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半导体材料发展特性范文1
关键词:化合物半导体材料;GaAs;GaN;SiC
中图分类号:TP331文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)05-1238-02
On The Compound Semiconductor Materials
HAO Bin, WEN Kai
(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)
Abstract: Compound semiconductor integrated circuits with ultra-high speed, low power, multi-functional, anti-radiation properties is widely used, GaAs, GaN, SiC as the main application of compound semiconductor materials. This article describes the advantages of compound semiconductor materials, and from GaAs, GaN, SiC formed part of the device.
Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC
目前,半导体器件已被广泛应用到各个领域中。但是随着科技的发展,由于硅的电子移动速度使得硅电路传输速度慢并且难以改善。因此新型半导体材料由此产生,以GaAs、GaN、SiC为代表的的化合物半导体是目前应用最广泛、发展最快。
1 化合物半导体材料优势
化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例,通过比较可得:1化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度,因此,可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。2肖特基势垒特性优越,容易实现良好的栅控特性的MES结构。3本征电阻率高,为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离,工艺简化,适合于微波电路和毫米波集成电路。4禁带宽度大,可以在Si器件难以工作的高温领域工。现在化合物半导体材料已广泛应用:在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面,另外还可用于手机、光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域。
2 化合物半导体器件
GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。以下介绍由这三种材料构成的部分器件。
2.1 GaAs材料
高电子迁移率晶体管(HEMT)器件实在能形成2DEG的异质结上用类似MESFET的工艺制成的场效应晶体管。源漏之间主要由2DEG的导电沟道提供,由势垒层上的肖特基栅施加偏压来改变耗尽区的厚度,从而控制沟道2DEG的浓度及器件的工作状态(如图1)。对这类器件若VGS=0时沟道中已有电子存在,则器件是耗尽型的;若沟道被耗尽则器件是增强型的。I-V特性为强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT都呈现出平方规律的饱和特性。
AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层 高纯GaAs层 n型AlGaAs层 n型GaAs层台面腐蚀隔离有源区制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层淀积Ti/Pt/Au栅电极。(如图2)
图1 GaAs HEMT中2-DEG图2 GaAs HEMT基本结构图3 PHEMT的基本结构
随后发现由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱,它能俘获和放出电子,使得2-DEG浓度随温度而改变,导致阈值电压不稳定。为了解决这个问题,采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2-DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。InGaAs层厚度约为20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之间的晶格失配(约为1%)而产生的应力,在此应力作用下,InGaAs的晶格将被压缩,使其晶格常数大致与GaAs与AlGaAs的相匹配,成为赝晶层。因为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着 i CGaAs层的作用,所以成为“赝”层,这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。
2.2 GaN材料
2.2.1 GaN基HEMT
目前GaN基HEMT器件的主要结构是基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件。由于极化效应,AlGaN/GaN异质结很容易出现2DEG,因此有常见工艺生长的绝大部分HEMT器件是属于耗尽型的。在尽量提高沟道2DEG浓度且保持其迁移率和速度,同时又不引起势垒应变弛豫的原则下,应用于HEMT器件的AlGaN/GaN异质结的结构参数已经优化到一个范围(势垒层的Al含量为0.2~0.3,厚度为20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件还有以下特性:1) 缓冲层漏电小即缓冲层呈高阻态且缺陷密度小形成高的输出阻抗;2) 高的击穿电压,对提高器件的输出功率和功率开关的电压承受能力非常重要;3) 跨导高且和栅压保持良好的线性关系,这与器件的频率特性和开关速度相关;4) 好的夹断特性; 5) 较高的截止频率;6) 良好的散热能力。GaN基HEMT的主要工艺为台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触。
2.2.2 GaN基HBT
异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区,大大提高了发射结的载流子注入效率;基区可以高掺杂(可高达1020cm-3),基区电阻rb可以显著降低,从而增加 fmax ;同时基区不容易穿通,从而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸缩小;发射结浓度可以很低(约1017cm-3),从而发射结耗尽层电容大大减小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研发为微波功率放大器件或高压开关器件,其目标特性为高射极注入系数、长的少子寿命、短的基区渡越时间、高击穿电压。
2.3 SiC材料
SiC基结型场效应晶体管(JFET)和肖特基栅场效应晶体管(MESFET)
SiC基MESFET和JFET的沟道载流子的等效迁移率比较高,因此SiC基MESFET主要被开发为微波功率器件,而JFET则是高压功率开关器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波频段,其性能优势为线性化程度比较理想,输出阻抗高,从而大大降低对匹配网络的要求,降低了制作和设计成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在较高和较低温度以及较高频率下工作。
3 结束语
化合物半导体集成电路和普通半导体集成电路相比具有明显的优势,适合于高频高速电路的要求。并且化合物半导体可以发光,可以实现光电集成。因此化合物半导体有更广泛的发展空间。
参考文献:
[1] 何杰,夏建白.半导体科学与技术[M].北京:科学出版社,2003.
[2] 李效白.砷化镓微波场效应管及其集成电路[M].北京:科学出版社,2005.
