第四讲 半导体材料的研制和应用
责任编辑：chineselng 浏览：3580次 时间： 2008-04-06 13:00:39
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摘要:不久前，中国真空学会在杭州召开了中国真空科技产业发展战略研讨会。学会理事长在“中国真空产业的改造与发展”的报告中指出了中国真空产业与国外发达国家相比，最大的差距是在信息产业（包括半导体、显示器件、微电子等领域）中的应用。1998年，日本真空行业的产品..
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不久前，中国真空学会在杭州召开了中国真空科技产业发展战略研讨会。学会理事长在“中国真空产业的改造与发展”的报告中指出了中国真空产业与国外发达国家相比，最大的差距是在信息产业（包括半导体、显示器件、微电子等领域）中的应用。1998年，日本真空行业的产品销售额的85%来自信息产业。1999年，这个数字已增至89%。我国真空行业的产品的更新换代必须面向信息产业。只有这样才能有可能使我国真空行业产值得以大幅度的上升。 20世纪50年代，航天事业的发展曾经大大促进了全球真空产业的发展。20世纪的后30年，则是包括半导体、显示器件在内的信息产业的发展使真空产业的发展再上一个新的台阶。在这一讲中，我们将向大家介绍一下半导体材料的研制和应用情况。它们的发展和真空技术的发展密切关连。正是由于半导体材料的提纯和生长对真空的特殊要求才促成了真空抽气机组的全无油化，各种各样的干泵迅速进入半导体行业。 1 第一代半导体材料 回顾半导体材料的发展历史，随着不同时期新的材料的出现，半导体材料的应用先后出现几次飞跃。第一代半导体材料是Si。Si片的出现使半导体材料在微电子领域中的应用获得突破性的进展。Si材料有两种，即单晶硅和多晶硅。Si材料的提纯需在超高真空条件下进行。单晶硅片在70年代实现产业化，微电子技术在此基础上发展。与此同时，真空条件下的掺杂和离子注入、刻蚀技术也同时有了迅速的发展。人们对Si材料的出现倾注了很深的感情，把信息产业的集中地称为“硅谷”。在硅片的基础上，集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路得以迅速发展。硅片的大小也从小到大，现在12英寸的硅片已批量生产。1998年，仅抛光单晶硅片全球的销售量已达到39亿平方英寸。家电和电脑的应用都归结于Si材料的出现和应用。 2 第二代半导体材料 GaAs是具有代表性的第二代半导体材料。这种材料称为化合物半导体材料。类似的化合物半导体材料还有：GaAlAs、GaAsP、InGaAs、GaP、InGaAsP等。第二代半导体材料以群体效应出现，使半导体材料的应用进入光电子领域。各种各样的发光二极管（LED）、半导体激光器相继出现。它们在光通信和光信息处理等领域也起到了不可替代的作用。由此也带来家用VCD、DVD和多媒体技术的飞速发展。第二代半导体材料的出现对真空技术的推动是带动了超高真空条件下分子束外延技术的发展。 以LED为例来说明第二代半导体材料的应用。90年代初，美国惠普公司、日本东芝公司分别制成了第一代InGaAsP LED。发光色分别为红、橙、黄和黄绿色，发光效率很高。可以用于汽车尾灯、方向灯、室外大屏幕显示、活动信息显示板、交通灯、道路信号灯、行人信息显示板、路障灯以及液晶显示器的背光源照明。这类发光二极管的兴起以外延材料为突破口，以提高发光效率为目标。90年代中期开始批量生产。它的发光颜色随Al组分的变化而变化。到1999年年底为止，美国已有25万个InGaAsP红色交通信号灯取代了户外信息显示板（黄橙色）和液晶显示器件的背光源（黄色）。InGaAlN LED则在白光照明中应用较多。这类LED在国内的应用始于1997年。上海率先在160个路口安装2000套LED交通灯，今年还有几个城市采用。 在谈及第二代半导体材料的时候，还应当重点介绍一下GaAs。这是科学家最为重视的材料。在国内外多次进行的航天科学实验中，GaAs的提纯和生长都是首选的科研项目之一。GaAs是微波通信芯片的基片。InP和GaAs的混晶是光通信半导体激光器的主要材料。1970年，美国科学家成功实现了AlGaAs/GaAs双异质结激光器的连续发射。后来，为了提高性能研发了条形半导体激光器。以后，又研制成功光盘中专用的半导体激光器，作为光存储用的激光光源。1998年，这类红光激光器的全球销售量已超过2亿只。 3 第三代半导体材料 SiC、GaN、ZnO是90年代新研制成功的第三代半导体材料。这类材料的价格低于前两代，而且有更优异的性能。例如，它们的热导率是Si的3倍多，击穿场强是Si的10倍，饱和电子迁移率是Si的2.5倍，键合能也很高。这些特点使它们特别适用于高频大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。 SiC材料现已用于高频大功率器。这类器件已在军事雷达、卫星通讯以及高清晰度电视图像的发送和传播中获得应用。 GaN已在LED、激光器中获得重要的应用，是性能优良的蓝色发光材料。GaN激光器可以发出蓝光，其波长比GaAs激光器发出的近红外光波长的一半还短，是目前最理想的超高密度光存储的光源。与GaAs激光器相比较，不仅可以将信息密度提高4倍以上，而且可以大大提出高光信息的存取速度。它不仅在光记录，而且在光电子领域的其它方面也有许多应用。它是第三代半导体材料的佼佼者。GaN单晶的制备极为困难，难以生长成GaN结，一直未能取得较大的突破。1985年，通过在超高真空条件下的分子束外延技术才使它的性能产生质的飞跃。1995年制成发蓝光的LED，寿命超过1万小时。1997年，制成GaN半导体激光器。这类激光器将成为未来光电子领域的重点产品之一。 ZnO薄膜的紫外发光是正在研究的新课题之一。它的发光波长很短，又是优良的透明导电薄膜、耐高温、化学稳定性好、价格低。既可以用于制作透明导电玻璃，也可以用于太阳能电池。在国内外正在形成ZnO薄膜的研制热。今年6月，在华东三省一市真空学术交流会议上，上海复旦大学的科研人员介绍了用ZnO取代氧化铟镀制透明导电膜的研究成果。半导体材料的研制和应用已引起了世人的关注。我国的真空行业应当早日以更优良的获得设备来开拓国内的半导体市场。 |
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