半导体材料设计模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇半导体材料设计，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

 

1.半导体材料的概念与特性

当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用，这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，在某些情形下具有导体的性质。半导体材料广泛的应用源于它们独特的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质参入对半导体的性质起着决定性的作用，它们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作出各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷器等；半导体基片可以实现元器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路。这种种特性使得半导体获得各种各样的用途，在科技的发展和人们的生活中都起到十分重要的作用。

2.半导体材料的发展历程

半导体材料从发现到发展，从使用到创新，也拥有着一段长久的历史。在20世纪初期，就曾出现过点接触矿石检波器。1930年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，使半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生长技术的开发和集成电路的发明，使得微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体材料在红外线方面的研究发展，半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半导体器件的设计与制造从“杂志工程”发展到“能带工程”，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。

3.各类半导体材料的介绍与应用

半导体材料多种多样，要对其进一步的学习，我们需要从不同的类别来认识和探究。通常半导体材料分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、有机半导体、超晶格半导体材料。不同的半导体材料拥有着独自的特点，在它们适用的领域都起到重要的作用。

3.1元素半导体材料

元素半导体材料是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和锗为典型。硅在在地壳中的含量较为丰富，约占25%，仅次于氧气。硅在当前的应用相当广泛，它不仅是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上元件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中于制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他器件如探测器，也具备着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

3.2化合物半导体材料

通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构的半导体性质。化合物半导体材料种类繁多，按元素在元素周期表族来分类，分为三五族（如砷化镓、磷化铟等），二六族（如硒化锌），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池、光电器件、超高速器件、微波等领域占据重要的位置，且不同种类具有不同的性质，也得到不同的应用。。

3.3固溶体半导体材料

固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶体半导体或者合金半导体。随着每种成分在固溶体中所占百分比（X值）在一定范围内连续地改变，固溶体半导体材料的各种性质（尤其是禁带宽度）将会连续地改变，但这种变化不会引起原来半导体材料的晶格发生变化.利用固溶体半导体这种特性可以得到多种性能的材料。

3.4非晶半导体材料

非晶半导体材料是具有半导体特性的非晶体组成的材料，如α-硅、α-锗、α-砷化镓、α-硫化砷、α-硒等。。这类材料，原子排列短程有序，长程无序，又称无定形半导体，部分称作玻璃半导体。非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸发或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器、太阳能电池薄膜晶体管等非晶半导体器件。

3.5有机半导体材料

有机半导体是导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm的负一次方范围内的有机物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物等.其中聚丙烯腈等有机高分子半导体又称塑料半导体。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。相比于硅电子产品，有机半导体芯片等产品的生产能力较差，但是拥有加工处理更方便、结实耐用、成本低廉的独特优点。目前，有机半导体材料及器件已广泛应用于手机，笔记本电脑，数码相机，有机太阳能电池等方面。

3.6超晶格微结构半导体材料

超晶格微结构半导体材料是指按所需特性设计的能带结构，用分子束外延或金属有机化学气相沉积等超薄层生产技术制造出来的具有各种特异性能的超薄膜多层结构材料。由于载流子在超晶格微结构半导体中的特殊运动，使得其出现许多新的物理特性并以此开发了新一代半导体技术。。当前，对超晶格微结构半导体材料的研究和应用依然在研究之中，它的发展将不断推动许多领域的提高和进步。

4.半导体材料的发展方向

随着信息技术的快速发展和各种电子器件、产品等要求不断的提高，半导体材料在未来的发展中依然起着重要的作用。在经过以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料发展历程后，第三代半导体材料的成为了当前的研究热点。我们应当在兼顾第一代和第二代半导体发展的同时，加速发展第三代半导体材料。目前的半导体材料整体朝着高完整性、高均匀性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向迈进。随着微电子时代向光电子时代逐渐过渡，我们需要进一步提高半导体技术和产业的研究，开创出半导体材料的新领域。相信不久的将来，通过各种半导体材料的不断探究和应用，我们的科技、产品、生活等方面定能得到巨大的提高和发展！

参考文献

[1]沈能珏,孙同年,余声明,张臣.现代电子材料技术.信息装备的基石[M].北京：国防工业出版社,2002.

[2]靳晓宇.半导体材料的应用与发展研究[J].大众商务,2009,(102).

[3]彭杰.浅析几种半导体材料的应用与发展[J].硅谷, 2008,(10).

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半导体材料的发展，是在器件需要的基础上进行的，但从另一个角度来看，随着半导体新材料的出现，也推动了半导体新器件的发展。近几年，电子器件发展的多朝向体积小、频率高、功率大、速度快等几个方面[1]。除了这些之外，还要求新材料能够耐辐射、耐高温。想要满足这些条件，就要对材料的物理性能加大要求，同时，也与材料的制备，也就是晶体生长技术有关。因此，在半导体材料的发展过程中，不仅要发展拥有特殊优越性能的品种，还要对晶体发展的新技术进行研究开发。

1 半导体电子器件需要的材料1.1 固体组件所需材料

目前，半导体电子所需要的材料依然是以锗、硅为主要的材料，但是所用材料的制备方法却不一样，有的器件需要使用拉制的材料，还有的器件需要外延的材料，采用外延硅单晶薄膜制造的固体组件，有对制造微电路有着十分重要的作用。

1.2 快速器件所需材料

利用硅外延单晶薄膜或者外延锗的同质结，可以制造快速开关管。外延薄膜单晶少数载流子只能存活几个微秒[2]，在制造快速开关管的时候，采用外延单晶薄膜来制造，就可以解决基区薄的问题。

1.3 超高频和大功率晶体管的材料

超高频晶体管对材料的载流子有一定的要求，材料载流子的迁移率要大，在当前看来，锗就是一种不错的材料，砷化镓也是一种较好的材料，不过要先将晶体管的设计以及制造工艺进行改变。大功率的晶体管就对材料的禁带宽度有了一定的要求，硅的禁带宽度就要大于锗的禁带宽度，碳化硅、磷化镓、砷化镓等材料，也都具有一定的发展前途。如果想要制造超高频的大功率晶体管，就会对材料的禁带宽度以及载流子迁移率都有一定的要求。但是，目前所常用的化合物半导体以及元素半导体，都不能完全满足要求，只有固溶体有一定的希望。例如，砷化镓-磷化镓固溶体中，磷化镓的含量为5%，最高可以抵抗500℃以上的高温，禁带宽度为1.7eV，当载流子的浓度到达大约1017/cm3的时候，载流子的迁移率可以达到5000cm3/ v.s[3]，能够满足超高频大功率晶体的需要。