半导体材料发展特性范文2
【关键词】有机电子器件 光探测器 光敏二极管 光敏晶体管
1 引言
随着科技的不断发展，大面积、低成本、柔性、轻巧便携成为人们对新一代电子器件的追求目标。π共轭有机小分子半导体和聚合物半导体由于可利用低成本高效率的印刷方式制备大面积柔性器件，目前已成为研究的热门材料。通过分子结构的设计，材料的光电性质也会随之改变，这也使得有机发光二极管（OLEDs），有机场效应晶体管（OFETs），有机光伏器件（OPVs），有机记忆存储器及有机传感器得到了很大的发展。
光探测是有机半导体材料的重大的应用之一。有机半导体的种类繁多，通过分子结构设计可以实现从紫外到近红外的全波段光的吸收或者特定波段光的吸收。有机半导体可低温制备的特性使得大面积柔性光电系统的发展成为可能。本文主要介绍了光敏二极管和光敏晶体管这两类光敏器件的研究现状，并通过对这两类光敏器件的研究和归纳展望光电系统的未来发展。
2 光敏二极管
2.1 可见光探测器
可见光范围的有机光探测器的研究在上个世纪90年代已有一些初期的报道，从那以后，越来越多的研究成功的制备出涵盖整个可见光范围的有机光探测器。无论是基于有机小分子还是聚合物，大部分器件都是建立在Donor/Acceptor （D/A）异质结的基础之上。对于有机小分子半导体器件而言，分子束沉积技术使得分子的纳米结构和形貌得到了良好的控制。较为复杂的是采用溶液法制备的光敏器件，其异质结的形貌很难在纳米尺度上进行控制，且相容性较好的D/A对的选择也起着关键的作用。其中为人熟知的溶液法制备的聚3-己基噻吩（P3HT）/富勒烯衍生物（PC61BM）异质结对，具有较宽的光谱吸收范围（从400nm到600nm），较高的载流子迁移率，其外量子效率（EQE）能达到70%。另外，有研究报道PC61BM的类似物PC71BM在可见光范围内具备更宽的光吸收。除此之外，新兴的导电高分子如聚芴的衍生物及其共聚化合物也可成为供体（D）或者受体（A）的替代材料。与蓝绿光的探测器相比，针对红光的光敏二极管的研究相对较少。这是由于对红光敏感的材料往往能带间隙比较小，其合成比较困难，其溶解性和稳定性较差。另外，由于能级间隙变小，要想找到能级匹配的D/A组合就变得更加困难。尽管如此，基于红光-近红外探测的器件在应用上仍然得到了较大的发展，比如在光通讯领域，远程控制，环境控制或者生物医疗领域。
2.2 全波段光探测器
由于半导体材料对太阳光的吸收性能是提高太阳能电池效率的关键因素，因此随着对光伏器件研究的加深，基于半导体材料光吸收性能的光敏二极管也得到了大力的发展。就聚合物而言，通过稠杂环的聚合反应可以得到能带间隙较窄的导电聚合物，用于制备全波段的光探测器。2007年，Yang课题组采用酯基改性的聚噻吩（PTT）与PC61BM形成异质结光敏探测器能探测900nm的光（800nm波长时EQE值达到40%）。用类似的方法，Gong等人使用窄带隙的聚合物PDDTT与PC61BM混合形成异质结制备出能探测300nm到1450nm的全波段光探测器（900nm波长时EQE值达到30%）。对于小分子而言，卟啉类小分子化合物在长波长范围内有良好的吸收特性。最近报道的采用溶液法制备的卟啉阵列光敏探测器，其中卟啉单元呈带状排列，器件的EQE值在1400nm波长时达到了10%。这样的光敏器件的制备一般需要找到能级匹配的D/A对，混合制备形成异质结。除此之外，若要实现对近红外部分的光探测一般需要引入杂化体系，如有机小分子与聚合物混合，或者有机材料与无机材料混合。2009年Arnold等人将碳纳米管与C60混合制备出了性能优异的光敏探测器，半导体性的碳纳米管受光照射激发产生的电子-空穴对在碳纳米管与C60的界面处被离解，增加了载流子密度，使光电流明显增大。在制备过程中，使用共轭聚合物（P3HT或者PPV）包裹碳纳米管增加其溶解性，使碳纳米管之间能相互分离，并在薄膜上均匀的分布。碳纳米管的直径的高度分散性使器件实现了宽范围的光吸收（从400nm到1600nm）。
除此之外，选择性光探测器是采用本身对光具有选择性吸收的半导体材料作为活性层制备而成，其中紫外光探测是光敏探测研究的一大重点，被广泛用于科学，商业和军事领域。但是由于紫外光能量较高，对有机半导体材料有破坏作用，因此对紫外探测器件的稳定性考量是器件制备过程中十分重要的一步。
3 有机光敏晶体管
起初，基于共轭有机小分子和聚合物半导体的光敏晶体管的报道并没有引起太大的关注，因为与无机光敏晶体管相比，这些有机晶体管的R值小，光敏开关比Ilight/Idark低，载流子迁移率也比较低。随后，Noh等人制备的基于BPTT半导体的改进型的光敏晶体管的开关比能达到无定型硅基光敏晶体管的100倍，这成为对有机光敏晶体管进行深入的研究与发展的开端。有机光敏晶体管常用的小分子材料有并五苯、酞菁铜等。采用并五苯与酞菁铜作为活性材料的光敏晶体管器件其R值分别是10-50A/W和1.5-2.4A/W。除了小分子有机光敏晶体管外，利用聚合物半导体作为活性层有望制备全有机的柔性光敏晶体管。Narayan等人采用P3OT作为半导体，PVA作为绝缘层制备的柔性器件，其在1μW时光敏开关比达到100倍，远高于传统的两端二极管器件。另外，D/A异质结也被引入用于光敏晶体管的制备。通常是将两种能级匹配的半导体材料混合作为晶体管的活性材料部分，由于晶体管的第三端作用往往会使光电流大大增加，使光敏晶体管器件的性能更好。
