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關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體，超晶格，集成電路，電子器件
1.半導(dǎo)體材料的概念與特性
當(dāng)今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品普遍進(jìn)入人們的生活，如電視機(jī)，電子計(jì)算機(jī)，電子表，半導(dǎo)體收音機(jī)等都已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｋ豢扇鄙俚募矣秒娖鳌０雽?dǎo)體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用，這需要我們從了解半導(dǎo)體材料的概念和特性開(kāi)始。
半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)物質(zhì)，在某些情形下具有導(dǎo)體的性質(zhì)。半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用源于它們獨(dú)特的性質(zhì)。首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開(kāi)發(fā)就是利用了這個(gè)特性；其次，雜質(zhì)參入對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，它們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得PN結(jié)形成，進(jìn)而制作出各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)會(huì)因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷器等；半導(dǎo)體基片可以實(shí)現(xiàn)元器件集中制作在一個(gè)芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路。這種種特性使得半導(dǎo)體獲得各種各樣的用途，在科技的發(fā)展和人們的生活中都起到十分重要的作用。
2.半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程
半導(dǎo)體材料從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展，從使用到創(chuàng)新，也擁有著一段長(zhǎng)久的歷史。在20世紀(jì)初期，就曾出現(xiàn)過(guò)點(diǎn)接觸礦石檢波器。1930年，氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應(yīng)用，使半導(dǎo)體材料開(kāi)始受到重視。1947年鍺點(diǎn)接觸三極管制成，成為半導(dǎo)體的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和集成電路的發(fā)明，使得微電子技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。60年代，砷化鎵材料制成半導(dǎo)體激光器，固溶體半導(dǎo)體材料在紅外線方面的研究發(fā)展，半導(dǎo)體材料的應(yīng)用得到擴(kuò)展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜志工程”發(fā)展到“能帶工程”，將半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用推向了一個(gè)新的領(lǐng)域。90年代以來(lái)隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，砷化鎵和磷化銦等半導(dǎo)體材料得成為焦點(diǎn)，用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子器件等；近些年，新型半導(dǎo)體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進(jìn)半導(dǎo)體材料開(kāi)始體現(xiàn)出其超強(qiáng)優(yōu)越性，被稱(chēng)為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)。
3.各類(lèi)半導(dǎo)體材料的介紹與應(yīng)用
半導(dǎo)體材料多種多樣，要對(duì)其進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，我們需要從不同的類(lèi)別來(lái)認(rèn)識(shí)和探究。通常半導(dǎo)體材料分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、超晶格半導(dǎo)體材料。不同的半導(dǎo)體材料擁有著獨(dú)自的特點(diǎn)，在它們適用的領(lǐng)域都起到重要的作用。
3.1元素半導(dǎo)體材料
元素半導(dǎo)體材料是指由單一元素構(gòu)成的具有半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和鍺為典型。硅在在地殼中的含量較為豐富，約占25%，僅次于氧氣。硅在當(dāng)前的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，它不僅是半導(dǎo)體集成電路、半導(dǎo)體器件和硅太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)材料，而且用半導(dǎo)體制作的電子器件和產(chǎn)品已經(jīng)大范圍的進(jìn)入到人們的生活，人們的家用電器中所用到的電子器件80%以上元件都離不開(kāi)硅材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由于鍺的特有性質(zhì)，使得它的應(yīng)用主要集中于制作各種二極管，三極管等。而以鍺制作的其他器件如探測(cè)器，也具備著許多的優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。
3.2化合物半導(dǎo)體材料
通常所說(shuō)的化合物半導(dǎo)體多指晶態(tài)無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體，即是指由兩種或兩種以上元素確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體性質(zhì)。化合物半導(dǎo)體材料種類(lèi)繁多，按元素在元素周期表族來(lái)分類(lèi)，分為三五族（如砷化鎵、磷化銦等），二六族（如硒化鋅），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半導(dǎo)體材料已經(jīng)在太陽(yáng)能電池、光電器件、超高速器件、微波等領(lǐng)域占據(jù)重要的位置，且不同種類(lèi)具有不同的性質(zhì)，也得到不同的應(yīng)用。。
3.3固溶體半導(dǎo)體材料
固溶體半導(dǎo)體材料是某些元素半導(dǎo)體或者化合物半導(dǎo)體相互溶解而形成的一種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固態(tài)溶液材料，又稱(chēng)為混晶體半導(dǎo)體或者合金半導(dǎo)體。隨著每種成分在固溶體中所占百分比（X值）在一定范圍內(nèi)連續(xù)地改變，固溶體半導(dǎo)體材料的各種性質(zhì)（尤其是禁帶寬度）將會(huì)連續(xù)地改變，但這種變化不會(huì)引起原來(lái)半導(dǎo)體材料的晶格發(fā)生變化.利用固溶體半導(dǎo)體這種特性可以得到多種性能的材料。
3.4非晶半導(dǎo)體材料
非晶半導(dǎo)體材料是具有半導(dǎo)體特性的非晶體組成的材料，如α-硅、α-鍺、α-砷化鎵、α-硫化砷、α-硒等。。這類(lèi)材料，原子排列短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序，又稱(chēng)無(wú)定形半導(dǎo)體，部分稱(chēng)作玻璃半導(dǎo)體。非晶半導(dǎo)體按鍵合力的性質(zhì)分為共價(jià)鍵非晶半導(dǎo)體和離子鍵非晶半導(dǎo)體兩類(lèi)，可用液相快冷方法和真空蒸發(fā)或?yàn)R射的方法制備。在工業(yè)上，非晶半導(dǎo)體材料主要用于制備像傳感器、太陽(yáng)能電池薄膜晶體管等非晶半導(dǎo)體器件。
3.5有機(jī)半導(dǎo)體材料
有機(jī)半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間，具有熱激活電導(dǎo)率且電導(dǎo)率在10-10～100S·cm的負(fù)一次方范圍內(nèi)的有機(jī)物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡(luò)合物等.其中聚丙烯腈等有機(jī)高分子半導(dǎo)體又稱(chēng)塑料半導(dǎo)體。有機(jī)半導(dǎo)體可分為有機(jī)物、聚合物和給體-受體絡(luò)合物三類(lèi)。相比于硅電子產(chǎn)品，有機(jī)半導(dǎo)體芯片等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力較差，但是擁有加工處理更方便、結(jié)實(shí)耐用、成本低廉的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。目前，有機(jī)半導(dǎo)體材料及器件已廣泛應(yīng)用于手機(jī)，筆記本電腦，數(shù)碼相機(jī)，有機(jī)太陽(yáng)能電池等方面。
