半导体论文例1

我国历年对半导体产业的总投入约260亿元人民币（含126亿元外资）。现有集成电路生产技术主要来源于国外技术转让，其中相当部分集成电路前道工序和封装厂是与美、日、韩公司合资设立。其中三资企业的销售额约占总销售额的88%（1998年）。民营的集成电路企业开始萌芽。

设计：集成电路的设计汇集电路、器件、物理、工艺、算法、系统等不同技术领域的背景，是最尖端的技术之一。我国目前以各种形态存在的集成电路设计公司、设计中心等约80个，工程师队伍还不足3000人。2000年，集成电路设计业销售额超过300万元的企业有20多家，其中超过1000万的约10家。超过1亿的4家（华大、矽科、大唐微电子和士兰公司）。总销售额10亿元左右。年平均设计300种左右（其中不到200种形成批量）。

现主要利用外商提供的EDA工具，运用门阵列、标准单元，全定制等多种方法进行设计。并开始采用基于机构级的高层次设计技术、VHDL，和可测性设计技术等先进设计方法。设计最高水平为0.25微米，700万元件，3层金属布线，主线设计线宽0.8-1.5微米，双层布线。[1]目前，我国在通信类集成电路设计有一定的突破。自行设计开发的熊猫2000系列CAD软件系统已开发成功并正在推广。这个系统的开发成功，使我国继美国、欧共体、日本之后，第四个成为能够开发大型的集成电路设计软件系统的国家。目前逻辑电路、数字电路100万门左右的产品已可以用此设计。

前工序制造：1990年代以来，国家通过投资实施“908”、“909”工程，形成了国家控股的骨干生产企业。其中，中日合资、中方控股的华虹NEC（8英寸硅片，0.35-0.25微米，月投片2万片），总投资10亿美元，以18个月的国际标准速度建成，99年9月试投片，现已达产。该工程使我国芯片制造进入世界主流技术水平，增强了国内外产业界对我国半导体产业能力的信心。

在前8家生产企业中，三资企业占6家，总投资7.15亿美元，外方4.69亿美元，占66%.目前芯片生产技术多为6英寸硅片、0.8-1.5微米特征尺寸。7个主干企业生产线的月投片量已超过17万片，其中6～8英寸圆片的产量占33％以上。

目前这些企业生产经营情况良好。2000年，七个骨干企业总销售额达到56亿元人民币，利润7.5亿元，利润率达到13%.同年全国电子信息产业总销售额5800亿元人民币，利润380亿，利润率6.5%.

封装：由于中国是目前集成电路消费大国，同时国内劳动力、土地资源价格相对便宜，许多国外大型集成电路生产企业在中国建立了合资或独资集成电路封装厂。

国内现有封装企业规模都不大，而且所用芯片、框架、模塑料等也主要靠进口，因此大量的集成电路封装产品也只是简单加工，技术上与国际封装水平相差较远。主要以DIP为主，SOP、SOT、BGA、PPGA等封装方式国内基本属于空白。

集成电路封装业在整个产业链中技术含量最低，投入也相对较少（与芯片制造之比一般为10：1）。我国目前集成电路年封装量，仅占世界当年产量的1.8%～2.5%，封装的集成电路仅占年进口或消耗量的13%～14.4%，即中国所用85%以上的集成电路都是成品进口。

2000年，我国集成电路封装业的销售收入超过130亿元，其中销售收入超过1亿元的14家，全年封装电路近45亿块，其中年封装量超过5亿块的5家。

材料、设备、仪器：围绕6英寸芯片生产线使用的主要材料（硅单晶、塑封料、金丝、化学试剂、特种气体等）、部分设备（单晶炉、外延炉、扩散炉、CVD、蒸发台、匀胶显影设备、注塑机等）、仪器（40MHz以下的数字测试设备、模拟测试设备及数模混合测试设备）、部分仪器（40MHz以下的数字测试设备、模拟测试设备及数模混合测试设备）国内已能提供。

芯片制造设备，我国只具备部分浅层次设计制造能力，如电子45所已有能力制造0.5微米光刻机等。

半导体分立器件：2000年，全年分立器件的销售额60亿，产量341亿只。

供需情况和近期发展形势

20世纪90年代，我国集成电路产业呈加速发展趋势，年均增长率在30%以上。2000年，我国集成电路产量达到58.8亿块，总产值约200亿人民币（其中设计业10亿，芯片制造56亿，封装130亿）。如果加上半导体分立器件，总产值达到260亿元。预计2001年，集成电路产量可达70亿块。

2000年，全球半导体销售额达到1950亿美元，我国半导体生产从价值量上看，占世界半导体生产的1.6%（含封装、设计产值），从加工数量看占全世界份额不足1%（美国占32%，日本占23%）。

从需求方面看，据信息产业部有关人员介绍，2000年，国内集成电路总销售量240亿块，1200亿人民币。业内普遍估计，今后10年，半导体的国内需求仍将以20%的速率递增，估计2005年，我国集成电路国内市场的需求约为300亿块、800亿元人民币；2010年，达到700亿块、2100亿元人民币。

从近几年统计数字分析看，国内生产芯片（包括外商独资企业的生产和在国内封装的进口芯片）占国内需求量的20%～25%，但国内生产部分的80%为出口，按此计算，我国集成电路产业的自给率仅4%～5%.但是，有两个因素影响了对芯片生产自给率的准确估计。首先是我国集成电路的产品销售有很大一部分通过外贸渠道出口转内销，据信息产业部估计，出口转内销约占出口量的一半。如此推算，国内半导体生产满足国内市场的实际比重在12%～15%.实际上，国内生产的芯片质量已过关，主要是缺乏市场信任度，而销售渠道又往往掌握在三资企业外方手中。

但芯片走私的因素，可能又使自给率12%～15%的估计过分夸大。台湾合晶科技公司蔡南雄指出：官方统计，1997年中国大陆进口集成电路和分立器件约50亿美元，但当年集成电路进口实际用汇达95.5亿美元。[2]近几年大力打击走私，这一因素的作用可能有所减弱。但无论如何，我国现有半导体产业远远落后于国内需求的迅速增长则是不争的事实。

由于核心部件自给能力低，我国的电子信息产业成了高级组装业。著名的联想集团，计算机国内市场占有率是老大，利润率仅3%.我国电子信息制造业连年高速增长，真正发财的却是外国芯片厂商。

