)獎項，授予在英國曼徹斯特大學(xué)任教的兩位俄羅斯裔科學(xué)家：安德列•吉姆（Andre Geim 荷蘭籍，時年51歲)和康斯坦丁•諾沃塞洛夫（Konstatin Novoselov 英國籍，時年36歲)，以獎勵他們在新穎材料graphene方面杰出的先驅(qū)性實驗物理研究。這種新型材料，實際上是透明的，比金剛石還硬，是世界上最薄和最硬的電子材料，具有超強的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，可承受電流密度比銅高六個數(shù)量級，有可能用于制備透明觸摸屏、平板閱讀器、太陽能電池、復(fù)合材料、貯氫材料以及運算速度極快的超級計算機等。盡管這種材料出現(xiàn)的時間很短，卻顯現(xiàn)出極其豐富的物理現(xiàn)象和潛在的應(yīng)用前景。

然而，在有關(guān)這種新型材料的報道中，一些文獻(xiàn)與媒體將graphene一詞譯作“石墨烯”。雖然，按化學(xué)名詞的慣例，將英文詞根graphite(石墨) + ene (烯類化合物的結(jié)尾)，從字面上直譯為“石墨烯”是符合一般化學(xué)譯名法的，但筆者認(rèn)為，如此譯法不準(zhǔn)確，容易引起混淆，值得商榷。

正如前面已經(jīng)指出的，graphene 來源于英文graphite，因此中文譯名中保留“石墨”這個詞根是恰當(dāng)?shù)?，問題是出在后面的“烯”字上。按照《新華詞典》的解釋［1］，“烯”是分子中含有碳-碳雙鍵的烴類化合物的總稱；而“烴”則是由碳和氫兩種元素組成的有機化合物。這就是說，“烯”包含幾個要素，其一是它必須是碳?xì)浠衔?；其二是它必須含有?碳雙鍵；第三，它的分子結(jié)構(gòu)是鏈狀。再來看新材料graphene, 其中既沒有氫元素，也不包含碳-碳雙鍵，而且分子結(jié)構(gòu)是按單鍵蜂房結(jié)構(gòu)密集排列的，因此，把它譯成“石墨烯”，會使人誤認(rèn)為是某種碳?xì)浠衔?，引起概念上的混淆?/p>

實際上，在兩位諾獎得主的原始文獻(xiàn)［2-3］中，對graphene的定義很明確，就是按蜂房結(jié)構(gòu)密集排列的單原子層碳薄膜，如圖1a所示。換言之，graphene實際就是二維單原子層石墨薄膜。把這層石墨膜包圍起來，可以構(gòu)成一個零維的富勒球分子（圖1b）；把單層（或多層）卷起來，則形成一維的碳納米管（圖1c）; 而把它們按三維堆積在一起，就構(gòu)成了通常的體石墨（圖1d）。所以，graphene材料實際就是各種碳基材料的最基本的組成原料。

由此看來，將graphene材料直譯作“石墨烯”，雖然符合化學(xué)名詞譯法的慣例，但此種譯法容易出現(xiàn)混淆。不如采取意譯的方式，除保留“石墨”這個詞根外，再加上“單原子層”的含義――即“單原子石墨膜”（簡稱石墨膜）為妥。本文將采用這一譯名，對這種材料的能帶結(jié)構(gòu)、性能、可能的應(yīng)用前景以及主要的制備方法做一簡單介紹，以供參考。