3.6超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料
超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料是指按所需特性設(shè)計(jì)的能帶結(jié)構(gòu)，用分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積等超薄層生產(chǎn)技術(shù)制造出來(lái)的具有各種特異性能的超薄膜多層結(jié)構(gòu)材料。由于載流子在超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中的特殊運(yùn)動(dòng)，使得其出現(xiàn)許多新的物理特性并以此開(kāi)發(fā)了新一代半導(dǎo)體技術(shù)。。當(dāng)前，對(duì)超晶格微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用依然在研究之中，它的發(fā)展將不斷推動(dòng)許多領(lǐng)域的提高和進(jìn)步。
4.半導(dǎo)體材料的發(fā)展方向
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和各種電子器件、產(chǎn)品等要求不斷的提高，半導(dǎo)體材料在未來(lái)的發(fā)展中依然起著重要的作用。在經(jīng)過(guò)以Si、GaAs為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程后，第三代半導(dǎo)體材料的成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。我們應(yīng)當(dāng)在兼顧第一代和第二代半導(dǎo)體發(fā)展的同時(shí)，加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料。目前的半導(dǎo)體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進(jìn)。隨著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代逐漸過(guò)渡，我們需要進(jìn)一步提高半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的研究，開(kāi)創(chuàng)出半導(dǎo)體材料的新領(lǐng)域。相信不久的將來(lái)，通過(guò)各種半導(dǎo)體材料的不斷探究和應(yīng)用，我們的科技、產(chǎn)品、生活等方面定能得到巨大的提高和發(fā)展！
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關(guān)鍵詞半導(dǎo)體；材料；芯片；發(fā)展；應(yīng)用；技術(shù)；
中圖分類(lèi)號(hào)：O471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
引言
自然界中的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的差異可劃分為導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導(dǎo)電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導(dǎo)體（如鍺、硅、砷化鎵等）。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。它的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照及摻入雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類(lèi)型，這是其廣泛應(yīng)用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據(jù)。
一、半導(dǎo)體材料的概念與特性
當(dāng)今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品普遍進(jìn)入人們的生活，如電視機(jī)，電子計(jì)算機(jī)，電子表，半導(dǎo)體收音機(jī)等都已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｋ豢扇鄙俚募矣秒娖鳌?半導(dǎo)體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用， 這需要我們從了解半導(dǎo)體材料的概念和特性開(kāi)始。
半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)物質(zhì)，在某些情形下具有導(dǎo)體的性質(zhì)。 半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用源于它們獨(dú)特的性質(zhì)。 首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開(kāi)發(fā)就是利用了這個(gè)特性；其次，雜質(zhì)參入對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，它們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得 PN 結(jié)形成，進(jìn)而制作出各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)會(huì)因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷器等； 半導(dǎo)體基片可以實(shí)現(xiàn)元器件集中制作在一個(gè)芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路。 這種種特性使得半導(dǎo)體獲得各種各樣的用途， 在科技的發(fā)展和人們的生活中都起到十分重要的作用。
二、幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
（一）硅材料
硅材料是半導(dǎo)體中應(yīng)用廣泛的一類(lèi)材料，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。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（Smart cut）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。
（二）GaAs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)。
（三）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。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Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nm InGaAs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。
（四）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)lμ蘭左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3．6～4W。1.5 寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石，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(chē)、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)。
三、半導(dǎo)體材料發(fā)展的幾點(diǎn)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)的需求。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。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。
（一）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。
（二）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想
基于低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(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。可以預(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。
結(jié)束語(yǔ)