4 结论
有机光信号探测器作为一种极具成本效益的电子器件，可用于短范围内的数据传输，数码成像和传感等。它的优点是易调控，可集成和可实现对光波段的选择性。简单的制备方式，大量的有机半导体的材料储备，较高的量子产率和光响应速度使得有机光信号探测器具备广泛的应用前景。
半导体材料发展特性范文3
关键词：铋系半导体材料 光催化 改性
1. 铋系半导体光催化材料简介
自上世纪70年代首次发现二氧化钛（TiO2）可以光照分解水这一现象以来，越来越多的研究者投入到光催化领域中来。TiO2具有无毒、催化活性较好以及稳定性高等优点，在光催化领域应用十分广泛。但在可见光区域没有响应，禁带宽度大等缺点同时也限制了它的应用。因此，研究者的研究方向主要集中在对TiO2的改性以及开发新型的半导体光催化材料上。铋系半导体材料由于其独特的晶体结构与电子结构引起了研究者的注意，并取得了一系列研究成果。
铋系光催化材料有两个很明显的优点，其一，Bi的外层电子结构为6s26p3，因此，Bi元素主要有两个价态，+3和+5，且可以通过不同的实验方法合成其他的中间价态。当Bi失去外层电子时，可以与其他元素（如O元素）复合并杂化，在半导体中形成价带顶端，从而形成s-p杂化轨道，降低其禁带宽度，有利于光生电子与空穴的传递，抑制光生载流子的复合，从而可以提高光催化性能。其二，铋系半导体材料有很多的微观形貌，如纳米片、纳米棒、纳米花等，大多为多层结构，比表面积高，有利于和其他半导体材料复合，从而提高其光催化性能。
2. 铋系半导体光催化材料的改性
铋系半导体光催化材料的性能虽然较其他一些催化材料有很明显的优势，但依然有上升空间。因此对铋系半导体光催化材料进行改性以提高其光催化性能成了目前的研究热点。铋系光催化材料的改性主要集中在合成新型半导体光催化材料、与其他半导体光催化剂复合形成异质结以及掺杂一些元素进行改性。
2.1 合成新型半导体光催化材料
在铋系化合物中，Bi2WO6、BiVO4、Bi2MoO6等一些二元复合氧化物以及卤氧化铋材料已经被发现并得到了广泛研究。因此研究者们又把目光转向了新材料的开发上，以此来拓宽研究范围并不断提高铋系材料的光催化性能。
Bi2S3是近几年被报道的用于光催化领域的一种半导体，其晶体结构与Bi2O3很相似，据文献报道，Bi2S3的禁带宽度为1.4eV左右，在光电催化方面活性较好。Bi2S3的制备方法也很多，包括水热法、化学沉积法、超声化学法等，在制备过程中，通过不断调节实验条件，例如加入表面活性剂、调节pH值以及控制反应时间等，可以合成不同形貌的Bi2S3。目前所合成的形貌有纳米片。纳米花、纳米线等等。沈林等人[1]用水热法，在实验过程中加入EDTA并调节溶液的pH值，合成出了各种形貌的Bi2S3。
NaBiO3也是近几年研究的热点，其光催化性能较Bi2O3有明显的提升，在光催化领域有着巨大的应用前景。在NaBiO3中，Na的3s轨道和O的2p轨道发生杂化反应形成s-p轨道，可以加快光生电子和空穴的传递，抑制光生载流子的复合，从而增强其光催化活性。谌春林等人[2]用热处理的方法在不同条件下处理商品铋酸钠，并对所得的样品进行光催化活性测试。实验结果显示，铋酸钠对甲基橙、亚甲基蓝以及苯酚等污染物均有一定的降解活性，并且经过热处理过得铋酸钠的活性较之前有所提高。
碱土金属铋酸盐也是一类新型的可见光催化剂，文献报道不多，因此发展空间很大。在化合物中，Bi3+的孤对电子使化合物呈现出Bi-O的三维网络片状结构。继Tang等人首次发现CaBi2O4在可见光的照射下可以降解亚甲基蓝以及甲醛以后，其他碱土金属铋酸盐也相继被报道出来，例如CaBi6O13以及SrBi2O4等。
2.2 与其他半导体材料复合
在提高铋系化合物光催化活性方面，除了发现新型化合物，使用最多的应该是与其他半导体光催化剂复合。复合主要包括铋系化合物与其他化合物的复合以及铋系化合物与贵金属的复合等几个方面。
Shang等人将Bi2WO6负载在TiO2纳米纤维薄膜上，成功的制备出了Bi2WO6/TiO2异质结，并对其光催化活性进行了测试。实验结果表明，该异质结催化剂在可见光条件下，降解活性远高于Bi2WO6和TiO2。
除了以上两个方法外，与贵金属的复合也应用的十分广泛。在光催化过程中，贵金属一般作为助催化剂，加快光生电子的传递来提高光催化活性。Pugazhenthiran等人采用超声法将Au与Bi2O3复合，实验结果显示，所制备的复合光催化剂能够在可见光下降解酸性橙-10。