1.4 耐热的半导体材料

目前比较常见的材料主要有：氧化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、碳化硅和磷化镓等。但是只有碳化硅的整流器、碳化硅的二极管以及磷化镓的二极管能够真正做出器件。因为材料本身的治疗就比较差，所以做出的器件性能也不尽人意。所以，需要对耐高温半导体材料的应用进行更进一步的研究，满足器件的要求。

1.5 耐辐射的半导体材料

在原子能方面以及星际航行方面所使用的半导体电子器件，要有很强的耐辐照性。想要使半导体电子器件具有耐辐照的性能，就要求半导体所用的材料是耐辐照的。近几年来，有许多国家都对半导体材料与辐照之间的关系进行了研究，研究的材料通常都是硅和锗，但是硅和锗的耐辐射性能并不理想。据研究表明，碳化硅具有较好的耐辐照性，不过材料的掺杂元素不同，晶体生长的方式也就不一样，耐辐照的性能也就不尽相同[4]，这个问题还需要进一步研究。

2 晶体生长技术

2.1 外延单晶薄膜生长的技术

近年来，固体组件发展非常迅速，材料外延的杂质控制是非常严格的，由于器件制造用光刻技术之后，对外延片的平整度要求也较高，在技术上还存在着许多不足。除了硅和锗的外延之外，单晶薄膜也逐渐开展起来。使用外延单晶制造的激光器，可以在室内的温度下相干，这对军用激光器的制造有着重要的意义。

2.2 片状晶体的制备

在1964年的国际半导体会议中，展出了锗的薄片单晶，这个单晶长为2米，宽为8至9毫米，厚为0.3至0.5毫米，每一米长内厚度的波动在100微米以内，单晶的表面非常光滑并且平整，位错的密度为零[5]。如果在制造晶体管的时候，使用这种单晶薄片，就可以免去切割、抛光等步骤，不仅能够减少材料的浪费，还可以提升晶体表面的完整程度，从而提高晶体管的性能，增加单晶的利用率。对费用的控制有重要的意义。

3 半导体材料的展望

3.1 元素半导体

到目前为止，硅、锗单晶制备都得到了很大程度的发展，晶体的均匀性和完整性也都达到了比较高的水平，在今后的发展过程中，要注意以下几点：①对晶体生长条件的控制要更加严格；②注重晶体生长的新形式；③对掺杂元素的种类进行扩展。晶体非常重要的一方面就是其完整性，晶体的完整性对器件有着较大的影响，切割、研磨等步骤会破坏晶体的完整度，经过腐蚀之后，平整度也会受到影响。片状单晶的完整度和平整度都要优于晶体，能够避免晶体的缺陷。使用片状单晶制造扩散器件，不仅能够改善器件的电学性能，还可以降低器件表面的漏电率，所以，要对片状单晶制备的研究进行加强。

3.2 化合物半导体

化合物半导体主要有砷化镓单晶和碳化硅单晶。通过几年的研究发展，砷化镓单晶在各个方面都得到了显著的提高，但是仍然与硅、锗有很大的差距，因此，在今后要将砷化镓质量的提升作为研究中重要的一点，主要的工作内容有：①改进单晶制备的技术，提高单晶的完整度和均匀度；②提高砷化镓的纯度；③提高晶体制备容器的纯度；④通过多种渠道对晶体生长和引入的缺陷进行研究；⑤分析杂质在砷化镓中的行为，对高阻砷化镓的来源进行研究[6]。对碳化硅单晶的研制则主要是在完整性、均匀性以及纯度等三个方面进行。

4 结论

半导体器件的性能直接受半导体材料的质量的影响，半导体材料也对半导体的研究工作有着重要的意义。想要提高半导体材料的质量，就要将工作的质量提高，提高超微量分析的水平，有利于元素纯度的提高，得到超纯的元素。要提高单晶制备所使用容器的纯度。还要对材料的性能以及制备方法加大研究，促进新材料的发展。半导体材料的发展也与材料的制备，也就是晶体生长技术有关。因此，在半导体材料的发展过程中，不仅要发展拥有特殊优越性能的品种，也要对晶体发展的新技术进行研究开发。

参考文献

[1] 李忠杰.中国化工新材料产业存在的问题分析与对策[J].中国新技术新产品. 2011（02）：15-16

[2] 张方，赵立群.“石油和化学工业‘十二五’规划思路报告会”特别报导（三） 我国化工新材料发展形势分析[J].化学工业.2011（07）：55-57

[3] 原磊，罗仲伟.中国化工新材料产业发展现状与对策[J].中国经贸导刊.2010（03）：32-33

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引 言

随着经济的发展，全球能耗剧增，能源资源几近危机，想要降低能耗，实现可持续发展，研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷起源于20世纪50年代，由于它结构简单、通电制冷迅速，受到家电厂家的青睐。但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来，科学技术迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显现出来，广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。

1、半导体制冷国内外研究现状

从国内外文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随着半导体物理学的发展， 前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半导体材料 ， 有良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重视， 开启了半导体材料的新篇章， 各国的研究学者均致力于寻找新的半导体材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体材料系数2.4。宜向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细的分析。指出半导体材料的优值系数除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关， 不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸， 只有符合最优尺寸才能获得最大优值系数的半导体制冷器。

2、半导体制冷的工作原理

半导体制冷又称热电制冷，系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型半导体元件和N型半导体元件构成热电对，热电对两端均有金属片导流条。如图1所示：当电流流经热电对时，就会发射帕尔贴效应，电流在上端由N流向P，温度降低形成冷端，从外界吸热；电流在下端有P流向N，温度升高形成热端，向外界放热。

3、半导体制冷效率的影响因素

半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应， 还要考虑多种因素， 同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的， 不是独立的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点， 但也面临诸多难点，其中影响其制冷效率主要有两个基本因素：