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和各種電子器件、 產(chǎn)品等要求不斷的提高， 半導(dǎo)體材料在未來(lái)的發(fā)展中依然起著重要的作用。 在經(jīng)過(guò)以 Si、GaAs 為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程后，第三代半導(dǎo)體材料的成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 我們應(yīng)當(dāng)在兼顧第一代和第二代半導(dǎo)體發(fā)展的同時(shí)， 加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料。 目前的半導(dǎo)體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進(jìn)。 隨著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代逐漸過(guò)渡， 我們需要進(jìn)一步提高半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的研究，開(kāi)創(chuàng)出半導(dǎo)體材料的新領(lǐng)域。 相信不久的將來(lái)，通過(guò)各種半導(dǎo)體材料的不斷探究和應(yīng)用，我們的科技、產(chǎn)品、生活等方面定能得到巨大的提高和發(fā)展！
參考文獻(xiàn)
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與無(wú)機(jī)晶體管相比，有機(jī)薄膜晶體管具有下述主要優(yōu)點(diǎn):有機(jī)薄膜的成膜技術(shù)更多、更新，如Langmuir－Blodgett（LB）技術(shù)、分子自組裝技術(shù)、真空蒸鍍、噴墨打印等，從而使制作工藝簡(jiǎn)單、多樣、成本低；器件的尺寸能做得更小，集成度更高，分子尺度的減小和集成度的提高意味著操作功率的減小以及運(yùn)算速度的提高；以有機(jī)聚合物制成的晶體管，其電性能可通過(guò)對(duì)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎椂玫綕M意的結(jié)果；有機(jī)物易于獲得，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的制作工藝也更為簡(jiǎn)單，它并不要求嚴(yán)格的控制氣氛條件和苛刻的純度要求，因而能有效地降低器件的成本；全部由有機(jī)材料制備的所謂“全有機(jī)”的晶體管呈現(xiàn)出非常好的柔韌性，而且質(zhì)量輕，攜帶方便。有研究表明，對(duì)器件進(jìn)行適度的扭曲或彎曲，器件的電特性并沒(méi)有顯著的改變。良好的柔韌性進(jìn)一步拓寬了有機(jī)晶體管的使用范圍。
OTFT的研究歷程
OTFT遷移率和開(kāi)關(guān)電流比是其兩個(gè)重要的參數(shù):晶體管的遷移率越大，實(shí)際運(yùn)作速度越快;開(kāi)關(guān)電流比越大，所驅(qū)動(dòng)的器件的對(duì)比度越好。
1980年年初，人們將有機(jī)半導(dǎo)體聚噻吩引入晶體管中，開(kāi)創(chuàng)了有機(jī)薄膜晶體管的研究。但令人遺憾的是當(dāng)時(shí)器件的遷移率只有1×10-5 cm2/V•s，工作頻率只有1 Hz左右，開(kāi)關(guān)電流比102～103。在近20年的研究過(guò)程中，為提高器件的載流子遷移率、工作頻率和降低驅(qū)動(dòng)電壓，人們?cè)趯ふ倚碌挠袡C(jī)材料、改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)和制備工藝等方面進(jìn)行了大量的工作。
1997年，人們利用并五苯作為有機(jī)材料采用層積法制作的有機(jī)薄膜場(chǎng)晶體管的遷移率達(dá)到了0.7 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比為1×108，這足以和無(wú)定形硅薄膜晶體管（遷移率0.5 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比為1×108）相媲美。2000年，Bell實(shí)驗(yàn)室的J.H.Schon等人利用并四苯單晶作有源層，利用雙場(chǎng)效應(yīng)制成有機(jī)電注入激光器，在室溫下器件的載流子遷移率達(dá)到2 cm2/V•s，低溫下可達(dá)到1×103～1×105 cm2/V•s，開(kāi)辟了新的有機(jī)器件的研究領(lǐng)域。2001年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用高純的并五苯單晶使載流子遷移率達(dá)到3.2 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到1×109，工作頻率達(dá)到700 kHz～11 MHz。
聚合物材料中，六噻吩是目前發(fā)現(xiàn)的遷移率最高的有機(jī)材料，利用做有機(jī)半導(dǎo)體制作的OTFT中，電子和空穴的遷移率分別達(dá)到0.7 cm2/V•s和1.1 cm2/V•s。1994年，利用打印法制備了全聚合物的OTFT，得到的晶體管載流子遷移率達(dá)到0.06 cm2/V•s，為OTFT的廉價(jià)和大面積制備打下了基礎(chǔ)。最近，劍橋大學(xué)和愛(ài)普生公司利用噴墨打印法，采用由于親水性和疏水性而產(chǎn)生自組織化特性的聚合物P3HT制成晶體管，器件的電極都為高分子材料，溝道長(zhǎng)度達(dá)5～10 mm，載流子遷移率達(dá)到0.02～0.1 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到1×105，工作頻率達(dá)到250 Hz。這使得有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的低成本、批量生產(chǎn)成為可能。目前，器件的載流子遷移率可達(dá)到1 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到1×107。
OTFT的制作工藝
從制作方式來(lái)區(qū)分，OTFT有真空沉淀和溶液處理兩種方式。
真空沉淀技術(shù)一般用于有機(jī)小分子材料，經(jīng)常使用的方法有兩種：一種是熱蒸鍍；另一種是氣相沉淀。其中，熱蒸鍍是將有機(jī)材料置于坩鍋中，加熱至材料的升華溫度，使得材料在基板上沉淀。利用真空蒸鍍制備有機(jī)器件是目前最廣泛使用的工藝。有機(jī)材料的純度對(duì)于晶體的生長(zhǎng)有相當(dāng)大的影響，為了提高純度，可以使用熱梯度法。
而氣相沉淀與熱蒸鍍最大的差別在于利用惰性氣體為媒介氣體，將有機(jī)蒸汽帶到基板上。并且基板擺放也與熱蒸鍍相反，基板位于腔體下方，有機(jī)蒸汽經(jīng)過(guò)蒸汽噴頭由下而上至基板。
溶液處理方式可用于聚合物和可溶解的有機(jī)小分子，包括旋轉(zhuǎn)涂布和噴墨打印等方法。旋轉(zhuǎn)噴涂是將有機(jī)材料溶于有機(jī)溶劑，均勻地涂在基板上，經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)形成有機(jī)薄膜。溶液的濃度和旋轉(zhuǎn)的速度影響有機(jī)薄膜的厚度和均勻性。印刷技術(shù)包括屏幕打印、噴墨打印和接觸打印等方法。國(guó)際上，已有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室用印刷技術(shù)制備有機(jī)薄膜晶體管，其中研制印刷用試劑是關(guān)鍵，各種有機(jī)半導(dǎo)體或絕緣體都可按某種花樣圖案，一層一層地印制在柔性襯底上，最后成為一個(gè)完整有機(jī)薄膜晶體管。目前，研究集中在打印技術(shù)方面，其線寬可小于1 μm。其中噴墨打印法就是像打印機(jī)打字一樣將有機(jī)打印到襯底材料上。用噴墨打印頭制備的有機(jī)晶體管陣列的級(jí)延遲小于40 μs，雖無(wú)法和硅器件相比，但已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展為大規(guī)模、大尺寸產(chǎn)品生產(chǎn)提供了工藝方法。
OTFT的材料
OTFT最關(guān)鍵的技術(shù)之一是有機(jī)半導(dǎo)體材料。有機(jī)薄膜晶體管對(duì)所用的有機(jī)半導(dǎo)體材料有著特殊的要求：高遷移率、低本征電導(dǎo)率。高遷移率是為了保證器件的開(kāi)關(guān)速度，低本征電導(dǎo)率是為了盡可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開(kāi)關(guān)比，增加器件的可靠性。
按照材料傳輸載流子電荷的不同，可分為N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料。N型半導(dǎo)體是指載流子電荷為負(fù)，即載流子為電子；P型半導(dǎo)體是指載流子電荷為正，即載流子為空穴。
目前用于有機(jī)薄膜晶體管的N型材料主要以富勒烯（C60）為代表。它的電荷遷移率遠(yuǎn)高于其他N型材料，利用這種材料制備的有機(jī)薄膜晶體管的遷移率可以達(dá)到0.1 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比超過(guò)105。其他材料有C70、 四羧酸類(lèi)材料等，但性能并不理想。同時(shí)由于這類(lèi)N型半導(dǎo)體材料對(duì)空氣和水比較敏感，所以制備的器件的性能不穩(wěn)定。
多數(shù)有機(jī)材料都是P型半導(dǎo)體，包括金屬配合物、寡聚材料、聚合物。酞菁類(lèi)化合物是制備OTFT最早使用的材料，也是常用材料之一。通過(guò)取代中間的金屬，可以得到各種配位化合物，所制備的器件的遷移率在10-4～10-2 cm2/V•s的范圍內(nèi)。寡聚噻吩是寡聚材料的代表，在OTFT的研究中被大量使用，它可以通過(guò)調(diào)整分子的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度來(lái)控制載流子的傳輸，也可以通過(guò)修飾分子以改善分子的連接形式。曾被使用過(guò)的材料有并四苯、并五苯、并六苯、紅熒烯和蒽等，其中并五苯所制作的器件的特性是現(xiàn)階段最優(yōu)秀的，遷移率超過(guò)2 cm2/V•s，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到108。聚合物也是較早使用在OTFT中的材料，包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯酚、聚2,5噻吩乙炔等。第一個(gè)OTFT所用的半導(dǎo)體材料也是高分子半導(dǎo)體材料，但當(dāng)時(shí)的載流子遷移率只有10-5 cm2/V•s。在人們的不斷改進(jìn)下，聚合物器件性能不斷提高，目前利用聚合物半導(dǎo)體材料制備的OTFT的載流子遷移率達(dá)到了0.1 cm2/V•s。