与其他半导体材料的复合为铋系半导体催化剂材料在光催化领域的发展提供了更为广阔的前景。
2.3 与其他元素掺杂
在铋系半导体的材料改性方面，元素掺杂也是很重要的一方面。Xu等人用水热法合成出了BiVO4之后，用浸渍法掺杂不同的稀土元素并改变其比例，合成了一批样品。通过光催化活性测试，Gd3+-BiVO4的活性最好，尤其当Gd的含量为8at.%时，光催化活性达到最高。
3. 铋系半导体光催化材料的应用
铋系半导体材料在光催化方面的主要集中在降解有机染料、抗生素以及分解水等几个方面。
随着经济的发展以及人民生活水平的提高，在工业生产过程中会产生很多工业废水，其中就包括很多有机染料，例如罗丹明B、甲基橙、亚甲基蓝、甲基紫等。这些染料废水对人们的生产以及生活带来很大的危害。而铋系光催化材料在这方面的表现极为优异。Ping等人采用溶剂法法，以1-丁基-3-甲基咪唑碘为原料，合成出了BiOI纳米片。实验结果表明，该样品在可见光下对罗丹明B的降解性能十分优异。
抗生素的滥用也是目前的一大问题，这直接导致了水体中出现了大量的抗生素残留，包括环丙沙星、四环素、氯酚以及微囊藻毒素等等。Ling等人以Bi2O3以及TiO2为原料，采用高温固相法合成出了钛酸盐Bi4Ti3O12。在后续的光催化实验中，研究者用所得产物降解氯酚（4-CP）以及微囊藻毒素（MC-RR）。结果显示，当4-CP的浓度为1.25×10-5mol/L时，降解活性最高。同时在后期的表征中显示，反应中起主要作用的活性物种为羟基自由基和超氧自由基。
除环境问题外，能源短缺也是当今社会的一大问题。化石能源的过渡开采必然导致能源紧缺，因此开发新能源，例如氢能、太阳能以及潮汐能等也是一项迫切的任务。铋系半导体材料大多可以在可见光的照射下分解水产生氧气，因此，在铋系材料的基础上复合可以分解水产氢且价导带匹配的化合物就能够实现全分解水的过程。Kudo等人于1998年首次发现BiVO4在可见光的照射下，可以分解水。在此基础上，研究者又经过不断努力，合成了更多可以分解水的异质结。
除了上述在降解污染物以及能源方面的应用，铋系光催化材料还广泛的应用于光催化还原以及光催化氧化等方面。
4. 结语
到目前为止，有大量关于铋系半导体材料在光催化领域的应用的文章的报道。但由于其制备过程不适宜大规模生产且一些材料成本太高，不利于工业生产。在未来的科研工作中，可以将目光主要集中在对铋系半导体材料的工业化应用方面，通过制备方法的改进以及原材料的选择上降低其成本，提高重复利用率，进而推广到工业生产上。
参考文献
半导体材料发展特性范文4
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。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。
半导体材料发展特性范文5
关键词碳化硅；半导体；材料；技术；工艺；发展；
中图分类号：TQ163+.4 文献标识码：A 文章编号：
引言
随着科学技术的发展，宇脱国防,是有勘探等领域对半导体电子器件提出了极为严格的要求，开发研制高温、高频、高功率、高耐压及抗辐射等新型半导体器件成为日益紧迫的问题.目前，半导体行业中常用的Si材料由于本身条件的限制，对上述要求难以胜任;而作为N-N族二元半导体材料的SiC具有较大的热导率、高临界击穿电场、宽禁带、高载流子迁移率等特点，越来越引起人们的重视.国外现已研制出多种SiC器件.特别是在高沮功率器件方面，所制备的SiC MC3SFET等器件的性能远远超出同类Si器件.目前已有SiC蓝色发光器件作为商品出售.随着SiC单晶生长技术和薄膜生长技术的突破，SiC材料在研制高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件方面受到极大关注，并加速了该领域的发展步伐.近两年来，国际上已掀起了对SiC材料及器件研究的热潮。
一、半导体材料的特征
半导体材料在自然界及人工合成的材料中是一个大的部类。顾名思义，半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。它具有如下的主要特征。（1）在室温下，它的电导率在103—10-9S/cm之间,S为西门子，电导单位，S=1/r(W. cm) ；一般金属为107—104S/cm,而绝缘体则
二、晶体生长
SiC具有同质异型体的特点，其每一种晶体结构都有着自己独特的电学及光学性质.表1给出了常见的几种具有不同晶体结构的SiC的电学特性与硅及砷化稼的比较.在许多器件应用中，SiC的高击穿电场(比硅的5倍还大、宽的禁带宽度吸大于硅的2倍、高载流子饱和漂移速度(是硅的2倍)以及大热导率(大于硅的3倍)将充分发挥器件的应用潜力。
