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篇(1)

關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

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

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(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC’s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0．18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm,0．13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進(jìn)一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)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(kāi)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(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)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(lái)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(lái)提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。

2.2GaAs和InP單晶材料

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

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

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：（1）．增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。(2)．提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。（3）．降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。（4）．GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)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(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)材料。

(1)Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)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(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1．5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)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(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開(kāi)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(lái)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(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)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(wú)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(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3．7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)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(guò)渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)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(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)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(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

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

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0．9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)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?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。

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

基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)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(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。

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

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)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(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開(kāi)關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)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(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)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(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)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(duì)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(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)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(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)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(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開(kāi)采以及國(guó)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(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0．5W。在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)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(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)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)帯Ｆ渌鸖iC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開(kāi)始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過(guò)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(guò)1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)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(duì)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(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)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(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)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(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)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(huì)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(kāi)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(jiàn)光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1．5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。

4量子比特構(gòu)建與材料

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

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

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

5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)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(huì)改變，至今國(guó)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(guó)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(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開(kāi)展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開(kāi)發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)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(guó)應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，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(kāi)盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)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(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)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(wàn)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(guó)際水平。

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

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

篇(2)

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體；材料與器件；教學(xué)改革

0 引言

《半導(dǎo)體材料與器件》是信息顯示與光電子工程本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在使學(xué)生理解并掌握半導(dǎo)體材料的物理學(xué)的理論體系及基本器件的功能和應(yīng)用，了解半導(dǎo)體器件的特性以及相應(yīng)的儀器檢測(cè)方法，儀器測(cè)試原理，以及相關(guān)理論；了解半導(dǎo)體物理學(xué)發(fā)展的前沿及發(fā)展動(dòng)態(tài)。同時(shí)，使學(xué)生學(xué)習(xí)本課程領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，提高專業(yè)英語(yǔ)的聽(tīng)說(shuō)讀寫(xiě)能力，全面提高中英文專業(yè)水平，為社會(huì)輸送高質(zhì)量人才。

1 優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)

合適的教材是保證雙語(yǔ)教學(xué)能夠順利進(jìn)行的前提，擁有外文原版教材是雙語(yǔ)教學(xué)的必要條件。目前，在國(guó)內(nèi)找不到一本合適的半導(dǎo)體材料與器件方面的教材；相關(guān)教材，如劉恩科等編著的《半導(dǎo)體物理學(xué)》、孟慶臣等編著的《半導(dǎo)體器件物理》、田敬民編著的《半導(dǎo)體物理問(wèn)題與習(xí)題》，鄧志杰等編的《半導(dǎo)體材料》，楊樹(shù)人等編《半導(dǎo)體材料》，但能同時(shí)滿足《半導(dǎo)體材料與器件》教學(xué)要的教材還沒(méi)有。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資料搜索，我們找到了相關(guān)的英文原版教材《Semiconductor Materials and Device Characterization》，是由美國(guó)Arizona State University 的Dieter K. Schroder教授等著作的，這本書(shū)系統(tǒng)地介紹了半導(dǎo)體材料與器件的基本參數(shù)、特性、測(cè)試儀器以及測(cè)試方法和原理，是一本優(yōu)秀的教材，先后在美國(guó)、加拿大、德國(guó)等地出版。在國(guó)內(nèi)，尚未有出版發(fā)行，亦沒(méi)有影印版可以借鑒。另外，還有一些地道的英文原版教材，如University of Florida的Franky So等編著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》，Robert F. Pierret等編著的《Semiconductor Device Fundamentals》。通過(guò)充分整合這些優(yōu)秀教材，建立教材庫(kù)，供教學(xué)使用，將為半導(dǎo)體材料與器件教學(xué)提供有力保障。

2 新型雙語(yǔ)教學(xué)模式的探索

2.1 傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)方式的改進(jìn)

傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)方法，一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在極短的時(shí)間內(nèi)，傳授完大部分的課本知識(shí)，節(jié)省時(shí)間。但是，其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，不利于學(xué)生消化、吸收新知識(shí)，造成“左耳進(jìn)、右耳出”的現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象，我們針對(duì)《半導(dǎo)體材料與器件》這門課的教學(xué)方式特作改進(jìn)。以知識(shí)點(diǎn)串講的方式取代傳統(tǒng)的逐章逐節(jié)的講解模式，做到一半以上的時(shí)間用英語(yǔ)講解，對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)分別用中、英文對(duì)譯；穿插師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，課堂提問(wèn)，鼓勵(lì)學(xué)生用英語(yǔ)作答，營(yíng)造雙語(yǔ)學(xué)習(xí)環(huán)境。考慮到這門課的開(kāi)設(shè)，設(shè)置在第6個(gè)學(xué)期，學(xué)生經(jīng)過(guò)近3年的大學(xué)英語(yǔ)學(xué)習(xí)，應(yīng)該具備一定的英文閱讀寫(xiě)作能力，可以安排一些調(diào)研性內(nèi)容，以報(bào)告或小論文的形式體現(xiàn)。對(duì)于個(gè)章節(jié)中專業(yè)詞匯和專業(yè)術(shù)語(yǔ)，提前發(fā)放給學(xué)生自學(xué)，以減輕課堂負(fù)擔(dān)。根據(jù)循序漸進(jìn)的原則，講解的時(shí)間逐漸縮短，點(diǎn)到為止，啟發(fā)式教學(xué)。另外，還可以穿插一些最新的研究動(dòng)態(tài)，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用以及科學(xué)前沿有所了解，提高學(xué)習(xí)興趣，樹(shù)立科技知識(shí)不斷更新進(jìn)步的理念。

