半导体材料论文范文

半导体材料论文范文第1篇

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

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

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配

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

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

3光子晶体

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

4量子比特构建与材料

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

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

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

5发展我国半导体材料的几点建议

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

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

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

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

本文限于篇幅，只讨论了几种最重要的半导体材料，II－VI族宽禁带与II－VI族窄禁带红外半导体材料，高效太阳电池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及发展迅速的有机半导体材料等没有涉及。

半导体材料论文范文第2篇

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。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。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

本文限于篇幅，只讨论了几种最重要的半导体材料，II－VI族宽禁带与II－VI族窄禁带红外半导体材料，高效太阳电池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及发展迅速的有机半导体材料等没有涉及。

半导体材料论文范文第3篇

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。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。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

本文限于篇幅，只讨论了几种最重要的半导体材料，II－VI族宽禁带与II－VI族窄禁带红外半导体材料，高效太阳电池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及发展迅速的有机半导体材料等没有涉及。

半导体材料论文范文第4篇

【关键词】半导体材料；发展；现状

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

1.对半导体材料的概念性理解

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

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

2.半导体材料的历史发展及早期应用

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

2.1半导体材料发现之初的特性

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

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

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

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

2.2半导体材料在早期的应用情况

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

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

3.现代半导体材料的发展情况

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

3.1我国半导体材料领域的发展情形

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

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

3.2新型半导体材料的发展介绍

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

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

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

4.结语

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

参考文献：

[1]甘倩.浅谈LED路灯在城市道路照明中的应用[J].建筑工程技术与设计，2014，（12）：477-477.

[2]黄裕贤.浅谈157nm激光微加工工艺及自动化编程[J].科学与财富，2015，（7）：560-560.

[3]胡凤霞.浅谈半导体材料的性能与应用前景[J].新教育时代电子杂志（教师版），2016，（13）：267.

[4]张利学，孙维国，吕衍秋等.InAs/GaSbⅡ类超晶格材料台面腐蚀[J].红外与毫米波学报，2014，33（5）：472-476.

半导体材料论文范文第5篇

关键词：半导体材料；教学内容；教学方法；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）10-0085-02

材料是人类文明的里程碑，其中半导体材料更是现代高科技的基础材料。近年来，半导体材料在国民经济和前沿科学研究中扮演越来越重要的角色，引起了社会的广泛关注。半导体材料作为材料科学与工程专业的核心专业课，主要是通过研究学习Si、Ge、砷化镓等为代表的半导体材料的性质、功能，内容涉及晶体生长、化学提纯、区熔提纯等半导体材料的生长制备方法及半导体材料的结构、缺陷和性能的分析和控制原理。随着现代科技的飞速发展，该学科也更新换代加快，形成了一些新的理论和概念。为了进一步提高对半导体材料课程的教学质量，我们借鉴国内外大学先进的教学理念，对该课程存在的问题进行了总结，并提出了新的教学改革。

一、课程存在的问题

在半导体材料课程的教学实践过程中，存在诸多的问题，例如该课程教材包含的内容非常宽泛，理论强且概念多而抽象；部分内容与其他课程的重复性相对较高，使得学生缺乏学习兴趣；更主要的是教材内容大多注重理论，而忽视了实践的重要性，缺少对前沿科学知识的相关介绍。此外，目前传统的课堂教学方法主要是简单的教师讲述或者板书课件的展示形式，学生被动地接受知识，部分学生只能通过死记硬背的方式来记住教师所传授的基础理论知识，长此以往，只会加重学生对该课程的厌学情绪。此等只会与因材施教背道而驰，扼杀学生的个性和学习的自主性，不利于培养创造新型科学性专业型人才。

二、课程改革的必要性

《半导体材料》课程以介绍半导体材料领域的基础理论为目的，从常见半导体的性质，揭示不同半导体材料性能和制备工艺之间的关系，全面阐述各半导体材料的共性基础知识与其各自适应用于的领域。在当今信息时代科技的飞速发展中，只有结合理论和实践才能发挥半导体的最大效用，才能更有效地掌握其深度和广度，这些对后续课程的实施也有着一定的影响。作为材料科学与工程专业的重要专业课程之一，除了让学生学习理论知识，更重要的是培养学生的科学实践能力和职业技能，以适应当今社会的发展。针对以上存在的问题，半导体材料的教学改革迫在眉睫。由此才可以改变学生的学习现状，调动和提高学生的学习兴趣，提高教学质量，使得我们所学知识真正为我们所用。

三、教学内容的改革

1.内容的改革。对传统的半导体材料教学内容的改革，从根本上来看最重要的是引入前沿知识，实现内容的创新，并且使得理论联系实际。下图是目前我校的半导体材料的基本内容，如下：

目前我校的半导体材料课程内容主要由以上几个部分组成，其中A、B两部分的内容为重要部分，整个学期都在学习；而C部分相对来说比较次要，在学习过程中大概讲述一至两种半导体材料，剩下的部分属于自学部分，也不在考试范围内；至于专业课的实验，也相对较少且没有代表性。该课程是在大三上学期开设的，对于处于这个阶段的学生来说，面临这考研或就业的选择与准备过程中。所以作为一门专业课，除了注重半导体材料的特性、制备和应用方面的知识外，更重要的是半导体材料的应用领域和研究现状相结合，增加其实用性，不管对考研，还是就业的同学来说，都有一定的帮助。对于改革后的教学内容，除了增加对图1中C部分的重视度，其次，应增加各模块：目前半导体材料的热点应用领域及研究现状。还有图1中的A、B部分可适当地减少，因为在其他的专业课程都有学习过，对于重复的知识巩固即可，没必要再重点重复学习。对于实验课，相对于实验室来说，能够操作的实验往往没有多大的挑战性，有条件的话能够进入相关企业观摩，身临其境的感受有意义得多。