尽管许多年以前人们就已经知道了SiC的一些潜在的优良电学特性，但由于材料生长的原因，直到现在还不能将这些特性充分应用到器件或集成电路中去.目前通过改进型Lely升华的方法得到了大面积重复性好的&H-SiC单晶,1989年2. 54 cm的6H-SiC单晶片首先商业化，此后SiC半导体器件技术得到迅猛发展。
在众多的SiC晶休结构中，4H-sic和6H-S〔由于其单晶生长工艺的成熟性以及较好的重复性，使它们在电子器件中应用比较广泛.市场上可得到的4H或8H SiC晶片的直径已经达到4.445 cm，具体价格根据其规格的不同从800 -2 000美元/片不等，这些产品主要来自于美国的Cree公司.如果晶片的价格有所下降，将会更加促进SiC技术的发展.另外，Westinghouse公司在SiG材料方面也取得了一些可喜的成果:他们成功地制备了半绝缘SiC晶片，其室温下的电阻率大于10Ωcm，并首次得到7. 82 cm的SFC晶片。
4H-S iC的载流子迁移率较8H-SiC.的要高，这使其成为大多数SiC器件的首选材料. 8H-SiG本身固有的迁移率各向异性使之在平行于G轴方向导通率有所下降，导致纵向MOSFET功率器件多选用4H-SiC.为减小纵向MOSFET功率器件中衬底寄生电阻，目前4H-SiC电阻率可达到0.0028dΩcm.4H-SIG的高迁移率掩盖了利用8H-SiG为衬底进行同质外延而生成3G-SiG薄膜所带来的优点。
目前影响SiG电子器件实现的首要因素之一就是控制生长高质量的SiC外延薄膜.在SiC电子器件的实现过程中，控制生长高质量的外延层是关键的一步、目前，化学气相淀积技术可满足制备重复性好的外延层及批t生产这两方面的需求.为了减少由于晶格失配、热膨胀系数不同所带来的缺陷等间题，生长时选用SiC基片.首先要抛光SiC基片使其表面偏离(0001)基面3 ^4度，这将使外延层中原子堆垛顺序与SiC衬底内的原子堆垛顺序相同.同时，为得到N 型外延层，可在反应气体中加人氮气(N2);而P型则加入三甲基铝或三乙基铝.如果在今后的工作中能够很好地解决在大面权Si上异质外延生长低块陷的3GSiC薄膜的问题。那么3C-SiC必将在以后的SiG器件和集成电路中发挥越来越重要的作用。
随着从SiC器件向着SiC集成电路的发展，SiC外延层的均匀性和外延层表面形态的好坏也越来越重要.目前，商业上SiC外延层厚度的容差为士25%，而研究人员报道了修杂均匀性为士20%厚度均匀性容差为士7%的大于5. 08 cm的SiC基片.对于所有的SiC同质外延层，目前均为观察到具有十分理想的表面形貌、据预侧，借助于精密的CVD反应装置、日益成熟的反应条件，在不远的将来这些问题都会迎刃而解、
三、分立器件
近几年来，在一些文献中相继报道了许多SiC器件模型，其中的一些已经进人商品市场.蓝色发光二极管是首次进人商业领域的SiC器件，而小信号二极管、结型场效应晶体管(工作温度大于350℃)以及紫外光敏管也正逐步商品化。到目前为止，对于像金属化、离子注人、表面钝化、氧化及刻蚀等这些基本的器件工艺技术只进行了有限的研究工作(因此SiC器件均未采用优化的器件设计和工艺流程).
半导体材料发展特性范文6
关键词：graphene, 石墨烯， 单原子石墨膜， 新型材料
中图分类号：N04；O47；H059 文献标识码：A 文章编号：1673-8578(2012)01-0036-05
Novel Material―Graphene
QIAN Jiajun
Abstract：Graphene is a two-dimensional material, merely one atom thick sheet of carbon arranged laterally in a honeycomb lattice. Its π-valence band and π*-conduction band touch at two in-equivalent points in the honeycomb lattice Brillouin zone. In graphene, charge carriers exhibit giant intrinsic mobility and can travel ballistically over submicrons without scattering at room temperature. It is the thinnest electronic material and can be used to enable transistors operating at very high frequencies. This review analyzes trends in graphene research and applications, and attempts to identify future directions.