由此，进入1990年代以来，我国集成电路进口迅速增长。1994～1997年，集成电路进口金额年均递增22.6%；97年进口金额为36.48亿美元，96.06亿块。[3]1999年，我国集成电路进口75.34亿美元，出口（含进料、来料加工）18.89亿美元。

2000年6月，国家《软件产业和集成电路产业的发展的若干政策》（国发18号文件）。在国家发展规划和产业政策的鼓舞下，各地政府纷纷出台微电子产业规划，其中上海和北京为中心的两个半导体产业集中区，优惠力度较大，投资形势也最令人鼓舞。目前累计已开工建设待投产的项目，投资总额达50亿美元，超过我国累计投资额的1.5倍，未来2-3年这几条线都将投入量产。

天津摩托罗拉：外商独资企业，总投资18亿美元，在建。2001年5月试投产，计划11月量产。

上海中芯：1/3国内资金，2/3台资（第三国注册）。投资14亿美元。2001年11月将在上海试投产。

上海宏立：预计2002年一季度投入试运行，16亿美元。

北京讯创：6寸线，投资2亿美元。

友旺：在杭州投资一条6寸线，10亿人民币左右，已打桩。

目前我国半导体产业和国际水平的差距

总体上说，我国微电子技术力量薄弱，创新能力差，半导体产业规模小，市场占有率低，处于国际产业体系的中下端。

从芯片制造技术看，和国际先进水平的差距至少是2代。[4]尽管华虹现已能生产0.25微米SDRAM，接近国际先进水平（技术的主导权目前基本上还在外方手中），国内主流产品仍以0.8-1.5微米中低端低价值产品为主。其中80%～90%为专用集成电路，其余为中小规模通用电路。占IC市场总份额66%的CPU和存储器芯片，我国无力自给。

我国微电子科技水平与国外的差距，至少是10年。[5]现有科技力量分散，科技与产业界联系不紧密。产业内各重要环节（基础行业、设计、制造工艺、封装），尚未掌握足以跨国公司对等合作的关键技术专利。

半导体基础（支撑）行业落后：目前硅材料已有能力自给，各项原料在不同程度上可以满足国内要求（材料半数国产化，关键材料仍需进口）。

但如上所述，几乎所有尖端设备，我们自己都不能设计制造，基本依赖进口。业内认为我国半导体基础行业和国际水平差距约20年。

一般地说，西方对我引进设备放松的程度和时机，取决于我国自身的技术进展，所以我国半导体设备技术的进步，成为争取引进先进设备的筹码（尽管代价高昂）。如没有这方面的工作，设备引进受到限制，连参与设备工艺的国际联合研制的资格也没有（韩台可以参与）。

已引进的先进生产线，经营控制权不在我手中，妨碍电路设计和工艺自主研发现有较先进的集成电路生产线（包括华虹NEC、首钢NEC），其技术、市场和管理尚未掌握在中国人手中。其原因是“自己人”管理，亏损面太大。现有骨干企业不是合资就是将生产线承包给外人，技术和经营的重大决策权多在外方代表手中。经营模式还没有跳出“两头在外”模式。

这也说明，我国现有国有企业经济管理机制，尽管有了很大进步，但还没有真正适应高科技产业对管理的苛刻要求，高级技术人才和营销人才更是缺乏。

“某厂…最赔钱的×号厂房，包出去了。这也怪了。台湾人也没有带多少资金技术，还是原来的设备和技术，就赢利。

“我问承包人，人还是我们的人，厂房技术还是我们的，为什么你们一来就行了？他说”体制改变了“。我问体制改了什么，是工资高了？也不是。他们几个人就是搞市场。咱们中国市场之大，是虚的。让人家占领的。

“10多年前我在美国参观，他们的工厂成品率是90%多，我们研究室4K最高时成品率50%多，当时这个成绩，全国轰动。我参观时问，你们有什么诀窍做到90%多？美国人说没有什么诀窍，就是经常换主管，新主管要超过上一任，又提高一步。主管到了线里，就是general，…说炒就炒。咱们国家行吗？我们这些领导都是孙子…半导体的生产求非常严格的纪律。没有这个东西绝对不行。你想100多道工艺，每一道差1%，成品率就是零。所以这个体制，说了半天没有说出来，一是市场，一是管理。”[6]但无论如何，我们半导体产业的“管理”和“市场”这两大门坎，是必须跨过去的。深化国企改革、发挥非国有经济的竞争优势，在半导体领域同样适用。

由于没有技术和经营控制权，导致我们的半导体产业遇到两方面困难。首先，国内单位自行设计的专用电路上线生产，必须取得生产厂家的外方同意，有的被迫转向海外代工，又多一道海关的麻烦；关系国家机密的芯片更无法在现有先进生产线加工（或者是外方以“军品”为名拒绝加工，或者是我方不放心）。

其次，妨碍了产学研结合、自主设计和研发工艺设备。例如中国科学院微电子中心已达到0.25微米工艺的中试水平，但因先进工厂的经营权不在自己手中，无法将自有工艺研究成果应用于大线试生产。

工艺技术是集成电路制造的关键技术。如果我方没有自主设计工艺的技术能力，即使买了先进生产线也无法控制。目前合资企业中，中方职工可以掌握在线的若干产品的工艺技术，但无法自主开展工艺技术研究。5年后我方将接管华虹NEC，也面临自己的工艺技术能否顶上去的问题。工艺科研领域目前所处的困境如不能及时摆脱，则仅有的研究力量也会逐渐萎缩，如果不重视工艺技术能力的成长，我们就无法掌握芯片自主设计生产能力。

设计行业处于幼稚阶段由于专业电路市场广阔，目前国内各种类型的设计公司逐渐增加。但企业普遍规模偏小、技术水平较低，缺乏自主开发能力。

由于缺乏技术的积累，我国还远没有形成具有自主知识产权的IP库，与国外超大规模IC的模块化设计和S0C技术差距甚远。设计软件基本用外国软件，即使设计出来，也往往因加工企业IP库的不兼容而遭拒绝。