在实际的课程教学过程中，除了学习常见半导体材料的发展历史和研究方法外，介绍一些新型的半导体材料及其应用领域，例如半导体纳米材料、光电材料、热电材料、石墨烯、太阳能电池材料等，使学生能够区分不同半导体各自的优缺点；除了介绍晶体生长、晶体缺陷类型的判定及控制的理论知识外，介绍几种生产和科研中常见的材料检测方法，如X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱仪、荧光光谱等。此外，还可以介绍当前国内外的半导体行业的现状和科技前沿知识，让学生清楚半导体行业存在的一些问题需要他们去完成，以激发学生的使命感和责任感。在讲授各种外延生长的设备和原理时，应介绍一些相关的科学研究工作，如真空镀膜、磁控溅射等。另外，可以以专题的形式，介绍一些前沿内容，如半导体纳米材料、石墨烯方面的研究进展和应用前景等，拓宽学生的知识面，以激发学生的研究兴趣和培养创新意识。

2.教材参考书的选择。《半导体材料》课程内容较多，不同的教材的侧重点不一样，所以仅仅学习教材上的内容往往不够，所以根据课程的改革要求和《半导体材料》课程自身的特点，需要与本课程密切相关的、配套齐全的参考教程，例如半导体器件物理（第二版）、微电子器件与IC设计基础（第二版）、半导体器件原理等。

四、教学方法的改革

由于传统的教学观念的影响，半导体材料课程的仍是以板书课件为主的传统的教学方法。这种单一枯燥的教学方式忽视了学生的学习兴趣和学习的主观能动性，极大地阻碍了对学生创新能力的培养。此外，该课程的考核方式单一，以期末考试为主，一定程度使学生养成了为考试而学的心态，对所学知识死记硬背，没有做到真正的融会贯通、学以致用的目的。大部分学生以修学分为目的，期末考试后对所学知识所知无几，学一门丢一门的心态，严重影响了教学效果，更重要的对学生今后的研究和工作没有任何的帮助。可见，对这种灌输知识的教学方式和考核机制的改革迫在眉睫。在教学过程中采用小组式讨论，网络教学平台，专题式讲解，实验教学等多种教学方式，将有益于改善教学效果。

1.小组讨论式教学。为了充分发扬学生的个性特点和体现教学的人性化，使得学生真正成为主体，必须提供新颖、易于讨论的课程环境，从而培养学生自主创新的意识和能力。小组讨论式教学模式就很好地体现了这一点，在小组讨论中，可以使学生发表自己所思所想，相互学习，集思广益，取长补短。教师在教学过程中应鼓励学生质疑的精神，使其敢于突破传统，思维独到，鼓励学生在错误中积累宝贵经验；给予学生正能量，引起学生的学习热情和兴趣，营造轻松、积极的课堂环境。

2.网络教学平台。在多媒体盛行的时代，开放式、多媒体式教学方式备受关注，即建设一个融入教师教和学生学为一体的、便于师生互动的网络教学平台。在网络教学平台上可以提供各种学习辅助资料和学习支持服务。例如一对一的视频辅导、课堂直播、网上答疑、学习论坛、名师讲解等形式。学生可根据自身的学习爱好和学习习惯自主选择学习时间。通过这种便利的人机交互学习，为学习者提供了一个针对性强、辅助有利、沟通及时、互动充分、独立自主的学习环境，同时提供了丰富的学习资源。

3.专题式讲解。半导体材料课程包含的内容很广泛，有许多的分支；由于教学内容的增多，往往会给学生造成错乱，理不清思绪。专题式讲解是更系统的学习，使学习过程有条不紊。专题式讲解既可以由教师主讲，也可以由学生自己学习整理，再以PPT的形式将所学所思讲给同学听。既锻炼了学生的自学能力，又锻炼了学生的口语和实践能力。

4.实验教学。实验是一种提高学生感性认识的有效手段，实验教学将有助于学生深入理解所学理论知识，并在实验中应用相关理论，为学生获得新的理论知识打下良好的基础。例如，可以通过实践教学方法来传授半导体材料的生长制备、结构表征、性能测试以及应用等方面的知识。合理安排实验，通过在实验设计过程中制定实验方案、实验操作、实验报告或论文撰写等环节，不仅提高了学生的动手能力，对学生创新能力的培养也起到极大的促进作用。对实验过程中出现的实验偏差、操作失误、环境改变等对实验结果的影响分析，为将来的科研工作打下坚实的基础。此外，建立校企合作新机制，依托企业、行业、地方政府在当地建立多个学生教学实习基地，为加强实践教学提供有力支撑，让学生有实地模拟学习的机会，提高教学效果，增强学习兴趣。

五、结论

《半导体材料》课程是材料科学与工程专业的重要专业课程。半导体材料课程的教学改革，对提高材料专业的人才培养质量具有一定的意义。依据科学技术的发展，及时更新教学内容改革教学方法，因材施教。同时在教学实践中，我们将半导体材料的新理论、新应用和一些科学研究成果引入到教学内容当中，处理好基础性和创新性、先进性、经典和现代的关系，加强理论联系实际的教学环节建设，有利于提高教学质量，加强学生的学习效果，培养出具有扎实理论基础、较强的实践能力的应用技术型人才和一定科研能力的研究型人才。

参考文献：

[1]杨树人.半导体材料[M].北京：科学出版社，2004.

半导体材料论文范文第6篇

【关键词】半导体；材料与器件；教学改革

0 引言

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

1 优质教学资源建设

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

2 新型双语教学模式的探索

2.1 传统“填鸭式”教学方式的改进

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

2.2 学生讲授课程的探索

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

3 考核方式的探索

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

4 考试题型多样化，增加赠分题

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

5 结论

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

【参考文献】

[1]王婷.大学英语教学中的几点问题与思考[J].中国科技信息，2013（23）：174-175.