Keywords：graphene，novel material，one-atom thick sheet of carbon
引 言
2010年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖项，授予在英国曼彻斯特大学任教的两位俄罗斯裔科学家：安德列•吉姆（Andre Geim 荷兰籍，时年51岁)和康斯坦丁•诺沃塞洛夫（Konstatin Novoselov 英国籍，时年36岁)，以奖励他们在新颖材料graphene方面杰出的先驱性实验物理研究。这种新型材料，实际上是透明的，比金刚石还硬，是世界上最薄和最硬的电子材料，具有超强的导电性能和导热性能，可承受电流密度比铜高六个数量级，有可能用于制备透明触摸屏、平板阅读器、太阳能电池、复合材料、贮氢材料以及运算速度极快的超级计算机等。尽管这种材料出现的时间很短，却显现出极其丰富的物理现象和潜在的应用前景。
然而，在有关这种新型材料的报道中，一些文献与媒体将graphene一词译作“石墨烯”。虽然，按化学名词的惯例，将英文词根graphite(石墨) + ene (烯类化合物的结尾)，从字面上直译为“石墨烯”是符合一般化学译名法的，但笔者认为，如此译法不准确，容易引起混淆，值得商榷。
正如前面已经指出的，graphene 来源于英文graphite，因此中文译名中保留“石墨”这个词根是恰当的，问题是出在后面的“烯”字上。按照《新华词典》的解释［1］，“烯”是分子中含有碳-碳双键的烃类化合物的总称；而“烃”则是由碳和氢两种元素组成的有机化合物。这就是说，“烯”包含几个要素，其一是它必须是碳氢化合物；其二是它必须含有碳-碳双键；第三，它的分子结构是链状。再来看新材料graphene, 其中既没有氢元素，也不包含碳-碳双键，而且分子结构是按单键蜂房结构密集排列的，因此，把它译成“石墨烯”，会使人误认为是某种碳氢化合物，引起概念上的混淆。
实际上，在两位诺奖得主的原始文献［2-3］中，对graphene的定义很明确，就是按蜂房结构密集排列的单原子层碳薄膜，如图1a所示。换言之，graphene实际就是二维单原子层石墨薄膜。把这层石墨膜包围起来，可以构成一个零维的富勒球分子（图1b）；把单层（或多层）卷起来，则形成一维的碳纳米管（图1c）; 而把它们按三维堆积在一起，就构成了通常的体石墨（图1d）。所以，graphene材料实际就是各种碳基材料的最基本的组成原料。
由此看来，将graphene材料直译作“石墨烯”，虽然符合化学名词译法的惯例，但此种译法容易出现混淆。不如采取意译的方式，除保留“石墨”这个词根外，再加上“单原子层”的含义――即“单原子石墨膜”（简称石墨膜）为妥。本文将采用这一译名，对这种材料的能带结构、性能、可能的应用前景以及主要的制备方法做一简单介绍，以供参考。
一 单原子石墨膜能带结构及性质
单原子石墨膜（以下简称石墨膜），是碳原子在二维平面上按蜂房（苯环）结构密集排列的一层单原子碳薄膜。每个碳原子最外层4个电子，占据1个2s轨道和3个2p轨道。当碳原子彼此靠近形成单原子层碳晶格时，2s轨道与分子平面内的2个2p轨道重叠（sp2杂化），形成 σ-σ* 强共价键。此键十分坚固，把碳原子紧密地连接在一起，形成二维平面内的蜂房结构。此键对碳晶格的电导没有贡献。碳原子外层电子中剩下一个未成对的2p轨道，其方向垂直于分子平面，在形成碳晶格过程中，杂化形成π键（价带）和π*（导带）。导带与价带，在蜂房结构晶格布里渊区顶角的两个不等价点K和K’（称之为“狄拉克点”）相互接触。低能量能带结构，近似为K和K’点上的两个对顶角园锥（图2）。在狄拉克点附近，载流子能量色散关系是线性的，电子的动力学是按“相对论”处理。导带与价带的电子态具有相反的手征性（chirality）。当多数电子具有相同的手征性时，其相互作用能量降低。这点，与铁磁物质中大多数粒子具有相同自旋时，其相互作用能量降低类似。
由于石墨膜这种特殊的能带结构，使其载流子具有非常独特的物理性质。通常，在凝聚态物理中，采用薛定谔方程就足够描述材料体系的电学性质。例如，在典型的半导材料中，电子与空穴（荷正电载流子）分别占据导带和价带。导带和价带之间存在一个有限能量的带隙。载流子获得超过带隙的能量后，才能从价带跃迁到导带。电子与空穴的运动，符合一般粒子的运动规律：它们具有质量，当它们被加速时，其速度从零开始增加，而且它们的动能正比于其速度的平方。然而在石墨膜中，电子与空穴的行为完全不同于常规粒子运动规律：这里的电子与空穴具有一个恒定的速度VF (费米速度)，它不依赖于粒子运动的动能, 这一点类似于光子的行为，即光子总是以恒定光速c（约3×1010cm/s）运行。而在石墨膜中，电子与空穴的速度要比光速慢，大约是光速的1/300，即费米速度VF≈1×108cm/s。电子与空穴的运动规律不能再用薛定谔方程描述，而是要采用（2+1）维的狄拉克方程精确描述。这类准粒子称为无质量狄拉克-费米子。在形式上可以把它们看作是失去了静止质量（m0）的电子，或者是获得了电子电荷（e）的中微子。因此，实验研究石墨膜材料的电学性质，可以为从理论上探索量子电动力学（quantum electrodynamic, QED）现象开辟出一条实验研究的路径，这在基础科学研究中具有重要意义。
