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半导体材料设计篇1
某半导体材料厂的生产工艺在世界上属先进水平，且具有部分我国自主知识产权。该行业如此规模的生产厂房国内外上尚无先例可循。厂房占地面积28000m2，总建筑面积31380m2，根据工艺条件，此厂房共有两大功能，一是实验室办公部分（共三层，首层面积约3980m2，二层面积约2200m2，三层面积约3750m2），二是生产车间部分（首层为设备用房，面积约6970m2，二层为管道设备层，面积约7920m2，三层为工艺用房，面积约6500m2）。建筑外形尺寸：东西向长约150m，南北向长约90m，主体建筑是两幢三层高厂房，厂房中间由一两层高底层架空的连接体连接（底层空间可兼做消防车道），厂房柱顶标高为24.25m，钢筋混凝土框架结构，护结构采用加气混凝土砌块，局部屋面和墙面采用压型钢板材料（压型钢板用于有泄爆要求部位），内隔墙采用200厚的加气混凝土砌块 (图1-3为该厂房的平面布置示意图)。
图1一层平面图
1、电气用房12、电气用房23、电气用房34、空调室5、维修室 6、实验室部分
7、管道夹层8、仪表机柜室9、工艺用房10、图中阴影部分为实验室
图2二层平面图
图3三层平面图
二、对相关要点的定性分析
1.火灾危险性分类、耐火等级及防火分区的确定
对于厂房的建筑防火设计，首先要确定的就是其生产的火灾危险性分类和耐火等级，这是各专业开展消防设计的基础条件。工艺专业提供的设计条件说明，在车间工艺用房及管道夹层部分有氢气泄露的可能，根据《建筑设计防火规范》（GB 50016―2006）第3.1.1条表3.1.1及其条文说明， 氢气属于爆炸下限小于10%的气体，其生产的火灾危险性类别为甲类。
工艺设计考虑到厂房的规模和生产特点，提出了大面积、大空间厂房的设计条件。但从防火设计考虑，为限制发生火灾时火势的蔓延，保证人员的安全撤退，利于火灾扑救和减少火灾损失，根据《建筑设计防火规范》（GB 50016―2006）对防火分区的规定，甲类厂房的最低耐火等级为二级，二级耐火等级的最大防火分区面积为2000 m2，一级耐火等级的最大防火分区面积为3000 m2。依据工程实际情况，位于南面的生产车间三层的工艺用房原本是一个整体，整层的建筑面积达到6500 m2左右，超过了一级耐火等级甲类建筑的最大允许防火面积的两倍，由于工艺条件的限制，不允许我们设置自动喷淋来增加防火面积，比较可行的解决办法就是将原来的一个工艺用房彻底分成两个独立的一级耐火等级的工作区域，或是彻底分成三个独立的二级耐火等级的工作区域，其间用双道防火防爆墙体分隔，工艺设备的管道也随之分成几个相应独立的单元，结合工艺的具体生产情况，最后设计选用了设置两个一级防火分区的方案，达到规范的要求。
2.防爆设施与泄压面积的确定
此厂房车间工艺用房及管道夹层部分，设备一旦发生泄漏，氢气在空气中很容易达到爆炸浓度而造成危险，根据《建筑设计防火规范》（GB 50016―2006）规定，应设置泄压设施，有爆炸危险的厂房设置足够的泄压面积后，可大大减轻爆炸时的破坏强度，避免因主体结构遭受破坏而造成重大人员伤亡和经济损失，且在甲、乙类厂房内不应设置办公室、休息室等设施，当必须与厂房贴邻建造时，其耐火等级不应低于二级，并应采用耐火极限不低于3.00h 的不燃烧体防爆墙隔开和设置独立的安全出口。通过“规范” （GB 50016―2006），有爆炸危险的甲、乙类厂房应首选采用敞开或半敞开式，其泄压面积应根据“规范” （GB 50016―2006）3.6.3条中规定的氢气泄压比值，通过计算得到厂房泄压面积的数值，泄压设施宜采用轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等。在本厂房的具体设计中，两个一级防火分区之间、实验室非危险区域与生产厂房危险区域之间的墙体都采用了砖墙配筋作为防爆设施，在工艺用房及管道夹层两个危险区域采用了以下方法设置了必要的泄压设施：位于二层的管道夹层部分，首先采用了半敞开式无围护墙体，考虑到跨度较大，中间连接部分又比较封闭的因素（由于工艺原因，此部分必须紧贴设备房间，无法做到敞开或半敞开），在二层的顶棚设计中，除保留了工艺必要的交通运输走廊，其余部分均采用了压型钢板屋面，尽可能地通过增加顶棚泄压面积，缓解厂房中间连接部分墙体泄压面积的不足；三层工艺用房部分，因有一定洁净要求不允许采取敞开或半敞开形式，则采用了轻质压型钢板墙面，易于泄压的塑钢窗和轻质压型钢板屋面的方式满足厂房泄压面积的要求，而在工艺运输走廊和疏散通道部分，还是采用实体墙作为防爆设施，保证疏散通道的安全。实际计算证明，尽可能地扩大屋面和顶棚的泄压面积是满足爆炸危险厂房泄压面积的一条有效途径。
三、建筑防火设计要点
1.总平面布局
总平面的防火设计主要是控制防火间距并合理设置消防车道。根据此半导体材料厂房及其周围建筑物的生产类别和耐火等级，查“规范” （GB 50016―2006）确定防火间距。该厂房的生产类别为甲类，根据“规范” （GB 50016―2006）6.0.6条，“工厂、仓库区内应设置消防车道。占地面积大于3000m2 的甲、乙、丙类厂房或占地面积大于1500m2 的乙、丙类仓库，应设置环形消防车道”，在厂房的两幢建筑之间设置了26m的消防通道，最小柱间距为6m，二层净高高于5m，使得两幢建筑都有环行消防通道，其总平面设计均满足防火设计要求。
2.厂房的安全疏散设计
厂房的安全疏散设计主要包括两个方面，一个是疏散出口数目的确定，另一个是疏散出口的位置。
2.1疏散出口的数目
根据厂房的平面面积和布置，其底层的高压电气用房都有单独对外的出口，而低压电气用房和其他设备用房都保证有不少于两个的疏散出口，二层设备夹层及实验室部分分别设置了12部室外疏散楼梯和两部室内封闭楼梯间，由于受工艺条件的限制，在二层设备夹层内部不允许设置封闭楼梯间，此处用室外金属梯作为有爆炸危险的工段区域的疏散出口，还在夹层的两旁各设置了1.5 m宽的疏散通道，直接通往各个室外金属梯，尽量避免人员疏散时在危险区域的行走路线。三层的情况与二层的类似，也是通过在厂房两侧分别设置疏散门直接通往室外金属梯，并在厂房与金属梯相连的走廊两侧设置实体墙作为防爆设施，确保疏散走廊的安全。
3.建筑构件及节点处理
由于该厂房底部两层采用了钢筋混凝土框架结构，外维护墙体为300厚的加气混凝土砌快，内墙为200厚的加气混凝土砌快，能满足非承重外墙0.75h，疏散走道两侧的隔墙1.0h，房间隔墙0.75h耐火等级的要求；三层采用了轻钢结构屋面体系，金属本身的耐火性能较差，因此，一定要根据建筑耐火等级检验建筑各部位材料是否达到要求。如：一般的钢梁钢屋架耐火极限为0.25h，在本工程中因其耐火极限为一级，所以，其梁的耐火极限应不低于2.0h，屋顶承重构件的耐火极限应不低于1.5h，因此，屋面体系的各部分构件都应进行防火处理使其达到相应的耐火极限。本厂房的钢屋架部分采用了喷涂薄型防火涂料的方式。
结语
以上是对某半导体材料厂房建筑防火设计的分析要点，随着新材料新技术在工业建筑中的广泛应用，其建筑防火设计也面临着诸多新问题，例如随着项目规模的逐渐扩大，工艺设计更趋向于联合厂房的布置形式，即把相关联的生产车间紧密连在一起，钢结构厂房现代化的外观、较短的建设周期、灵活的布置，厂房建设设计也更趋向于钢结构形式，在这些情况下，厂房的消防设计就更复杂，防火分区和消防疏散成为难题。作为设计人员，不能违反强制性条文，又要满足主体专业和业主的使用功能，在这种情况下，我们应紧跟时展，用新思路新方法处理新问题，以满足生产生活的需要。
参考文献：
半导体材料设计篇2
半导体材料;多晶硅;单晶硅;砷化镓;氮化镓
1前言
半导体材料是指电阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料[1]，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是美国和日本，其2002年的销售收入分别为3189亿美元和2320亿美元[2]。近几年来，我国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2002年销售收入以1.4亿人民币居全球第3位，比上年增长20，产业规模是1997年的2.5倍，居国内各工业部门首位[3]。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。
半导体材料的种类繁多，按化学组成分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按组成元素分为一元、二元、三元、多元等;按晶态可分为多晶、单晶和非晶;按应用方式可分为体材料和薄膜材料。大部分半导体材料单晶制片后直接用于制造半导体材料，这些称为“体材料”;相对应的“薄膜材料”是在半导体材料或其它材料的衬底上生长的，具有显著减少“体材料”难以解决的固熔体偏析问题、提高纯度和晶体完整性、生长异质结，能用于制造三维电路等优点。许多新型半导体器件是在薄膜上制成的，制备薄膜的技术也在不断发展。薄膜材料有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。
在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料[4]。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。
2主要半导体材料性质及应用
材料的物理性质是产品应用的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况[5]。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短蓝光发射;禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。
硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95以上的半导体器件和99以上的集成电路ic是用硅材料制作的。在21世纪，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。
砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。
gan材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前面临的最主要挑战是发展适合gan薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的gan体单晶生长工艺。
主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见以硅材料为主体、gaas半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。
3半导体材料的产业现状
3.1半导体硅材料
3.1.1多晶硅
多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18000t25000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国memc公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求为22000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17900t，为产能的75左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。
我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年国内多晶硅年需求量约为756t，2010年为1302t。
峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。
3.1.2单晶硅
生产单晶硅的工艺主要采用直拉法cz、磁场直拉法mcz、区熔法fz以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。
目前国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国memc公司和日本三菱材料公司。这5家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位[8]。
集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求详见文献[8]，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平达到16英寸。
我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，我国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3英寸6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6，较2000年增长了5.3[7]。目前，国外8英寸ic生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的f8英寸ic生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和ic技术面临着巨大的机遇和挑战。
我国硅晶片生产企业主要有北京有研硅股、浙大海纳公司、洛阳单晶硅厂、上海晶华电子、浙江硅峰电子公司和河北宁晋单晶硅基地等。有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40。2000年建成国内第一条可满足0.25μm线宽集成电路要求的8英寸硅单晶抛光片生产线;在北京市林河工业开发区建设了区熔硅单晶生产基地，一期工程计划投资1.8亿元，年产25t区熔硅和40t重掺砷硅单晶，计划2003年6月底完工;同时承担了投资达1.25亿元的863项目重中之重课题“12英寸硅单晶抛光片的研制”。浙大海纳主要从事单晶硅、半导体器件的开发、制造及自动化控制系统和仪器仪表开发，近几年实现了高成长性的高速发展。
3.2砷化镓材料
用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的lec法液封直拉法和hb法水平舟生产法。国外开发了兼具以上2种方法优点的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸气压控制直拉法，成功制备出4英寸6英寸大直径gaas单晶。各种方法比较详见表3。
移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。日本是最大的生产国和输出国，占世界市场的7080;美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产gaas单晶30t。美国axt公司是世界最大的vgf
gaas材料生产商[8]。世界gaas单晶主要生产商情况见表4。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。
我国gaas材料单晶以2英寸3英寸为主，
4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸。目前4英寸以上晶片及集成电路gaas晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料6n以下纯度，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7n，基本靠进口解决。
国内gaas材料主要生产单位为中科镓英、有研硅股、信息产业部46所、55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4英寸6英寸砷化镓单晶晶片5万片8万片，4英寸6英寸分子束外延砷化镓基材料2万片3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售gaas晶片8万片。我国在努力缩小gaas技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。
3.3氮化镓材料
gan半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于gan半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。
2000年9月美国kyma公司利用aln作衬底，开发出2英寸和4英寸gan新工艺;2001年1月美国nitronex公司在4英寸硅衬底上制造gan基晶体管获得成功;2001年8月台湾powdec公司宣布将规模生产4英寸gan外延晶片。gan基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用gan基led发光二极管产品。涉足gan基电子器件开发最为活跃的企业包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。
目前，日本、美国等国家纷纷进行应用于照明gan基白光led的产业开发，计划于2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司strstegiesunlimited分析数据，2001年世界gan器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界gan器件市场将达到48亿美元的销售额。
因gan材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。深圳方大集团在国家“超级863计划”项目支持下，2001年与中科院半导体等单位合作，首期投资8千万元进行gan基蓝光led产业化工作，率先在我国实现氮化镓基材料产业化并成功投放市场。方大公司已批量生产出高性能gan芯片，用于封装成蓝、绿、紫、白光led，成为我国第一家具有规模化研究、开发和生产氮化镓基半导体系列产品、并拥有自主知识产权的企业。中科院半导体所自主开发的gan激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸gan生长技术、器件及设备继续研究，争取在gan等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。
4结语
不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。我国政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。
参考文献
[1]师昌绪.材料大辞典[m].北京化学工业出版社，19941314
[2]http//bjjc.org.cn/10zxsc/249.htm.我国电子信息产业总规模居世界第三.北方微电子产业基地门户网
[3]蓬勃发展的中国电子信息产业.信息产业部电子信息产品管理司司长张琪在“icchina2003”上的主题报告