半导体材料论文范文第7篇

关键词：科研能力；动手能力；实验；预演

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）36-0053-02

一、引言

经过大学四年的学习和锻炼，独立的科学研究能力[1]是大学生应该具备的基本技能之一。这种独立科学研究能力的培养，很多学校是在毕业设计（论文）阶段进行的，通过指导学生独立完成一次具体的科学研究活动，并取得理想的成绩来获得。但在实际教学活动中，由于学生没有先期的知识和技能的积累，一般都存在如下的一些问题：面对一个研究题目，不知如何开始，不知采用何种研究方法；面对纷繁的实验设备，不知道如何选择和使用；面对大量的实验数据和测量图表，不知道如何进行分析和研究，并得到适当的结论。而对实验过程中出现的一些意外事件，如实验偏差、操作失误、环境改变等，更不知道如何解决[2]。因此，在学生开展毕业设计（论文）工作之前，在所教授的相关专业课程中，有意识地补充相关知识，培养相关实验技能，就显得非常重要了。如果能够在专业课讲授过程中，开设综合实验课，预演部分或者全部的科研工作过程，使学生能在综合实验过程中掌握科研工作的要旨[3]，明确科研工作的真正内涵，就可以为将来的科研工作打下坚实的基础。

我们在讲授“信息材料测试与分析”课程过程中，利用进行实验“半导体材料电阻率测量”的机会，拓展介绍了热历史对半导体硅单晶中杂质行为的影响，引导同学探索热历史对硅单晶电阻率和电子寿命的影响[4]，设计了“热历史对半导体硅单晶电阻率影响”的综合实验，指导学生进行数据处理工作，使学生在实验过程中，体验并预演了一次科学研究过程[5]，锻炼培养了学生的动手能力和科研能力。

二、培养科学研究能力的切入点

在电子工业中，约80%的电子材料是硅材料，包括硅单晶和硅多晶，因此，培养学生的科学研究能力就从研究硅材料的性能开始。本文选择基础的性能参数――电阻率，作为研究的目标，开展相应的研究和教学工作。

电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，是材料最重要的电学性能。其定义是，某种材料制成的长1米、横截面积1平方毫米导线在常温下（20℃时）的电阻，叫做这种材料的电阻率。电阻率的单位是欧姆・米（Ω・m或ohmm）。

1.普通材料电阻率的测量方法。由电阻率的定义可以得知，如果能在实验中测量得到确定长度和横截面积材料的电阻，就可以得知该材料的电阻率。对于导电的金属材料确实可以用测量电阻的方法得到材料的电阻率，但对于半导体材料，使用测电阻从而获得材料电阻率的方法，却存在着极大的困难，因为材料电阻的测量通常都是使用直流电路，利用欧姆定律原理，测量出电阻两端的电势降和通过电阻的电流强度计算出材料的电阻。而当半导体材料接入电子回路时，半导体材料的表面和金属导线间存在着较大的接触电阻，该接触电阻远大于半导体材料本身的电阻，此时，通过电子回路测量得到的电阻不是半导体材料的真实电阻。通常情况下，半导体材料电阻率的测量，需要特殊设计的测量仪器。

2.半导体材料电阻率的测量方法。半导体材料电阻率的测量有三种常用的方法：单探针扩展电阻法、两探针法和四探针法。四探针法是操作简单适应性较好的测量方法[6]，得到了广泛的使用。本次实验，就采用了四探针法测量研究所有单晶硅样品的电阻率。共有11组同学进行了该项实验。

3.影响半导体材料电阻率的因素。硅单晶是由多晶硅原料经熔化结晶冷却形成的，由于单晶体在不同的温区停留了不同的时间，晶体的结晶状态、缺陷状态（包括杂质缺陷、结构缺陷、施主受主缺陷等）和最终的物理化学性质，都受到热历史的影响，因此，研究硅单晶的热历史，将硅单晶置于不同的热场条件下，可以达到去除缺陷、改善性能的目的。不同的热处理工艺是改善硅单晶性能的重要手段。

热历史的研究，一般可以分成两种：一是当硅单晶处于不同的温度时，对硅单晶进行急冷处理，保持硅单晶在该温度点时的状态，研究硅单晶在不同温度点的性能。二是当硅单晶处于不同的温度时，对硅单晶进行缓冷处理，研究硅单晶从某一温度点冷却到室温时，性能的变化情况。急冷可以研究硅单晶的高温状态，但高温状态下对硅单晶进行急冷操作，需要较高的实验技能，需要严格的保护措施，适合由专业的人员进行操作，不适合无经验的学生。缓冷研究，可以考察硅单晶在低于某一温区的条件下性能的变化，因为是常温下的操作，比较容易进行，所以，本课程选择常温缓冷条件，研究热历史对硅单晶性能的影响。

三、综合实验的设计

1.总体思想。根据硅单晶在450℃温度停留较长时间后，会产生热施主效应这一事实，考虑新生施主会影响硅单晶中载流子的种类和数量，另外，硅单晶在空气环境中的热处理，会导致单晶内部氧杂质的状态发生改变，也会影响到单晶表面的羊杂质状态，因此，当硅单晶在450℃停留较长时间后，随着热施主的出现和氧杂质状态的变换，单晶硅的导电能力会发生变化，表现为材料电阻率的变化。据此，我们设计了本次综合实验。

2.实验过程。具体目标是：考察450℃条件下热施主效应，此效应可以通过硅单晶电阻率的变化得到验证。具体工艺是：将测量过电阻率（ρ0）的单晶硅片水洗醇洗烘干后，放在石英舟上，放入电阻炉，快速升温（600℃/h）到450℃，保温4小时，断电，自然冷却到室温，测量样品的电阻率。将测过电阻率的样品表面一层（约10微米）研磨掉，再测电阻率。