一 單原子石墨膜能帶結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

單原子石墨膜（以下簡稱石墨膜），是碳原子在二維平面上按蜂房（苯環(huán)）結(jié)構(gòu)密集排列的一層單原子碳薄膜。每個碳原子最外層4個電子，占據(jù)1個2s軌道和3個2p軌道。當(dāng)碳原子彼此靠近形成單原子層碳晶格時，2s軌道與分子平面內(nèi)的2個2p軌道重疊（sp2雜化），形成 σ-σ* 強共價鍵。此鍵十分堅固，把碳原子緊密地連接在一起，形成二維平面內(nèi)的蜂房結(jié)構(gòu)。此鍵對碳晶格的電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)。碳原子外層電子中剩下一個未成對的2p軌道，其方向垂直于分子平面，在形成碳晶格過程中，雜化形成π鍵（價帶）和π*（導(dǎo)帶）。導(dǎo)帶與價帶，在蜂房結(jié)構(gòu)晶格布里淵區(qū)頂角的兩個不等價點K和K’（稱之為“狄拉克點”）相互接觸。低能量能帶結(jié)構(gòu)，近似為K和K’點上的兩個對頂角園錐（圖2）。在狄拉克點附近，載流子能量色散關(guān)系是線性的，電子的動力學(xué)是按“相對論”處理。導(dǎo)帶與價帶的電子態(tài)具有相反的手征性（chirality）。當(dāng)多數(shù)電子具有相同的手征性時，其相互作用能量降低。這點，與鐵磁物質(zhì)中大多數(shù)粒子具有相同自旋時，其相互作用能量降低類似。

由于石墨膜這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)，使其載流子具有非常獨特的物理性質(zhì)。通常，在凝聚態(tài)物理中，采用薛定諤方程就足夠描述材料體系的電學(xué)性質(zhì)。例如，在典型的半導(dǎo)材料中，電子與空穴（荷正電載流子）分別占據(jù)導(dǎo)帶和價帶。導(dǎo)帶和價帶之間存在一個有限能量的帶隙。載流子獲得超過帶隙的能量后，才能從價帶躍遷到導(dǎo)帶。電子與空穴的運動，符合一般粒子的運動規(guī)律：它們具有質(zhì)量，當(dāng)它們被加速時，其速度從零開始增加，而且它們的動能正比于其速度的平方。然而在石墨膜中，電子與空穴的行為完全不同于常規(guī)粒子運動規(guī)律：這里的電子與空穴具有一個恒定的速度VF (費米速度)，它不依賴于粒子運動的動能, 這一點類似于光子的行為，即光子總是以恒定光速c（約3×1010cm/s）運行。而在石墨膜中，電子與空穴的速度要比光速慢，大約是光速的1/300，即費米速度VF≈1×108cm/s。電子與空穴的運動規(guī)律不能再用薛定諤方程描述，而是要采用（2+1）維的狄拉克方程精確描述。這類準(zhǔn)粒子稱為無質(zhì)量狄拉克-費米子。在形式上可以把它們看作是失去了靜止質(zhì)量（m0）的電子，或者是獲得了電子電荷（e）的中微子。因此，實驗研究石墨膜材料的電學(xué)性質(zhì)，可以為從理論上探索量子電動力學(xué)（quantum electrodynamic, QED）現(xiàn)象開辟出一條實驗研究的路徑，這在基礎(chǔ)科學(xué)研究中具有重要意義。

此外，石墨膜的特殊電子態(tài)結(jié)構(gòu)，也極大地影響其中的量子輸運現(xiàn)象。眾所周知，當(dāng)電子被限制在二維半導(dǎo)體材料中時，能夠觀察到量子力學(xué)增強輸運現(xiàn)象，例如量子霍爾效應(yīng)（quantum hall effect，QHE）：即在垂直于霍爾樣品平面的磁場作用下，霍爾電導(dǎo)率（σxy）與載流子濃度（n）之間出現(xiàn)一系列等間距的導(dǎo)電率“平臺”。與這些平臺相對應(yīng)，霍爾樣品縱向的電阻率（ρxx），降低到近似為零的極小值。這個現(xiàn)象被稱之為“量子霍爾效應(yīng)”［4］。然而，對于通常的二維半導(dǎo)體系統(tǒng)，這些電導(dǎo)率平臺與縱向電阻率極小值，是出現(xiàn)在傳導(dǎo)量子（e2/h）（其中e為電子電荷，h為普朗克常數(shù)）為整數(shù)值（或分?jǐn)?shù)值）的位置。對于石墨膜而言，這些平臺和電阻率極小值是出現(xiàn)在傳導(dǎo)量子為半整數(shù)值的位置上［3］（圖3）。不僅如此，對于通常的二維半導(dǎo)體材料，只能在極低的溫度下（例如液氦溫度），才能觀察到量子霍爾效應(yīng)。但對于石墨膜，甚至在室溫下，還能觀察到這個現(xiàn)象［5］。這是因為在石墨膜中，載流子的行為如同一個無質(zhì)量的相對論粒子（狄拉克-費米子），而且，即使在室溫下，它們與聲子的散射速率也是極低的緣故。