[4]梁春广.gan-第三代半导体的曙光.新材料产业，2000，53136
[5]李国强.第三代半导体材料.新材料产业，2002,61417
[6]万群，钟俊辉.电子信息材料[m].北京冶金工业出版社，199012
半导体材料设计篇3
当芯片结构体尺寸小于100纳米时，光学光刻技术便面临技术关键：硅晶制程光刻技术的线宽已小于曝光的波长长度，而光刻技术所能制作的线宽，是与光源的波长成正比。在朝向45纳米制程的趋势下，必须要能够降低波长、增加数值孔径(NA，NumericalAperture)、提高光刻，才能制作 微细化芯片。所以能否研发出能满足微细化制程所需、且具市场竞争力的光刻曝光技术，对IDM、Foundry、以及Fabless半导体产业来说，非常重要。因此目前在晶圆制程技术上，各厂要面对的课题是：如何有效降低制程微细化电路之间的静态功耗，特别是漏电流；以及RC时间延迟的问题；并防止介质机械强度下滑；同时，增加晶体密度、降低电路耗用面积、提升运作时钟频率，并且节省电能。
举例来说，45纳米芯片在逻辑开关时的切换效率，比起65纳米远高出30％；再者45纳米芯片耗电量较低，在相同运作时钟下，静态功耗的漏电流能比过去减少5倍；动态功耗(亦即场效应管进行切换时)也比以往减少30％。此外，45纳米场效应管密度是65纳米制程的2倍。
不过在纳米制程时代，每芯片量产成本(die cost)的增加，几乎来自于昂贵的制造设备，制程也会更复杂。例如为了让45纳米制程技术更容易，与曝光相关的制造技术也必须同时升级，像曝光装置的影像景深DOF(Depthof Focus)存在技术极限，所以也需要提高芯片全域的化学性机械研磨(CMP)的均一性。还有抗阻剂的薄膜化虽有利于提高芯片整体的膜厚均等化，但由于耐蚀刻性较差，所以必须使用3层抗阻剂或硬掩膜(hard mask)，因此微细化制程技术会更复杂。
65与45纳米制程同时并进
因此各半导体厂在进入65纳米以下制程时代时，可能就要花费多达300万美元以上的IC设计成本来制造掩膜和试产(try out)，况且光刻技术的应用周期不断缩短，对于微细化制程的技术评估也要提早因应，因此各大厂对于微细化制程也已开始激烈的攻防战。例如UMC就预先针对32与22纳米制程作技术评估，这结技术内容包含绝缘体硅(SOI)、应变硅(strained-Si)、高介电常数门极绝缘层(high-K gate dielectric)、金属门极(metal gate)以及多门极场效应管(multi-gate FET)等。TSMC也提出浸润式光刻技术，被视为未来具备继续挑战65及45纳米、甚至32及22纳米的实力。2006年9月IBM、Chartered、Infineon以及SamsungElectronics，联合开发首款45纳米制程芯片，预计在2007年底前完成验证。Intel和Micron合资的IM Flash，也已宣布成功产出45纳米制程NAND Flash芯片。10月Applied Materi-als也在研发中心完成45纳米制程芯片试验制程机台。
Intel宣布的45纳米制程量产时程则为2007年上半年，TSMC 45纳米制程浸润式光刻技术倾向在2007年Q3量产，UMC在65纳米制程技术已开始量产，45纳米制程技术也已添置新机种，主要新技术已开发完成，正进行整合验证，预计在2007年Q3至Q4可进入量产。
提升浸润式光刻曝光技术
在0.13微米及90纳米制程阶段，要在晶圆(Wafer)上光刻光刻(1ithography)出电路(circuit)，就要制作相关的掩膜(Mask)光刻技术。在这个阶段，半导体光刻制程大多采用ArF激光光源(曝光波长为193纳米)进行曝光显影。一般而言，掩膜分辨率视不同技术时代及应用层(layer)，定有不同的掩膜等级(Maskgrade)，每种掩膜等级有其相对应的品质规格，其规范品质重要项目包括缺陷数(defects)、关键尺寸(CD，Critical Dimension)、或是在整片掩膜中的精准度(accuracy)及均匀度(uniformity)等等。
当进入纳米制程后，由于半导体芯片电路更为精细、电路集积度愈高，所使用的光源波长需求也更为缩短，原本157纳米光刻技术因无法克服二氟化钙透镜结构双折射的问题，多数厂商倾向用浸润式光刻技术(Immersion Li-thography)延伸至193纳米曝光设备，达到大量节省研发及导入成本的目的，这也使得ITRS(International Technlogy Roadmap for Semi-conductors)，顺应时势决定采用浸润式光刻技术，并使其成为65纳米技术节点的主流光刻技术。
湿浸式技术是以流体介质的穿透度与折射率的光学特性为基础，相关光刻技术便以水作为流体介质，应用在193纳米波长曝光机基础上，于光源与晶圆之间加入水，可使波长缩短到132纳米，比起干式光刻技术(drylithography)，还可支持65、45、甚至到32纳米制程。不过其间形成的微气泡可能损及晶圆成像，如何预先去除纯水(UPW)中的气体，是预防气泡生成的关键之一，再者水与光阻交互作用，会对不同光阻剂造成程度伤害，因此也必须改良相关技术。
虽然浸润式ArF曝光技术可以沿用现有的ArF曝光设备，但微细化制程趋势更严谨地要求解析度与DOF，因此在45纳米之后，如何找到比纯水还高折射率的液体材料来提高数值孔径(NA)，便是无可回避的挑战。
主要半导体大厂包括TSMC和UMC都已开始导入浸润式光刻技术，UMC预计在2007年下半年投入45纳米制程，采用浸润式光刻技术。TI在2006年6月已初步研发出浸润式光刻制造45纳米制程芯片的技术，其内存细胞(memory cell)仅占0.24平方微米，较1月Intel率先推出首批导入45纳米制程芯片内存细胞的0.346平方微米，还要缩小30％。另外， 9月Dupont宣布已开发出配合32纳米制程所需之浸润液的新式光刻技术。
先前Nikon于2005年7月各自宣布开发出NA值为1.30的湿浸式ArF曝光设备，已在2006年底使用。ASML在同月NA为1.35的湿浸式设备，被认为是使用纯水的湿浸式曝光设备中的实际最高值，预计在2007年中期问世。
研发无法见光的光刻技术
未来会接续193纳米ArF光刻技术，应该会是超紫外光(Extreme Ultraviolet；EUV)光刻技术，使光波长进入不可见光的极紫外线层次。由于半导体光刻制程往后需要采用高折射率材料来提高NA值，EUV光刻技术的光波长原本就只有13.5纳米，光会在空气中被吸收，所以只能在真空环境中才能透射；其所采用的掩膜透镜，是属于反射式的元件，因此足以应付纳米微细制程所需。Intel预计在2009年，正式采用紫外线(EUV)光刻这项技术来进行32纳米制程的量产作业。
不过目前EUV技术尚未成熟，未能接续193纳米光刻技术，半导体大厂还是会一面沿用浸润式光刻技术、一面寻找更为适合的湿浸式流体介质，以改善掩膜透镜材料。像是其他新时代技术(Next General Lithography；NGL)包括纳米转印光刻技术(Imprint Lithography)，也开始被业界期待可达到制程10纳米以下的结构境界，成本与市场潜力甚至可以取代EUV光刻技术。
发展可降低RC延迟的介电材料
为何要解决RC延迟因为到65及45纳米微细化制程阶段，半导体芯片电路的金属线宽愈来愈微小，导线层数越来越多。且由于电气与机械特性的关系，信号传输会因短路而产生延迟。逻辑芯片电路的信号传输，也因制程细微化使绕线距离缩短，绕线容量增加而导致绕线延迟。这些都必须以铜导线与低介电材料，取代先前的铝合金，来解决电容电阻时间延迟(RC Time De-lay)问题，因此低介电材料的开发与应用也变得愈来愈紧迫。
在0.13微米之前的晶圆制程中，SiOF是厂商最多采用的介电质材料，其介电常数K(Keff)值介于3.7～2.8之间。自0.13微米已降微细制程时代开始，降低RC-Delay的需求开始浮现，半导体厂多以采取降低后段制程的金属连接线电阻与金属线间电容的方法，基本上以铜作为材料的低介电常数(cu/low-k)制程技术为主。在降低电阻方面，以铜来取代传统铝导线，尔后持续对铜导线制程中使用扩散绝缘层(diffusion barrier)，并对其厚度做最适化(op-timization)处理，绝缘层之材料均采高阻值之钽(Ta)/氮化钽(TaN)等。
因此降低金属线间的电容值，必须应用低介电常数(LOW-k)材料，作为金属导线间的绝缘层(Inter metal dielectrics)，一般Low-k材料的K值，涵盖3.1、2.9、2.7，一路演进至目前的2.5。Low-k材料是90纳米技术最重要的关键，90纳米制程所使用Low-k材料的K值约在3.0～2.9之间，60纳米以下的制程，才会采用2.5和2.4K值的材料，以有效降低金属导线间的电容值。综合来说，在微细化制程整合过程中，降低RC延迟技术提升的方向，多以针对会影响电阻的金属连接线厚度、与影响电容值的金属导线间绝缘层厚度为主。
Low-k制程趋势：防止机械强度下滑
下一代Low-k材料的特性，不仅只因应45纳米微细制程的需求，也要有效解决Low-k本身因电路DOF制程所产生的铜阻抗增加以及机械强度下滑的问题。制程从65纳米朝向45纳米时，低介电膜硬度会急速下降，因此经过薄膜化后的Low-k材质，能够具备多小孔尺寸、且具高密度硬度的特性，就显得相当重要。
目前应用Low-k材料的最大问题点，在于如何防止机械强度下滑。因为期望能够降低Low-k材料的介电常数，与希望提高Low-k材料绝缘膜的机械强度，这两者之间是相互矛盾的。未来问题的困难度不在于让Low-k材料的K值达到2.0以下，而是如何让超低K值材料的机械强度提高。除了低K值材料的特性直接影响半导体量产效率外，另外如何让铜与低K值材料有效整合应用，不仅对65纳米和45纳米制程，从整个IC制程技术来看，也将充满关键性的挑战。
无止尽的追寻?