集成电路的设计与加工技术是相互依存的。因为我国微细加工工艺水平落后，人才缺乏，目前不具备设计先进电路的水平，更没有具备设计CPU及大容量存储器的水平。也有的客户眼睛向外，不愿意在国内加工，但到国外加工还要受欺负。尽管我们花了100%的制版费，板图也拿不回来。

超大规模集成电路的设计，难度最大的是系统设计和系统集成的能力，最需要的人才是系统设计的领头人，这是我国最缺的人力资源。国内现有人才多数是设计后道的能力，做系统的能力差。国内现有环境，培养这样的人才比较难。

国内的设计制造行业，就单个企业来说很难开发需要高技术含量的超前性、引导性产品。多数民营中小企业只能跟在别人后面走仿制道路（所谓反向设计）。反向设计只能适应万门以下电路的设计开发。故目前还无法与国外先进设计公司竞争。

缺乏市场信任度由于总体技术水平低，市场多年被外国产品占领，自己的供给能力还没有赢得国内市场的信任，以致出现外商一手向国内IC厂定货，再转手卖给国内用户的现象。这是当前外（台）商大举在国内投资集成电路生产线的客观背景。

国内设计、制造的产品往往受到比国外产品更严格的挑剔，要打开市场需要更多的时间和精力，这就难免被国外同行抢先。半导体市场瞬息万变，竞争十分残酷，而我国对自己的半导体产业，似取过分自由放任态度，几乎完全暴露在国际竞争中。有必要对有关政策上给以重新评估。

我国电子整机厂多为组装厂，自己设计开发芯片的极少，由于多头引进，整机品种繁多，规格不一，批量较小，成本高。另外，象汽车电子、新一代“信息家电”等产品市场很大，但需要高水平且配套的芯片产品，而我国单个电路设计企业无力完成，设计和生产能力还尚待磨合。如欲进军这方面的市场，需要高层有明确的市场战略和行业级的协调。我国微电子行业目前因技术能力所限，可适应市场领域还比较狭窄，又面临着国际市场的巨大压力。要争得技术和资本的积累期和机会，必须有政府的组织作用。

还没有形成完整的产业体系从整体看，我国半导体产业还没有形成有机联系的生态群，或刚刚处于萌芽状态，产业内各环节上下游间互补性薄弱。目前少数先进生产能力，置于跨国公司的全球制造～营销体系内，外（台）商做OEM接单，来大陆工厂生产，国内芯片厂商被动打工。国家体制内的科研力量和现有生产体系的结合渠道不顺畅，国内科技型中小型民营（设计）企业和大型制造企业的互补关系正在建立中。

“集成电路设计与生产都需要有很强的队伍，能够根据国内整机的需要设计出产品，按照我们的工艺规则来生产。他的设计拿过来我们能做，做好了能够测试，测试以后能够用到整机单位去应用。这条路要把它走通。另外还有一批人能够打开市场。其他的暂时可以慢一点。”[7]所以，目前我国微电子领域与国际水平的差距，并非单项技术的差距，而是包括各环节在内的系统性的差距。单从技术和资金要素来看，“908”“909”工程的实践，可以说是试图以类似韩国的大规模投资来实现生产技术的“跨越”。但实践证明，单项发展，不足以带动一个科技-产业系统的整体进步。不仅要克服资金、人才、市场的瓶颈，也要克服体制、政策的瓶颈，非此不能吸引人才，不能调动各方面的积极性。

我国半导体产业发展的现有条件

经过20年的发展和积累，特别是近年来我国电子信息产业的高速发展，半导体产业在我国经济、国防建设中的重要地位，以及加快发展的必要性，已基本形成共识。应该说，我国已经在多方面具备了微电子大发展所必须的条件。

首先是经过多年的引进和国家大规模投资，已形成一定产业基础，初步形成从设计、前工序到后封装的产业轮廓。广义电子产业布局呈现向京津地区、华东地区和深穗地区集中的态势，已经形成了几个区域性半导体产业群落。这对信息知识的交流，技术的扩散，新机会的创造，以及吸引海外高级人才、都十分重要。

技术引进和国内科研工作的长期积累，也具备了自主研发的基础。“909”工程初步成功，说明投资机制有了巨大进步，直接鼓励了外商投资中国大陆的热情。尤其在通讯领域，国内以企业为主导的研发机制取得了可喜发展。

其次，国内投资环境大幅度改善。尤其是沿海经济发达地区，市场经济初见轮廓，法制和政策环境日益改善，人才和资金集中，信息基础设施完备，各种类型的民营企业已开始显现其经营管理能力，已有问鼎高效益高风险的微电子领域的苗头，各种类型的设计公司正在兴起。

近两年来，海外半导体产业界已经对我国大陆的半导体业投资环境表示了极大兴趣。外（台）商对大陆的半导体投资热，虽然并不能使我们在短期内掌握技术市场控制权（甚至可能对我人才产生逆向吸附作用），但有助于形成、壮大产业群，有助于冲破西方设备、技术封锁。长远看是利大于弊。

人才优势。国内软件人才潜力巨大，而软件设计和芯片设计是相通的。这是集成电路设计业的有力后盾。

再次是随着国内电子产品制造业的飞速发展，半导体产业市场潜力巨大。1990年代，我国电子产品制造业产值年均增长速度约27％，1999年为4300亿元人民币，2000年达5800亿（总产值1万亿）。其中，PC机和外部设备年增率平均40％以上，某些产品的产量已名列世界前茅；互联网用户和网络业务的年增率超过300％；公用固定通讯交换设备平均每年新增2000万线，预计2005年总量将超过3亿线；手机用户数每年增长1500-2000万户，2001年已突破1亿户。各类IC卡的需求量也猛增。据信息产业部预计，我国电子产品制造业未来5年平均增长率将超过15%（一般电子工业增长率比GDP增长率高1倍）。预计2005年，信息制造业的市场总规模达到2万亿。

最后是国家对半导体产业十分重视。官方人士多次表示：要想根本改变我国的电子信息产业目前落后状况，需要“十五”计划中，把推进超大规模集成电路的产业化作为加速发展信息产业的第一位的重点领域。并相应制定了产业优惠政策。这些政策将随着产业的发展逐步落实并进一步完善。