除有機(jī)半導(dǎo)體材料外，絕緣層材料和電極也對(duì)OTFT的性能有重大影響。
由于半導(dǎo)體材料一般沉淀到絕緣層上，因此絕緣層表面的性質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料成膜的形貌和載流子傳輸都有重要的影響。按照材料的元素不同，可分為無(wú)機(jī)絕緣材料和有機(jī)絕緣材料。無(wú)機(jī)材料包括SiO2、SiNx、Al2O3等。與無(wú)機(jī)材料相比，有機(jī)絕緣材料具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、可制作在柔性基板上等優(yōu)點(diǎn)，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰亞胺（PI）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯基苯酚（PVP）等。對(duì)絕緣層表面進(jìn)行加工和修飾也可以提高器件的性能。
選擇金屬電極材料的基本原則是電極可以與有機(jī)半導(dǎo)體形成很好的能級(jí)匹配。對(duì)于p型有機(jī)半導(dǎo)體材料，要求電極的功函數(shù)與材料的HOMO能級(jí)之間的勢(shì)壘較小；而對(duì)于n型材料，要求電極的功函數(shù)與材料的LOMO能級(jí)之間的勢(shì)壘較小，以減少因勢(shì)壘存在而導(dǎo)致器件性能下降，提高載流子的注入效率。常用電極材料有金屬的鋁、金、鉑、鉻、ITO、石墨等。
OTFT的發(fā)展方向
OTFT的研究已經(jīng)廣泛地進(jìn)行，但目前仍然存在許多缺點(diǎn)和問(wèn)題：現(xiàn)有的關(guān)于半導(dǎo)體能帶理論是建立在無(wú)機(jī)材料的基礎(chǔ)上，對(duì)OTFT中一些現(xiàn)象無(wú)法給出合理的解釋。有機(jī)薄膜晶體管的開(kāi)關(guān)速度不穩(wěn)，在晶體管的內(nèi)部可能發(fā)生擺動(dòng)，從而使各種信息滯后。大多數(shù)有機(jī)材料的遷移率都很低，與無(wú)機(jī)多晶和單晶材料的遷移率相比要小得多，因而其導(dǎo)電性并不盡如人意。有機(jī)半導(dǎo)體材料大多數(shù)為p形材料，n型材料較少，類(lèi)型過(guò)于單一，這也限制了有機(jī)晶體管的進(jìn)一步發(fā)展。外界環(huán)境如水、氧以及光和溫度等，都對(duì)OTFT器件的穩(wěn)定性有重大的影響，導(dǎo)致器件性能的衰減。
它具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射等能力。
它的應(yīng)用范圍覆蓋半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)電子等朝陽(yáng)領(lǐng)域。
它被視為未來(lái)支撐信息、能源、交通、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料，將引領(lǐng)光電產(chǎn)業(yè)的新一輪革命。
它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，如今世界各國(guó)爭(zhēng)相布局的戰(zhàn)略高地。
在世界范圍內(nèi)，第三代半導(dǎo)體材料在各個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。盡管我國(guó)起步較晚，發(fā)展較緩，無(wú)論基礎(chǔ)研究還是產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)都仍有很長(zhǎng)的路要走，但這并未影響該領(lǐng)域內(nèi)科研人員潛心攻關(guān)、奮起直追的決心。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與交叉科學(xué)研究院宋波教授，就是奮戰(zhàn)在我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料研究最前沿的優(yōu)秀科研人員之一。
他L期從事第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)與物性研究，凝練了氣相質(zhì)量輸運(yùn)動(dòng)態(tài)平衡控制及溫場(chǎng)調(diào)控等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，對(duì)碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、關(guān)鍵工藝參數(shù)控制與物理性質(zhì)調(diào)控等相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)研究，成果頗豐。
雛鳳新聲，結(jié)緣寬禁帶半導(dǎo)體
一代材料，一代器件，一場(chǎng)革命。材料的重要性，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到印證。
以硅（Si）為代表的第一代半導(dǎo)體材料，引發(fā)了電子工業(yè)大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料，則拓展了半導(dǎo)體在高頻、光電子等方面的應(yīng)用，使人類(lèi)進(jìn)入光纖通信、移動(dòng)通信的新時(shí)代。而如今，正是第三代半導(dǎo)體材料“大展身手”的時(shí)代。
第三代半導(dǎo)體材料又叫寬禁帶半導(dǎo)體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類(lèi)半導(dǎo)體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現(xiàn)出的高溫下的穩(wěn)定性、高效的光電轉(zhuǎn)化能力、更低的能量損耗等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，吸引了業(yè)界的普遍關(guān)注，有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，開(kāi)啟半導(dǎo)體新時(shí)代。
宋波進(jìn)入這一領(lǐng)域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國(guó)科學(xué)院物理研究所，師從我國(guó)著名晶體結(jié)構(gòu)專(zhuān)家陳小龍研究員開(kāi)展研究。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體研究起步不久，各項(xiàng)研究都非常薄弱。
2008年，宋波回到家鄉(xiāng)哈爾濱，并在哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士引薦下加入該校基礎(chǔ)與交叉科學(xué)研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導(dǎo)體生長(zhǎng)與物性研究這一研究方向，立志從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域著手，改善我國(guó)關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性戰(zhàn)略材料依賴進(jìn)口的局面，促進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，縮小與西方國(guó)家的差距。
在近十年的研究過(guò)程中，宋波作為課題負(fù)責(zé)人承擔(dān)了包括國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、總裝“十二五”預(yù)先研究重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目等在內(nèi)的20多項(xiàng)科研項(xiàng)目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國(guó)際著名SCI學(xué)術(shù)雜志上100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利13項(xiàng)。特別是在SiC基稀磁半導(dǎo)體和AIN基晶體生長(zhǎng)研究方向，取得了一系列創(chuàng)新性成果，引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的進(jìn)步，在行業(yè)內(nèi)形成了一定的影響力。
層層深入，攻關(guān)SiC基稀磁半導(dǎo)體
稀磁半導(dǎo)體是自旋電子學(xué)的材料基礎(chǔ)，能夠同時(shí)利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導(dǎo)體和磁性的性質(zhì)，新穎而獨(dú)特，是第三代半導(dǎo)體材料的熱點(diǎn)研究之一。