半导体材料设计篇4
就量子化学的几种计算方法来看，从头算法虽然有严谨的理论支持，能得到较好的计算结果，但是当遇到诸如酶、聚合物、蛋白质等大分子体系时，计算很耗时，其计算代价无法承受[4]。为了在计算时间和计算精度上找到一个平衡点。采用量子化学半经验方法AMI进行了理论计算包括构型优化、振动分析电子光谱计算。科学家们以从头算法为基础，忽略一些计算量极大，但是对结果影响极小的积分，或者引用一些来自实验的参数，从而近似求解薛定谔方程，就诞生了半经验算法。如：AM1，PM3，MNDO，CNDO，ZDO 等[5，6]。目前，对多类EL材料的研究大部分都是基于量子化学的半经验方法。
2 光谱性能的量子化学半经验计算
EL材料的发光颜色与材料的荧光光谱有密切的关系，荧光即是电子由第一激发单重态跃迁回基态所产生的降级辐射。目前对光谱性能的量子化学计算多半基于量子化学半经验方法PM3和AM1，先对化合物的几何构型进行了全参数优化， 得到其稳定构型，再进行振动分析，在此基础上利用单激发态组态相互作用方法（CIS）计算它们的电子光谱。
比如苏宇，廖显威[7]等人采用量子化学半经验方法PM3对三种黄酮类化合物的荧光光谱进行了理论研究。对各化合物优化后的构型作了振动分析，均未出现虚频率。在此基础上，采用单激发组态相互作用方法（CIS） 计算荧光光谱，所有计算结果与实验值基本吻合。廖显威，李来才[8]采用单激发组态相互作用（CIS）方法，分别计算了4 种稠环芳烃的电子光谱，选了801个组态进行计算，所得结果与实验值基本吻合。他们还对几种含氮芳烃化合物有机EL材料，对FL-4、 FL-7、FL-10 和FL-12的光谱进行研究，计算结果与实验值基本相符合。薛照明，张宣军[9]等用PM3/SCI方法计算了三个分子的电子吸收光谱，测定了三个分子的电子吸收光谱和荧光光谱（DMF溶液）。结果表明理论计算值与实验值相当吻合。高洪泽，石绍庆等利用量子化学半经验AM1及INDO/SCI方法研究了B与8-羟基喹啉的螯合（LiBq4）的电子结构和光谱性质，计算得到基态到各激发态的垂直跃迁能和振子强度，获得电子光谱。分析出由于配体中苯酚环、吡啶环对不同前线轨道的贡献不一样，所以在吡啶环和苯酚环上引入取代基会对光谱发生影响，为分子设计提供理论指导。
3 量子化学对EL材料结构的分析
结构与性能的关系一直是量子化学的主要研究领域，它涉及的范围非常广泛，从无机小分子、有机分子到高聚物和生物大分子，从人为设计的理想模型分子到实用的药物分子和材料分子等[10]。通过结构与性能的研究，人们可以逐类地对一些化学现象进行统一的解释，得出一般性的规律，进而预言一新的化学事实，指导设计新的实验。目前国际上关心的课题主要有：重要新型无机分子、有机分子和原子簇化合物的化学键本质的研究；重金属、稀土元素化合物的成键规律；（半）导体材料、磁性材料、光电材料等。
高洪泽，石绍庆[11]等通过量子化学半经验方法研究了蓝色有机薄膜电致发光材料LiBq4 电子结构，国外研究人员在这方面已做了不少努力，合成了很多类型的蓝色发光材料并且制备了相关器件[12-15]，但多数都没有获得突出的结果。由于LiBq4体系相对分子质量较大，迄今未见有对其进行理论研究的报道.他们通过计算结果表明，各个喹啉环基本保持各自的面共轭结构。计算得到的稳定几何结构和的主要键长。为探讨其发光机理及B和Li 元素在其中所起的作用及M ―N键的共价性、离子性对发光的影响，为进一步探索合成与设计具有优良性能的蓝色发光材料提供理论依据和指导。
4 振动分析
半导体材料设计篇5
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。
半导体材料设计篇6
在晶圆厂投资方面，由于大厂持续保守投资， 2008年的晶圆厂预估减少38%。不过，根据SEMI World Fab Forecast，2009年将有22座量产晶圆厂计划建置，预估整体投资金额将比今年增长50%以上。其中，台湾晶圆厂投资占全球总投资额的比例更将从今年的27%拉升至40%。
半导体材料设计篇7
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（Smart cut）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。
2.2 GaAs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980nm InGaAs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120K 5μm和250K 8μm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Picogiga MBE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/GeSi MODFET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Lars Samuelson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=67 GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 GaN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6H SiC单晶与外延片，以及3英寸的4H SiC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。
5.2 GaAs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。
半导体材料设计篇8
Keywords: inorganic non-metallic materials; Building energy efficiency; application
中图分类号：TE08文献标识码：A 文章编号：
0.序言
随着我国城市建设的快速发展、房屋建筑的增加、建筑热舒适性要求的提高等原因,使得我国的建筑耗能也逐年加大,每年房屋建筑总能耗占全国总能耗的45%,如果继续传统的建筑设计方式,会造成较大的建筑材料消耗。因此,我们应该广泛选用建筑节能材料，而在这些材料中无机非金属材料又具有很强的节能优势。无机非金属材料包括除金属材料、高分子材料以外的几乎所有材料，这些材料主要由一般陶瓷玻璃、耐火材料、水泥以及特种陶瓷等新型无机工程材料。一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是抗拉强度低、韧性差。无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。
1无机非金属材料在建筑工程中的应用优点
传统的无机非金属材料材料品种繁多，主要是指大宗无机建筑材料，包括水泥、玻璃、陶瓷与建筑（墙体）材料等。其产量占无机非金属材料的绝大多数。建筑材料与人们的生活质量息息相关。传统的无机非金属材料工业是能源消耗大户,在世界能源日益短缺的今天,如何生产节能、降耗,以及如何生产出高质量的建筑节能、保温产品是建材工业发展的重要趋势。选择资源节约型、污染最低型、质量效益型、科技先导型的发展方式。新型墙体材料、高质量门窗、中空玻璃将大量应用;向着提高材料性能、使用寿命的方向发展。低寿命设计、大量重复建设已经严重制约城市建设的发展。现代化建筑需要高性能建筑材料的支持,而提高建筑的耐久性又对建筑材料的使用寿命提出了更高的要求。在建筑工程中，把用于控制室内热量外流的材料称为保温隔热材料，把防止室内热量外流的材料称为隔热材料。绝热材料的优劣主要由材料的传导性能的高低决定。材料的传导性能越差，其绝热性能就好，反之则越差。
