半导体基础论文讲课.doc

课程：半导体物理基础 院系：物理与机电工程 班级：11物理学（光电子技术） 学号：2011042527 姓名：徐展半导体硅材料和光电子材料的发展现状及趋势 摘要：关键词：1、半导体激光材料 电子器件和光电子器件应用时半导体材料最重要的两大应用领域。半导体材料Si，GaAs和GaN，InP等几十重要的电子材料，也是重要的光电子材料。 在1962年，GaAs激光二极管的问世，作为了半导体光电子学的开端。激光的激射波长取决于材料的带隙，且只有具有直接带隙的材料才能产生光辐射，它使注入的电子-空穴自己发生辐射复合以得到较高的电光转化效率。 产生激光的条件有：1、形成粒子数反转使受激辐射占优势；2、具有共振腔以实现光量子放大；3、外界输入能量至少要达到阀值，使激光管的增益至少等于损耗。 2、半导体显示材料 半导体显示材料有发光二极管LED和电致发光显示。 发光二极管LED 发光二极管LED它是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁区与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。 而LED广泛应用于各方面，现如今的半导体白光照明、车内照明、交通信号灯、装饰灯、大屏幕全彩色显示系统、太阳能照明系统、以及紫外、蓝外激光器、高容量蓝光DVD、激光打印和显示等。 为了实现高亮度白光LED，我们可以通过红绿蓝三种LED可以组合成为白光；也可以基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光；也可基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出蓝光，组合成为白光。 电致发光 电致发光又称为场致发光，与LED的低电场结型发光相比，是一种高电场作用下发光。电致发光材料分为粉末发光材料和薄膜发光材料。 半导体粉末发光材料的发光特性主要有一线特殊杂质作为激活剂和共激活剂所决定的，ZnS粉末常用Cu作为激活剂；Al、Ga、In等作为共激活剂。其中对于ZnS粉末，用Mn、Cu作激活剂可以发黄光，用Ag作为激活剂可以发蓝光，用Cd、Ag作为激活剂发出红绿光。 薄膜发光材料发光机理和粉末材料基本相同，但薄膜材料可以在高频电压下工作，发光亮度也较高。 阴极射线管是将电信号转换成光学图像的电子束管，常见的由彩色电视显像管，它的光电转换时通过其中的荧光屏来实现的，所用的蓝粉和绿粉以ZnS为主。 3、太阳能电池材料 太阳能电池材料分为硅电池材料和化合物半导体材料。硅电池材料有单晶硅电池、多晶硅电池、带状硅电池和薄膜硅电池材料。化合物半导体材料有CuInSe2电池、CdTe电池、GaAs电池和GaSb电池。 四、半导体材料的发展趋势 随着硅的直径增大,杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀,这将严重的影响集成电路的成品率,特别是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题,可采用外延的办法解决。即用硅单晶片为衬底,然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅,如2个微米、个微米或0.5个微米厚等。这一层外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下,器件和电路就做在外延硅上,而不是原来的硅单晶上,这样就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高,但集成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高, 这是目前硅技术发展的一个重要方向。 目前硅的集成电路大规模生产技术已经达到0.13-0.09微米,进一步将到0.07微米,也就是70个纳米甚至更小。根据预测,到2022年,硅集成电路技术的线宽可能达到10个纳米,这个尺度被认为是硅集成电路的“物理极限”。就是说,尺寸再减小,就会遇到有很多难以克服的问题。随着技术的发展,特别是纳米加工技术的发展,也可能把这个极限尺寸进一步减小;但总有一天,当代的硅微电子技术可能会走到尽头。 随着集成电路集成度的提高,芯片的功耗也急剧增加,使其难以承受;现在电脑CPU的功耗已经很高,如果说将来把它变成“纳米结构”, 即不采用新原理,只是按《摩尔定律》走下去,进一步提高集成度,那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉!另外一个问题是光刻技术, 目前大约可以做到0.1微米,虽然还有些正在发展的光刻技术,如X 光、超紫外光刻技术等,但要满足纳米加工技术的需求还相差很远。再者就是电路器件之间的互连问题,对每一个芯片来说,每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子,管子与管子之间的联线的长度要占到器件面积的60-70%,现在的连线就多达8层到10多层,尽管两个管子之间的距离可以做得很小,但是从这个管子到另外一个管子,电子走的路径不是直线,而要通过很长的连线。线宽越窄,截面越小,电阻越大,加上分布电容,电子通过引线所需的时间就很长,这就使CPU的速度变慢。另外纳米加工的制作成本也很高,由于这些原因,硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量不断增长的需求。 五、结论 随着国际信息产业的迅猛发展, 电子工业和半导体工业也得到了巨大发展,作为