注释：

[1]陈文华，1998年。

[2]《产业论坛》1998年第18期。

[3]陈文华，1998年。

[4]《关于加快我国微电子产业发展的建议》，工程科技与发展战略报告集，2000年。

[5]叶甜春，2000年。

半导体论文例2

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。

半导体论文例3

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。

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半导体(LED)封装导读：本文将对环氧树脂封装塑粉的成分、特性、使用材料加以介绍，希望对IC封装工程师们在选择材料、分析封装机理方面有所帮助。 半导体(led)封装业占据了国内集成电路产业的主体地位，如何选择电子封装材料的问题显得更加重要。根据资料显示，90％以上的晶体管及70％~80％的集成电路已使用塑料封装材料，而环氧树脂封装塑粉是最常见的塑料封装材料。本文将对环氧树脂封装塑粉的成分、特性、使用材料加以介绍，希望对IC封装工程师们在选择材料、分析封装机理方面有所帮助。 1.LED封装的目的 半导体封装使诸如二极管、晶体管、IC等为了维护本身的气密性，并保护不受周围环境中湿度与温度的影响，以及防止电子组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。因此，封装的目的有下列几点： (1)防止湿气等由外部侵入； (2)以机械方式支持导线； (3)有效地将内部产生的热排出； (4)提供能够手持的形体。 以陶瓷、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳，成本较高，适用于可*性要求较高的使用场合。以塑料封装的半导体组件的气密性较差，但是成本低，因此成为电视机、电话机、计算机、收音机等民用品的主流。 2.封装所使用的塑料材料 半导体产品的封装大部分都采用环氧树脂。它具有的一般特性包括：成形性、耐热性、良好的机械强度及电器绝缘性。同时为防止对封装产品的特性劣化，树脂的热膨胀系数要小，水蒸气的透过性要小，不含对元件有影响的不纯物，引线脚(LEAD)的接着性要良好。单纯的一种树脂要能完全满足上述特性是很困难的，因此大多数树脂中均加入填充剂、偶合剂、硬化剂等而成为复合材料来使用。一般说来环氧树脂比其它树脂更具有优越的电气性、接着性及良好的低压成形流动性，并且价格便宜，因此成为最常用的半导体塑封材料。 3.环氧树脂胶粉的组成 一般使用的封装胶粉中除了环氧树脂之外，还含有硬化剂、促进剂、抗燃剂、偶合剂、脱模剂、填充料、颜料、润滑剂等成分，现分别介绍如下： 3．1环氧树脂(EPOXY RESIN) 使用在封装塑粉中的环氧树脂种类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLAC EPOXY、环状脂肪族环氧树脂(CYCLICALIPHATIC EPOXY)、环氧化的丁二烯等。封装塑粉所选用的环氧树脂必须含有较低的离子含量，以降低对半导体芯片表面铝条的腐蚀，同时要具有高的热变形温度，良好的耐热及耐化学性，以及对硬化剂具有良好的反应性。可选用单一树脂，也可以二种以上的树脂混合使用。 3．2 硬化剂(HARDENER) 在封装塑粉中用来与环氧树脂起交联(CROSSLINKING)作用的硬化剂可大致分成两类: (1)酸酐类(ANHYDRIDES); (2)酚树脂(PHENOLICNOVOLAC)。 以酚树脂硬化和酸酐硬化的环氧树脂系统有如下的特性比较： 弗以酚树脂硬化的系统的溢胶量少，脱模较易，抗湿性及稳定性均较酸酐硬化者为佳； 以酸酐硬化者需要较长的硬化时间及较高温度的后硬化(POSTCURE)； 弗以酸酐硬化者对表面漏电流敏感的元件具有较佳的相容性； 费以酚树脂硬化者在150-175~C之间有较佳的热稳定性，但温度高于175~(2则以酸酐硬化者为佳。 硬化剂的选择除了电气性质之外，尚要考虑作业性、耐湿性、保存性、价格、对人体安全性等因素。 3．3促进剂(ACCELERATO OR CATALYST) 环氧树脂封装塑粉的硬化周期(CURING CYCLE)约在90-180秒之间，必须能够在短时间内硬化，因此在塑粉中添加促进剂以缩短硬化时间是必要的。 现在大量使用的环氧树脂塑粉，由于内含硬化剂、促进剂，在混合加工(COMPOUNDING)后已成为部分交联的B-STAGE树脂。在封装使用完毕之前塑粉本身会不断的进行交联硬化反应，因此必须将塑粉贮存于5℃以下的冰柜中，以抑制塑粉的硬化速率，并且塑粉也有保存的期限。如果想制得不用低温保存，且具有长的保存期限(LNOG SHELFLIFE)的塑粉，则一定要选用潜在性促进剂(LATENT CATALYST)，这种促进剂在室温中不会加速硬化反应，只有在高温时才会产牛促进硬化反应的效果。目前日本已有生产不必低温贮存的环氧树脂