在现代社会中已形成了三大类绝热材料：有机绝热材料，无机绝热材料，金属。而有机绝热材料相对无机绝热材料来说受到很多限制，与其它构件的结合性差，耐腐蚀性弱，合成浪费能源，不稳定;而且有机性材料的副产物太多，大多对人体又有害，使用中承载力不强，防火性能差，易老化，耐候性也很差等原因受到许多限制。金属类绝热材料的使用相对来说也没有无机非金属材料广，因为金属材料与无机材料相比来源也要窄得多，与其它材料的结合也没有无机非金属材料好，耐腐蚀性也不强，在雷电多发区受到苛刻的技术要求和设计要求。因此，与上述两种材料相比优势化较大的就是无机非金属材料，这类材料基本都有上述两种材料的优点外还有：材料来源广，生产工艺简单，耐热性强，防火性强，承载力强，而且耐火性也十分好。故无机非金属材料在现代建筑工程中的运用前景也就强于其他两种材料。在建筑保温隔热运用中，因其多用于建筑维护结构及其外表面，既能使建筑的保温性能和隔热性能都得到保证。又能对建筑起到保护作用，使建筑物避免直接暴露于大气环境中;使其免受大气环境中的各种腐蚀和破坏作用。
现有的其他保温隔热材料中有岩棉、人造轻质硅酸盐、非连续的絮状纤维材料，质地松软，化学稳定性好，耐酸碱，弹性好。
膨胀蛭石，有金云母，黑云母变质而成，是一种复杂的铁，镁含水硅酸盐类矿物；是性能良好的建筑绝热材料。
硅藻土，由硅藻的硅质的细胞壁的一种生物化学沉积岩组成。质地松软，多孔而轻，易研磨成粉末，具有吸水性，不溶于酸，碱。是建筑工程中常用的轻质、绝热和隔声材料。
木纤维，也称为工程纤维，是一种天然纤维，成化学惰性，无生理毒性，在建筑保温隔热工程以及在内外墙腻子防水涂料和复层涂料中运用，能起到防裂、触变、憎稠等多种作用。因此对各种粘贴式保温隔热有着重要作用。
泡沫玻璃是石英砂矿粉或碎玻璃为基料，加入发泡剂、促进剂等添加剂，经超细粉碎和均匀混合形成配合料，经融化、发泡、退火而形成的内部充满封闭式气泡的材料。属于无机玻璃之和封闭气孔构成的多孔泡沫类材料。它的密度低、导热系数小、不透湿、吸水率小、不燃烧、不霉变、机械性能高、加工方便、耐化学腐蚀、本身无毒、性能稳定。既是保温材料又是隔热材料，能适应极冷到较高温度范围等特性，同时耐久性好、质硬、表面强度高、可切割成型，施工方便，可成彩色材料;因此还具有独特的装饰功能。但是气泡的大小、匀称度等都会影响其特有的功能。出现凹格、开裂、表面不平等。介于其优点多，在无机非金属材料中是很有发展潜能的。
2 无机非金属材料的分类
2.1半导体材料
半导体是指室温电阻值处于导体(电阻值约10～4Ωm)和绝缘体(≥1010Ωm之间的材料，它已成为当前无线电电子技术、计算机技术和新能源利用技术等高新技术中不可缺少的重要材料。目前大多数半导体材料还是无机半导体材料，它的大致分类为元素半导体、掺杂半导体、化合物半导体、缺陷半导体。
2.2 高技术晶体材料BGO
半导体材料设计篇9
半导体的特性为我们带来了无穷益处：“如发射一吨重的卫星，假如用晶体管代替电子管重量可减轻100千克，就可以节省9吨的燃料。它不仅广泛应用在航空航天、人造卫星等高科技领域，而且是我们生活中不可或缺的：医学上的核磁共振仪，日常用的收音机、电视机、洗衣机、微波炉、电冰箱、电子表、手机……里面核心控制的设备都是半导体。半导体应该说是无孔不入、无处不在。”
硅作为半导体材料的代表，现在已经成为微电子技术的基础材料，我们用的电子元器件和电路的90%都是硅材料。使用硅材料做集成电路，产值已达到每年约3000亿美元，由硅材料做成的器件和电路可以拉动几万亿美元的电子产业，半导体硅材料可以说是信息时代的基础。
追随一生的半导体
王占国1938年12月29日生于河南镇平。1962年毕业于南开大学物理系，同年到中科院半导体所工作。从那时起，他的人生脚步，就没有离开过半导体这个领域。
参加工作以后，王占国致力于半导体材料光电性质和硅太阳电池辐照效应研究。其中，硅太阳电池电子辐照效应研究成果为我国人造卫星用硅太阳电池定型（由PN改为NP）投产起了关键作用。
1971～1980年，他负责设计、建成了低温电学测量和光致发光实验系统，并对GaAs和其它III-V族化合物半导体材料的电学、光学性质进行了研究。其中，体GaAs热学和强场性质的实验结果以及与林兰英先生一起提出的“GaAs质量的杂质控制观点”，对我国70年代末纯度GaAs材料研制方向的战略转移和GaAs外延材料质量在80年代初达国际先进水平贡献了力量。
1980～1983年，经黄昆和林兰英两位所长推荐，他赴国际著名的深能级研究中心瑞典隆德大学固体物理系，从事半导体深能级物理和光谱物理研究。在该领域权威H.G.Grimmeiss教授等的支持和合作下，做出了多项有国际影响的工作：提出了识别两个深能级共存系统两者是否是同一缺陷不同能态新方法，解决了国际上对GaAs中A、B能级和硅中金受主及金施主能级本质的长期争论；提出了混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理新模型，解释了它们的物理实质；澄清和识别了一些长期被错误指派的GaAs中与铜等相关的发光中心等。
1984～1993年，在半导体材料生长及性质研究中，提出了GaAs电学补偿五能级模型和电学补偿新判据，为提高GaAs质量、器件与电路的成品率提供了依据。与人合作，提出了直拉硅中新施主微观结构新模型，摒弃了新施主微观结构直接与氧相关的传统观点，成功地解释了现有的实验事实，预示了它的新行为；与龚秀英等同事合作，在国内率先开展了超长波长锑化物材料生长和性质研究，并首先在国内研制成功InGaAsSb，AlGaAsSb材料及红外探测器和激光器原型器件。
他协助林兰英先生，开拓了我国微重力半导体材料科学研究新领域，首次在太空从熔体中生长出GaAs单晶并对其光、电性质作了系统研究，受到国内外同行的高度评价。
他于1986年任半导体所研究员，材料室主任；1990年任博士生导师，1991～1995年担任副所长；1995年当选为中国科学院院士。1991～2001年任国家高技术新材料领域专家委员会委员、常委、功能材料专家组组长，因对863计划做出突出贡献，2001年863计划实施十五周年时，被科技部授予先进个人称号；1996～2000年任国家S-863计划纲要建议软课题研究新材料技术领域专家组组长；2003年任国家材料中长期科技发展战略研究新材料专家组组长；1997～2002年和2006～2009年任国家自然科学基金信息学部半导体学科评审专家组组长等。此外，还有多种学术兼职。
任863专家委员会委员期间，他积极推动了我国全固态激光器的研发和半导体照明事业的发展。如今，我国的半导体白光照明已经处于国际先进水平，极大地促进了节能环保事业的发展。
从上世纪90年代起，他工作的重点已集中在半导体低维结构和量子器件这一国际前沿研究方面，先后主持和参与负责十多个国家863、973，国家重点科技攻关，国家自然科学基金重大、重点和面上项目以及中科院重点、重大等研究项目。