2.2 學(xué)生講授課程的探索

在吃透半導(dǎo)體材料與器件這門課的基礎(chǔ)上，精煉教學(xué)內(nèi)容，簡(jiǎn)化PPT課件，在保證不減少知識(shí)點(diǎn)的以及課程進(jìn)度的前提下，適當(dāng)添加一些學(xué)生講授課程的比例，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)其知識(shí)獲取、內(nèi)化、表達(dá)的能力，內(nèi)容以課本知識(shí)點(diǎn)為主，形式上可以多樣化，如分組討論、隨機(jī)抽查、即興演講等；給學(xué)生表現(xiàn)自己才能的機(jī)會(huì)，營(yíng)造口語(yǔ)表達(dá)的環(huán)境，解決“開(kāi)口難”的難題。條件許可的情況下，邀請(qǐng)外籍老師來(lái)聽(tīng)課、指導(dǎo)工作?？紤]到學(xué)生之間的差異，針對(duì)英語(yǔ)基礎(chǔ)較差和化學(xué)背景比較薄弱的同學(xué)，可以單獨(dú)進(jìn)行輔導(dǎo)，開(kāi)開(kāi)“小灶”，做到因材施教。

3 考核方式的探索

加大平時(shí)分所占的比例?，F(xiàn)有的考核方式為（30%）平時(shí)分 + （70%）期末考試卷面分?jǐn)?shù)，這不利于公平評(píng)價(jià)學(xué)生雙語(yǔ)課的成績(jī)，因?yàn)槁?tīng)、說(shuō)能力沒(méi)有得到體現(xiàn)。既然這樣，就應(yīng)該在平時(shí)的表現(xiàn)中體現(xiàn)出來(lái)，如，可以將平時(shí)分提高到40%，甚至50%，將學(xué)生平時(shí)在課堂上的聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫(xiě)等表現(xiàn)情況也納入平時(shí)分的考核中來(lái)，在雙語(yǔ)課程考核中，增加這么一條；當(dāng)然，平時(shí)分還應(yīng)包括出勤率、課堂表現(xiàn)、習(xí)題作業(yè)完成情況等，一并納入到平時(shí)分的考核中來(lái)，這樣的考核方式應(yīng)該更客觀、有效。對(duì)于平時(shí)的習(xí)題，任課老師要做到及時(shí)評(píng)閱，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)錯(cuò)誤之處要進(jìn)行評(píng)述，習(xí)題必須用英語(yǔ)表述，包括老師對(duì)習(xí)題的評(píng)閱，也必須用英語(yǔ)，錯(cuò)誤之處要用英語(yǔ)糾正，起到示范作用。

4 考試題型多樣化，增加贈(zèng)分題

考試題型多樣化，除了常見(jiàn)的五大題型，即選擇題、填空題、名詞解釋、簡(jiǎn)答題、論述題，可以試探性的增加贈(zèng)分題。贈(zèng)分題應(yīng)該是一些難度較大的綜合題，以激勵(lì)那些優(yōu)秀的學(xué)生深入學(xué)習(xí)科技知識(shí)、施展才藝，同時(shí)拉開(kāi)不同層次學(xué)生之間的距離，體現(xiàn)層次，進(jìn)一步充分做到優(yōu)生優(yōu)培，因材施教。

5 結(jié)論

雙語(yǔ)課的教學(xué)是一項(xiàng)巨大而漫長(zhǎng)的人才培養(yǎng)工程，要遵循漸進(jìn)的原則。本文就《半導(dǎo)體材料與器件》這門課的雙語(yǔ)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題做出了討論，試探性的提出了新的雙語(yǔ)教學(xué)模式、優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)以及評(píng)價(jià)方式的變革，以便更好地為社會(huì)需求培養(yǎng)高素質(zhì)人才。

【參考文獻(xiàn)】

篇(3)

【關(guān)鍵詞】高電子遷移率晶體管（HEMT）；閾值電壓；氧等離子體處理；跨導(dǎo)

1.引言

寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化稼（GaN），以其良好的物理化學(xué)特性、電學(xué)特性成為目前研究最多的半導(dǎo)體材料，它是繼第一代半導(dǎo)體材料硅（Si）和第二代半導(dǎo)體材料砷化嫁（GaAs）、磷化嫁（GaP）、磷化錮（InP）等之后迅速發(fā)展起來(lái)的第三代半導(dǎo)體材料。與目前大多數(shù)的半導(dǎo)體材料相比，GaN半導(dǎo)體材料具有一系列優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，有禁帶寬度大，電子飽和漂移速度大，熱導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前高科技領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。自從1991年首次報(bào)道以來(lái)，雖然AlGaN/GaN HEMT的器件性能一直在不斷提高，但是要真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，應(yīng)用于集成電路中，仍有許多需要解決的問(wèn)題，如如何更好更簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器件閾值電壓、提高器件的導(dǎo)通電流就是其中之一。

本實(shí)驗(yàn)提出了一種簡(jiǎn)單方便的降低器件閾值電壓、提高器件導(dǎo)通電流的柵表面處理方法。通過(guò)氧等離子體對(duì)HEMT器件AlGaN表面進(jìn)行氧化處理，提高了器件肖特基勢(shì)壘，降低了器件閾值電壓。同時(shí)氧等離子體處理的表面不會(huì)引入新的絕緣膜而影響器件特性。

圖1 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)示意圖

圖2 柵金屬形成后器件圖

（AlGaN周圍淺綠色為柵金屬8nm Au）

2.結(jié)構(gòu)與工藝

HEMT的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)，如圖1所示，AlGaN/GaN HEMT器件的AlGaN和GaN界面處會(huì)形成一個(gè)2DEG的表面通道，此2DEG受控于柵極電壓。零偏時(shí)，GaN的導(dǎo)帶邊緣低于費(fèi)米能級(jí)，表明存在大密度2DEG；在柵極加負(fù)電壓時(shí)，GaN的導(dǎo)帶邊緣會(huì)逐漸上升，2DEG的密度減少，當(dāng)負(fù)電壓達(dá)到一定值后，GaN的導(dǎo)帶邊緣會(huì)高于費(fèi)米能級(jí)，這就意味著2DEG被耗盡，HEMT的溝道中電流幾乎為零，將這一電壓稱為閾值電壓。