現(xiàn)階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導(dǎo)體的研究已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，但仍無(wú)法滿足人們對(duì)自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現(xiàn)恰逢其時(shí)。宋波在這一前沿方向進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進(jìn)展。
他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導(dǎo)體，在200 K觀察到了玻璃態(tài)的鐵磁有序，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了4H-SiC晶型的穩(wěn)定可控。首次提出了非磁性元素?fù)诫sAlN基稀磁半導(dǎo)體的研究思路，有效地避免磁性雜質(zhì)的引入，為探討稀磁半導(dǎo)體的磁性來(lái)源提供了理想的實(shí)驗(yàn)體系。
論文在2009年發(fā)表后，至今已被他引50余次，得到不少業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士的直接認(rèn)可，認(rèn)為其啟迪了思考。中國(guó)科學(xué)院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來(lái)自磁性雜質(zhì)而是來(lái)自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉(zhuǎn)變的過(guò)程中所導(dǎo)致。
隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境――
同樣在2009年，他利用在h-BN中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了美國(guó)布法羅州立大學(xué)Peihong Zhang教授等人的理論預(yù)言，即在帶隙寬度達(dá)5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導(dǎo)的內(nèi)稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學(xué)院物理研究院O. Volnianska教授在內(nèi)的業(yè)界專(zhuān)家的正面引用和廣泛認(rèn)可。
2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復(fù)合摻雜SiC基稀磁半導(dǎo)體的研究思路。在Al摻雜穩(wěn)定4H-SiC晶型的基礎(chǔ)之上，同時(shí)摻雜磁性過(guò)渡金屬元素，來(lái)獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導(dǎo)體。
2011年，他提出了采用缺陷工程調(diào)控半導(dǎo)體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導(dǎo)出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實(shí)驗(yàn)上給出了硅-碳雙空位導(dǎo)致鐵磁性的證據(jù)，并從理論上揭示了雙空位產(chǎn)生磁性的物理機(jī)制，證實(shí)了磁性元素并非半導(dǎo)體磁性的唯一來(lái)源，為深入探究寬禁帶半導(dǎo)體的磁性起源提供了新的科學(xué)認(rèn)識(shí)。在此之后，國(guó)內(nèi)外有超過(guò)18個(gè)研究小組開(kāi)展了缺陷誘導(dǎo)半導(dǎo)體磁性的研究工作，并在相關(guān)論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導(dǎo)致磁性的典型例子。
把握前沿，初探AIN晶體生長(zhǎng)
AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達(dá)、通信等現(xiàn)代化軍事和航天裝備等領(lǐng)域急需的電子器件。
宋波介紹，與其它的半導(dǎo)體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導(dǎo)致對(duì)其新性質(zhì)和新應(yīng)用的探索受到了較大的制約。
因此，深入開(kāi)展生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究，探究生長(zhǎng)過(guò)程中質(zhì)量輸運(yùn)-溫場(chǎng)分布-成核動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從微觀機(jī)理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應(yīng)，成為制約寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也是一項(xiàng)亟待開(kāi)展的基礎(chǔ)性研究工作。
在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績(jī)――
（一）在AlN機(jī)理生長(zhǎng)方面，首次發(fā)現(xiàn)本征的六重螺旋生長(zhǎng)機(jī)制。
他@得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結(jié)構(gòu)、AlN平面六邊形環(huán)等新穎納米結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性研究首次發(fā)現(xiàn)AlN納米/微米結(jié)構(gòu)和AlN單晶都遵循六重對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)機(jī)制。
這一發(fā)現(xiàn)極大地豐富了人們對(duì)于AlN晶生長(zhǎng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，對(duì)調(diào)控AlN生長(zhǎng)形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價(jià)值。
（二）在AlN新物理性質(zhì)探索方面，他首次在AlN微米螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了時(shí)間長(zhǎng)達(dá)300秒的長(zhǎng)余輝效應(yīng)。
研究中，他分別從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)AlN螺旋結(jié)構(gòu)中氮空位和鋁間隙耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。首次發(fā)現(xiàn)氮空位和鋁間隙的共同作用會(huì)誘導(dǎo)出新的能級(jí)，進(jìn)而導(dǎo)致長(zhǎng)余輝效應(yīng)的顯現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)，豐富了人們對(duì)于AlN基本物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導(dǎo)。
在AlN納米線螺旋結(jié)構(gòu)的力學(xué)測(cè)試中首次發(fā)現(xiàn)了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發(fā)現(xiàn)為制備AlN基納米器件提供了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
（三）在AlN晶體生長(zhǎng)方面，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括形核溫度控制技術(shù)、晶粒長(zhǎng)大過(guò)程控制技術(shù)、形核控制技術(shù)等。
研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術(shù)、多型缺陷濃度控制技術(shù)以及晶體質(zhì)量穩(wěn)定性控制技術(shù)等在內(nèi)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲得了高質(zhì)量的晶體材料。
他所獲得的直徑達(dá)35mm的雙面拋光片，位錯(cuò)密度小于107個(gè)/cm2，申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利7項(xiàng)，研究水平居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
他重新設(shè)計(jì)和研制了全鎢的晶體生長(zhǎng)爐、AlN原料原位補(bǔ)充系統(tǒng)和垂直梯度坩堝。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新的生長(zhǎng)組合系統(tǒng)大大提高了AlN的晶體質(zhì)量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個(gè)數(shù)量級(jí)，電阻率提高了約2個(gè)數(shù)量級(jí)，為進(jìn)一步獲得高質(zhì)量的AlN晶體提供了技術(shù)支撐。