（1） 半导体材料优值系数Z

半导体制冷的核心部件是热电堆，热电堆的半导体制冷材料热电转换效率不高，是半导体制冷空调器效率较低的主要原因。决定热电材料性能优劣的是优值系数Z 。若要半导体制冷效率达到机械制冷效率水平，制冷材料优值系数必须从3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如图2 给出了不同优值Z时，半导体制冷与机械式制冷制冷系数的比较结果。

（2） 半导体制冷装置热端散热效果的影响。

热电堆热端的散热效果是影响热电堆性能的重要因素。实际应用的半导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。而热端散热比冷端更为关键，如若设制冷器冷端散热量为Q1，热端散热量为Q2，系统工作消耗的电功为W0。

显然，Q2=Q1+W0

4、提高半导体制冷效率的途径

制冷效率低成为半导体制冷最大的不足，这限制了半导体制冷的推广和应用。为了提高半导体制冷的效率，就要从上文所介绍的两个影响因素入手，找出有效的解决方法。

（1）寻找高优值系数Z的半导体材料：研制功能性非均质材料、方钴矿的研究、带量子空穴的超晶格研究。

（2）优化设计半导体制冷热端散热系统，以保证热端的散热处于良好的状态。

5、半导体制冷应用与前景

随着低温电子学得到迅速的发展， 在多种元器件和设备冷却上， 半导体制冷有独特的作用。 采用半导体制冷技术， 对电子元件进行冷却， 能有效改善其参数的稳定性， 或使信噪比得到改善， 从而提高放大和测量装置的灵敏度和准确度。 半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷却电子器件和设备。

为了解决石油资源匮乏的问题，部分车辆使用天然气、乙醇作为燃料，但与使用汽油相比，汽车空调运行比较困难。半导体制冷空调冷热一体，独立运行，可直接利用车辆直流电源，因而系统简单，且与车辆具有很好的兼容性，因此半导体制冷在汽车领域内有较好的发展前景。

千瓦级以上的半导体制冷空调成本比压缩制冷空调成本要高的多。但百瓦级的小型空调装置的成本与压缩制冷空调的成本相差不大，且无制冷剂、调控方便、无噪音等特点，用于某些特殊的小型空间非常方便；而十瓦级的微型空调装置的成本则远低于压缩制冷装置，在电子设备冷却、局部微环境温度控制方面，具备压缩制冷装置无法替代的优势，使中小型半导体制冷空调器进入民用领域成为可能。

在半导体制冷技术的应用中，需要因地制宜，根据不用的使用要求，设计出不用的性能，以拓展该技术的应用领域，可以坚信，半导体制冷技术的未来会发展得越来越好，越来越广。■

参考文献

[1]谢玲，汤广发。半导体制冷技术的发展与应用[J]。洁净与空调技术，2008，01：68-71。

[2]罗清海，汤广发，李涛。半导体制冷空调的应用与发展前景[J]。制冷与空调，2005，06：5-9。

[3]宣向春，王维扬。 半导体制冷材料的发展[J]。 制冷技术，2001，02：37-41+48

[4] Venkatasubramanian R， etal[ J]1Nature12001， 413- 597

[5] 张文杰1 热电器件的热弹性应力分析及外加电、磁场环境下的性能测试[ D] 1 甘肃： 兰州大学， 2010

[6]马乔矢。半导体制冷技术的应用和发展[J]。沈阳建筑工程学院学报，1999，01：83-87。

[7]陈振林，孙中泉。半导体制冷器原理与应用[J]。微电子技术，1999，05：63-65。

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它的应用范围覆盖半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等朝阳领域。

它被视为未来支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，将引领光电产业的新一轮革命。

它就是以碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代半导体材料，如今世界各国争相布局的战略高地。

在世界范围内，第三代半导体材料在各个领域的产业成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍处于实验室研发阶段。尽管我国起步较晚，发展较缓，无论基础研究还是产业化推进都仍有很长的路要走，但这并未影响该领域内科研人员潜心攻关、奋起直追的决心。

哈尔滨工业大学基础与交叉科学研究院宋波教授，就是奋战在我国第三代半导体材料研究最前沿的优秀科研人员之一。

他L期从事第三代宽禁带半导体材料的生长与物性研究，凝练了气相质量输运动态平衡控制及温场调控等关键科学问题，对碳化硅、氮化铝等光电功能晶体生长过程的动力学优化、关键工艺参数控制与物理性质调控等相互关联的科学问题开展了系统研究，成果颇丰。

雏凤新声，结缘宽禁带半导体

一代材料，一代器件，一场革命。材料的重要性，在半导体产业已经得到印证。

以硅（Si）为代表的第一代半导体材料，引发了电子工业大革命；以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料，则拓展了半导体在高频、光电子等方面的应用，使人类进入光纤通信、移动通信的新时代。而如今，正是第三代半导体材料“大展身手”的时代。

第三代半导体材料又叫宽禁带半导体，是指禁带宽度大于2 eV（电子伏特）的一类半导体，以碳化硅、氮化铝、氮化镓、立方氮化硼（C-BN）等为主要代表。它们所表现出的高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势，吸引了业界的普遍关注，有望全面取代传统半导体材料，开启半导体新时代。

宋波进入这一领域是在博士阶段。那是2005年前后，他正就读于中国科学院物理研究所，师从我国著名晶体结构专家陈小龙研究员开展研究。当时国内宽禁带半导体研究起步不久，各项研究都非常薄弱。

2008年，宋波回到家乡哈尔滨，并在哈尔滨工业大学韩杰才院士引荐下加入该校基础与交叉科学研究院。在这里，宋波确立了宽禁带半导体生长与物性研究这一研究方向，立志从基础研究领域着手，改善我国关键性、基础性战略材料依赖进口的局面，促进宽禁带半导体材料和器件产业的发展，提升产业核心竞争力，缩小与西方国家的差距。

在近十年的研究过程中，宋波作为课题负责人承担了包括国家自然科学基金项目、总装“十二五”预先研究重点项目、科技部国际科技合作项目等在内的20多项科研项目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等国际著名SCI学术杂志上100余篇，论文被正面他引1000余次；获得授权发明专利13项。特别是在SiC基稀磁半导体和AIN基晶体生长研究方向，取得了一系列创新性成果，引领了国内外相关研究的进步，在行业内形成了一定的影响力。