本實(shí)驗(yàn)采用的外延材料是用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的方法生長(zhǎng)在藍(lán)寶石（0001）襯底上的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由西安電子科技大學(xué)微電子所提供。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)材料如圖1所示，由上到下依次是：約2nm厚的GaN蓋帽層、20nm厚的非故意摻雜的Al0.25Ga0.75N勢(shì)壘層、1nm厚的AlN插入層、1.5um厚的非故意摻雜的GaN緩沖層，最后是低溫生長(zhǎng)的約200nm的AlN緩沖層，室溫霍爾測(cè)試測(cè)得的二維電子氣濃度為0.77×1013cm-2。

AlGaN/GaN HEMT研制一般主要分以下三步工藝：

（1）隔離島形成，ICP刻蝕；

（2）歐姆接觸形成，電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au金屬；

（3）金屬柵形成，電子束蒸發(fā)Ni/Au金屬。

本文主要是在第三步金屬柵工藝前對(duì)AlGaN表面進(jìn)行一次不同條件的氧等離子體Plasma處理。為了對(duì)比不同條件下氧Plasma對(duì)器件性能的影響，將HEMT器件分成A、B兩組。具體工藝如下：

先依次對(duì)A、B兩組樣品進(jìn)行柵表面處理，使用M4L干法去膠機(jī)處理樣品以去除底膠，功率為200W，時(shí)間90s，之后使用HCl（1：10）水溶液清洗90s以去除氧化層。

再分別對(duì)2部分樣品進(jìn)行處理：A部分不做任何處理，直接淀積柵金屬進(jìn)行測(cè)試；B部分采用O2 plasma在200W功率條件下處理5min，然后再淀積柵金屬介質(zhì)層，所用設(shè)備均為M4L干法去膠機(jī)。

完成上面對(duì)AlGaN表面的處理后，電子束蒸發(fā)厚度為8nm的Au，然后丙酮浸泡處理10min，剝離工藝形成長(zhǎng)金屬柵，最后乙醇清洗5min，去離子水沖洗10遍。柵金屬形成后的樣品如圖2所示。使用設(shè)備PM8屏蔽探針臺(tái)和HP4145B半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試及分析。

3.結(jié)果與討論

圖3所示為AlGaN表面未進(jìn)行氧Plasma處理的樣品A和經(jīng)過(guò)5min氧Plasma處理的樣品B分別所對(duì)應(yīng)的輸出曲線，測(cè)試條件為Vds從0V掃描到15V，步長(zhǎng)為0.5V，Vgs從-7V掃描到2V，步長(zhǎng)為1V。從圖3中可以看出，未進(jìn)行氧Plasma處理的樣品A在Vgs=2V，Vds=10V時(shí)的飽和電流約為0.0687A/mm=68.7mA/mm，經(jīng)過(guò)5min氧Plasma處理后的樣品B在Vgs=2V，Vds=10V時(shí)的飽和電流上升為0.0747A/mm=74.7mA/mm。這一結(jié)果表明經(jīng)過(guò)5min氧Plasma處理后的器件表面并未受到損傷，而是提高了器件的飽和電流。

圖4所示為A、B兩種樣品的轉(zhuǎn)移、跨導(dǎo)曲線，測(cè)試條件為Vds偏置在5V，Vgs從-7V掃描到2V，步長(zhǎng)為0.1V。未進(jìn)行氧Plasma處理的樣品A的最大跨導(dǎo)在Vgs=-1V處，為0.00871S/mm=8.71mS/mm，漏電流為0.027288A/mm=27.288mA/mm，經(jīng)過(guò)5min氧Plasma處理后的樣品B的最大跨導(dǎo)出現(xiàn)在約Vgs=-1.5V處，負(fù)向偏移了約0.5V，最大跨導(dǎo)為0.00948S/mm=9.48mS/mm，漏電流為0.029165A/mm=29.165mA/mm，均比氧Plasma處理前有所提高。這一結(jié)果表明氧Plasma處理后提高了器件的最大跨導(dǎo)，提高了器件性能。

由HEMT器件飽和區(qū)電流公式：

及HEMT器件跨導(dǎo)公式：

可知器件飽和電流及跨導(dǎo)均與閾值電壓有較大關(guān)聯(lián)，目前閾值電壓的提取方法有很多，包括恒定電流法、線性區(qū)外推法、跨導(dǎo)外延法、二次求導(dǎo)法、比率法、積分法、飽和區(qū)提取法等，本文采用飽和區(qū)提取法。

由飽和區(qū)電流公式推出：

即當(dāng)器件工作在飽和區(qū)時(shí)，與成線性關(guān)系，當(dāng)為0時(shí)，此時(shí)的柵偏置即近似于閾值電壓。圖5是圖4中的轉(zhuǎn)移曲線開(kāi)方后所得到的曲線，圖中實(shí)線標(biāo)注部分為擬合區(qū)間，其中圖5a為未經(jīng)過(guò)氧Plasma處理的樣品A的～曲線，其一階擬合方程為y=-0.19527+0.0293x，在軸上的截距約為-6.66，所以其閾值電壓約為-6.66V；圖5b為經(jīng)過(guò)5min氧Plasma處理的樣品B，其一階擬合方程為y=-0.21411+0.02943x，在軸上的截距約為-7.27，所以其閾值電壓約為-7.27V。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)氧Plasma處理后，HEMT器件閾值電壓發(fā)生了負(fù)移，由于閾值電壓的減小，提高了器件的飽和區(qū)電流、跨導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)與理論值相符。