他和MBE组的同事一起，在成功地研制了国内领先、国际先进水平的电子迁移率（4.8K）高达百万的2DEG材料和高质量、器件级HEMT和P-HEMT结构材料的基础上，又发展了应变自组装In（Ga）As/GaAs，InAlAs/AlGaAs/GaAs， InAs/InAlAs/InP和InAs/InGaAs/InP等量子点、量子线和量子点（线）超晶格材料生长技术，并初步在纳米尺度上实现了对量子点（线）尺寸、形状和密度的可控生长；首次发现InP基InAs量子线空间斜对准的新现象；成功地制备了从可见光到近红外的量子点（线）材料，并研制成功室温连续工作输出光功率达4瓦（双面之和）的大功率量子点激光器，为当时国际上报道的最好结果之一；红光量子点激光器和 InGaAs/InAlAs、GaAs/AlGaAs量子级联激光器与探测器材料及其器件的研究水平也处在国际的前列；2001年，他作为国家重点基础研究发展计划973项目“信息功能材料相关基础问题”的首席科学家，又提出了柔性衬底的概念，为大失配异质结构材料体系研制开辟了一个可能的新方向。
上述研究成果曾获国家自然科学二等奖和国家科技进步三等奖，中国科学院自然科学一等奖和中国科学院科技进步一、二和三等奖，何梁何利科学与技术进步奖，国家重点科技攻关奖以及优秀研究生导师奖等十多项；从1983年以来，先后在国外著名学术刊物180多篇，培养博士、硕士和博士后百余名。
新科技革命的起点
半导体材料设计篇10
作者简介：胡慧（1994.02—），女，汉族，安徽安庆人，嘉兴学院学生，专业为材料成型及控制工程。
通讯作者：鹿业波（1983—），男，山东莱芜人，工学博士，嘉兴学院机电工程学院，讲师，研究方向为金属微纳米材料的制备与评估。
0 前言
半导体技术和微电子技术是电子信息产业的核心技术，然而相对于国外微电子技术的发展[1]，国内半导体器件产品制造的固有质量和应用可靠性仍有待提高，尤其在温度、电流密度等条件频繁变化的环境下故障率较高[2]。集成电路的稳定及可靠性是指在规定条件下，电路完成指定任务的能力，通常称其为使用寿命。当集成电路的工作条件或者工作环境超出其额定值时，器件将无法正常工作，进而影响到整个系统的工作稳定性。通常工作温度被认为是影响集成电路寿命的重要因素，该领域已有较多的研究报道。另一方面，当集成电路在频繁开/关过程中，电路中焦耳热会引起的温度循环变化，这对集成电路寿命也会产生不可忽视的影响[3]。D. Gerth等人[4]对集成电路中的铝膜进行了研究，发现了铝膜上小丘的生长，并分析了相应机理，取得了有益的进展。欧阳斯可等人[5]采用微波等离子体加热方法对金属薄膜进行热处理，但此类研究都是仅以恒温加热作为研究方法，忽视了快速冷热循环变化对薄膜材料影响的研究。日本的Shien Ri 和 Masumi Saka[6]制作了能够实现温度快速变化的装置，但设计复杂、制作成本较高，且操作难度较大。目前通用的高温加热炉加热速率低，不能实现快速冷热循环。因此，针对半导体材料发展研究的需要，本文设计了一种能够实现快速冷热循环的试验装置。
1 总体结构设计
利用陶瓷加热片作为加热源，将陶瓷加热片安装固定于快速升降位移机构之上。通过伺服电机的驱动，使快速移动台带动加热片实现上下往复运动，进而使金属薄膜材料的环境温度发生快速冷热循环的变化，从而达到试验目的。快速冷热循环试验装置如图1所示，由快速移动台、伸出臂、试验台、温度控制器、水泵等几部分组成。该装置通过操作软件的控制实现快速移动台的上下移动速度、循环次数、停留时间等；温度控制器实时检测控制加热片温度；通过水泵、热排等组成的冷却系统保证承载试验台表面温度在非加热状态时始终维持在室温；温度控制器实时显示试验台温度以保证冷却系统的可靠性。
2 加热系统的设计
加热系统是该装置设计的重要部分，其组成包括伸出臂、温度控制器、陶瓷加热片、快速移动台等（如图1所示），电路接线示意图如图2所示，工作原理为：温度控制器与陶瓷加热片相连接，通过控制器的控制作用使陶瓷加热片稳定于某一设定温度，当伸出臂上的加热片靠近试验台上的金属薄膜材料时，金属薄膜材料受热温度升高。
加热系统中，伸出臂要承受力的载荷，同时受高温的影响，通过校核计算设计采用304不锈钢作为伸出臂材料，以保证伸出臂的平稳性。伸出臂的规格为178×50×3.5mm，上面加工出槽用于放置陶瓷加热片，温度控制器的传感器导线采用正方体铁块固定；陶瓷加热片作为加热系统中的直接加热体，属脆性材料，规格为48×26×2mm，额定电压和功率分别为220V、242W，以保证试验中规格较小的加热体能达到200~300℃的高温，为考虑安全性，加热片用小片长方形钢条压盖，通过螺栓连接固定于伸出臂铣出的槽内；在钢条与加热片之间加入了弹簧机构，以固定传感器探头，同时避免加热片在加热过程中因钢板的压迫而爆裂；温度控制器通过控制BT稳压装置来实现温度的可靠控制；快速移动台利用滚珠丝杠传动来实现，将伺服电机的圆周运动转变为滑台的直线运动，其软件系统是MPC08系统，移动台最大行程为600mm，最大速率可达50mm/s。
3 冷却系统的设计
冷却系统的组成包括试验台、温度控制器、水泵、冷却液等部分，工作原理为：当位移机构开始上升时，陶瓷加热片随之远离试验台，试验台上的试样迅速冷却，为加快试样冷却速度，保证仪器的冷却效果，设计的试验台增设冷却循环系统。该系统通过水管连接各个冷却装置，使冷却液在其中快速流动从而达到较好的冷却效果。
系统中,试验台应具有良好的导热性，以保证试样在冷却状态下可以尽量与室温一致，同时避免试样温度的累积。本装置设计采用导热性较好的铜作为试验台材料，并将试验台上的冷却液进出口设计为宝塔型，使之能紧密的与水管相接，避免冷却液的渗漏，利用工字钢和长方形钢条固定试验台于导柱上；循环泵规格为1206型12伏45瓦直流微型水泵；温度控制器作用仅显示试验台表面的温度。
4 仪器测试分析
集成电路承受的温度一般为80℃左右，超过该极限温度就易导致电子产品出现故障。快速冷热循环装置可在一定范围内任意设置加热温度，通过控制伸出臂的位置，可实现试验台上金属薄膜材料温度变化，以达到不同试验的要求。
装置搭建完成后，本文对加热效果进行了检测分析，利用移动台驱动伺服电机使加热片靠近/远离试验台表面，并借助传感器及温度控制器，初步检测记录了试验台表面的加热温度的相关数据，如图3所示。加热片与试验台最短距离控制在10mm左右，此时，陶瓷加热片温度为250℃，试验台表面温度113℃（能量损失主要在于空气流通），随着加热片与试验台距离的增大，试验台表面温度迅速降低，当间距达到100mm时，其表面温度进入稳定状态，此时可认为试验台降至室温。综合考虑行程运行速度、安全等因素，设置试验中最大行程为120mm。
通过此装置对铝膜进行了初步的冷热循环试验，试验结果表明快速冷热循环会使铝膜表面出现大量的小丘。在之前的研究中[7]，经过恒温加热的试样表面出现小丘较少，因此，在加热时间和加热温度相同的条件下，快速冷热对试样的破坏性更大。
目前温度快速变化对半导体材料影响研究的相关报道较少，主要原因在于测试仪器的缺乏，本仪器的设计及制作为相关研究提供了可行性，将促进对半导体电路材料失效机理的研究。
5 结语
本文设计制作了一种快速冷热循环仪，进行了应用试验，并取得预期成果。实验过程中，该系统加热稳定，温度变化迅速，能够有效地控制试验循环次数。该试验仪器不仅可应用于Al薄膜的测试研究，还可用于研究性能要求较高的其它金属薄膜材料，如Ag、Cu等材料，通过研究温度变化对薄膜材料的影响，可改善其在半导体电路中的应用，推进半导体电子行业的发展。
参考文献
［1］V. Yu. Kireev, A. S. Rapid Thermal Processing: A New Step Forward in Microelectronics Technologies[J]. Russian Microelectronics, 2001,30(4):225-235.