在石墨膜中，實驗測量出的電子與空穴遷移率，在室溫下均能超過1.5×104cm2/Vs( 4K下約為6×104cm2/Vs)。如此高的遷移率表明，載流子的運動主要是受雜質(zhì)或缺陷的影響。因此，改善石墨膜晶格質(zhì)量，預(yù)期遷移率或許可以達(dá)到 1.0×105cm2/Vs。雖然在所有半導(dǎo)體材料中，銻化銦(InSb)半導(dǎo)體材料具有最高的室溫遷移率（7.7×104cm2/Vs），但該值是從未摻雜的高純材料獲得。一般來講，其載流子濃度是非常低的。然而，在石墨膜中，即使在較高的載流子濃度下（n>1012/cm2），其遷移率（μ）仍然很高。換算成粒子的平均自由程長度在亞微米范圍（約0.4μm）。也就是說，一個荷電載流子，大約要運行通過2800個原子間距之后才能被散射一次。這說明，在亞微米范圍內(nèi)，載流子實際上是彈道運行的。這種特性在高速高頻碳基電子器件的實際應(yīng)用中具有十分重要的意義。

二 單原子石墨膜的應(yīng)用

石墨膜中載流子顯示出極高的遷移率，其值不僅較硅（Si）大約100倍，比目前認(rèn)為最高速材料――晶格匹配的磷化銦（InP）也高出大約10倍。因此特別適合于制備射頻場效應(yīng)晶體管（RF-FET）。研究者在一個2英寸的半絕緣高純碳化硅（6H-SiC (0001)） 襯底的硅面上［6］，采用高溫（1450℃）熱退火方法，生長出石墨膜（單層或雙層）材料。以氧化鉿（HfO2）作為柵介質(zhì)，制備成場效應(yīng)器件，在2英寸的片子上，霍爾遷移率在900～1520cm2／Vs范圍。載流子濃度約為3×1012/cm2,場效應(yīng)晶體管的截止頻率（f T）在射頻（RF）范圍。對于柵長240nm, fT高達(dá)100GHz。而同樣?xùn)砰L（240nm）的硅基金屬氧化物――半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），其fT 約為40GHz ，僅為石墨膜器件的2/5。在超高頻模擬晶體管器件方面，目前主要以砷化鎵（GaAs）基器件為主，稱之為高電子遷移率晶體管（HEMT）,應(yīng)用在通訊技術(shù)領(lǐng)域。盡管采用石墨膜制備的高電子遷移率晶體管，其工作頻率還不如砷化鎵基器件，但從石墨膜所顯示的室溫彈道輸運特性推測，對于典型的100nm溝道而言，載流子在源和漏極之間渡越時間僅需0.1 ps。如果石墨膜器件，在制備過程中仍能保持高的遷移率，例如達(dá)到2×104cm2/Vs, 在柵長為50 nm 時，場效應(yīng)晶體管的截止頻率（fT）有望達(dá)到太拉赫茲［7］，這將成為石墨基納米電子學(xué)的重要里程碑。