3.数据研究。选择典型的实验数据，指导学生对四个样品的四组电阻率数据进行分析研究，找出或推测影响材料电阻率变化的可能因素。确定实验数据产生误差的原因，判断实验技能对实验结果影响的程度。

四、结果与讨论

共有11组同学进行了实验，根据对实验过程的监测和实验结果的研究，笔者选择了四组典型的实验数据汇总。然后，按照这些电阻率测量数据，对学生开展科学研究工作进行了指导。

首先让学生根据各自的实验数据，对数据进行描述，热处理前、热处理后和热处理再研磨掉表层后，样品电阻率的变化情况，只进行客观的描述，再将数据汇总。其次，启发学生回忆与450℃阈值相关的载流子的状态，尤其是热施主的相关知识，什么是热施主，热施主产生的物理基础是什么，硅单晶在450℃热处理为什么会产生热施主，热施主的电学效应，等等。第三，选择四组典型数据进行形象化处理，制成图形，再请同学们分析研究这几组数据的异同点。为什么同样的实验条件，实验结果却不完全一致呢？提示他们，影响电阻率的因素，例如样品本身氧含量、样品的清洁程度、样品的厚度（形状因子）、四探针测量仪的适用范围和产生误差的原因等。第四，根据同学们的讨论和推测，进行归纳总结。经过一系列启发、演示和引导后，学生终于理清了实验数据并进行了研究分析，给出了适当的结论，最终完成了实验，达到了本次实验预期的目的。

五、成果

在此次综合实验中，经过一系列的启发、讲解和逻辑推理过程的演示，使学生掌握了科学研究的初步知识，可以对实验数据进行多角度的分析研究，还可以设计进一步的实验，采取多种研究手段对问题进行研究，对结果进行推理和猜测，在反复验证的基础上，才能获得确实的结论，完成科学研究工作，达到科研的目的。

综合实验取得了较明显的效果。第一，让学生复习了相关的载流子、电阻率、电阻率测量、误差分析等知识，从而在理论知识上有了提高。第二，让学生进行了样品制备、清洁处理、电阻率测量、热处理炉操作等实验工作，掌握并提高了实验技能。第三，对实验数据进行的示范性处理和分析，教会了学生如何进行科学研究工作，明白了测试的目的和对测试结果的分析研究方法，为将来的科学研究工作打下了坚实的基础。

参考文献：

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[2]王明权.加强高职学生科研能力的研究与实践[J].中国科技信息，2010，（19）：265-267.

[3]戴波，纪文刚，刘建东，张立新，刘娜.以工程能力培养为主线建构专业人才培养模式[J].高等工程教育研究，2011，（6）：136-140，168.

[4]刘沛津，张俊利，徐英鸽.面向工程型人才培养的电工与电子学课程体系研究[J].教育教学论坛，2013，（25）：206-207.

[5]刘翠红，陈秉岩，王建永.基于学生实践和创新能力培养的实验教学改革[J].科技创新导报，2011，（1）：151-152.

半导体材料论文范文第8篇

关键词：InN薄膜 AlN薄膜 普通玻璃衬底 半导体材料与器件

中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0067-02

在过去的十几年里，关于InN半导体材料的研究引起了人们极大的兴趣。InN是一种重要的直接带隙Ⅲ族氮化物半导体材料，与同族的GaN、AlN相比，InN具有最小的有效质量和最高的载流子迁移率、饱和漂移速率，其低场迁移率可达3200 cm2/V・s，峰值漂移速率可达4.3×107cm/s，这些特性使InN在高频厘米和毫米波器件应用中具有独特的优势[1-8]。制备高质量的InN外延薄膜是InN半导体材料研究与应用的前提，但InN薄膜的制备有两大困难，一方面是InN的分解温度较低，约为600 ℃左右，而作为N源的NH3的分解温度则要求很高，一般在1000 ℃左右，因此如何控制InN的生长温度就产生了矛盾，一般传统的MOCVD技术要求温度在800 ℃以上，限制了InN的生长温度问题，本研究采用了自制的电子回旋共振-等离子增强有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）设备[9-11]，大大降低了外延温度，使生长温度控制在500 ℃以下；另一方面，一般InN薄膜都生长在蓝宝石等一些基片上。众所周知，蓝宝石基片的价格较高，用它作为InN材料的衬底，使InN材料基的器件的成本很难降下来，严重阻碍了InN材料器件的发展。为解决上述InN器件成本高的问题，本研究采用在廉价康宁玻璃衬底上沉积制备InN外延薄膜，但是InN外延层与廉价康宁玻璃衬底之间还存在严重的晶格失配等问题，而AlN可以成为一种理想的InN外延中间层材料。首先，AlN与InN具有相似的晶体结构，可以作为InN与廉价康宁玻璃之间的缓冲层。其次，AlN的沉积制备在廉价康宁玻璃上的工艺已经被该研究小组所掌握，而且与其他反应源相比，AlN反应源材料很便宜，廉价，这样就进一步降低了器件的成本。所以AlN成为InN与廉价康宁玻璃之间缓冲层的首选材料。所以在此基础上，在较低的温度下，在廉价的衬底材料上最终制备出高质量、稳定的InN薄膜。

由于InN薄膜的沉积制备需要较高的沉积温度，当前ECR-PEMOCVD技术以及相关设备，都没有用于生产InN光电薄膜，因此如何利用ECR-PEMOCVD技术优点，用AlN薄膜作为缓冲层在廉价康宁玻璃衬底上以较低的温度下生产出性能优异的InN光电薄膜是我们所研究的难点。