多年來(lái)，宋波非常在意與國(guó)際學(xué)者的交流與合作，不僅承擔(dān)了科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目，還在多年的研究中與美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學(xué)Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關(guān)系。特別值得一提的，是在對(duì)俄對(duì)烏合作方面，宋波與俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所國(guó)際知名晶體學(xué)家Vladimir Kurlov教授、國(guó)際SiC晶體生長(zhǎng)專(zhuān)家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院半導(dǎo)體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關(guān)系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，為推動(dòng)雙方的科技交流合作作出了重要貢獻(xiàn)。
因表現(xiàn)突出，宋波獲得了2009年黑龍江省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、2009年黑龍江省高校自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)；得到了教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”計(jì)劃、哈爾濱工業(yè)大學(xué)“基礎(chǔ)研究杰出人才培育計(jì)劃（III類(lèi)）”和“青年拔尖人才選聘計(jì)劃（教授類(lèi)）”的支持；并在三年內(nèi)連續(xù)兩次獲得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被評(píng)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)“先進(jìn)個(gè)人”。
英文名稱(chēng)：Chinese Journal of Semiconductors
主管單位：中國(guó)科學(xué)院
主辦單位：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所;中國(guó)電子學(xué)會(huì)
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語(yǔ)
種：雙語(yǔ)
開(kāi)
本：大16開(kāi)
國(guó)際刊號(hào)：0253-4177
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：11-1870/TN
郵發(fā)代號(hào)：2-184
發(fā)行范圍：
創(chuàng)刊時(shí)間：2010
期刊收錄：
CA 化學(xué)文摘(美)(2009)
SA 科學(xué)文摘(英)(2009)
CBST 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽(yù)：
中科雙效期刊
聯(lián)系方式
在大家的不懈努力下，有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)和材料都取得了很大的發(fā)展，這個(gè)學(xué)科集合了材料學(xué)、物理和化學(xué)等等很多學(xué)科，是一個(gè)交叉學(xué)科，半導(dǎo)體技術(shù)正在不斷發(fā)展，將來(lái)還會(huì)以更快的速度發(fā)展。一些專(zhuān)家認(rèn)為，有機(jī)半導(dǎo)體材料開(kāi)發(fā)出的各種器件正在改變未來(lái)高科技的發(fā)展。
1 有機(jī)太陽(yáng)電池
傳統(tǒng)的太陽(yáng)電池是化合物薄膜太陽(yáng)電池，而新型的太陽(yáng)電池要采用新型的技術(shù)，有機(jī)太陽(yáng)電池將作為一種新型產(chǎn)物擺在大家的面前，有機(jī)太陽(yáng)電池的生產(chǎn)流程很簡(jiǎn)單，而且可以通過(guò)講解來(lái)減少對(duì)環(huán)境的污染，由于這些優(yōu)點(diǎn)符合當(dāng)代社會(huì)的需要，所以有機(jī)太陽(yáng)電池越來(lái)越受到大家的關(guān)注。如此廉價(jià)的太陽(yáng)電池會(huì)讓世界的能源發(fā)生巨大的改變。有機(jī)太陽(yáng)電池比傳統(tǒng)的電池更薄，重量更輕，受光面積在不斷增加，所以可以大大提高光電的使用效率，在電腦等小型設(shè)備當(dāng)中可以當(dāng)作電源來(lái)用。可以使用有機(jī)太陽(yáng)電池作為OLED屏幕的電源，可以大大減少重量。雖然太陽(yáng)電池很薄、很輕，也很有柔性，但是它的效率不高，而且壽命也比較短，通過(guò)研究，改變太陽(yáng)電池的缺點(diǎn)，使得效率達(dá)到10%，壽命也可以超過(guò)5年。
2 有機(jī)半導(dǎo)體晶體管
有機(jī)半導(dǎo)體材料的晶體管是有機(jī)電子器件當(dāng)中很重要的一種器件，比如OFET。當(dāng)前OFET的技術(shù)主要有聚合物、小分子蒸發(fā)或者是小分子溶液鑄模等等。OFET的優(yōu)點(diǎn)是成本低、柔性大等等，有很好的發(fā)展前景。OFET的發(fā)展很迅速，無(wú)論是材料還是制備工藝方面都有了突破，它可以使OLED發(fā)光，形成邏輯電路，發(fā)光場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及單晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管等等器件都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)。世界各個(gè)國(guó)家都在研究有機(jī)半導(dǎo)體晶體管，2009年，日本的專(zhuān)家使用液相外延工藝生產(chǎn)了并五苯單晶，幾乎是沒(méi)有任何缺陷的，之后使用這種單晶制成了OFET，場(chǎng)效應(yīng)的遷移率可以得到0.6cm2/（V.s）。2010年法國(guó)研究人員研究出一種能夠模仿神經(jīng)元突觸功能的有機(jī)存儲(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，有機(jī)半導(dǎo)體晶體管會(huì)有希望成為新一代集成電子器件。
3 OLED技術(shù)
與LCD技術(shù)比較，OLED不僅可以做到折疊和隨身攜帶，還具有更好的可適度、更好的圖像質(zhì)量以及更薄的顯示器。現(xiàn)在OLED已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到手機(jī)、以及數(shù)碼相機(jī)等小型設(shè)備當(dāng)中。當(dāng)前在OLED顯示器開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)當(dāng)中占有很大優(yōu)勢(shì)的企業(yè)有三星、LG以及柯達(dá)等等。2010年初，三星展出了OLED筆記本電腦，還推出了帶有OLED平面的MP3播放器。預(yù)計(jì)未來(lái)五年智能手機(jī)會(huì)促使OLED顯示器呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢(shì)頭。隨著OLED技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)很可能會(huì)應(yīng)用到顯示器、照明當(dāng)中。由于OLED的刷新速率很高，這使得視頻圖像更加逼真，還可以隨時(shí)進(jìn)行圖像的更新。未來(lái)的報(bào)紙也有可能成為OLED顯示器，能夠更新新聞，還能夠卷起來(lái)。有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域都占有自己的重要位置，很多企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)品。使用OLED技術(shù)的玻璃窗在電源關(guān)閉的時(shí)候和普通的玻璃沒(méi)區(qū)別，但是在接通電源之后就會(huì)變成顯示器。使用OLED技術(shù)的汽車(chē)擋風(fēng)玻璃也不僅僅是擋風(fēng)，還能夠提供其它的幫助。
有機(jī)半導(dǎo)體材料作為一種新型材料，經(jīng)過(guò)不斷開(kāi)發(fā)和研究，已經(jīng)進(jìn)入商品化的階段，并且會(huì)有很好的發(fā)展。有機(jī)半導(dǎo)體器件成本低，操作流程簡(jiǎn)單，而且功耗小，這是很多無(wú)機(jī)半導(dǎo)體器件沒(méi)有的特點(diǎn)，所以有機(jī)半導(dǎo)體器件有很大的發(fā)展。但是有機(jī)半導(dǎo)體器件在壽命已經(jīng)性能方面還需要改進(jìn)。喲及半導(dǎo)體器件的速度比較慢，這使得它取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體的可能性不大，所以在這方面需要解決，但是有機(jī)半導(dǎo)體更加經(jīng)濟(jì)，成本更低，值得推廣。
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關(guān)鍵詞：量子點(diǎn) 發(fā)光 量子點(diǎn)尺寸效應(yīng)
近幾年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料引起人們極大的興趣，是因?yàn)檫@些材料在藍(lán)光及紫外光發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和紫外光探測(cè)器上有重要的應(yīng)用價(jià)值。這些器件在光信息存儲(chǔ)、全色顯示和紫外光探測(cè)上有巨大的市場(chǎng)需求，人們已經(jīng)制造出III族氮化物和ZnSe等藍(lán)光材料，并用這些材料制成了高效率的藍(lán)光發(fā)光二極管和激光器，這使全色顯示成為可能。量子點(diǎn)（QuantumDot）憑借自身獨(dú)特的光電特性越來(lái)越受到人們的重視，成為研究的熱點(diǎn)。