在光電子器件應(yīng)用方面，通常的無機化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、氮化鎵（GaN）等，比有機光電子材料有許多優(yōu)越之處：高的載流子遷移率，高的輻射復(fù)合速率以及長期工作的穩(wěn)定性和可靠性等等，使這些無機化合物半導(dǎo)體材料，十分適合于制備光電子器件，如光發(fā)射二極管（light-emitting diode, LED）等。然而，在大面積、可彎曲甚至可折疊的屏幕顯示，或者大面積、低成本的太陽電池等應(yīng)用中，上述無機半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，受到很大的限制。一方面由于這些材料是外延生長在晶體（如硅、藍(lán)寶石、碳化硅等）襯底上，成本高而且尺寸不可能太大。另一方面，由于外延材料與晶體襯底之間結(jié)合得十分緊密，高的機械與化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致很難把外延層從襯底上剝離下來，極大地妨礙了其大規(guī)模應(yīng)用。石墨膜材料的出現(xiàn)，或許能為解決這些難題提供了一種可能的選擇途徑。正如前面提到的，石墨膜在同一層碳原子之間，彼此是由強共價鍵結(jié)合在一起，十分牢固；而在層與層之間，是靠很弱的范德華分子鍵結(jié)合，使層與層之間容易分離開。利用石墨膜的這種性質(zhì)，研究者［8］以它作為襯底，先在其上生長出高密度氧化鋅（ZnO）納米柱，作為中間介質(zhì)層，再在其上外延生長出高質(zhì)量的氮化鎵。這種氮化物薄膜顯示出極佳的室溫下與激子相關(guān)的近帶邊光致發(fā)光（PL）峰，和十分微弱的深能級發(fā)射，表明氮化鎵薄膜具有極高的光學(xué)質(zhì)量，完全適合于制備光電子器件。不僅如此，利用石墨膜層與層之間易于剝離的特性，能將生長在其上的氮化鎵外延層剝離下來，并轉(zhuǎn)移到其他襯底上，例如金屬、玻璃和塑料上。采用這些襯底制備的氮化鎵光發(fā)射二極管，都能發(fā)出很強的藍(lán)光，在整個300×300μm2的面積上發(fā)光均勻。在通常的室內(nèi)照明條件下，用肉眼清晰可見［8］。當(dāng)泵浦功率進(jìn)一步增加后，引起受激發(fā)射，實驗測定的閾值泵浦功率約為0.6 MW/cm2。與生長在藍(lán)寶石、硅以及碳化硅襯底上的氮化鎵器件，閾值在0.56~0.70MW/cm2值類似。此外，對于大功率光發(fā)射二極管器件而言，采用金屬襯底不僅有極佳的導(dǎo)電性，而且還可提供良好的熱傳導(dǎo)性，有利于器件散熱和提高功率。采用玻璃或塑料做襯底，則可將無機半導(dǎo)體材料氮化鎵制成大面積、柔軟可延展的全彩色光發(fā)射二極管顯示屏幕，以及光伏器件的功能組件，有利于電子與光電子器件集成。

在氣體分子探測方面，目前多采用固體傳感器，其靈敏度較高。但在通常的固體傳感器中，由于電荷有缺陷的熱運動漲落，往往使器件的本征噪聲要遠(yuǎn)超過探測器從單個氣體分子收集到的信號，一般會高出幾個數(shù)量級。而采用石墨膜材料制作傳感器［9］，由于它是二維材料，整個表面積都暴露在被測環(huán)境中，吸附效率最大化；另外這種材料具有超強的導(dǎo)電性，當(dāng)吸附或脫附一個氣體分子時，會引起載流子濃度的顯著變化，對應(yīng)于器件電阻值呈臺階式改變，靈敏度極高，甚至達(dá)到可探測單個氣體分子的水平。此外，石墨膜材料，對外部的電場，磁場以及機械應(yīng)力等也十分靈敏，有望在這些實用領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)出新型電子器件。