层层深入，攻关SiC基稀磁半导体

稀磁半导体是自旋电子学的材料基础，能够同时利用电子的电荷属性和自旋属性，兼具半导体和磁性的性质，新颖而独特，是第三代半导体材料的热点研究之一。

现阶段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半导体的研究已经取得了突破性进展，但仍无法满足人们对自旋器件高温、高频、大功率和抗辐射等性能的要求，SiC基的出现恰逢其时。宋波在这一前沿方向进行了广泛而深入的研究，并取得了系列研究进展。

他提出了非磁性元素Al掺杂制备SiC基稀磁半导体，在200 K观察到了玻璃态的铁磁有序，同时实现了4H-SiC晶型的稳定可控。首次提出了非磁性元素掺杂AlN基稀磁半导体的研究思路，有效地避免磁性杂质的引入，为探讨稀磁半导体的磁性来源提供了理想的实验体系。

论文在2009年发表后，至今已被他引50余次，得到不少业内专业人士的直接认可，认为其启迪了思考。中国科学院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在论文中直言：宋等的工作显示了铁磁性不是来自磁性杂质而是来自于sp3杂化向sp3-sp2混合杂化转变的过程中所导致。

随着研究的不断深入，宋波的研究也渐入佳境――

同样在2009年，他利用在h-BN中的实验结果证实了美国布法罗州立大学Peihong Zhang教授等人的理论预言，即在带隙宽度达5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接诱导的内禀磁性。这一成果获得了包括波兰科学院物理研究院O. Volnianska教授在内的业界专家的正面引用和广泛认可。

2010年，他提出了双元素（Al，TM）复合掺杂SiC基稀磁半导体的研究思路。在Al掺杂稳定4H-SiC晶型的基础之上，同时掺杂磁性过渡金属元素，来获得高Tc、高矫顽力和高剩磁的稀磁半导体。

2011年，他提出了采用缺陷工程调控半导体磁性的新方向。与合作者一起采用中子辐照在碳化硅晶体中诱导出了以硅-碳双空位为主的缺陷，在实验上给出了硅-碳双空位导致铁磁性的证据，并从理论上揭示了双空位产生磁性的物理机制，证实了磁性元素并非半导体磁性的唯一来源，为深入探究宽禁带半导体的磁性起源提供了新的科学认识。在此之后，国内外有超过18个研究小组开展了缺陷诱导半导体磁性的研究工作，并在相关论文中引用了他们的成果，将其列为缺陷导致磁性的典型例子。

把握前沿，初探AIN晶体生长

AlN基的高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等现代化军事和航天装备等领域急需的电子器件。

宋波介绍，与其它的半导体材料相比，AlN基低维材料的形貌较为单一，这导致对其新性质和新应用的探索受到了较大的制约。

因此，深入开展生长动力学研究，探究生长过程中质量输运-温场分布-成核动力学的内在关联，从微观机理上阐述物性变化的原因，探索新奇物理效应，成为制约宽禁带半导体发展的关键科学问题，同时也是一项亟待开展的基础性研究工作。

在这一研究方向，宋波同样取得了不俗的成绩――

（一）在AlN机理生长方面，首次发现本征的六重螺旋生长机制。

他@得了单晶AlN纳米和微米弹簧、AlN螺旋结构、AlN平面六边形环等新颖纳米结构，系统性研究首次发现AlN纳米/微米结构和AlN单晶都遵循六重对称的旋转生长机制。

这一发现极大地丰富了人们对于AlN晶生长机理的认识，对调控AlN生长形貌，获得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶体具有重要参考价值。

（二）在AlN新物理性质探索方面，他首次在AlN微米螺旋结构中发现了时间长达300秒的长余辉效应。

研究中，他分别从理论和实验上对AlN螺旋结构中氮空位和铝间隙耦合效应进行了研究。首次发现氮空位和铝间隙的共同作用会诱导出新的能级，进而导致长余辉效应的显现。这一发现，丰富了人们对于AlN基本物理性质的认识，为设计和制造新型AlN基光电子器件提供理论指导。

在AlN纳米线螺旋结构的力学测试中首次发现了AlN单晶螺旋中存在弹性形变。该发现为制备AlN基纳米器件提供了进一步的认识。

（三）在AlN晶体生长方面，突破了多项关键技术，包括形核温度控制技术、晶粒长大过程控制技术、形核控制技术等。

研究中，宋波掌握了包括电阻率及均匀性控制技术、多型缺陷浓度控制技术以及晶体质量稳定性控制技术等在内的多项关键技术，获得了高质量的晶体材料。

他所获得的直径达35mm的双面抛光片，位错密度小于107个/cm2，申报了国家发明专利7项，研究水平居于国内领先地位。

他重新设计和研制了全钨的晶体生长炉、AlN原料原位补充系统和垂直梯度坩埚。试验结果表明，采用新的生长组合系统大大提高了AlN的晶体质量，其中AlN晶体的主要缺陷密度，特别是O（氧）含量降低了约3个数量级，电阻率提高了约2个数量级，为进一步获得高质量的AlN晶体提供了技术支撑。

多年来，宋波非常在意与国际学者的交流与合作，不仅承担了科技部国际科技合作项目，还在多年的研究中与美国威斯康星大学麦迪逊分校Song Jin教授、西班牙科尔多瓦大学Rafael Luque教授建立了广泛的合作关系。特别值得一提的，是在对俄对乌合作方面，宋波与俄罗斯科学院固体物理研究所国际知名晶体学家Vladimir Kurlov教授、国际SiC晶体生长专家Yuri Makarov教授，以及俄罗斯科学院西伯利亚分院半导体研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作关系，曾多次出访俄罗斯与乌克兰相关科研机构，为推动双方的科技交流合作作出了重要贡献。

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中图分类号:TP331文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)05-1238-02

On The Compound Semiconductor Materials

HAO Bin, WEN Kai

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)

Abstract: Compound semiconductor integrated circuits with ultra-high speed, low power, multi-functional, anti-radiation properties is widely used, GaAs, GaN, SiC as the main application of compound semiconductor materials. This article describes the advantages of compound semiconductor materials, and from GaAs, GaN, SiC formed part of the device.

Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC

目前,半导体器件已被广泛应用到各个领域中。但是随着科技的发展,由于硅的电子移动速度使得硅电路传输速度慢并且难以改善。因此新型半导体材料由此产生,以GaAs、GaN、SiC为代表的的化合物半导体是目前应用最广泛、发展最快。

1 化合物半导体材料优势

化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例,通过比较可得:1化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度,因此,可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。2肖特基势垒特性优越,容易实现良好的栅控特性的MES结构。3本征电阻率高,为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离,工艺简化,适合于微波电路和毫米波集成电路。4禁带宽度大,可以在Si器件难以工作的高温领域工。现在化合物半导体材料已广泛应用:在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面,另外还可用于手机、光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域。

2 化合物半导体器件

GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。以下介绍由这三种材料构成的部分器件。

2.1 GaAs材料

高电子迁移率晶体管(HEMT)器件实在能形成2DEG的异质结上用类似MESFET的工艺制成的场效应晶体管。源漏之间主要由2DEG的导电沟道提供,由势垒层上的肖特基栅施加偏压来改变耗尽区的厚度,从而控制沟道2DEG的浓度及器件的工作状态(如图1)。对这类器件若VGS=0时沟道中已有电子存在,则器件是耗尽型的;若沟道被耗尽则器件是增强型的。I-V特性为强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT都呈现出平方规律的饱和特性。

AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层 高纯GaAs层 n型AlGaAs层 n型GaAs层台面腐蚀隔离有源区制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层淀积Ti/Pt/Au栅电极。(如图2)

图1 GaAs HEMT中2-DEG图2 GaAs HEMT基本结构图3 PHEMT的基本结构

随后发现由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱,它能俘获和放出电子,使得2-DEG浓度随温度而改变,导致阈值电压不稳定。为了解决这个问题,采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2-DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。InGaAs层厚度约为20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之间的晶格失配(约为1%)而产生的应力,在此应力作用下,InGaAs的晶格将被压缩,使其晶格常数大致与GaAs与AlGaAs的相匹配,成为赝晶层。因为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着 i CGaAs层的作用,所以成为“赝”层,这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。

2.2 GaN材料

2.2.1 GaN基HEMT

目前GaN基HEMT器件的主要结构是基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件。由于极化效应,AlGaN/GaN异质结很容易出现2DEG,因此有常见工艺生长的绝大部分HEMT器件是属于耗尽型的。在尽量提高沟道2DEG浓度且保持其迁移率和速度,同时又不引起势垒应变弛豫的原则下,应用于HEMT器件的AlGaN/GaN异质结的结构参数已经优化到一个范围(势垒层的Al含量为0.2~0.3,厚度为20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件还有以下特性:1) 缓冲层漏电小即缓冲层呈高阻态且缺陷密度小形成高的输出阻抗;2) 高的击穿电压,对提高器件的输出功率和功率开关的电压承受能力非常重要;3) 跨导高且和栅压保持良好的线性关系,这与器件的频率特性和开关速度相关;4) 好的夹断特性; 5) 较高的截止频率;6) 良好的散热能力。GaN基HEMT的主要工艺为台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触。

2.2.2 GaN基HBT

异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区,大大提高了发射结的载流子注入效率;基区可以高掺杂(可高达1020cm-3),基区电阻rb可以显著降低,从而增加 fmax ;同时基区不容易穿通,从而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸缩小;发射结浓度可以很低(约1017cm-3),从而发射结耗尽层电容大大减小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研发为微波功率放大器件或高压开关器件,其目标特性为高射极注入系数、长的少子寿命、短的基区渡越时间、高击穿电压。

2.3 SiC材料

SiC基结型场效应晶体管(JFET)和肖特基栅场效应晶体管(MESFET)

SiC基MESFET和JFET的沟道载流子的等效迁移率比较高,因此SiC基MESFET主要被开发为微波功率器件,而JFET则是高压功率开关器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波频段,其性能优势为线性化程度比较理想,输出阻抗高,从而大大降低对匹配网络的要求,降低了制作和设计成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在较高和较低温度以及较高频率下工作。

3 结束语

化合物半导体集成电路和普通半导体集成电路相比具有明显的优势,适合于高频高速电路的要求。并且化合物半导体可以发光,可以实现光电集成。因此化合物半导体有更广泛的发展空间。

参考文献:

[1] 何杰,夏建白.半导体科学与技术[M].北京:科学出版社,2003.

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实验教学作为高校教学环节中的一个重要组成部分，不仅因为其是课堂教学的延伸，更由于通过实验教学，可以加深学生对理论知识的理解，培养学生的动手能力，拓展学生的创造思维［1，2］。实验教学分为基础实验和专业实验两部分［3，4］:基础实验面向全校学生，如大学物理实验、普通化学实验等，其主要任务是巩固学生对所学基础知识和规律的理解，旨在提高学生的观察、分析及解决问题的能力，提供知识储备［5，6］;与基础实验不同，专业实验仅面向某一专业，是针对专业理论课程的具体学习要求设计的实验教学内容，对于学生专业方向能力的提高具有极强的促进作用［7～8］。通过专业实验教学使学生能够更好的理解、掌握和应用基础知识和专业知识，提高分析问题的能力并解决生活中涉及专业的实际问题，为学生开展专业创新实践活动打下坚实的基础［9～11］。