由于量子點(diǎn)所具有的量子尺寸、量子隧穿、庫(kù)侖阻塞、量子干涉、多體關(guān)聯(lián)和非線性光學(xué)效應(yīng)非常明顯，故在低維量子結(jié)構(gòu)的研究中，對(duì)載流子施以盡可能多的空間限制，制備零維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)并開(kāi)發(fā)其應(yīng)用，受到世界各國(guó)科學(xué)家和企業(yè)家的高度重視。
1、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備方法
高質(zhì)量半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備是量子器件和電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)缺陷量子點(diǎn)的形狀、尺寸、面密度、體密度和空間分布有序性等的可控生長(zhǎng)，一直是材料科學(xué)家追求的目標(biāo)和關(guān)注的熱點(diǎn)。
應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)技術(shù)是指在半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)過(guò)程中，由于襯底和外延層的晶格失配及表面、界面能不同，導(dǎo)致外延層島狀生長(zhǎng)而制得量子點(diǎn)的方法。這種生長(zhǎng)模式被稱(chēng)為SK生長(zhǎng)模式。外延過(guò)程的初期為二維平面生長(zhǎng)，平面生長(zhǎng)厚度通常只有幾個(gè)原子層厚，稱(chēng)為浸潤(rùn)層。隨浸潤(rùn)層厚度的增加，應(yīng)變能不斷積累，當(dāng)達(dá)到某一臨界層厚度時(shí)，外延生長(zhǎng)則由二維平面生長(zhǎng)向三維島狀生長(zhǎng)過(guò)渡，由此形成直徑為幾十納米、高度為幾納米的小島，這種材料若用禁帶較寬的材料包圍起來(lái)，就形成量子點(diǎn)。用這種方法制備的量子點(diǎn)具有尺寸小、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)。用這種方法已經(jīng)制備出了高質(zhì)量的GaN量子點(diǎn)激光器。
化學(xué)自組裝量子點(diǎn)制備方法是一種通過(guò)高分子偶聯(lián)劑將形成量子點(diǎn)的團(tuán)簇或納米顆粒聯(lián)結(jié)起來(lái)，并沉積在基質(zhì)材料上來(lái)制備量子點(diǎn)低維材料的方法。隨著人們對(duì)量子線、量子點(diǎn)制備和應(yīng)用的迫切需求，以上物理制備方法顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是在批量制備時(shí)更是如此，化學(xué)自組裝為納米量子點(diǎn)的平面印刷和納米有機(jī)-無(wú)機(jī)超晶格的制備提供了可能。由于化學(xué)自組裝量子點(diǎn)的制備具有量子點(diǎn)均勻有序、制備速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，且選用不同的偶聯(lián)劑可以對(duì)不同的量子點(diǎn)前驅(qū)顆粒進(jìn)行不同對(duì)稱(chēng)性的組裝，從而能制備出不同的量子點(diǎn)。它的出現(xiàn)為批量制備高功率半導(dǎo)體量子器件和激光器提供了一種有效的途徑，因此這種方法被認(rèn)為是制備量子點(diǎn)最有前途的方法之一。
2、 II-VI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光原理和發(fā)光特性
2.1 發(fā)光原理
半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光原理（如圖1-1所示），當(dāng)一束光照射到半導(dǎo)體材料上，半導(dǎo)體材料吸收光子后，其價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上的電子還可以再躍遷回價(jià)帶而發(fā)射光子，也可以落入半導(dǎo)體材料的電子陷阱中。當(dāng)電子落入較深的電子陷阱中的時(shí)候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數(shù)的電子以光子的形式躍遷回價(jià)帶或吸收一定能量后又躍遷回到導(dǎo)帶。因此當(dāng)半導(dǎo)體材料的電子陷阱較深時(shí)，它的發(fā)光效率會(huì)明顯降低。
2.2 發(fā)光特性
由于受量子尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)的影響，半導(dǎo)體量子點(diǎn)顯示出獨(dú)特的發(fā)光特性。主要表現(xiàn)為：（1）半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸來(lái)加以調(diào)控；（2）半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對(duì)稱(chēng)的熒光譜峰（半高全寬只有40nm）；（3）半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有較高的發(fā)光效率。半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光特性，除了量子點(diǎn)的三維量子限制作用之外，還有其他諸多因素需要考慮。不過(guò)人們通過(guò)大膽嘗試與努力探索，已在量子點(diǎn)的發(fā)光特性研究方面取得了很大的進(jìn)展。
3、量子點(diǎn)材料的應(yīng)用
鑒于量子點(diǎn)的獨(dú)特理化性質(zhì)，科學(xué)工作者就量子點(diǎn)材料的應(yīng)用研究開(kāi)展了大量的工作，研究領(lǐng)域主要集中在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、生命科學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域，下面介紹一下量子點(diǎn)在這些方面的應(yīng)用。
3.1量子點(diǎn)激光器
用量子線或量子點(diǎn)設(shè)計(jì)并制作微結(jié)構(gòu)激光器的新思想是由日本的兩名年輕的科學(xué)家在1982年提出了，但是由于制備工藝的難度很大而擱淺。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技術(shù)，通過(guò) Stranski―Krastanow（S―K）模式生長(zhǎng)In（Ga）As/GaAs自組裝量子點(diǎn)等零維半導(dǎo)體材料有了突破性的進(jìn)展，生長(zhǎng)出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發(fā)射率較高的InAs量子點(diǎn)，并于1994年制備出近紅外波段In（Ga）As/GaAs量子點(diǎn)激光器。
3.2量子點(diǎn)紅外探測(cè)器
半導(dǎo)體材料紅外探測(cè)器的研究一直吸引人們非常廣泛的興趣。以量子點(diǎn)作為有源區(qū)的紅外探測(cè)器從理論上比量子阱紅外探測(cè)器具有更大的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)包括：（1）量子點(diǎn)探測(cè)器可以探測(cè)垂直入射的光，無(wú)需像量子阱探測(cè)器那樣要制作復(fù)雜的光柵；（2）量子點(diǎn)分立態(tài)的間隔大約為50meV-70meV，由于聲子瓶頸效應(yīng)，電子在量子點(diǎn)分立態(tài)上的弛豫時(shí)間比在量子阱能態(tài)上長(zhǎng)，這有利于制造工作溫度高的器件；（3）三維載流子限制降低了熱發(fā)射和暗電流；（4）探測(cè)器不需冷卻，這將會(huì)大大減少陣列和成像系統(tǒng)的尺寸及成本。因此，量子點(diǎn)探測(cè)器已經(jīng)成為光探測(cè)器研究的前沿，并取得了重大進(jìn)展。
3.3 單電子器件
電子器件是基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本原理，通過(guò)控制在微小隧道結(jié)體系中單個(gè)電子的隧穿過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能的器件，是一種新型的納米電子器件。
3.4 量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合單電子量子點(diǎn)上的自旋態(tài)來(lái)構(gòu)造量子比特，實(shí)現(xiàn)信息傳遞的方法。
除此之外，量子點(diǎn)在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景。
結(jié)束語(yǔ) 我們相信量子點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用的未來(lái)出現(xiàn)很多奇跡，隨著對(duì)量子點(diǎn)的深入研究，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景還將更加廣闊。