1 实验

将普通康宁玻璃基片依次用丙酮、乙醇以及去离子水超声波清洗5 min后，用氮气吹干送入反应室；采用ECR-PEMOCVD系统，将反应室抽真空至9.0×10-4 Pa，改变不同基片沉积温度400 ℃，500 ℃，600 ℃，向反应室内通入氢气携带的三甲基铝、氮气，其二者流量为1.5 sccm和120 sccm，由质量流量计控制；控制气体总压强为1.2 Pa；在电子回旋共振频率为650 W，得到在普通康宁玻璃基片的AlN缓冲层薄膜，其AlN缓冲层薄膜厚度为200 nm。继续采用ECR-PEMOCVD系统，将反应室抽真空至8.0×10-4 Pa，将基片加热至500 ℃，向反应室内通入氢气携带的三甲基铟、氮气，其二者流量比为2∶150，分别为2 sccm和150 sccm，由质量流量计控制；控制气体总压强为1.2 Pa；在电子回旋共振频率为650 W，沉积制备InN薄膜，得到在AlN缓冲层薄膜/普通康宁玻璃结构上的InN光电薄膜。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

在其他反应条件不改变的情形下，改变不同基片沉积温度400 ℃，500 ℃，600 ℃，该研究论文在AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜。3个不同基片沉积温度的样品都被测试了，只有沉积温度500 ℃条件下制备的InN薄膜样品质量较好，其他条件下质量很不理想，表明沉积温度过高与过低都不利于薄膜的沉积制备。我们分析沉积温度500 ℃时的XRD图像，由图1可知，除了AlN缓冲层的峰值外，其制备的InN薄膜的则有取向较好，没有太多其他衍射峰出现，表明AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜，其晶体结构较优异。但是薄膜半峰宽较大，需要进一步进行实验工艺的优化。

2.2 AFM分析

为了研究InN薄膜的形貌，我们测试了沉积温度500 ℃条件下，AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜样品。由图2可知，实验准备的InN薄膜表面上的岛状团簇非常均匀，没有明显的界面缺陷，呈现出一个光滑的表面且表面平整。此外，为了以后制备大功率器件的要求，沉积温度是500℃时制备的InN薄膜的样品进行了其表面均方根平整度检测。测试结果说明沉积温度在500℃时沉积制备的InN薄膜样品的平整度在纳米数量级，满足对器件制备的要求。

2.3 SEM分析

进行了AFM分析之后，我们又对沉积温度500 ℃条件下，AlN缓冲层的条件下沉积制备了InN薄膜样品的SEM进行了测试分析，由图3可知，实验制备的InN薄膜样品颗粒明显形成，基本铺满整个实验基片衬底，没有明显缺陷存在，表明该实验条件下的InN薄膜具有优异的表明形貌特性。其结果同上述AFM分析一致。

3 结语

该研究论文利用可精确控制的低温沉积的ECR-PEMOCVD技术，在AlN/普通康宁玻璃基片衬底结构上沉积制备出高质量的InN光电薄膜，并结合实际生产中器件成本不理想可能出现的问题以及晶格失配问题，提出一系列的解决方案策略，对基于InN薄膜器件产业化有很大的研究意义。该研究论文的在AlN/普通康宁玻璃基片结构上的InN光电薄膜产品具有良好电学性能以及结晶质量，廉价的成本价格以及易于制备出高频率大功率器件的优势。

参考文献

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半导体材料论文范文第9篇

关键词：霍尔 霍尔效应 反常霍尔效应

中图分类号：O442 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（b）-0085-03

霍尔效应作为一种磁电效应，它是1879年由美国物理学家霍尔发现并以此命名的，在其后的2年内又事实上发现了反常霍尔效应。由于半导体材料的霍尔效应比较明显，因此现在有各种各样的用半导体材料制成的霍尔元器件，使得霍尔效应的应用非常广泛。在近代，由于新型半导体材料（如超宽禁带半导体）和低维物理的发展（如石墨烯技术）、新的极端物理条件（如超低温度和超强磁场等的应用），使得凝聚态体系（特别是低维凝聚态体系）中的磁现象研究取得了许多突破性的进展。例如德国物理学家冯・克利青在研究硅场效应管霍尔电阻时发现了量子霍尔效应；美籍华裔物理学家崔琦等在研究二维电子系统时发现了分数量子霍尔效应；2013年3月14日，美国《科学》杂志在线发表了关于首次观测到量子反常霍尔效应的成果，这是由我国清华大学薛其坤院士领衔组成的中外科学家团队，在中国实验室做出的一项重要科学发现[1]，这次发现意义十分重要，使超低能耗的高速电子器件的大规模使用成为可能，杨振宁教授认为，这是“诺贝尔奖级的成果”。霍尔效应及反常霍尔效应后续的理论与应用研究仍是今后的重点和热点，该文拟重点回顾发现霍尔效应的历程，旨在从中发现霍尔能够成功的原因，并简要回顾反常霍尔效应理论机制的研究历程，以便更好地理解发现霍尔效应的重要意义。

1 霍尔效应的发现

1875年霍尔毕业于美国鲍登学院，从事教学2年后，去了霍普斯金大学研究生院，随罗兰教授学习物理学，在阅读麦克斯韦《电和磁》一书时，对麦克斯韦“在磁场中的通电导体受到的机械力不是作用于电流上的，而是作用在导体上的”观点提出了质疑。他的理由有3点：一是只有通电的导体才有作用力，而不通电的导体是没有的；二是作用力的大小与电流大小成正比，作用力的方向与电流流向有关系；三是作用力的大小与导体的尺寸和材料无关。他感到“磁场对通电导体的机械力是作用在电流上的”。于是他请教了自己的导师罗兰教授，罗兰说他也曾怀疑过麦克斯韦论断的真实性，以前也为此仓促地做了一下验，但没有成功。