1半导体物理实验课程存在的问题与困难

半导体物理实验是物理学专业电子材料与器件工程方向必修的一门专业实验课，旨在培养学生对半导体材料和器件的制备及测试方法的实践操作能力，其教学效果直接影响着后续研究生阶段的学习和毕业工作实践。通过对前几年本专业毕业生的就业情况分析，发现该专业毕业生缺乏对领域内前沿技术的理解和掌握。由于没有经过相关知识的实验训练，不少毕业生就业后再学习过程较长，融入企事业单位较慢，因此提升空间受到限制。1．1教学内容简单陈旧。目前，国内高校在半导体物理实验课程教学内容的设置上大同小异，基础性实验居多，对于新能源、新型电子器件等领域的相关实验内容完全没有或涉及较少。某些高校还利用虚拟实验来进行实验教学，其实验效果远不如学生实际动手操作。我校的半导体物理实验原有教学内容主要参照上个世纪七、八十年代国家对半导体产业人才培养的要求所设置，受技术、条件所限，主要以传统半导体物理的基础类实验为主，实验内容陈旧。但是在实验内容中添加新能源、新型电子器件等领域的技术方法，对于增加学生对所学领域内最新前沿技术的了解，掌握现代技术中半导体材料特性相关的实验手段和测试技术是极为重要的。1．2仪器设备严重匮乏。半导体物理实验的教学目标是使学生熟练掌握半导体材料和器件的制备、基本物理参数以及物理性质的测试原理和表征方法，为半导体材料与器件的开发设计与研制奠定基础。随着科学技术的不断发展，专业实验的教学内容应随着专业知识的更新及行业的发展及时调整，从而能更好的完成课程教学目标的要求，培养新时代的人才。实验内容的调整和更新需要有新型的实验仪器设备做保障，但我校原有实验教学仪器设备绝大部分生产于上个世纪六七十年代，在长期实验教学过程中，不少仪器因无法修复的故障而处于待报废状态。由于仪器设备不能及时更新，致使个别实验内容无法正常进行，可运行的仪器设备也因为年代久远，实验误差大、重复性低，有时甚至会得到错误的实验结果，只能作学生“按部就班”的基础实验，难以进行实验内容的调整，将新技术新方法应用于教学中。因此，在改革之前半导体物理实验的实验设计以基础类实验为主，设计性、应用性、综合性等提高类实验较少，且无法开展创新类实验。缺少自主设计、创新、协作等实践能力的训练，不仅极大地降低学生对专业实验的兴趣，且不利于学生实践和创新创业能力的培养，半导体物理实验课程的改革势在必行。

2半导体物理实验课程改革的内容与举措

半导体物理实验开设时间为本科大四秋季学期，该实验课与专业理论课半导体物理学、半导体器件、薄膜物理学在同一学期进行。随着半导体技术日新月异发展的今天，对半导体物理实验的教学内容也提出了新的要求，因此，要求这门实验课程不仅能够通过对半导体材料某些重要参数和特性的观测，使学生掌握半导体材料和器件的制备及基本物理参数与物理性质的测试方法，而且可以在铺垫必备基础和实际操作技能的同时，拓展学生在电子材料与器件工程领域的科学前沿知识，为将来独立开展产品的研制和科学研究打下坚实的基础。2．1实验基础设施的建设。2013年年底，基于我校本科教学项目的资金支持，半导体物理实验教学团队通过调研国内外高校现行半导体物理实验教学资料，结合我校实验教学的自身特点，按照创新教育的要求重新设计了半导体物理实验内容，并根据所开设实验教学内容合理配置相应的实验仪器设备，新配置仪器设备具有一定的前瞻性，品质优良，数量合理，保证实验教学质量。由于作为一门专业实验课，每学年只有一个学期承担教学任务，为了提高仪器设备的利用率，做到实验设备资源的不浪费，计划成立一间半导体物理实验专属的实验室，用于陈放新购置的实验设备，在没有教学任务的学期，该实验室做为科研实验室和创新创业实验室使用。通过近三年的建设，半导体物理实验专属实验室———新能源材料与电子器件工程创新实验室建成并投入使用，该实验室为电子材料与器件工程方向的本科生毕业论文设计以及全院本科生的创新创业实验设计提供了基本保障，更为重要的是该实验室的建成极大地改善了半导体物理实验的原有教学条件，解决了实际困难，使得半导体物理实验教学效果显著提升。不仅加强了学生对专业核心知识理解和掌握，而且启发学生综合运用所学知识创造性地解决实际问题，有效提高学生的实践动手能力、创新能力和综合素质。2．2实验教学内容的更新。半导体物理实验是一门72学时的实验课，在专属实验室建成后，按照重视基础、突出综合、强调创新、提升能力的要求，逐步培养与提高学生的科学实验素质和创新能力，构建了“九—八—五”新的实验内容体系，包括如下三个层次(表1)。第一层次为“九”个基础型实验，涵盖对半导体材料的物理性质(结构、电学、光学)的测定，通过对物理量的测量验证物理规律，训练学生观察、分析和研究半导体物理实验现象的能力，掌握常用基本半导体物理实验仪器的原理、性能和测量方法等。第二层次为“八”个提高型实验(综合、应用性实验)，学生通过第一层次的实验训练后，已掌握了基本的实验方法和技能，在此基础上，开展综合性实验，可以培养学生综合运用所学知识以及分析和解决问题的能力。通过应用性实验培养学生将来利用设备原理从事生产或者技术服务的能力。第三层次为“五”个设计创新型实验，学生需运用多学科知识、综合多学科内容，结合教师的科研项目进行创新研究，通过设计型实验可以锻炼学生组织和自主实验的能力，着力培养学生创新实践能力和基本的科研素质。每个基础型实验4学时，提高型实验8学时，创新型实验12学时，规定基础型为必修实验，提高型、创新型为选作实验。九个基础型实验全部完成后，学生可根据兴趣和毕业设计要求在提高型、创新型实验中各分别选做一定数量的实验，在开课学期结束时完成至少72个学时的实验并获得成绩方为合格。2．3实验教学方式的优化。在教学方式上，建立以学生为中心、学生自我训练为主的教学模式，充分调动学生的主观能动性。将之前老师实验前的讲解转变为学生代表讲解实验内容，然后老师提问并补充完善，在整个实验安排过程中，实验内容由浅入深、由简单到综合、逐步过渡至设计和研究创新型实验。三个层次的实验内容形成连贯的实验梯度教学体系，在充分激发学生学习兴趣的同时，培养学生自主学习、自发解决问题的能力。2．4实验考核机制的改革。目前大部分实验课的成绩由每次实验后的“实验报告”的平均成绩决定，然而单独一份实验报告并不能够完整反应学生的实际动手操作能力和对实验内容的熟悉程度。因此，本课程将此改革为总成绩由每次“实验”的平均成绩决定。每次实验成绩包括实验预习、实验操作和实验报告三部分，实验开始前通过问答以及学生讲解实验内容来给出实验预习成绩;实验操作成绩是个团队成绩反映每组实验学生在实验过程中的动手能力以及组员之间的相互协助情况;针对提高型和创新性实验，特别是创新性实验，要求以科技论文的形式来撰写实验报告，以此来锻炼本科生的科技论文写作能力。通过三部分综合来给出的实验成绩更注重对知识的掌握、能力的提高和综合素质的培养等方面的考核。