對(duì)于氧Plasma處理AlGaN表面可以降低HEMT器件閾值電壓的原因可能是器件表面形成了一層氧化膜，即AlGaN與O2發(fā)生了反應(yīng)，反應(yīng)方程為：

相當(dāng)于器件表面多了一層薄Al2O3絕緣層[6]，然后再淀積柵金屬8nm Au，Al2O3禁帶寬度大，如圖6所示：

圖6 Al2O3和Al0.3Ga0.7N的能帶圖

由于在AlGaN與柵金屬Au之間多了一層薄Al2O3層，相當(dāng)于降低了Au與AlGaN之間的肖特基勢(shì)壘高度，根據(jù)閾值電壓公式：

其中為肖特基勢(shì)壘高度，即經(jīng)過(guò)氧Plasma處理后的樣品的降低了，減小。從而提高了器件的飽和導(dǎo)通電流，提高了器件的電學(xué)特性。

4.結(jié)論

本文研究了一種簡(jiǎn)單的提高HEMT器件電學(xué)性能的工藝方法，通過(guò)對(duì)HEMT中AlGaN表面進(jìn)行適當(dāng)條件的氧Plasma處理，可以有效降低器件閾值電壓，提高器件飽和區(qū)電流，從未處理前的68.7mA/mm上升至74.7mA/mm，同時(shí)也提高了器件最大跨導(dǎo)，從未處理前的8.71mS/mm上升至9.48mS/mm。因此該方法可有效的應(yīng)用于高性能GaN HEMT器件的制備應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)

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[3]薛偉，李加?xùn)|，謝杰，等.高靈敏度AlGaN/GaN HEMT生物傳感器設(shè)計(jì)及制作[J].微納電子技術(shù).

篇(4)

關(guān)鍵詞：保溫控制；TEC；DS18b20；多通道

中圖分類號(hào)：V443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

在現(xiàn)代，CCD相機(jī)在多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，成為人類獲取信息的主要工具之一。做為一種半導(dǎo)體集成器件，CCD相機(jī)對(duì)環(huán)境溫度變化非常敏感，環(huán)境溫度過(guò)高，引起光學(xué)和機(jī)械誤差將導(dǎo)致相機(jī)的視軸漂移和光學(xué)系統(tǒng)的波前畸變，造成影像模糊，嚴(yán)重破壞成像質(zhì)量，而環(huán)境溫度過(guò)低直接會(huì)導(dǎo)致CCD相機(jī)不能工作。這就限制了其在一些溫度環(huán)境相對(duì)惡劣條件下的使用 。如產(chǎn)品環(huán)境模擬試驗(yàn)，環(huán)境溫度低溫達(dá)到-40℃，高溫要60℃，這就要求CCD相機(jī)應(yīng)具有較寬的工作溫度適應(yīng)能力，通常有兩種方法，一是采用制造工藝，生產(chǎn)寬溫器件，二是采用保溫措施保證CCD器件的工作環(huán)境溫度，因后者的成本較前者低，被廣泛采用。據(jù)此文中設(shè)計(jì)了多通道CCD保溫儀，采用DS18b20為溫度傳感器和TEC半導(dǎo)體為制冷制熱器件，STC89c52為中心控制器件，可實(shí)現(xiàn)-50℃～+70℃較惡劣環(huán)境溫度下CCD相機(jī)正常過(guò)工作條件。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同時(shí)測(cè)溫，而且測(cè)溫精度較高，圖1是保溫儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體框架。

1.1單片機(jī)控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由STC89C52進(jìn)行集中控制和管理。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 。

1.2單總線測(cè)溫系統(tǒng)

DS18b20是由美國(guó)DALLAS公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理 。

DS18b20獨(dú)特的單線接口方式，它與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18b20的雙向通信，并且支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫，在使用中不需要任何元件，全部傳感器及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，測(cè)量溫度范圍為-55℃―+125℃，可編程分辨率為9―12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃，在-10℃―+85℃時(shí)精度為±0.5℃ 。

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是控制保溫儀的加熱、制冷，以及散熱。通常制冷有風(fēng)冷、水冷、壓縮機(jī)制冷、TEC制冷等幾種方式 。本系統(tǒng)采用TEC加熱/制冷，TEC是利用半導(dǎo)體的熱―電效應(yīng)制取冷量的器件，又稱熱―電制冷片 。利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，實(shí)現(xiàn)制冷的目的 。本系統(tǒng)采用TEC1-12706。系統(tǒng)采用了6片制冷片，同時(shí)控制六個(gè)保溫儀，輸入電壓選用12V，總的制冷功率達(dá)到 330W。為了保證TEC加熱制冷功率，會(huì)在TEC的一面加上散熱組件（風(fēng)扇和散熱片）。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路如圖4（a）所示，由單刀雙擲繼電器、PNP8550、IN4007以及 兩端接的TEC組成，通過(guò)三極管 、 的導(dǎo)通和截止來(lái)控制繼電器的吸合與斷開(kāi)，從而使TEC兩端導(dǎo)通，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加熱或是制冷。繼電器兩端反接的二極管IN4007為消耗二極管，用來(lái)消耗反向電動(dòng)勢(shì)。

1.4 LCD顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)采用128×64 的 LCD 顯示器。5V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，液晶顯示模塊是 128×64 點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo) GB2312碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)（16×16 點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8×16 點(diǎn)陣）及 64×256 點(diǎn)陣顯示 RAM（GDRAM）。與 CPU 直接接口，提供兩種接口來(lái)連接微處理機(jī)：8位并行及串行兩種連接方式 。 本系統(tǒng)采用并行鏈接方式。圖5是其和單片機(jī)的接口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是保溫儀的重要組成部分，軟件流程圖如圖6所示。