1879年10月，在罗兰教授鼓励下，霍尔开始了他的探索和实验。一开始，霍尔认为导体中的电流在受到作用力后，会偏向导体的一侧，导体的电阻会有所增加，根据这一想法，霍尔用惠斯通电桥测量银丝电阻变化的实验，尽管电磁铁产生的磁场比地磁场强近2 000倍，银丝电阻增加量也只有百万分之一，这个变化太小了，霍尔认为如果是电流偏向导体一侧的话，变化不会这么小，但电阻又毕竟有所增加，难道前面的假设不成立吗？霍尔感到很困惑。忽然有一天，霍尔想到可能是电磁铁通电后散发的热量使银丝温度升高造成的，在排除各种热效应干扰后，霍尔反复做了几十次实验，实验结果银丝电阻值的变化只有五百万分之一，否定了前面的假设。然而失败并没有使霍尔放弃研究，经过认真思考，改革思路，由于当时金属经典电子理论还没有建立，他把导体里的电流类比管子里的水流，水流虽然受到某些东西的侧向作用力，虽有侧向运动趋势并没有侧向移动，但会对管壁有压力，若在管子直径方向开上小孔、装上细管，连通小孔的细管里也会有水流。同样电流在磁场作用下，有侧向运动趋势，但并没有真正运动，若在导体两侧对应点上连接细导线，在侧向电压作用下，细导线里会有电流。于是霍尔在这样的思路下设计了实验装置，他用安装在玻璃板上的金箔窄条作导体，磁铁的磁场垂直于金箔面，金箔窄条两侧对应点接上检流计，检流计放得较远，避免磁场对检流计的影响，如图1所示。

霍尔在1879年11月进行了操作，表1是在他毕业论文中观察记录了流过检流计的电流随流过金箔中电流和磁场的改变而改变的数据。

从表1中看到，虽然流过检流计的电流很微弱，由于霍尔自己制作的检流计十分灵敏，测量到的电流还是有3位有效数字，实验成功地证实了霍尔的想法，而且非常可贵的是，霍尔从前3项看似毫无规律的数据中敏锐地发现了更为有意义的规律，这就是最后一项，这一项的数值几乎是一个常数，其最小值与最大值相差仅8%左右，我们知道，若把流过检流计的电流Ig与检流计的电阻Rg相乘，就是金箔条两侧对应点a，b的电压，由此可得到“导体两侧对应点之间的电压与通过导体的电流和磁感应强度的乘积成正比”的结论，这就是我们所说的“霍尔效应”，霍尔把这一发现作为自己毕业论文的研究成果，1880年霍尔获得了博士学位。

2 霍尔成功的启示

上面简述了霍尔发现“霍尔效应”的过程，从中可以得到以下几点：一是霍尔好学但不盲从，爱动脑筋，理论联系实际。麦克斯韦是一位伟大的理论物理学家，开创了近代电磁波理论，他的几个预言如电磁波的存在和电磁波与光具有相同的传播速度在23年后才被德国物理学家赫兹用实验证实。但霍尔并不盲从，在研读麦克斯韦的《电和磁》一书时，对书中“磁场对通电导体的机械力是作用在导体本身上的，而不是作用在电流上的”这一论断，经深入思考认真分析，认为与实际情况并不一致，产生疑虑，正是由于这个疑点，才产生了后来的“霍尔效应”这一伟大发现；二是把握科学前沿和得益名师的指导。在阅读《电和磁》并产生怀疑后，他又读到了刚发表不久的瑞典物理学家Erik Ed-lund1878年发表在《哲学杂志》上的一篇论文“单极感应”，在那里作者明确指出，磁场作用在一固定导体中的电流上，与它作用在自由移动的导体上是完全相同的。发现这两位物理学家的见解不同，请教了自己的导师罗兰教授，罗兰说他也曾怀疑过麦克斯韦论断的真实性，并建议霍尔进行实验；三是令人惊叹的想象力和实验能力。开始的想法似乎是合理正确的，如果是电流受到磁场的作用，电流自然会发生侧向运动而挤向导体的一侧，使导体径向电阻增大，而实验也确实发现了电阻的微量增大，但霍尔并没有轻率相信，因为它的变化太小了，变化量只有原量的百万分之一，霍尔感到若电流挤向导体的一侧的话，电阻的变化远不止这么多，有一天他突然想到可能是电磁铁把热量传给导体，温度升高使电阻增大了，在外界各干扰因素排除后，霍尔再做实验，原来观察到的电阻值增加的情况就完全消除了。研究的失败并没有使霍尔气馁，但也没有在这条思路上一条道走到黑，电流受到磁场作用而挤向导体一侧的想法经实验证实是错误的，年轻的霍尔既认准目标又思路活跃、勇于创新，由于电流一些情况与管子里的水流相类似，灌满水的管子，如果在垂直于水流方向上施加作用，水流并不侧向运动，但会对管壁有压力，霍尔把导体里的电流类比于管子里的水流，认为电流虽然受到磁场作用，虽没有侧向运动而使电流挤向导体的一侧，但有垂直于电流方向的运动趋势，这种趋势会引起侧向的电压。现在我们知道，霍尔当初的想法并没有错，霍尔效应刚开始的时候，载流子在磁场作用下做圆弧运动是要偏向导体的一侧，只不过它几乎在瞬间完成，随后就平衡了，即截流子受到的洛仑兹力和霍尔电场力相平衡，这时电流仍沿导体轴线纵向运动，没有偏移。在洛仑兹建立经典电子论26年之前，霍尔基本符合实际情况的假设，其想象力令人惊叹，正由于这种假设才使霍尔发现霍尔效应成为可能。同样令人惊叹的是霍尔有超强的制作实验设备仪器能力和实验能力，在当时的条件下，电流能测到10-9的数量级，简直不可思议。