3半导体物理实验课程改革后的成效

半导体物理实验在我校本科教学项目的支持下，购置并更新了实验设备建立了专属实验室，构建了“九—八—五”新实验内容体系，并采用新的教学方式和考核机制，教师和学生普遍感觉到新实验教学体系的目的性、整体性和层次性都得到了极大的提高。教学内容和教学方式的调整，使学生理论联系实际的能力得到增强，提高了学生的积极性和主动性。实验中学生实际动手的机会增多，对知识的渴求程度明显加强，为了更好地完成创新设计实验，部分本科生还会主动去查阅研中英文科技文献，真正做到了自主自觉的学习。通过实验课程的教学，学生掌握了科技论文的基本格式，数据处理的图表制作，了解了科学研究的过程，具备了基本的科研能力，也为学生的毕业设计打下了良好的基础。与此同时，利用新购置的实验设备建立的实验室，在做为科研实验室和创新创业实验室使用时，也取得了优异的成绩。依托本实验室，2015年“国家级大学生创新创业训练计划”立项3项，2016年“国家级大学生创新创业训练计划”立项4项。

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近几年来，宽禁带半导体发光材料引起人们极大的兴趣，是因为这些材料在蓝光及紫外光发光二极管、半导体激光器和紫外光探测器上有重要的应用价值。这些器件在光信息存储、全色显示和紫外光探测上有巨大的市场需求，人们已经制造出III族氮化物和ZnSe等蓝光材料，并用这些材料制成了高效率的蓝光发光二极管和激光器，这使全色显示成为可能。量子点（QuantumDot）凭借自身独特的光电特性越来越受到人们的重视，成为研究的热点。

由于量子点所具有的量子尺寸、量子隧穿、库仑阻塞、量子干涉、多体关联和非线性光学效应非常明显，故在低维量子结构的研究中，对载流子施以尽可能多的空间限制，制备零维量子点结构并开发其应用，受到世界各国科学家和企业家的高度重视。

1、半导体量子点的制备方法

高质量半导体量子点材料的制备是量子器件和电路应用的基础，如何实现对无缺陷量子点的形状、尺寸、面密度、体密度和空间分布有序性等的可控生长，一直是材料科学家追求的目标和关注的热点。

应变自组装量子点结构生长技术是指在半导体外延生长过程中，由于衬底和外延层的晶格失配及表面、界面能不同，导致外延层岛状生长而制得量子点的方法。这种生长模式被称为SK生长模式。外延过程的初期为二维平面生长，平面生长厚度通常只有几个原子层厚，称为浸润层。随浸润层厚度的增加，应变能不断积累，当达到某一临界层厚度时，外延生长则由二维平面生长向三维岛状生长过渡，由此形成直径为几十纳米、高度为几纳米的小岛，这种材料若用禁带较宽的材料包围起来，就形成量子点。用这种方法制备的量子点具有尺寸小、无损伤的优点。用这种方法已经制备出了高质量的GaN量子点激光器。

化学自组装量子点制备方法是一种通过高分子偶联剂将形成量子点的团簇或纳米颗粒联结起来，并沉积在基质材料上来制备量子点低维材料的方法。随着人们对量子线、量子点制备和应用的迫切需求，以上物理制备方法显得费时费力，特别是在批量制备时更是如此，化学自组装为纳米量子点的平面印刷和纳米有机-无机超晶格的制备提供了可能。由于化学自组装量子点的制备具有量子点均匀有序、制备速度快、重复性好等优点，且选用不同的偶联剂可以对不同的量子点前驱颗粒进行不同对称性的组装，从而能制备出不同的量子点。它的出现为批量制备高功率半导体量子器件和激光器提供了一种有效的途径，因此这种方法被认为是制备量子点最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半导体量子点的发光原理和发光特性

2.1 发光原理

半导体量子点的发光原理（如图1-1所示），当一束光照射到半导体材料上，半导体材料吸收光子后，其价带上的电子跃迁到导带，导带上的电子还可以再跃迁回价带而发射光子，也可以落入半导体材料的电子陷阱中。当电子落入较深的电子陷阱中的时候，绝大部分电子以非辐射的形式而猝灭了，只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回到导带。因此当半导体材料的电子陷阱较深时，它的发光效率会明显降低。

2.2 发光特性

由于受量子尺寸效应和介电限域效应的影响，半导体量子点显示出独特的发光特性。主要表现为：（1）半导体量子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来加以调控；（2）半导体量子点具有较大的斯托克斯位移和较窄而且对称的荧光谱峰（半高全宽只有40nm）；（3）半导体量子点具有较高的发光效率。半导体量子点的发光特性，除了量子点的三维量子限制作用之外，还有其他诸多因素需要考虑。不过人们通过大胆尝试与努力探索，已在量子点的发光特性研究方面取得了很大的进展。

3、量子点材料的应用

鉴于量子点的独特理化性质，科学工作者就量子点材料的应用研究开展了大量的工作，研究领域主要集中在纳米电子学、光电子学、生命科学和量子计算等领域，下面介绍一下量子点在这些方面的应用。

3.1量子点激光器

用量子线或量子点设计并制作微结构激光器的新思想是由日本的两名年轻的科学家在1982年提出了，但是由于制备工艺的难度很大而搁浅。随着技术的进步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技术，通过 Stranski―Krastanow（S―K）模式生长In（Ga）As/GaAs自组装量子点等零维半导体材料有了突破性的进展，生长出品格较完整，尺寸较均匀，且密度和发射率较高的InAs量子点，并于1994年制备出近红外波段In（Ga）As/GaAs量子点激光器。

3.2量子点红外探测器

半导体材料红外探测器的研究一直吸引人们非常广泛的兴趣。以量子点作为有源区的红外探测器从理论上比量子阱红外探测器具有更大的优势，这些优势包括：（1）量子点探测器可以探测垂直入射的光，无需像量子阱探测器那样要制作复杂的光栅；（2）量子点分立态的间隔大约为50meV-70meV，由于声子瓶颈效应，电子在量子点分立态上的弛豫时间比在量子阱能态上长，这有利于制造工作温度高的器件；（3）三维载流子限制降低了热发射和暗电流；（4）探测器不需冷却，这将会大大减少阵列和成像系统的尺寸及成本。因此，量子点探测器已经成为光探测器研究的前沿，并取得了重大进展。