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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(lèi)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(lèi)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(lèi)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。基于上述材料體系的光通信用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(mén)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(lèi)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(lèi)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(chēng)，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(chēng)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(chē)、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(chēng)，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(chēng)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(lèi)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(lèi)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)越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類(lèi)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(lèi)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)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。基于低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(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。可以預(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。
關(guān)鍵詞： 晶體 缺陷 固體電解質(zhì) 半導(dǎo)體材料 摻雜合金
美，讓人感覺(jué)賞心悅目，美，讓人感覺(jué)興趣盎然。美的事物總是讓人更易去接受，更愿去接近。化學(xué)中的美無(wú)處不在，化學(xué)史的美，化學(xué)儀器的美，形形物質(zhì)的結(jié)構(gòu)美……
興趣是最好的老師，因此，在化學(xué)教學(xué)中，老師如何更多地去發(fā)現(xiàn)美，如何引導(dǎo)學(xué)生更好地去感受美，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)興趣的培養(yǎng)有著重要的意義。在晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，教師更多的是讓學(xué)生感受晶體的完美，完美的晶體確實(shí)讓人心儀，但實(shí)際的物質(zhì)在結(jié)成晶體時(shí)往往都有美中不足的地方，實(shí)際的晶體總是存在著這樣或那樣的缺陷。那么，晶體的缺陷是如何形成的呢？缺陷就是不完美，又如何去挖掘晶體的缺陷美呢？
一、晶體的缺陷
晶體的缺陷有點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷，點(diǎn)缺陷有填隙缺陷、雜質(zhì)原子、空位等情況。例如：
試題1：已知一種鐵的氧化物FeO（富氧體）為氯化鈉型晶體。由于晶體存在缺陷，x＜1，測(cè)得其密度為5.71g?cm，測(cè)得其晶胞邊長(zhǎng)為4.28×10m。
（1）FeO晶體中x＝ （保留2位有效數(shù)字）。
（2）FeO中Fe和Fe個(gè)數(shù)比為 。
試題點(diǎn)評(píng)：對(duì)于氯化鈉型的FeO晶體，F(xiàn)e與O的個(gè)數(shù)之比為1∶1，當(dāng)晶體中的部分Fe因氧化而生成Fe時(shí)，造成正電荷的增多，在保證負(fù)電荷總數(shù)不變的情況下，根據(jù)電荷守恒，晶體中鐵離子的總數(shù)將減少，使得化學(xué)式FeO中的x＜1。根據(jù)晶體的密度和晶胞邊長(zhǎng)，可列示：
5.71g?cm=，得M＝67.38g?mol，所以，x＝（67.38–16）/55.84＝0.92。
根據(jù)電荷守恒，當(dāng)晶體中每2個(gè)Fe被氧化生成Fe時(shí)，晶體中將產(chǎn)生一個(gè)空位，因此，晶體中Fe與空位數(shù)之比為2∶1，在1mol FeO晶體中，空位的物質(zhì)的量為（1－0.92）mol＝0.08mol，F(xiàn)e數(shù)為0.08mol×2＝0.16mol，F(xiàn)e數(shù)為0.92mol－0.16mol＝0.76mol，晶體中Fe和Fe的個(gè)數(shù)之比為0.76∶0.16＝19∶4。
二、晶體的缺陷美
晶體有缺陷，但若能善加利用，缺陷的晶體就能散發(fā)它的缺陷美。如能導(dǎo)電的固體電解質(zhì)、半導(dǎo)體材料和特殊性能合金等，都是晶體缺陷的具體應(yīng)用。
1.能導(dǎo)電的固體電解質(zhì)
由于晶體中空位缺陷的存在，對(duì)不同晶體的導(dǎo)電率產(chǎn)生了各異的影響。因在電場(chǎng)的作用下，離子會(huì)通過(guò)空位而移動(dòng)，從而提高了離子晶體的電導(dǎo)率。例如：
試題2：設(shè)計(jì)出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是世紀(jì)富有挑戰(zhàn)性的課題之一。最近有人制造了一種燃料電池，一個(gè)電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣，電池的電解質(zhì)是摻雜了YO的ZrO晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O離子。以丁烷代表汽油，這個(gè)電池放電時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：2CH＋13O=8CO＋10HO。回答如下問(wèn)題。
（1）這個(gè)電池的正極反應(yīng)是 ，負(fù)極反應(yīng)是 ，固體電解質(zhì)里的O離子的移動(dòng)方向是 。
（2）人們追求燃料電池氧化汽油而不在內(nèi)燃機(jī)里燃燒汽油產(chǎn)生動(dòng)力的主要原因是： 。
（3）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應(yīng)不完全產(chǎn)生 堵塞電極的氣體通道，有人估計(jì)，完全避免這種副反應(yīng)至少還需10年時(shí)間，正是新一代化學(xué)家的歷史使命。
試題點(diǎn)評(píng)：由于ZrO晶體中部分＋4價(jià)Zr被＋3價(jià)Y替換，根據(jù)電荷守恒，O離子將產(chǎn)生缺位，在電場(chǎng)的作用下，O離子會(huì)通過(guò)空位而移動(dòng)，從而導(dǎo)致了晶體的導(dǎo)電性。
由于晶體的導(dǎo)電是O離子的定向移動(dòng)造成的，因此該電池的正極反應(yīng)為：13O＋52e=26O，負(fù)極反應(yīng)為：2CH＋26O－52e=8CO＋10HO。電池正極產(chǎn)生O，負(fù)極消耗O離子，故電解質(zhì)里的O離子應(yīng)向負(fù)極移動(dòng)。
由于汽油在內(nèi)燃機(jī)里燃燒時(shí)能量利用率低，利用率只有10%左右，而當(dāng)設(shè)計(jì)成燃料電池后，能量的利用率大致在30%左右，可大大提高汽油氧化時(shí)的能量利用率。但由于汽油不完全燃燒將產(chǎn)生碳，能堵塞電極的氣體通道，這是汽油燃料電池的最大障礙。
2.摻雜制半導(dǎo)體材料
雜質(zhì)對(duì)于晶體，特別是半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響是十分顯著的。如10億個(gè)正常粒子中有6個(gè)雜質(zhì)粒子存在就足以使半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著的變化。因此，許多半導(dǎo)體原料（如硅、鍺等，本身由于自由移動(dòng)的電子很少，幾乎不導(dǎo)電）在制成器件前都要摻雜，控制摻雜元素的種類(lèi)和濃度，即可得到不同類(lèi)型的、電阻率氛圍各異的半導(dǎo)體材料。例如：
試題3：在鍺（或硅）材料的一端摻入少量某主族元素的單質(zhì)，就變?yōu)镻型（缺電子型或空穴型）半導(dǎo)體，另一端摻入少量另一主族元素的單質(zhì)，就變成N型（電子型）半導(dǎo)體。在P型和N型半導(dǎo)體的交界面就形成PN結(jié)，在外接電場(chǎng)的作用下，電子就會(huì)產(chǎn)生定向的移動(dòng)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件（如二極管、三極管等）的基礎(chǔ)。試回答下列問(wèn)題：
（1）P型半導(dǎo)體摻入的是 族元素的單質(zhì)，N型半導(dǎo)體摻入的是 族元素的單質(zhì)。