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配合经济整体脉动 我国台湾半导体产业发展始于 60 年代，在推行工业化进程中， 1966 年成立的高雄电子开创台湾半导体产业先河。 到了 70 年代，受当时国际经济衰退影响，台湾的工业生产发展迟缓，半导体产业作为信息电子工业的代表，成为台湾积极发展策略性工业的焦点。 80 年代，以信息业为主的电子产业在台湾渐露头角， 1987 年包括电子、电机行业的电工器材业营收，取代长期盘踞台湾第一大的石化、塑料行业，这意味着台湾信息电子业时代的来临。 进入 90 年代，台湾电子产业产值持续扩大， 1994 年信息硬件工业创造了 116 亿美元的产值，较 1990 年成长了 90 ％以上，为台湾 IC 产业提供了绝佳本土市场的优势。 1997 年 4 月起台积电提出 4000 亿台币的“南科制造中心”十年计划，随后其他厂商也都陆续宣布各自的未来投资计划，估计总投资金额达二万亿台币，号称本世纪全球投资金额最高的投资案。 台湾 IC 业发展轨迹 台湾 IC 产业的发展历程可概分为下列三个阶段： 萌芽期（ 1964 年～ 1974 年） 1964 年交通大学成立半导体实验室，将半导体课程列为主要教学重点，其所培养出的人才，是日后半导体工业得以顺利发展的一个关键。 1966 年美商通用仪器（ GI ）在高雄设厂，从事晶体管装配业务，开启了封装技术的新里程。 1967 ～ 1970 年间陆续有外商如德州仪器、飞利浦建元电子等在台设厂，引进 IC 的封装、测试及品管技术，为半导体封装业奠定了初步的基础。不过此一时期台湾的半导体工业全都停留在后工序的封装阶段。 技术引进期（ 1974 年～ 1979 年） 1974 年，台湾为使电子工业的发展逐渐朝技术密集方向转型，在多方评估研究与筹划后，成立了电子工业研究中心（工研院电子工业研究所前身），开始接受经济部委托，执行“设置 IC 示范工厂计划”，引进 IC 制造技术并转移到民间。电子所派人赴美国 RCA 取经，引进 7.0 微米 CMOS 制造技术，并与美国 IMR （ In t e r na t io nal Ma t e r ial Resea rch ）合作引进掩膜制版技术，开启台湾 IC 自主技术研发的序幕。 这时台湾 IC 工业正式涉足前工序工程，并开始步入设计领域，不过这个阶段技术仅局限在研发，尚未有正式商业化产品问世。 技术自立及扩散期（ 1979 年～现在） 工研院电子所电子工业第一期 IC 示范工厂设置计划（ 1975 ～ 1979 年）、电子工业第二期发展计划（ 1979 ～ 1983 年）及超大型 IC 计划（ 1983 ～ 1988 年），将台湾的半导体技术推向超大规模集成电路的舞台。 1980 年电子所正式衍生成立联华电子公司，成为台湾第一家 IC 制造业者，并以四英寸技术生产 IC ，至此台湾正式步入前工序商业化制造工程阶段。七年后电子所的第二个 IC 衍生公司————台积电诞生，采用六英寸技术，成为在台商业化运作的先锋；更重要的是，由此，台湾开始进入到专业分工的阶段。 在整个 80 年代，大王、汉磊、天下、华邦、华隆微、合泰、旺宏等公司纷纷成立， IC 制造商数量逐渐增多。同一时期，太欣、合德、华智、其朋、通泰、普诚、硅统、扬智、瑞昱、一华、飞虹、伟诠等 IC 设计公司；台湾光罩为首的制版业；以及日月光、华旭、硅品、福雷、立卫、华特、巨大等封装测试公司也加入营运行列，台湾 IC 上、中、下游产业逐渐奠定了目前的基础。 目前台湾产业界仍在积极不懈地开发下一代关键技术，以达成在人才、设计、制程、封装、测试、材料及设备等领域全面的发展。而此一时期台湾半导体产业重心已由劳动力密集、附加值较低的后段组装产业，开始移向更高智能与价值的设计与制造业。 概括来说，台湾 IC 产业的发展，在起始的前 15 年是靠后工序的封装、测试作为发展主轴，但之后的 15 年则因陆续建立的晶圆厂，逐步向前工序发展。至 1990 年初期，在众多六英寸厂陆续成立运转后， IC 工业开始蓬勃发展起来， 1993 ～ 1995 年间全球 IC 市场在经济景气带动下，兴起了八英寸厂的投资热潮，自 1994 年世界先进成为台湾八英寸厂的先锋后，又有 22 座八英寸晶圆厂陆续投入，而高获利又吸引了更多的 IC 公司前赴后继地投入；同时在 IC 制造业的带动下， IC 相关产业亦如火如荼地参与盛会。

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一、从有机半导体到无机半导体的探索

1.1有机半导体的概念及其研究历程

什么叫有机半导体呢?众所周知，半导体材料是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料，这类材料具有独特的功能特性。以硅、锗、砷化嫁、氮化嫁等为代表的半导体材料已经广泛应用于电子元件、高密度信息存储、光电器件等领域。随着人们对物质世界认识的逐步深入，一批具有半导体特性的有机功能材料被开发出来了，并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。

在1574年，人们就开始了半导体器件的研究。然而，一直到1947年朗讯(Lueent)科技公司所属贝尔实验室的一个研究小组发明了双极晶体管后，半导体器件物理的研究才有了根本性的突破，从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。在发明晶体管之后，随着硅平面工艺的进步和集成电路的发明，从小规模、中规模集成电路到大规模、超大规模集成电路不断发展，出现了今天这样的以微电子技术为基础的电子信息技术与产业，所以晶体管及其相关的半导体器件成了当今全球市场份额最大的电子工业基础。，半导体在当今社会拥着卓越的地位，而无机半导体又是是半导体家族的重中之重。

1.2有机半导体同无机半导体的区别及其优点

与无机半导体相比，有点半导体具有一定的自身独特性，表现在：

(l)、有机半导体的成膜技术更多、更新，如真空蒸镀，溶液甩膜，Langmtrir一Blodgett(LB)技术，分子自组装技术，从而使制作工艺简单、多样、成本低。利用有机薄膜大规模制备技术，可以制备大面积的器件。

(2)、器件的尺寸能做得更小(分子尺度)，集成度更高。分子尺度的减小和集成度的提高意味着操作功率的减小以及运算速度的提高。

(3)、以有机聚合物制成的场效应器件，其电性能可通过对有机分子结构进行适当的修饰(在分子链上接上或截去适当的原子和基团)而得到满意的结果。同时，通过化学或电化学掺杂，有机聚合物的电导率能够在绝缘体(电阻率一10一Qcm)到良导体这样一个很宽的范围内变动。因此，通过掺杂或修饰技术，可以获得理想的导电聚合物。

(4)、有机物易于获得，有机场效应器件的制作工艺也更为简单，它并不要求严格地控制气氛条件和苛刻的纯度要求，因而能有效地降低器件的成本。

(5)、全部由有机材料制备的所谓“全有机”的场效应器件呈现出非常好的柔韧性，而且质量轻。

(6)通过对有机分子结构进行适当的修饰，可以得到不同性能的材料，因此通过对有机半导体材料进行改性就能够使器件的电学性能达到理想的结果。

1.3有机半导体材料分类

有机半导体层是有机半导体器件中最重要的功能层，对于器件的性能起主导作用。所以，有机半导体器件对所用有机半导体材料有两点要求:

(l)、高迁移率；(2)、低本征电导率。

高的迁移率是为了保证器件的开关速度，低的本征电导率是为了尽可能地降低器件的漏电流，从而提高器件的开关比。用作有机半导体器件的有机半导体材料按不同的化学和物理性质主要分为三类:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚噬吩;二是低聚物，如咪嗯齐聚物和噬吩齐聚物;三是有机小分子化合物，如并苯类，C6。，金属酞著化合物，蔡，花，电荷转移盐等。

二、制作有机半导体器件的常用技术

有机半导体性能的好坏多数决定于半导体制作过程因此实验制备技术就显得尤为重要。下面将对一些人们常用器件制备的实验技术做简要的介绍：

(1)、真空技术。它是目前制备有机半导体器件最普遍采用的方法之一，主要包括真空镀膜、溅射和有机分子束外延生长(OMBE)技术。

(2)、溶液处理成膜技术。它被认为是制备有机半导体器件最有发展潜力的技术，适用于可溶性的有机半导体材料。常用的溶液处理成膜技术主要包括电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、分子自组装技术、印刷技术等。

三、有机半导体器件的场效应现象

为了便于说明有机半导体器件的场效应现象，本文结合有机极性材料制作有机半导体器件对薄膜态有机场效应进行分析。试验中，将有机极性材料经过真空热蒸镀提纯之后溶在DMF溶液中，浓度是20Omg/ml，使用超声波清洗机促进它们充分并且均匀的溶解，经过真空系统中沉积黄金薄膜作为器件的源极和漏极。在类似条件下，在玻璃衬底上制作了极性材料的薄膜形态晶粒，研究发现：

在有机极性材料形态，有块状、树枝状和针状。不同的薄膜态形态，在不同栅极电压VG的作用下有不同的Ids(流过器件的源极和漏极的电流)一Vds(加在器件的源极和漏极之间的电压)曲线。

1、块状形貌结构的薄膜态有机器件的Ids－Vds(性能曲线，变化范围是从－150V到15OV、栅极电压的变化范围是从－200V到200V。当栅极电压Vg以100V的间隔从－200V变化到200V时，Ids随着Vds的增加而增加，此时没有场效应现象。

2、针状形貌结构的薄膜态有机器件的Ids－Vds性能曲线，当Vds从－75V增加到75V，栅极电压VG的变化范围是一200V~20OV，递增幅度是5OV。此时器件具有三种性能规律:(1)在固定的栅极电压Vg下，当从Vds－75V增加到75V时，电流Ids也随之增加;(2)在固定的外加电压Vds下，当栅极电压Vg从－2O0V增加到2OOV时，电流Ids也随之增加;(3)如果没有对器件施加Vds电压，只要栅极电压Vds存在，就会产生Ids电流，产生电池效应。

通过上述的解说我们对有机半导体器件的电学性能已有一定的了解了。下面我们即将通过试验来揭开其神秘的面纱。

四、有机半导体的光电性能探讨——以纳米ZnO线(棒)的光电性能研究为例

近年来，纳米硅的研究引起了社会的广泛的关注，本文中我们将采用场发射系统，测试利用水热法制备的硅基阵列化氧化锌纳米丝的场发射性能。图11是直径为30和100nm两个氧化锌阵列的场发射性能图,其中图11a和b分别是上述两个样品的I_V图和F_N图。从图11a中可以看出氧化锌纳米丝的直径对场发射性能有很大的影响,直径为30nm的氧化锌阵列的开启场强为2V/μm门槛场强为5V/μm;而直径为100nm的氧化锌阵列的开启场强为3V/μm,门槛场强大于7V/μm。并且从图11b中可以知道,ln(J/E2)和1/E的关系近似成线性关系,可知阴极的电子发射与F_N模型吻合很好,表明其发射为场发射,其性能比文献报道的用热蒸发制备的阵列化氧化锌的场发射性能要好[25]。这主要是由于氧化锌的二次生长,导致所得氧化锌阵列由上下两层组成,具有较高的密度以及较小的直径,在电场的作用下,更多的电子更容易从尖端的氧化锌纳米丝发射,从而降低了它们的开启场强和门槛场强。

我们测试了硅基阵列化纳米ZnO的光致荧光谱,如图12所示。从图中可知,600~700℃和300~400℃下热蒸发合成的阵列化ZnO纳米丝的峰位分别在393nm(虚线)及396nm(实线)。PL谱上强烈的紫外光的峰证明:合成的ZnO纳米丝有较好的结晶性能和较少的氧空位缺陷。由于在高温区合成的纳米丝有较细的尖端,故有少量蓝移。

通过上述针对纳米ZnO线(棒)的试验，我们能对硅基一维纳米的电学性能进行了初步的探讨。相信这些工作将为今后的硅基一维纳米材料在光电方面的应用提供一个良好的基础。

参考文献

[1]DuanXF,HuangY,CuiY,etal.Indiumphos-phidenanowiresasbuildingblocksfornanoscaleelectronicandoptoelectronicdevices.Nature,2001.