3.3 单电子器件

电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本原理，通过控制在微小隧道结体系中单个电子的隧穿过程来实现特定功能的器件，是一种新型的纳米电子器件。

3.4 量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合单电子量子点上的自旋态来构造量子比特，实现信息传递的方法。

除此之外，量子点在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。

结束语 我们相信量子点技术应用的未来出现很多奇迹，随着对量子点的深入研究，其在各个领域的应用前景还将更加广阔。

参考文献

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

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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（Smart cut）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。

2.2 GaAs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980nm InGaAs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120K 5μm和250K 8μm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Picogiga MBE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/GeSi MODFET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Lars Samuelson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=67 GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 GaN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6H SiC单晶与外延片，以及3英寸的4H SiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2 GaAs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。

篇9

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。

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中图分类号：TN782 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 11-0000-02

准确可靠的触发是脉冲功率技术研究的重要内容。随着脉冲功率技术的发展，触发源技术也日新月异，新型触发源不仅要求快导通前沿、高重复频率还要有高稳定度。上世纪70年代在线性和非线性两种模式下，它对控制光脉冲有很好的响应，几乎可以实现与光同步，它带领着脉冲功率触发技术走到了另一个时代。

一、光导开光

光导半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脉冲激光器和光电半导体相结合形成的新型器件，通过触发光对半导体材料电导率的控制实现开关的关断和导通。PCSS具有响应速度快（小于0.6ps），重复率高（GHz量级）、易于精确同步（触发晃动仅ps量级）、不易受电磁干扰（光电隔离）、耐高压、寄生电感电容小、结构简单灵活等优点。随着研究的不断深入，至今已能利用光导开光技术研制太赫兹脉冲发生器，结合fs激光触发，光导开光可以产生高功率皮秒脉冲和脉宽在ps量级的电磁辐射，拥有从接近直流到THz级的超宽频带，为超宽带雷达的实现提供了可能。

GaAs光电导开关是由脉冲激光器与半绝缘GaAs相结合形成的器件，如图1所示，基于内光电效应工作原理。

（一）光导开光结构

常见的光导开关结构有横向结构、平面结构和相对电极结构。根据光电导开关的偏置电场和触发光脉冲的入射方向关系可将开关分为横向开关和纵向开关两种基本结构，如图2所示。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互垂直时，为横向结构的光电导开关。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互平行时，为纵向结构的光电导开关。

横向光电导开关光作用区域面积大。无论光的吸收深度是几微米还是几百微米，所有光都被激活区吸收。在线性模式均匀光照条件下，开关的峰值电流、上升时间和脉宽仅仅依赖于触发光脉冲的幅值、脉宽、载流子复合时间和开关所处电路结构。横向光电导开关的缺点是在工作时，由于偏置电场穿通开关整个表面，从而使得开关的表面击穿场强远小于材料的本征击穿强度。开关常常会出现表面闪络或沿面放电等现象，从而大大限制了开关的耐压能力和功率容量。

纵向结构开关可以减少开关表面电场，从而提高开关的击穿电压。但这种开关的主要缺点是开关至少需要一个透明电极，而这种透明电极的制作工艺非常复杂。此外开关芯片的吸收深度对开关的瞬态特性有较大影响。

横向开关和纵向开关各有优缺点，具体选用哪一种结构的开关，要根据开关的具体应有来决定。由于横向光电导开关制作简单，有较大光照面积和电导通道，可以用较宽波长范围的光来触发，因而在制作大功率光电导开关时主要采用横向结构的开关。

（二）光导开关半导体材料

光导开关的发展与半导体材料技术的发展密切相关。在半导体材料的发展过程中，一般将以硅（Si）为代表的半导体材料称为第一代半导体材料；将以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体称为第二代半导体材料：将以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带化合物半导体称为第三代半导体材料。与之相对应，相继出现了Si光导开关、GaAs光导开关和SiC光导开关。

Si光导开关，由于Si禁带宽度窄，载流子迁移率低等特点不适合制作超快大功率光导开关；GaAs光导开关，虽然GaAs的大暗态电阻率和宽禁带有利于制作大功率器件，但由于GaAs热导率低、抗高辐射性能较差，运行过程中容易出现热奔和锁定效应，限制了GaAs光导开关窄高温、高重复速率、高功率和高辐射环境中的使用；SiC光导开关可以将触发光的能力大大降低，但其在高电压下容易击穿，在高重复频率下容易出现热击穿，且只能工作在线性模式下。

二、皮秒脉冲源

项目主要任务就是研制一个高稳定度快脉冲源装置，该装置的主要功能是：接到系统给出的触发指令后，打开电光开关，输出脉宽约为2ns的光脉冲，驱动光导开关输出高压脉冲信号。要求输出的高压脉冲信号前沿小于200ps，幅度为3～5kV，系统晃动时间不大于250ps。

本方案的基本工作原理如图3所示：利用高压电源对储能电容充电，充电完成后，激光器在接到触发脉冲指令时，发出脉宽为2ns的光脉冲信号驱动光导开关，储能电容内存储的能量通过光导开关释放到取样电阻上，输出高压脉冲信号。

本项目技术关键点主要在于两个方面：a.主脉冲波形的质量，包括主脉冲的峰值、脉宽、前后沿以及稳定性；b.触发脉冲至主脉冲1的时间间隔T1的稳定性。为了获得满足技术指标要求的主脉冲信号，主放电回路拟采用光导开关对贮能元件进行放电。由于光导开关具有高速导通和关断、高稳定性的特点，只要选择合适的基本回路参数可以确保获得高质量的满足指标要求的主脉冲信号。电路基本参数仿真机波形如图4、5、6所示。

三、结论

光导开关在2ns激光脉冲控制下，输出高压脉冲与控制光脉冲响应良好，上升时间169ps，脉宽2ns。利用光导开关设计的皮秒脉冲发生器可以在重复频率下工作，图7为75kHz下高压脉冲输出波形。

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