［2］许居衍.我国半导体工业发展前景分析[J].半导体技术,1995,95(5):1-8.
［3］詹郁生,郑学仁.集成电路金属互连焦耳热效应的测试与修正[J].华南理工大学学报:自然科学版,2004,32(5):34-37.
［4］D. Gerth, D. Katzer, M. Krohn D. Study of the thermal behaviour of thin aluminium alloy films[J]. Thin Solid Films, 1992,208(1):67-75.
［5］欧阳斯可,汪涛,戴永兵,等.微波等离子加热实现金属薄膜固相反应[J].新技术新工艺,2004(6):36-38.
半导体材料设计篇11
1几种主要的柔性基层材料的适用性分析
1.1级配碎石
对碎石的级配指的是将碎石进行碾压形成一种材料，在级配的过程中不会使用胶结料，所以，材料的抗拉能力比较差，在高速公路建设的过程中，一般是将级配碎石铺设在半刚性基层或者水泥路面上，能够减少外界带来的应力，防止反射压力过大，使路面发生裂缝。在高速公路中，柔性路面的结构层，其抗压能力不是很强，在高速公路的基层铺设级配碎石，或者在路基上铺设级配碎石，使路基的结构能够更加完善，提高路基的抗压能力。级配碎石在铺设之前，要进行压实工序，确保级配碎石的强度能够达到要求。
半刚性基层材料的回弹模量还是比较高的，要远远大于级配碎石，而且与半刚性材料一起使用的级配碎石具有一定的非线性特征，这种特点决定了将强度比较大的材料放置在下卧层上面，从而能够获得较大的回弹模量，在此基础上，使高速公路的路面具有较好的抗压能力和塑性能力，级配碎石铺设在路面上能够降低沥青路面发生反射裂缝的几率，而且能够改善高速公路的抗疲劳能力。
1.2大碎石沥青混合料
大碎石沥青混合料也可以称为大粒径沥青碎石混合料，这类料的粒径是比较大的，而且，其密实度是比较高的，孔隙率低，孔隙率只能够达到5%左右，在使用开式级配的方法中，其孔隙率只能达到10%左右，大碎石沥青混合料的粒径一般只有30毫米。
大碎石粒径的优点还是比较多的，其能够对基层的性能进行完善，能够对基层的结构进行加固处理，而且成本是比较低的。通过对高速公路的相关调查，可以分析出，当路面的粒径越大，其受到的负荷也就越大，但是其抗压能力也随之增强。大碎石沥青混合料与其他的混合料相比，其优点在于，能够节省沥青的使用量，降低高速公路建设的成本，在高速公路建设的过程中，一般能够减少30%的沥青使用量，而且，能够对粒径进行分析，在不同等级的公路，选择不同粒径的用料。由于粒径比较大，就能够使集料的表面积减小，能够使沥青膜变厚，这样提高了沥青的使用年限，使沥青在使用的过程中具有良好的抗老化的能力，而且能够防止降水对路面的侵害。通过对相关数据的研究，分析出一般粒径为35毫米的时候，其抗压强度是最好的，而且不会产生较大的蠕变现象，而且回弹模量和抗疲劳性能够达到最佳。
1.3乳化沥青混合料
乳化沥青混合料能够起到稳定路面的效果，尤其是在路面基层施工的过程中，运用乳化沥青，可以提高基层的抗压能力。乳化沥青是运用胶结材料制成的，是柔性基层的一个分支，乳化沥青在使用的过程中，不会浪费大量的资源，而且在施工中能够使施工条件更加得完善，在施工中也不会造成环境污染。在使用乳化沥青进行高速公路的施工时，能够在一定程度上改善高速公路的性能，使高速公路的安全性提高，其应用还是比较广泛的。
2柔性基层路面与半刚性基层路面的对比
2.1路面结构应力的分布
半刚性结构是由一个板体构成的，其整体性强，而且能够承受较大的压力，使压力的分布不那么集中，能够将外界的压力分散，柔性基层路面一般比半刚性基层路面要厚。外界形成的压力一般都集中在面层的顶部，而且随着厚度的增加，外界的压力也会越小，当压力达到一定的厚度的时候，其内部结构也会产生一个作用力，在结构的内部会形成一个拉应力，在基层的最下方会产生一个拉应力的最大值。对于剪应力的分布，一般要对路面的深度进行分析，其最大值一般是在路面的5-20厘米处，如果路面上出现了超载和重载的问题时，其剪应力还会深入到更深层次的路面中。但是，剪应力的范围主要是在5-20厘米处，剪应力一般产生在路面的基层和面层上。在通常情况下，如果沥青铺设的越厚，如果路面的负荷超过了极限，就会产生更大的车辙，而且，国外也有相关的研究表明，如果沥青铺设的厚度不超过20厘米，那么，沥青越厚，车辙就越明显，如果沥青铺设的厚度大于20厘米，那么，产生的车辙与沥青铺设的厚度就不存在任何的关系了，通过对此的研究，可以发现剪应力主要对路面的基层和面层产生影响。
2.2两种路面结构的破坏模式
2.2.1材料的特征
半刚性基层的承载能力比较好，而且能够形成比较大的刚度，具有板体性特征，而且成本不高，但是，这种的材料的塑性是比较差的，其在不同的温度下会发生不同程度的变形，而且，在热胀冷缩的影响下容易发生开裂的问题，是一种脆性的材料。柔性材料都属于弹性比较好的材料，这类材料具有较好的韧性，具有良好的可塑性，但是，由于能够产生较大的变形，所以，随着路面厚度的增大，也会产生更多的施工成本。
2.2.2半刚性基层路面的破坏形式
由于半刚性基层材料具有在不同温度下发生变形的问题，所以，在采用这种材料建设路面时，出现开裂的现象是不能避免的，当裂缝发生时，如果有车辆行驶到裂缝边缘，就会出现路面的形变，在裂缝处会产生一个很大的作用力，尤其是在裂缝中心，受到了上部和下部的剪切力，又受到了底层的拉应力，再加上温度的改变，在反复地作用下，最终会导致反射裂缝的产生。如果再遇到持续的降水，这时就会产生雨水渗透到地下的问题，当车辆行驶过后，在基层和底层都会产生一个巨大的冲刷力，将材料中的细料直接冲刷出来，材料的结构越来越松散，最后会出现路面塌陷的问题，半刚性基层的板体性越来越差，使半刚性基层材料的结构遭到破坏，使路面出现大面积的沉降。如果在界面上有大量的积水存在，那么，就会导致界面的接触条件发生很大的变化，导致路面的结构发生断裂，不能形成连续的结构，这种情况导致路面的受力状态不稳定，在受力比较大的区域会发生路面的塌陷。
2.2.3柔性基层路面的破坏形式
在对柔性基层路面进行设计时，只要不出现很大的问题，一般柔性基层路面的破坏只会在面层上出现，在面层上会出现车辙。车辙的产生是由于路面的结构长期受到强大的剪切力的作用引起的，而且，柔性基层路面的塑性蠕变能力强，在遇到压力时很容易发生变形，路面在受到车辆带来的水平荷载的影响，导致出现弯矩作用，如果沥青的厚度大于40厘米时，就会造成路面产生裂缝。沥青的厚度越大，越容易产生裂缝。
2.3设计思想
根据两种材料的优点和缺点，在对高速公路进行设计的过程中，应该选择不同的设计方法。半刚性材料的强度是比较大的，所以，在设计时，一般将这种材料铺设在承重层，尽管在对面层设计的时候，也提高了面层的厚度，但是，当高速公路的沥青面层的厚度大于18厘米时，就会导致半刚性基层的强度减小。仍然会产生反射裂缝，成为高速公路路面产生裂缝的主要形式。柔性基层路面在产生裂缝的时候，是呈现自上而下的形式的，首先是对面层的破坏，然后是对路基产生结构性的破坏，所以，在路面设计时，应该先设计面层，对面层进行功能性设计，然后再设计基层和承重层。在柔性基层路面的设计中，应该确保底层具有最大的拉应力。
3结语
通过对半刚性基层路面和柔性基层路面进行分析，分析出这两种路面各自的优点和缺点，在进行高速公路建设的过程中，就应该分析路面的粒径，当路面的粒径越大，其受到的负荷也就越大，但是其抗压能力也随之增强。
参考文献：
[1]杨晓萍.泡沫沥青柔性基层与传统刚性基层工程效果比较[J].山西建筑，2013，31：157-159.