半导体论文例7

LED（“L ightEmittingDiode”） 的缩写，中文译为“发光二极管”， 是一种可以将电能转化为光能的半导体器件。LED 的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的芯片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个 p-n 结，当注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能转换为光能。不同材料的芯片可以发出红、橙、黄、绿、蓝、紫色等不同颜色的光，“发 光二极管”也因此而得名。 节能和环保是 LED 最大的特点，在我国具有非常重要的现实意义，作为一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，LED(发光二极管)耗电仅为白炽灯的1/10，节能荧光灯的 1/3，而寿命却是白炽灯的 100 倍，发展 LED 产业有利于发展我国的低碳经济。我国照明用电约占总电量的 12%，保守估计 2010 年我国总发电量将达到30，000 亿度，照 明用电将达到约3，600 亿度，如 果能节约一半的照明用电就是1，800亿度，且节约能源消耗和二氧化碳气体的减少排放，并可实现无汞化，对于我国可持续发展及环境保护具有重要意义。 感谢多年来业界专家、媒体、营销实践者对『老姜智造的关注与支持，『 老姜智造推出的《2010 年中国LED 照明企业品牌发展报告》共分三篇，此次的报告为『品牌传播篇分报告，希望对照明业界营销实践者有所帮助，再次感谢！ 第一章 产业发展前景——市场庞大的产业盛宴 从全球布局上看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。随着市场的快速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产，加快抢占市场份额。根据全球 LED 产业发展情况，预计 LED 半导体照明将使全球照明用电减少一半，自2007 年以来澳大利亚、加拿大、美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯，发展 LED 照明成为全球产业的焦点。 中国 LED 产业起步于 20 世纪 70 年代，其中 LED 半导体照明产业起步于 90 年代初。经过近 40 年的发展，中国 LED 产业已初步形成了包括 LED 外延片的生产、LED 芯片的制备、LED 芯片的封装以及 LED 产品应用在内的较为完整的产业链，并且金融危机以来始终保持高速的发展。 关于产业发展鉴于老姜『智造将在后续推出 LED 照明产业专项报告，在此老姜以数据为产业之序带大家一起来看下组数据： 2008 年我国半导体照明总产值近700 亿元，其中芯片产值19 亿元，封装185亿元，应用产品产值450 亿元，芯片、封装和应用产值之比为1∶9∶22。 2009 年，中国LED 外延产业规模达到 7 亿元，占整体产业的3.2%；芯片产业规模达到19.3 亿元，占整体产业的 8.8%。 2009 年包括衬底、外延、芯片、封装在内的中国半导体照明(LED)工业销售总产值达1000 亿元，与2008 年相比，同比增长30%以上， 2010 年，中国 LED 照明产业产值将超过 1500 亿元，较 2008 年翻倍。预计最快在2015 年，LED 在中国照明市场的占有率将达到20%，带动产业规模达5000亿元，中国将进入全球LED 照明市场前三强。 中国LED 产业已经形成珠三角、长三角、北方地区、江西及福建地区四大半导体照明产业聚集区域，上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七大国家半导体照明工程产业化基地。 目前，我国led 行业年产值上亿企业已超140 家，其中大陆LED 从业人员超过80 万，预 计2010-2012 年新增人才需求达 60 万，研究机构20 多家，企业4000 多家；其中上游企业 50 余家（完整统计 62 家），封装企业 1000 余家，下游应用企业 3000余家，70%集中于下游产业。 全文下载：2010年中国LED照明品牌发展研究报

半导体论文例8

中图分类号：O47

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2013）08-185-01

一、半导体物理的发展

（一）半导体物理早期发展阶段

20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。因此，贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代，半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明，这为信息时代到来铺平道路。1958年，安德森提出局域态理论，开创无序系统研究新局面，这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年，Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展，并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年，江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中，冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。

（二）半导体超晶格物理的发展

建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后，人们对各种规则晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系，也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长，也使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念，这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年，卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕。

二、半导体物理的启示

综上所述，文章简单地对半导体物理的一个发展历程进行了回顾，并可以从中得到以下几点启示：

（一）半导体物理的发展一直与科学实验与工业技术应用紧密联系

半导体论文例9

0 引言

随着信息时代的发展，对光电子专业类人才的需求也越来越大。大学教育作为培养人才的重要基地，承担了越来越重要的角色；向社会输送高素质的人才，要求对光电子专业课程体系教学不断更新改革，赋予其新时代的内涵。目前，还没有一本合适的教材能满足这个要求。另外，在教学方法上也缺乏行之有效的方法。

1 课程内容的构建

半导体材料与器件这门课，应该涉及到半导体材料与半导体器件两个方面的内容，现有的教材在内容构建上往往偏重半导体材料，或是偏重半导体器件，很少能兼顾两者的材料与器件的平衡。图1为现有邓志杰等编的《半导体材料》的内容构建示意图，明显偏重于材料，对器件部分只做了简单的概述，如图1所示。类似的教材还有杨树人等编的《半导体材料》。由刘思科等编的《半导体物理学》这门课则大篇幅的介绍半导体物理相关的知识，而对半导体材料涉及较少。同样，由Dieter K. Schroder 编写的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》则大部分内容介绍器件特性，而对材料方面的相关知识介绍很少。同样，佛罗里达大学的Franky So教授编著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》则侧重于器件加工制备，Robert F. Pierret等编著的《Semiconductor Device Fundamentals》则侧重于器件特性原理。

基于此，本人提出了全新的内容构建策略，该策略同时兼顾了半导体材料与半导体器件两个方面的内容。该策略结构示意图如图2所示，其内容分半导体材料与半导体器件两个部分，其中半导体材料包含：元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体和有机半导体，半导体器件部分包含三个部分的内容，分别是器件基础、二极管、三极管。

对比图1、图2不难看出，新编排的课程内容更简洁、更全面。其实，现有材料的课程内容编排上有很多的弊端，如知识点内容很相似，交叉重叠性大。如元素半导体，半导体电子材料、半导体光电子材料，在内容上有很大的交叠；非晶、有机和微结构半导体与掺杂半导体有很大的重叠，所以在新方案中将其并入掺杂半导体一章中来讲解，而前者并入到半导体一章中来讲解。可以看出，新方案更合理、简洁明了。

半导体材料与器件这么课程，其内容应该包含经典的无机半导体、新型有机半导体；器件内容应该包含经典的二极管、栅控二极管、三级管、结型场效应晶体管。其中，二极管的两个重要应用，即光伏电池、发光二极管、二极管存储器件，应该作为一个重要的章节进行介绍。

2 课程内容的组织

在课程内容的组织上，按照由易到难、循序渐进的原则，以及材料-性质-器件应用的原则，先编排材料体系，后编排器件体系。材料体系包含：有本征的p-型材料、n-型材料，非本征掺杂型的p-型材料、n-型材料，以及新型有机半导体材料，包含宽带隙主体材料、窄带隙材料。从材料最基本的物理特性，即电阻切入，围绕电阻的构成因素展开内容，过渡到绝缘体、半导体、导体的概念，以及影响因素，引入到载流子浓度、掺杂、迁移率等概念，即本征的元素半导体向化合型、掺杂型半导体的思路展开。在引入材料的功函数这一概念的基础上，引入接触电阻、界面注入势垒，沿着这一思路自然过渡到肖特基二极管，栅控二极管、三级管等基本的半导体器件等系列概念介绍。该课程内容体系的组织，遵循着从基础性质到上层器件建设的原则，系统性、逻辑性很强，可以说是环环相扣，要求学生在学习的过程中，任何一个章节的内容都不能落下来，以避免给后继的内容学习造成困难。同时，该课程也要求授课老师对课程体系的内容有深刻的理解和清楚的认识，做到思路清晰，讲解有条有理。