此外，石墨膜的特殊电子态结构，也极大地影响其中的量子输运现象。众所周知，当电子被限制在二维半导体材料中时，能够观察到量子力学增强输运现象，例如量子霍尔效应（quantum hall effect，QHE）：即在垂直于霍尔样品平面的磁场作用下，霍尔电导率（σxy）与载流子浓度（n）之间出现一系列等间距的导电率“平台”。与这些平台相对应，霍尔样品纵向的电阻率（ρxx），降低到近似为零的极小值。这个现象被称之为“量子霍尔效应”［4］。然而，对于通常的二维半导体系统，这些电导率平台与纵向电阻率极小值，是出现在传导量子（e2/h）（其中e为电子电荷，h为普朗克常数）为整数值（或分数值）的位置。对于石墨膜而言，这些平台和电阻率极小值是出现在传导量子为半整数值的位置上［3］（图3）。不仅如此，对于通常的二维半导体材料，只能在极低的温度下（例如液氦温度），才能观察到量子霍尔效应。但对于石墨膜，甚至在室温下，还能观察到这个现象［5］。这是因为在石墨膜中，载流子的行为如同一个无质量的相对论粒子（狄拉克-费米子），而且，即使在室温下，它们与声子的散射速率也是极低的缘故。
在石墨膜中，实验测量出的电子与空穴迁移率，在室温下均能超过1.5×104cm2/Vs( 4K下约为6×104cm2/Vs)。如此高的迁移率表明，载流子的运动主要是受杂质或缺陷的影响。因此，改善石墨膜晶格质量，预期迁移率或许可以达到 1.0×105cm2/Vs。虽然在所有半导体材料中，锑化铟(InSb)半导体材料具有最高的室温迁移率（7.7×104cm2/Vs），但该值是从未掺杂的高纯材料获得。一般来讲，其载流子浓度是非常低的。然而，在石墨膜中，即使在较高的载流子浓度下（n>1012/cm2），其迁移率（μ）仍然很高。换算成粒子的平均自由程长度在亚微米范围（约0.4μm）。也就是说，一个荷电载流子，大约要运行通过2800个原子间距之后才能被散射一次。这说明，在亚微米范围内，载流子实际上是弹道运行的。这种特性在高速高频碳基电子器件的实际应用中具有十分重要的意义。
二 单原子石墨膜的应用
石墨膜中载流子显示出极高的迁移率，其值不仅较硅（Si）大约100倍，比目前认为最高速材料――晶格匹配的磷化铟（InP）也高出大约10倍。因此特别适合于制备射频场效应晶体管（RF-FET）。研究者在一个2英寸的半绝缘高纯碳化硅（6H-SiC (0001)） 衬底的硅面上［6］，采用高温（1450℃）热退火方法，生长出石墨膜（单层或双层）材料。以氧化铪（HfO2）作为栅介质，制备成场效应器件，在2英寸的片子上，霍尔迁移率在900～1520cm2／Vs范围。载流子浓度约为3×1012/cm2,场效应晶体管的截止频率（f T）在射频（RF）范围。对于栅长240nm, fT高达100GHz。而同样栅长（240nm）的硅基金属氧化物――半导体场效应晶体管（MOSFET），其fT 约为40GHz ，仅为石墨膜器件的2/5。在超高频模拟晶体管器件方面，目前主要以砷化镓（GaAs）基器件为主，称之为高电子迁移率晶体管（HEMT）,应用在通讯技术领域。尽管采用石墨膜制备的高电子迁移率晶体管，其工作频率还不如砷化镓基器件，但从石墨膜所显示的室温弹道输运特性推测，对于典型的100nm沟道而言，载流子在源和漏极之间渡越时间仅需0.1 ps。如果石墨膜器件，在制备过程中仍能保持高的迁移率，例如达到2×104cm2/Vs, 在栅长为50 nm 时，场效应晶体管的截止频率（fT）有望达到太拉赫兹［7］，这将成为石墨基纳米电子学的重要里程碑。