三 單原子石墨膜的制備

目前，制備石墨膜的方法，主要分為兩類：機械剝離法（mechanical exfoliation）［1］ 和外延生長法 （epitaxial growth）［10-12］ 。2004年，兩位諾獎得主就是采用第一類方法，首先制備出單原子石墨膜材料的。通常，采用這類方法制備的材料，尺寸較小，在數(shù)十微米范圍，需要把材料轉(zhuǎn)移到覆蓋二氧化硅（SiO2）介質(zhì)膜的硅襯底上，以便制成霍爾樣品，進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)測量。應(yīng)當(dāng)指出，采用這種方法制備出的單原子石墨膜樣品，測量的電學(xué)性質(zhì)與理論上預(yù)期的結(jié)果十分一致，大大促進(jìn)了有關(guān)這種新型材料的理論研究與應(yīng)用開發(fā)。第二類方法是，在一定的襯底表面上外延生長出大面積石墨膜材料。這類方法的優(yōu)點是，可以生長出滿足器件工藝要求的大面積材料，可為批量制備碳基納米器件提供支撐。當(dāng)前，這類技術(shù)有兩個發(fā)展方向：一是在金屬表面（例如鎳（Ni）［10］, 銅（Cu）［11］, 鉑（Pt）［12］ 等）上，化學(xué)氣相淀積生長大面積石墨膜材料；二是采用寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅的溫度感生分解法（temperature-induced decomposition ）制備［13］。第二種方法是在高溫（例如 1450℃）下，使碳化硅表面的硅升華，在襯底表面上形成富碳的單原子石墨膜。由于碳化硅本身可以是絕緣的，因此無需再將單原子石墨膜外延層轉(zhuǎn)移到其他絕緣襯底上，無疑在器件工藝方面是一項十分重要的優(yōu)點。單原子石墨膜應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵要素是：控制厚度的均勻性，生長大面積薄膜的能力，降低缺陷密度以及提高材料的質(zhì)量。

四 小 結(jié)

單原子石墨膜材料，是碳原子以σ-σ* 強共價鍵互相連接的二維六角形網(wǎng)絡(luò)。具有優(yōu)異的載流子輸運特性，其電子的費米速度約為108cm/Vs［14］ ?？捎糜谥苽湫阅軆?yōu)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，如硅、鍺，以及Ш-V族化合物半導(dǎo)體的新一代碳基納米電子器件與量子集成電路，在基礎(chǔ)學(xué)科與實際應(yīng)用兩方面都有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞:光電探測器 光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)器件

光電探測器是一種利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的能夠?qū)⒐廨椛滢D(zhuǎn)換成電量的器件,它利用這個特性可以進(jìn)行顯示及控制的功能。光探測器可以代替人眼,由于具有光譜響應(yīng)范圍寬的特點,光探測器亦是人眼的一個延伸。光電探測器利用被照射材料由于輻射關(guān)系電導(dǎo)率發(fā)生改變的物理特點,在紅外波段中的應(yīng)用主要在紅外熱成像、導(dǎo)彈制造及紅外遙感等一些方面;在可見光或近紅外波段中的應(yīng)用主要在在工業(yè)自動控制、光度計量及射線測量和探測等方面。隨著電子科學(xué)技術(shù)的日趨成熟,光電探測器的應(yīng)用將更加廣泛。

1、光電探測器的發(fā)展

1873年,英國W.史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng),但是這種效應(yīng)長期處于探索研究階段,未獲實際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后,隨著半導(dǎo)體的發(fā)展,各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測器都已投入使用。60年代初,中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導(dǎo)探測器研制成功,典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au(鍺摻金)和Ge:Hg光電導(dǎo)探測器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可變禁帶寬度的三元系材料的研究取得進(jìn)展。

在60年代初以前還沒有研制出適用的窄禁帶寬度的半導(dǎo)體材料,因而人們利用非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。Ge、Si等材料的禁帶中存在各種深度的雜質(zhì)能級,照射的光子能量只要等于或大于雜質(zhì)能級的離化能,就能夠產(chǎn)生光生自由電子或自由空穴。非本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長波限λ由下式求得λc=1.24/Ei式中Ei代表雜質(zhì)能級的離化能。

到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半導(dǎo)體材料研制成功,并進(jìn)入實用階段。它們的禁帶寬度隨組分x值而改變,例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成響應(yīng)波長為 8～14微米大氣窗口的紅外探測器。