霍效应的发现受到了人们的重视，被开尔文称赞为可以与法拉第电磁感应这一伟大发现相媲美，同时也激发了人们在这一领域的研究兴趣，霍尔效应的3个副效应，即埃廷斯豪森效应、能斯特效应和里吉-勒迪克效应，均是在1987年发现的。而霍尔效应的理论解释还是在1895年洛伦兹建立经典电子论后，霍尔效应才广泛应用，是在被发现后大约70年的半导体技术兴起之后才开始的。

3 反常霍尔效应

在发现霍尔效应后紧接着的2年内，霍尔又测量了铁、钴、镍等铁磁性材料的这种效应，发现这些铁磁性材料的霍尔效应与金和铜等非铁磁性材料不同，具有3个新的特点[1-2]：

（1）霍尔系数比早期测量过的金和铜的霍尔系数大10倍；（2）随着温度升高，霍尔系数迅速增大；（3）霍尔电压与外加磁场不再有线性关系，而且，当磁化强度达到饱和时，它就变成常数。这3个新特点事实上标志着反常霍尔效应的首次发现，后来研究发现即便不加外磁场，霍尔效应同样存在，它的内部机制完全不同于常规霍尔效应，所以把它称为反常霍尔效应。在接下来的将近80年的时间内，许多研究者在这方面做了大量的实验研究工作。例如，孔特发现霍尔电阻近似与磁化强度成线性关系；史密斯和西尔斯于1929年列出了霍尔电阻与磁化强度的经验关系式。尽管反常霍尔效应在现代科学技术研究中有着至关重要的应用，如它是探究和表征铁磁材料中巡游电子输运特性的重要手段和工具之一，它的测量技术被广泛应用于许多领域，其中最重要的应用是在新兴的自旋电子学方面，促进了稀磁半导体材料学的诞生等，尽管它的理论研究已进入了量子反常霍尔效应层面，但反常霍尔效应的理论机制在历史上进行了长期地、反复地研究和争论。从1954年，卡普拉斯和鲁丁格从理论上详细研究了自旋-轨道耦合作用对自旋极化巡游电子的输运影响，第一次提出了反常霍尔效应的内禀机制，认为反常霍尔效应是自旋-轨道耦合的必然结果，仅与材料的固有能带结构相关。然而这个结论很快受到斯米特的质疑，他批驳了卡普拉斯和鲁丁格的观点，认为在真实的材料中总是存在缺陷或者杂质，电子的运动将会受到散射，结果对于理想周期性晶格，内禀的反常霍尔系数将会消失为零，于是，他提出了螺旋散射机制，认为对于固定自旋方向的电子，由于自旋-轨道耦合相互作用，电子受到杂质的散射是不对称的，结果定向运动的电子偏离原来的方向，形成横向的电荷积累。然而在1970年，伯杰又提出反常霍尔效应的边跳机制，使人们对反常霍尔效应量子力学的起源更加迷惑。近来由于需要对稀磁半导体材料的性质进行深入探索，迫使人们对反常霍尔效应理论机制进行深入思索。最新研究工作的进展主要是从贝里相角度出发重新审视最早由鲁丁格提出的内禀机制，并认为在很多情形下反常霍尔效应主要是由内禀机制引起的，即动量空间布洛赫波函数的贝里曲率决定了霍尔电导率。 动量空间内规范场的特性决定了霍尔电导率的特性，也就是反常霍尔效应是由磁性材料能带所决定的，是材料的内禀特性。然而，结合第一性原理计算方法，建立一套系统的理论体系来令人信服地解释螺旋散射、边跳等外在机制与内禀机制的所有争论，还需要进一步的研究。

4 结语

从霍尔发现霍尔效应至今已有近140年的历史，期间对霍尔效应及反常霍尔效应的理论和应用研究从来没有停止过，特别是在半导体材料科学兴起后，霍尔效应得到广泛应用，也带动了凝聚态物理、自旋电子学等一批新兴学科和稀磁材料、自旋电子学材料等一批新兴材料的蓬勃发展。2013年清华大学薛其坤院士及其领导的中外科学家团，首次在实验室观察到量子反常霍尔效应。然而这并不意味着人们对霍尔效应和反常霍尔效应的研究到了终点，相反这次理论和实验的成功，将会进一步激发人们对该领域更深入、更广泛地研究，而且反常霍尔效应至今还没有完善的理论机制，而人们在理解和探究稀磁半导体材料的性质时，迫使人们对反常霍尔效应的理论机制进行进一步的研究；量子反常霍尔效应要从实验室真正应用到新经济中还有很长的路要走，所以对霍尔效应的理论和应用研究仍将是今后的热点。

参考文献

[1] 李海.量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程[J].大学物理，2014，33（12）：23-26.

[2] HallEH.Philos.，Mag.，1880，10：301.

半导体材料论文范文第10篇

自上世纪中期投入应用以来，半导体已经深入到人们的生活、学习和工作的方方面面，给电子工业带来革命性的影响。但是这个时刻陪伴身边的半导体究竟是什么？

中国科学院王占国院士同半导体打了一辈子交道，他这样回答：半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。它有四个特点：热敏性，与金属不同，半导体的电阻与温度变化是相反的，电阻越小温度越高；光敏性，光一照，它的电导就发生变化；光伏效应，光照产生光电压；整流效应，从A端到B端是通的，从B端到A端就不通了。

半导体的特性为我们带来了无穷益处：“如发射一吨重的卫星，假如用晶体管代替电子管重量可减轻100千克，就可以节省9吨的燃料。它不仅广泛应用在航空航天、人造卫星等高科技领域，而且是我们生活中不可或缺的：医学上的核磁共振仪，日常用的收音机、电视机、洗衣机、微波炉、电冰箱、电子表、手机……里面核心控制的设备都是半导体。半导体应该说是无孔不入、无处不在。”