上電以后，單片機(jī)首先對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置與繼電器連接的個(gè)引腳輸出低電平，繼電器斷開(kāi)，制冷組件停止工作，然后初始化12864，初始化DS18b20溫度傳感器，開(kāi)始測(cè)溫，需要注意的是由于系統(tǒng)是多通道DS18b20同時(shí)測(cè)溫，所以需要先將DS18b20溫度傳感器的序列號(hào)讀取出來(lái)，然后在測(cè)溫時(shí)通過(guò)匹配序列號(hào)判斷所讀取的是哪個(gè)保溫儀的溫度，最后將各保溫儀的溫度與設(shè)定值相比較，如果不在設(shè)定溫度范圍內(nèi)則調(diào)用溫控子程序。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，在最開(kāi)始將系統(tǒng)的溫度值設(shè)定為高溫25℃，低溫20℃，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要，設(shè)定溫度警報(bào)值，當(dāng)某個(gè)保溫儀內(nèi)溫度超出警報(bào)溫度范圍，則調(diào)用報(bào)警程序，并盡快將系統(tǒng)關(guān)閉，以免將其他器件燒毀。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

應(yīng)用在高低溫環(huán)境下對(duì)瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，，需要CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，試驗(yàn)溫度要求在-50℃～60℃。圖9（a）為高低溫箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，將CCD相機(jī)及保溫儀系統(tǒng)放到放在高低溫箱內(nèi)部，高低溫箱負(fù)責(zé)給實(shí)驗(yàn)提供溫度條件。（b）保溫儀實(shí)物圖。

℃

高低溫箱溫度 1號(hào)保溫箱內(nèi)溫度 2號(hào)保溫箱內(nèi)溫度 3號(hào)保溫箱內(nèi)溫度 4號(hào)保溫箱內(nèi)溫度

-50℃ 19.8℃ 19.6℃ 19.4℃ 19.6℃

-40℃ 19.9℃ 19.7℃ 19.6℃ 19.4℃

0℃ 21.3℃ 22.1℃ 21.4℃ 21.7℃

40℃ 23.2℃ 24.1℃ 23.8℃ 24.0℃

50℃ 24.9℃ 25.1℃ 24.8℃ 25.0℃

保溫儀是為確保在一些極端溫度下實(shí)驗(yàn)可以正常進(jìn)行，所以系統(tǒng)采用的測(cè)溫精度為0.1，由測(cè)量結(jié)果可以看出在高溫和低溫情況下保溫儀內(nèi)溫度合理的控制在了CCD相機(jī)的工作溫度范圍呢，且四通道恒保溫儀溫度一致性比較好，溫度波動(dòng)性小與±1℃，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

采用DS18b20為溫度傳感器的多通道TEC保溫儀，電路簡(jiǎn)單，不易干擾，不僅為高低溫下進(jìn)行的CCD圖像采集實(shí)驗(yàn)提供了溫度保障，并且也可以應(yīng)用與其他極端溫度下的實(shí)驗(yàn)，為工作溫度范圍較窄的電子器件提供溫度保障，保證了個(gè)電子器件在高溫或是低溫下正常工作，不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，并且生產(chǎn)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，適合與多種實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)中。

參考文獻(xiàn)

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篇(5)

關(guān)鍵詞：InP；HEMT；流體力學(xué)模型；特性仿真

1 前言

InP基高電子遷移率晶體管（HEMT），相比與于傳統(tǒng)的晶體管器件，以其獨(dú)特的高遷移率、低噪聲、高增益特性，在國(guó)防航天、毫米波通信、衛(wèi)星遙感以及雷達(dá)等軍民用領(lǐng)域，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景[3，4]。本文通過(guò)模擬仿真研究 InP基 HEMT 器件的基本特性，包括直流特性，交流特性等，對(duì)器件的工藝設(shè)計(jì)有著重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì) InP 基 HEMT 進(jìn)行了制備上的大量研究，但是對(duì)器件模型以及仿真平臺(tái)的研究還有大量的工作，以及其他技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)上的研究有待進(jìn)一步進(jìn)行。

本文的工程中，采用 Sentaurus TCAD 半導(dǎo)體器件模擬仿真軟件，針對(duì) InP 基HEMT 建立流體力學(xué)模型的模擬仿真平臺(tái)，通過(guò)觀察分析仿真的結(jié)果，為化合物半導(dǎo)體器件的進(jìn)一步研究提供了理論支持。

2 InP 基 HEMT 仿真模型分析

半導(dǎo)體器件在仿真的時(shí)候使用的物理模型包括傳統(tǒng)的蒙特卡羅模型、傳統(tǒng)的漂移擴(kuò)散模型和適合深亞微米器件的流體力學(xué)模型。出于計(jì)算效率的原因，本文主要使用了流體力學(xué)模型模擬仿真了 InP 基 HEMT 的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性和頻率特性。并對(duì)其進(jìn)行了分析研究。

3 In P基HEMT器件仿真特性研究

用Sentaurus TCAD 軟件進(jìn)行InP基InGaAs/InAlAs 材料HEMT 器件的仿真，主要研究分析了其直流特性和交流特性，結(jié)果顯示該模型能夠很好的對(duì)目標(biāo)器件進(jìn)行特性上的仿真。

本論文所建工程中，器件上層為高摻雜帽層，以減小接觸電阻。中間為T型柵，其次為12nm厚InAlAs厚勢(shì)壘層，再加上Si材料delt 摻雜層，提供溝道層的二維電子氣。下面是 3nm 厚 In Al As 材料的隔離層。溝道層材料為InGaAs材料，厚度為15nm。下層為緩沖層和InP材料襯底。