2、光電探測器的工作原理

光電探測器的工作原理是基于光電效應(yīng),熱探測器基于材料吸收了光輻射能量后溫度升高,從而改變了它的電學(xué)性能,它區(qū)別于光子探測器的最大特點是對光輻射的波長無選擇性。

所謂光電導(dǎo)效應(yīng),是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象,它光是內(nèi)光電效應(yīng)的一種。當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時,光子能夠?qū)r帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對,這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普朗克常數(shù),v是光子頻率,Eg是材料的禁帶寬度(單位為電子伏)。因此,本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長波限λc為λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c為光速。本征光電導(dǎo)材料的長波限受禁帶寬度的限制。

光電導(dǎo)器件:利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料做成的光電探測器稱為光電導(dǎo)器件,通常叫做光敏電阻。在可見光波段和大氣透過的幾個窗口,即近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段,都有適用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動探測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外光譜系統(tǒng)等。

光電子發(fā)射器件:光電管與光電倍增管是典型的光電子發(fā)射型(外光電效應(yīng))探測器件。其主要特點是靈敏度高,穩(wěn)定性好,響應(yīng)速度快和噪聲小,是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益,特別適于探測微弱光信號;但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作電壓高,體積較大。光電倍增管一般用于測弱輻射而且響應(yīng)速度要求較高的場合,如人造衛(wèi)星的激光測距儀、光雷達(dá)等。

硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻是可見光波段用得最多的兩種光敏電阻;硫化鉛PbS光敏電阻是工作于大氣第一個紅外透過窗口的主要光敏電阻,室溫工作的PbS光敏電阻響應(yīng)波長范圍1.0～3.5微米,峰值響應(yīng)波長2.4微米左右;銻化銦InSb光敏電阻主要用于探測大氣第二個紅外透過窗口,其響應(yīng)波長3～5μm;碲鎘汞器件的光譜響應(yīng)在8～14 微米,其峰值波長為10.6微米,與CO2激光器的激光波長相匹配,用于探測大氣第三個窗口(8～14微米)。

3、光電探測器的結(jié)構(gòu)

第一支InGaAs光電探測器在1978年就被報道,略晚于第一支InGaAsP光電探測器。這些探測器都可以通過改變組分含量從而達(dá)到需要的波長響應(yīng),一種典型的InGaAsP光電探測器結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:

圖 一種典型的InGaAsP光電探測器結(jié)構(gòu)圖

利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)以In0 6qGa0 31As0 66P0 34作為本征吸收層,以In0.7:Ga0.22As0.47P0.53為P型表面入射窗,得到了峰值響應(yīng)波長為1.36 gm的窄的頻譜響應(yīng)。為了制作方便,一股將這種光電探測器做成臺面結(jié)構(gòu)。

InGaAsP光電探測器中,表面鈍化層、載流子產(chǎn)生復(fù)合及隧穿等都會引起暗電流。通過優(yōu)化表面鈍化層可以使表面漏電流密度小到IlA/cm量級。

s.R.Forrestt等人指出,在較低偏壓下載流子產(chǎn)生復(fù)合對暗電流起主導(dǎo)作用,只有當(dāng)偏壓大于100V時隧穿電流才變得顯著。即使由產(chǎn)生復(fù)合引起的小的暗電流也會對光電探測器靈敏度產(chǎn)生不利影響,因此應(yīng)合理設(shè)計結(jié)構(gòu)使暗電流最小。

為了制作方便,將這種光電探測器做成臺面結(jié)構(gòu),包括外延生長,擴散及離子注入等方法。然而這些臺面不利于集成,難以實現(xiàn)光電子集成回路(OEIC),因此人們又做出了各種平面結(jié)構(gòu),這些平面結(jié)構(gòu)類似于上圖所示,同時這種平面結(jié)構(gòu)有助于因表面漏電流引起的暗電流。

4、光電探測器的種類