硅作为半导体材料的代表，现在已经成为微电子技术的基础材料，我们用的电子元器件和电路的90%都是硅材料。使用硅材料做集成电路，产值已达到每年约3000亿美元，由硅材料做成的器件和电路可以拉动几万亿美元的电子产业，半导体硅材料可以说是信息时代的基础。

追随一生的半导体

王占国1938年12月29日生于河南镇平。1962年毕业于南开大学物理系，同年到中科院半导体所工作。从那时起，他的人生脚步，就没有离开过半导体这个领域。

参加工作以后，王占国致力于半导体材料光电性质和硅太阳电池辐照效应研究。其中，硅太阳电池电子辐照效应研究成果为我国人造卫星用硅太阳电池定型（由PN改为NP）投产起了关键作用。

1971～1980年，他负责设计、建成了低温电学测量和光致发光实验系统，并对GaAs和其它III-V族化合物半导体材料的电学、光学性质进行了研究。其中，体GaAs热学和强场性质的实验结果以及与林兰英先生一起提出的“GaAs质量的杂质控制观点”，对我国70年代末纯度GaAs材料研制方向的战略转移和GaAs外延材料质量在80年代初达国际先进水平贡献了力量。

1980～1983年，经黄昆和林兰英两位所长推荐，他赴国际著名的深能级研究中心瑞典隆德大学固体物理系，从事半导体深能级物理和光谱物理研究。在该领域权威H.G.Grimmeiss教授等的支持和合作下，做出了多项有国际影响的工作：提出了识别两个深能级共存系统两者是否是同一缺陷不同能态新方法，解决了国际上对GaAs中A、B能级和硅中金受主及金施主能级本质的长期争论；提出了混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理新模型，解释了它们的物理实质；澄清和识别了一些长期被错误指派的GaAs中与铜等相关的发光中心等。

1984～1993年，在半导体材料生长及性质研究中，提出了GaAs电学补偿五能级模型和电学补偿新判据，为提高GaAs质量、器件与电路的成品率提供了依据。与人合作，提出了直拉硅中新施主微观结构新模型，摒弃了新施主微观结构直接与氧相关的传统观点，成功地解释了现有的实验事实，预示了它的新行为；与龚秀英等同事合作，在国内率先开展了超长波长锑化物材料生长和性质研究，并首先在国内研制成功InGaAsSb，AlGaAsSb材料及红外探测器和激光器原型器件。

他协助林兰英先生，开拓了我国微重力半导体材料科学研究新领域，首次在太空从熔体中生长出GaAs单晶并对其光、电性质作了系统研究，受到国内外同行的高度评价。

他于1986年任半导体所研究员，材料室主任；1990年任博士生导师，1991～1995年担任副所长；1995年当选为中国科学院院士。1991～2001年任国家高技术新材料领域专家委员会委员、常委、功能材料专家组组长，因对863计划做出突出贡献，2001年863计划实施十五周年时，被科技部授予先进个人称号；1996～2000年任国家S-863计划纲要建议软课题研究新材料技术领域专家组组长；2003年任国家材料中长期科技发展战略研究新材料专家组组长；1997～2002年和2006～2009年任国家自然科学基金信息学部半导体学科评审专家组组长等。此外，还有多种学术兼职。

任863专家委员会委员期间，他积极推动了我国全固态激光器的研发和半导体照明事业的发展。如今，我国的半导体白光照明已经处于国际先进水平，极大地促进了节能环保事业的发展。

从上世纪90年代起，他工作的重点已集中在半导体低维结构和量子器件这一国际前沿研究方面，先后主持和参与负责十多个国家863、973，国家重点科技攻关，国家自然科学基金重大、重点和面上项目以及中科院重点、重大等研究项目。

他和MBE组的同事一起，在成功地研制了国内领先、国际先进水平的电子迁移率（4.8K）高达百万的2DEG材料和高质量、器件级HEMT和P-HEMT结构材料的基础上，又发展了应变自组装In（Ga）As/GaAs，InAlAs/AlGaAs/GaAs， InAs/InAlAs/InP和InAs/InGaAs/InP等量子点、量子线和量子点（线）超晶格材料生长技术，并初步在纳米尺度上实现了对量子点（线）尺寸、形状和密度的可控生长；首次发现InP基InAs量子线空间斜对准的新现象；成功地制备了从可见光到近红外的量子点（线）材料，并研制成功室温连续工作输出光功率达4瓦（双面之和）的大功率量子点激光器，为当时国际上报道的最好结果之一；红光量子点激光器和 InGaAs/InAlAs、GaAs/AlGaAs量子级联激光器与探测器材料及其器件的研究水平也处在国际的前列；2001年，他作为国家重点基础研究发展计划973项目“信息功能材料相关基础问题”的首席科学家，又提出了柔性衬底的概念，为大失配异质结构材料体系研制开辟了一个可能的新方向。

上述研究成果曾获国家自然科学二等奖和国家科技进步三等奖，中国科学院自然科学一等奖和中国科学院科技进步一、二和三等奖，何梁何利科学与技术进步奖，国家重点科技攻关奖以及优秀研究生导师奖等十多项；从1983年以来，先后在国外著名学术刊物180多篇，培养博士、硕士和博士后百余名。

新科技革命的起点

硅集成电路的器件尺度不可能无限减小，摩尔定律在硅器件尺寸减小到一定程度的时候，会遇到量子效应、功耗问题、隧穿问题等等，这就限制了现有模式的继续发展。国际上预计，2022年硅集成电路器件的最小尺寸将达到10纳米左右。

王占国认为，半导体材料发展的一个重要趋势是由三维体材料向二维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点方向发展。目前，基于GaAs和InP基的二维量子阱材料与器件已经发展得很成熟，广泛地应用于光通信、移动通信、微波通信的领域。量子线和量子点材料和器件及电路业已崭露头角，发展迅速。