3.1 直流特性分析

圖2和圖3分別表示不同柵槽深度器件的轉(zhuǎn)移特性，跨導(dǎo)，和輸出特性。從仿真結(jié)果中可以看出，柵槽越深，閾值電壓越大，而跨導(dǎo)值也會(huì)變大，輸出特性的值會(huì)減小。因此，柵槽深度對(duì)器件直流特性的影響相當(dāng)重要，要得到較好的器件特性，應(yīng)綜合考慮柵槽深度對(duì)各種參數(shù)的影響，從而在器件的實(shí)際制作中結(jié)合工藝制作相應(yīng)的尺寸。

不同柵槽寬度對(duì)器件特性的影響可由圖 4 和圖5 顯示。根據(jù)仿真過(guò)程發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對(duì)器件的轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)有很大影響。沒(méi)有合適的柵槽寬度，會(huì)得到很不理想的特性曲線。經(jīng)過(guò)不斷的嘗試，最終得到合適的柵槽寬度。由仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對(duì)輸出特性的影響并沒(méi)有跨導(dǎo)那么大。仿真結(jié)果符合實(shí)際。在實(shí)際柵槽腐蝕中，柵槽寬度很難控制，往往材料在橫向上是相同的，腐蝕液很容易擴(kuò)散，因此實(shí)際的腐蝕寬度很難把握，而縱向是異種材料，通過(guò)選擇腐蝕比較容易控制柵槽的縱向深度。

如圖6 所示，柵極勢(shì)壘值對(duì)轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)的影響僅限于增大減小閾值電壓，對(duì)跨導(dǎo)的大小并沒(méi)有影響。從圖7可以看出，對(duì)于輸出特性，不同勢(shì)壘值影響了其輸出值的大小，隨著Vd的增大，曲線先增大后趨于穩(wěn)定。從器件結(jié)構(gòu)可知，勢(shì)壘的不同使柵極電壓對(duì)二維電子氣的濃度的影響有所變化，因此導(dǎo)致了輸出Id的不同。

3.2 交流特性分析

結(jié)合實(shí)際工藝中的柵槽腐蝕，定義了不同柵槽深度，主要仿真了不同柵槽深度下的fmax和fT，分析了柵槽深度對(duì)器件交流特性的影響。

HEMT交流特性中，我們主要關(guān)注器件的頻率特性，其中最重要的兩個(gè)指標(biāo)分別為截止頻率fT以及最高振蕩頻率fmax，截止頻率指的是漏極電流的增益h21下降為1時(shí)的頻率。最高振蕩頻率fmax時(shí)的是晶體管的單向化功率增益為1時(shí)的器件工作頻率，也是器件所能進(jìn)行功率放大作用的最高工作頻率[5]。

從圖8和圖9仿真結(jié)果可以看出，深槽深度在3nm時(shí)的fmax和ft均大于1nm和5nm時(shí)，即表明，柵槽深度在一個(gè)合適值的時(shí)候，fmax和ft才會(huì)達(dá)到最大值，而且柵槽深度不應(yīng)該過(guò)小，也不應(yīng)該過(guò)大，應(yīng)處于一個(gè)合適的區(qū)間。這一仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際器件研發(fā)有直到性的意義，應(yīng)綜合分析器件各特性，尋找最合適的柵槽深度。據(jù)調(diào)研，目前數(shù)字腐g這一方法可以精確刻蝕柵槽深度，因此對(duì)制造理想柵槽深度的器件很有意義。

4 結(jié)論

從仿真結(jié)果來(lái)看，所建立的InP基HEMT器件模型具有良好的半導(dǎo)體器件特性，適用于高頻電路。但仍需不斷優(yōu)化改良，后續(xù)的工作可進(jìn)一步放在 HEMT的柵槽。應(yīng)進(jìn)一步完善柵槽腐蝕的工藝，確保柵槽腐蝕更為精確，以免與實(shí)際要求差異太大而影響器件的應(yīng)用。在仿真工作中，所模擬的摻雜情況與實(shí)際器件可能有一定差異，為更精確的模擬器件，還應(yīng)該進(jìn)一步研究所建立的器件模型中的摻雜分布情況，并完善SDE中的模型。

參考文獻(xiàn)

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篇(6)

關(guān)鍵詞：電子材料；工藝學(xué)；實(shí)驗(yàn)研究；本科教學(xué).

【中圖分類號(hào)】G642

本論文受濟(jì)南大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（JZC12002）支持。

一、前言

電子材料是材料科學(xué)與電子科學(xué)與技術(shù)、半導(dǎo)體材料和新能源材料相融合的交叉邊緣學(xué)科，其課程體系設(shè)計(jì)的背景是基于電子和微電子器件、光電子器件以及新能源器件產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)功能需求和未來(lái)巨大發(fā)展?jié)摿1]。隨著電子科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)電子工藝學(xué)業(yè)提出了越來(lái)越高的要求，人們?cè)趯?shí)踐中不斷探索新的工藝方法，尋找新的工藝材料，使電子工藝學(xué)的內(nèi)涵及外延迅速擴(kuò)展。可以說(shuō)，電子工藝學(xué)是一門充滿蓬勃生機(jī)的技術(shù)學(xué)科。電子工藝技術(shù)雖然在生產(chǎn)實(shí)踐中一直被廣泛應(yīng)用，但作為一門學(xué)科而被系統(tǒng)研究的時(shí)間卻不長(zhǎng)。系統(tǒng)論述電子工藝的書(shū)刊資料不多?；谀壳皣?guó)內(nèi)外電子材料工藝技術(shù)為背景，本學(xué)院在拓展本科教學(xué)專業(yè)方面，設(shè)置《電子材料工藝學(xué)》作為一門重要的課程之一，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)擬開(kāi)展一系列針對(duì)該工藝學(xué)的一系列課程實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)一方面要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深入理解傳統(tǒng)電子材料工藝在材料性能中的作用。另一方面，結(jié)合目前半導(dǎo)體與微電子應(yīng)用領(lǐng)域制造工藝，讓同學(xué)們熟悉先進(jìn)的電子材料工藝，掌握關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)?！峨娮硬牧瞎に噷W(xué)》匹配系列環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)，有助于完善新版電子材料專業(yè)方向?qū)嶒?yàn)的教學(xué)文件，初步建設(shè)科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)體系，通過(guò)加強(qiáng)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中教學(xué)與實(shí)驗(yàn)信息的互相反饋，為科學(xué)合理的培養(yǎng)目標(biāo)電子材料專業(yè)方向?qū)I(yè)人才奠定基礎(chǔ)。