在光电子器件应用方面，通常的无机化合物半导体材料，如砷化镓、氮化镓（GaN）等，比有机光电子材料有许多优越之处：高的载流子迁移率，高的辐射复合速率以及长期工作的稳定性和可靠性等等，使这些无机化合物半导体材料，十分适合于制备光电子器件，如光发射二极管（light-emitting diode, LED）等。然而，在大面积、可弯曲甚至可折叠的屏幕显示，或者大面积、低成本的太阳电池等应用中，上述无机半导体材料的应用，受到很大的限制。一方面由于这些材料是外延生长在晶体（如硅、蓝宝石、碳化硅等）衬底上，成本高而且尺寸不可能太大。另一方面，由于外延材料与晶体衬底之间结合得十分紧密，高的机械与化学稳定性，导致很难把外延层从衬底上剥离下来，极大地妨碍了其大规模应用。石墨膜材料的出现，或许能为解决这些难题提供了一种可能的选择途径。正如前面提到的，石墨膜在同一层碳原子之间，彼此是由强共价键结合在一起，十分牢固；而在层与层之间，是靠很弱的范德华分子键结合，使层与层之间容易分离开。利用石墨膜的这种性质，研究者［8］以它作为衬底，先在其上生长出高密度氧化锌（ZnO）纳米柱，作为中间介质层，再在其上外延生长出高质量的氮化镓。这种氮化物薄膜显示出极佳的室温下与激子相关的近带边光致发光（PL）峰，和十分微弱的深能级发射，表明氮化镓薄膜具有极高的光学质量，完全适合于制备光电子器件。不仅如此，利用石墨膜层与层之间易于剥离的特性，能将生长在其上的氮化镓外延层剥离下来，并转移到其他衬底上，例如金属、玻璃和塑料上。采用这些衬底制备的氮化镓光发射二极管，都能发出很强的蓝光，在整个300×300μm2的面积上发光均匀。在通常的室内照明条件下，用肉眼清晰可见［8］。当泵浦功率进一步增加后，引起受激发射，实验测定的阈值泵浦功率约为0.6 MW/cm2。与生长在蓝宝石、硅以及碳化硅衬底上的氮化镓器件，阈值在0.56~0.70MW/cm2值类似。此外，对于大功率光发射二极管器件而言，采用金属衬底不仅有极佳的导电性，而且还可提供良好的热传导性，有利于器件散热和提高功率。采用玻璃或塑料做衬底，则可将无机半导体材料氮化镓制成大面积、柔软可延展的全彩色光发射二极管显示屏幕，以及光伏器件的功能组件，有利于电子与光电子器件集成。
在气体分子探测方面，目前多采用固体传感器，其灵敏度较高。但在通常的固体传感器中，由于电荷有缺陷的热运动涨落，往往使器件的本征噪声要远超过探测器从单个气体分子收集到的信号，一般会高出几个数量级。而采用石墨膜材料制作传感器［9］，由于它是二维材料，整个表面积都暴露在被测环境中，吸附效率最大化；另外这种材料具有超强的导电性，当吸附或脱附一个气体分子时，会引起载流子浓度的显著变化，对应于器件电阻值呈台阶式改变，灵敏度极高，甚至达到可探测单个气体分子的水平。此外，石墨膜材料，对外部的电场，磁场以及机械应力等也十分灵敏，有望在这些实用领域内开发出新型电子器件。
三 单原子石墨膜的制备
目前，制备石墨膜的方法，主要分为两类：机械剥离法（mechanical exfoliation）［1］ 和外延生长法 （epitaxial growth）［10-12］ 。2004年，两位诺奖得主就是采用第一类方法，首先制备出单原子石墨膜材料的。通常，采用这类方法制备的材料，尺寸较小，在数十微米范围，需要把材料转移到覆盖二氧化硅（SiO2）介质膜的硅衬底上，以便制成霍尔样品，进行电学性质测量。应当指出，采用这种方法制备出的单原子石墨膜样品，测量的电学性质与理论上预期的结果十分一致，大大促进了有关这种新型材料的理论研究与应用开发。第二类方法是，在一定的衬底表面上外延生长出大面积石墨膜材料。这类方法的优点是，可以生长出满足器件工艺要求的大面积材料，可为批量制备碳基纳米器件提供支撑。当前，这类技术有两个发展方向：一是在金属表面（例如镍（Ni）［10］, 铜（Cu）［11］, 铂（Pt）［12］ 等）上，化学气相淀积生长大面积石墨膜材料；二是采用宽禁带半导体材料碳化硅的温度感生分解法（temperature-induced decomposition ）制备［13］。第二种方法是在高温（例如 1450℃）下，使碳化硅表面的硅升华，在衬底表面上形成富碳的单原子石墨膜。由于碳化硅本身可以是绝缘的，因此无需再将单原子石墨膜外延层转移到其他绝缘衬底上，无疑在器件工艺方面是一项十分重要的优点。单原子石墨膜应用技术的关键要素是：控制厚度的均匀性，生长大面积薄膜的能力，降低缺陷密度以及提高材料的质量。
四 小 结
单原子石墨膜材料，是碳原子以σ-σ* 强共价键互相连接的二维六角形网络。具有优异的载流子输运特性，其电子的费米速度约为108cm/Vs［14］ 。可用于制备性能优于传统半导体材料，如硅、锗，以及Ш-V族化合物半导体的新一代碳基纳米电子器件与量子集成电路，在基础学科与实际应用两方面都有重要意义。
参 考 文 献
［1］商务印书馆辞书研究中心. 新华词典（2001年修订版）［M］. 北京：商务印书馆. 2001:980,1054.
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