3 课程内容的编译

依照双语教学的原则，教材应该采用全英文编写。以往的双语教学经验表明，全英语的教材实施起来很困难，教学效果甚微，甚至比纯母语教学的效果更差。原因很简单，部分学生的外语底子薄，阅读纯英文课本很困难，尤其是专业英语教材，碰到长句、疑难复合句看不懂，专业名词更是不懂，甚至凭借网络翻译也找不到答案。确实，专业名词，尤其是半导体这门课的专业名词的翻译是比较少的。另外，有部分名词是用构词法得到的，词典里根本没有收录。这部分学生常常抱怨，中文都看不懂，还看什么英文啊！结果可想而知，什么都没学到，还不如采用中文版教材教学呢。

鉴于一门新课教材全部用英文编写的困难，可以部分章节采用中文编写，部分章节采用英文编写。对于构成半导体学科的三个基础理论，如肖特基理论、半导体能带理论、半导体导电机理、扩散理论，采用中英文对照的形式，以便于学生理解、掌握知识点。对于半导体特有的五大特性，如整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应，应做详细介绍；对于重要现象的发现，如霍尔效应，可以在教材中添加“知识园地”，以增强学生学习兴趣、掌握知识点。方便学生自学。

对于半导体材料部分，如元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体、有机半导体，可以采用中文的形式撰写。其中，元素半导体这一章内容比较难，涉及到原子在固态堆积中的排列，即晶体类型、晶格、晶胞结构等，用中文撰写更便于学生理解。同时，配合适当晶体结构模型，如经典的正四面体结构、面心立方结构、体心结构、六方体心结构、八面体结构模型，来剖析材料的微观结构特征。并且，这部分内容要求学生有一定的背景知识，如对物质结构这门课有初步的认识。接下来的两章，如化合物半导体、掺杂半导体，可以简化材料凝聚态结构的介绍。因为这两类半导体材料分子堆积结构与元素半导体类似，只是一个衍生结构。所以这两章的内容重点介绍化合方式以及掺杂形式。对于有机半导体，可以借鉴经典的元素半导体理论，所以结构部分可以简化，重在介绍有机半导体材料，包含其组成、特性与经典的制备方法。

对于半导体器件部分，其器件基础应该加以重点介绍，对于常见的半导体器件特性效应加以详细的描述，采用地道的英语教材，如Arizona State University大学的Dieter K. Schroder.编写的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》里面的第一、二、三、四章部分内容。该教材系统阐述了半导体材料一些基本特性，如电阻率、载流子密度、掺杂、迁移率、公函、接触电阻及界面势垒。重点内容有Schottky barrier diodes，solar cell， bipolar junction transistors， light-emitting diodes， MOSFETs。

4 结论

本文针对半导体材料与器件这门课程的内容建设提出了全新的思路，重新编排了该课程内容，优化了课程内容的内涵，调整了半导体材料与半导体器件这两方面的内容比例，使内容的组织更平衡、更合理，并对课程内容的编译提出了新的思路，采用中英文对照使得知识点的阐述更清楚、母语教学更便捷，这将为电子类专业课程的双语教学提供新的参考。

【参考文献】

半导体论文例10

中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2016）02-0001-01

信息技术的基础是微电子技术，随着半导体和集成电路的迅猛发展，微电子技术已经渗透到电子信息学科的各个领域，电子、通信、控制等诸多学科都融合了微电子科学的基础知识。《半导体物理学》是微电子技术的理论基础，是电子科学与技术、微电子学等专业重要的专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。但是，《半导体物理学》具有理论性强、教学模式单一、教学内容更新慢等特点，使得学生在学习过程中存在一定的难度。因此，本文从课堂教学实践出发，针对目前教学过程中存在的问题与不足，对微电子专业的《半导体物理学》课程进行探索。

一、教学内容的设置

重庆邮电大学采用的教材为电子工业出版社刘恩科主编的《半导体物理学》，该教材具有知识体系完善、涉及知识点多、理论推导复杂、学科交叉性强等特点，需要学生有扎实的固体物理、量子力学、统计物理以及数学物理方法等多门前置学科的基础知识。另外，我们开设的学生对象为微电子相近专业的学生，因而在课程内容设置时有必要考虑学生知识水平及其知识结构等问题。虽然微电子学相近专业开设了大学物理等课程，但是大部分专业未开设量子力学、固体物理及热力学统计物理等前置课程，学生缺少相应的背景知识。因此，我们在《半导体物理学》课程内容设置上，需要将部分量子力学、固体物理学及统计物理学等相关知识融合贯穿在教学中，避免学生在认识上产生跳跃。

从内容上，依据课程大纲《半导体物理学》主要分为两大部分，前半部分着重介绍半导体的电子状态及对应的能带结构，电子有效质量、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布，半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上进一步阐述了费米能级、迁移率、非平衡载流子寿命等基本概念；后半部分对典型的半导体元器件及其性能进行了深入分析。基于以上分析，半导体物理课程对授课教师要求较高，需要教师采用多样化的教学手段，优化整合教学内容，注重理论推导与结论同相关电子元器件的实际相结合，使学生较好地理解并掌握相关知识。

二、教学方法与教学手段

为了让学生能较好地掌握《半导体物理学》中涉及的理论及模型，需要采用多样化的教学方法和手段。基于《半导体物理学》课程的特点，在传统黑板板书基础上，充分利用PPT、Flash等多媒体软件，实物模型等多种信息化教学手段，模拟微观过程，使教学信息具体化，逻辑思维形象化，增强教学的直观性和主动性，从而达到提高课堂教学质量的目的。

三、考核方式的改革

为了客观地评价教学效果和教学质量，改革考核方式是十分必要的。针对《半导体物理学》课程特点，对考核方式作如下尝试：（1）在授课过程中，针对课程的某些重点知识点，设计几个小题目，进行课堂讨论，从而增强学生上课积极性及独立思考能力；（2）学期末提交针对课程总结的课程论文，使学生在对课程有更深入了解的同时激发学生的创造积极性。

《半导体物理学》是微电子技术专业重要的专业基础课，为后续专业课程的学习打下理论基础。要实现《半导体物理学》这门课的全面深入的改革，还有待与同仁一道共同努力。

参考文献：