二、《電子材料工藝學(xué)》課程匹配實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在該《電子材料工藝學(xué)》課程內(nèi)容設(shè)置中，通過(guò)對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域的介紹，讓學(xué)生初步了解各類電子材料的基本概念，掌握電子陶瓷材料的界定和分類，初步掌握典型電子陶瓷的組成、制備工藝、性能，同時(shí)了解電子薄膜材料與納米晶體的應(yīng)用和相關(guān)工藝。在內(nèi)容上為了突出材料性能在器件中的應(yīng)用和熟悉電子材料專業(yè)方向的材料結(jié)構(gòu)和工藝內(nèi)容，額外增加了半導(dǎo)體、微電子、光電子和能源電子方面的知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)，為了更好地讓同學(xué)們認(rèn)識(shí)電子材料工藝過(guò)程，擬在該課程中設(shè)置系列匹配實(shí)驗(yàn)，讓同學(xué)們更好掌握本門課程?；凇峨娮硬牧瞎に噷W(xué)》課程內(nèi)容擬增設(shè)如下配套實(shí)驗(yàn)，以保證教學(xué)效果。在電子陶瓷成型工藝實(shí)驗(yàn)方面，側(cè)重突出陶瓷原料球磨、混料、煅燒、二次球磨、造粒、成型、燒結(jié)等重要工藝環(huán)節(jié)的工藝；重點(diǎn)掌握球磨時(shí)間、混料時(shí)間、成型壓力、燒結(jié)溫度及保溫時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)影響情況；通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠更好更全面的掌握所學(xué)知識(shí)。

1.在薄膜制備工藝實(shí)驗(yàn)上，考慮到氣相法制備薄膜工藝需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而液相法成本相對(duì)較低。因此在實(shí)驗(yàn)中，首選以溶膠凝膠工藝為基礎(chǔ)的液相薄膜制備工藝。溶膠凝膠（Sol-gel）法是制備材料方法中新興起的一種濕化學(xué)方法。它的基本原理是：以金屬醇鹽或其它金屬無(wú)機(jī)鹽的溶液作為前軀體溶液，在低溫下通過(guò)溶液中的水解、聚合等化學(xué)反應(yīng)，首先生成均一穩(wěn)定的溶膠；然后根據(jù)溶膠凝膠制備薄膜工藝的原理，可分為以下幾個(gè)過(guò)程：1溶膠在基片旋涂形成濕膜；2基片烘干形成干膜；3基片快速熱處理形成薄膜結(jié)晶相；4薄膜表征。設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)可以讓同學(xué)們重點(diǎn)掌握上述幾個(gè)工藝環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，熟悉陶瓷薄膜制備液相工藝。

2.在納米粉體制備實(shí)驗(yàn)上，側(cè)重突出利用濕化學(xué)工藝制備納米粉體工藝。液相反應(yīng)法作為一種制備超細(xì)粉體的方法成為各國(guó)材料科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。常用的液相反應(yīng)法有共沉淀法、水解法、溶膠凝膠法、微乳液反應(yīng)法等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)以溶膠凝膠工藝作為主要內(nèi)容，首先生成溶膠，進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠，然后經(jīng)過(guò)熱處理或減壓干燥，在較低溫度下制備出各種無(wú)機(jī)材料或復(fù)合材料的方法?？梢?jiàn)根據(jù)溶膠凝膠法的原理，可將溶膠-凝膠法分為以下幾個(gè)過(guò)程：1溶膠制備過(guò)程；2凝膠形成過(guò)程；3陳化過(guò)程；4干燥過(guò)程；5熱處理過(guò)程。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上從前驅(qū)體溶液的制備到后續(xù)納米粉體煅燒與表征形成一系列標(biāo)準(zhǔn)工藝，讓同學(xué)們有深刻了解并掌握相關(guān)工藝參數(shù)。

3.基于光刻工藝的應(yīng)用背景而言，在開(kāi)設(shè)《電子材料工藝學(xué)》課程過(guò)程中，設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制造工藝中光刻實(shí)驗(yàn)對(duì)于同學(xué)們掌握課程知識(shí)有很大幫助，同樣也利于后續(xù)就業(yè)。以介質(zhì)陶瓷單層電容（SLC）的制備為例，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括：1MN陶瓷基片準(zhǔn)備；2設(shè)計(jì)掩模板；3陶瓷基片勻膠及烘干；4曝光顯影及后烘；5陶瓷基片蒸電極；6lift-off工藝，剝離電極；7切割與性能測(cè)試。通過(guò)上述工藝過(guò)程，可以繼續(xù)采用劃片機(jī)根據(jù)SLC電容的分布，沿著分割線進(jìn)行線切割，形成單個(gè)的電容或電容陣列；利用探針臺(tái)與測(cè)試儀器配套搭建測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，進(jìn)行評(píng)估。

三、結(jié)論

基于上述考慮，《電子材料工藝學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置一方面可以培養(yǎng)學(xué)生掌握電子材料工藝操作的基本技能，充分理解工藝工作在材料制造過(guò)程中的重要地位，從更高的層面了解現(xiàn)代化電子材料工藝的全過(guò)程，了解目前我國(guó)電子材料工藝中最先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備。另一方面掌握電子材料制備工藝；借助于相關(guān)工藝實(shí)驗(yàn)有助于同學(xué)們掌握相關(guān)行業(yè)背景知識(shí)，熟悉材料工藝過(guò)程，使學(xué)生成為將來(lái)掌握相應(yīng)工藝技能和工藝技術(shù)管理知識(shí)、能指導(dǎo)電子產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)工藝、能解決實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的專業(yè)技術(shù)骨干奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

篇(7)

【關(guān)鍵詞】光催化；鉍氧鹵；水熱法；溶劑熱法；改性

前言

光催化技術(shù)由于具有低能耗，操作簡(jiǎn)便而顯出其優(yōu)越性，被廣泛用于能源和環(huán)境科學(xué)中。為了高效地利用太陽(yáng)光，人們已經(jīng)合成了各種不同的半導(dǎo)體光催化材料。研究發(fā)現(xiàn)許多Bi基化合物都具有光催化性能，Bi基化合物中最有代表性的是鹵氧化鉍（BiOX）系列化合物，鹵氧化鉍BiOX作為一種新型光催化劑[1],具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)和合適的禁帶寬度,從而顯示出其優(yōu)異的光催化性能。BiOCl、BiOBr和BiOI的禁帶寬度分別為3.22 eV, 2.64 eV和1.77 eV，因此BiOCl在紫外光下響應(yīng)，而B(niǎo)iOBr和BiOI在可見(jiàn)光下響應(yīng)。下面我們將對(duì)BiOX的制備、改性以及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1.制備方法

制備微納米鹵氧化鉍的方法主要有水熱法、溶劑熱法、高壓噴濺沉積法、微乳液法、超聲法、化學(xué)氣相法、溶膠凝膠法。其中，水熱法和溶劑熱法是文獻(xiàn)中常見(jiàn)的BiOX化合物合成方法。

王云燕[2]等用硝酸鉍轉(zhuǎn)化水解法制了BiOCl粉末，得到的顆粒大小一般在幾百個(gè)納米到幾個(gè)微米之間。Xia[3]等以乙二醇為助劑，在離子液體存在的環(huán)境下，溶劑熱法合成了空心球狀BiOI。Zhang[4]等用微波輔助溶劑熱法合成微球狀BiOBr。J. Henle等[5]用反相微乳法合成BiOX(X=C1，Br，I)納米粒，Wang[6]等用靜電紡絲技術(shù)制備出BiOCl和Bi2O3納米纖維，Lei等[7]用聲化學(xué)合成BiOCI二維納米盤和三維層狀結(jié)構(gòu)，Peng等[8]用低溫化學(xué)氣相法合成單晶BiOCl納米結(jié)構(gòu)。

2.改性方法

為進(jìn)一步提高BiOX的催化性能，大量的研究實(shí)驗(yàn)圍繞著對(duì)其進(jìn)行改性展開(kāi)。

通過(guò)添加表面活性劑，在有機(jī)溶劑體系中反應(yīng)，可以得到不同形貌的催化劑。Xiong[9]等用乙二醇和二甘醇制備了方形的BiOCl納米片。Kun Zhang[10]等采用檸檬酸誘導(dǎo)合成了BiOCl超微晶，其形態(tài)從單晶到多晶都有，并且具有鳥(niǎo)巢的形態(tài)和凹形的結(jié)構(gòu)。張禮知[11]通過(guò)晶面控制制備了BiOCl光催化劑，主要暴露了{(lán)001}和{010}晶面，在紫外光照下降解MO，{001}晶面明顯優(yōu)于{010}，而在可見(jiàn)光下，{001}反而不如{010}。

貴金屬沉積主要是把Ag，Au，Pt等沉積在催化劑表面，利用貴金屬的等離子共振效應(yīng)，提高催化性能。Zhu[12]等把Ag沉積到BiOI表面制成了Ag/BiOI催化劑，在可見(jiàn)光下，Ag/BiOI光催化殺滅大腸桿菌和去除重金屬離子Cr比單一的BiOI活性高。Dong[13]等制備了花層狀中孔BiOI/BiOCl復(fù)合催化劑，該催化劑能夠降解室內(nèi)有害有毒氣體NO。Zhang[14]等合成了WO3/BiOCl異質(zhì)結(jié)，其在可見(jiàn)光下，降解羅丹明B的性能比單一的BiOCl、WO3都要好。Su[15]等把BiOI和多壁碳納米管(MWCNT)復(fù)合，明顯改善了BiOI的催化性能。

3.光催化應(yīng)用進(jìn)展

目前為止，BiOX及改性BiOX半導(dǎo)體材料主要用于有機(jī)污染物、有害氣體、重金屬離子及細(xì)菌光催化降解，光解水以及太陽(yáng)能電池等。Li[41]等制得的BiOCl/BiOI異質(zhì)結(jié)，可見(jiàn)光下有效地降解甲基橙和羅丹明B染料；Zhu[36]等制成的Ag/BiOI催化劑可見(jiàn)光下殺滅大腸桿菌和去除重金屬離子Cr；Dong[38]等制備的BiOI/BiOCl復(fù)合物，降解室內(nèi)有害有毒氣體NO。

致謝：

本論文得到中國(guó)博士后自然基金（20110491387）和江蘇省高校自然基金（16211101）資助，特此致謝！

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