半导体材料设计篇12
半导体制冷器;制冷性能;基板;铜片回路
半导体制冷技术因其具有的独特优点而在各行各业得到了广泛的应用［1-3］。为提高其性能、增强机械强度和稳定性，国内外有关科技人员进行了很多研究工作。宣向春等［4］提出可在普通半导体电臂对的P型和N型电偶臂之间淀积一层厚度适当的银膜，提高电偶对的制冷性能。李茂德［5］和任欣［6］等认为，提高制冷系统热端的散热强度可以改善半导体制冷器的制冷性能，但制冷性能并不能随散热强度的提高无限提高。
YANLANASHIM［7］优化了制冷系统设计方法。此外，GAOMin［8］等指出电偶臂的长度在很大程度上影响半导体的热电性能。YUJianlin［9］等详细研究了制冷单元的个数和电偶臂的长度对制冷性能的影响程度。本文主要对半导体制冷器的制造工艺进行了分析，讨论了不同的半导体铜片连接回路以及半导体电偶对与基板的黏结性能对半导体制冷器制冷效果及其寿命的影响，并通过实验进行了性能测试，实验结果可以为提高半导体制冷器的制冷性能及产品寿命提供较好的依据，具有一定的实际指导意义。
1半导体制冷器设计工艺
半导体制冷器的性能主要包括制冷效率和使用寿命，取决于组成半导体制冷器主体的制冷电偶对的设计制造工艺，半导体材料的热电优值系数及半导体制冷器系统的结构等［10］。本文仅讨论半导体制冷器基板材料以及不同的半导体铜片连接回路对半导体制冷器制冷效果及其寿命的影响。
1．1基板设计工艺半导体制冷器的导热绝缘层由陶瓷基板构成，由1个放热面和1个吸热面组成一组，2个面之间由铜片连接不同型的、相互错开的半导体颗粒，形成回路，如图1所示。陶瓷基板材料及基板厚度对半导体制冷器制冷效率有显著的影响。设计采用了质量分数为96%氧化铝(Al2O3)的陶瓷基板。同时，为提高半导体制冷效率，通过减薄陶瓷基板厚度(由目前的1．00mm，减薄到0．50～0．13mm)，降低热阻，提高了传热性能，制冷效率COP值得到提高，但成本相应增加;另外，也可以将基板换成氮化铝(AlN)，氮化铝热导率为180W•m－1•K－1左右(20℃环境温度下测试)，而氧化铝为22W•m－1•K－1左右(20℃环境温度下测试)，热导率提高了约7倍，同样也可以提高COP值，但是基板成本会更高，约为原来的10倍。
1．2铜片回路连接工艺将半导体电偶对、基板和接线端子用铜片焊接起来，形成通电回路。实验设计了2种不同回路走线方式A型和B型(CP/127/060/A和CP/127/060/B)，如图2～3所示，图中粗线为回路走线路径。由于基板与半导体颗粒间焊接了铜片，半导体颗粒与基板形成刚性连接，在温度变化的时候材料的内应力很大。因此生产工艺中将半导体颗粒与瓷片用胶黏剂粘接，用于卸去大部分应力，提高产品的寿命。但由于胶黏剂的导热性较差，制冷性能会受到一定影响。本文采用了自主研发的一种胶黏剂，粘接层很薄，热导率相对比较高，使得产品具有一定的市场竞争优势。
2半导体制冷器性能实验分析
2．1铜片排布方式对性能的影响实验现场如图4所示，实验原理如图5所示。实验材料:A型产品和B型产品各5个。实验时，将整个装置放置于真空中，测试仪器中设置好控制温度Th=50℃，先测试最大温度差ΔTmax值。在每个产品的基板上分别选择4个测试点，依次递增施加不同的测试电压(16～20V)，得到测试数据ΔT值，拟合曲线，找出极值点。极值点对应的ΔT值就是ΔTmax，其对应的电流就是Imax。然后给产品施加Imax的电流，通过加热片控制冷热面的温度差ΔT=0℃，测定此时的制冷量Qc值即为Qcmax，即加热片的功率。实验数据如表1～2所示。由表1～2可知，2种不同铜片排布形式，其温度差ΔT，制冷量Qc的数据差异均在实验仪器误差范围内，针对ΔT，Qc这两项来说，铜片回路形式对半导体制冷器制冷效率影响不大。
2．2铜片排布方式对产品寿命的影响对2种回路的制冷器分别进行制冷—制热循环实验。实验条件:1个循环为1min(40s制冷，制冷温度降到0．0℃，电流4．0A;20s制热，制热温度升到100．0℃，电流4．5A);压力280±20N，2．4万次循环实验结束。每0．15万次循环测1次电阻，若2．4万次循环之内，电阻变化率超过10%表示产品失效，实验结束。实验样品选择CP/127/060/A和CP/127/060/B各2组，实验结果如图6所示。由图6可知，在2．4万次循环结束时，A型产品2组实验样品的电阻变化率分别为1．35%和1．45%，而B型产品2组实验样品的电阻变化率均在2．04%左右。实验数据表明，A型基板的电阻变化率相对较低，寿命趋势相对较长。
3结论
通过理论分析和实验研究，得到以下结论:1)陶瓷基板材料及基板厚度对半导体制冷器制冷效率有显著的影响:氮化铝(AlN)基板因热导率高于氧化铝(Al2O3)，可以提高COP值，但其成本会提高;通过减薄陶瓷基板厚度降低热阻，可提高传热性能，提高制冷效率COP值。2)半导体颗粒与瓷片用胶黏剂粘接，可卸去大部分应力，提高产品的寿命。但由于胶黏剂的导热性较差，制冷性能会受到一定影响。可采用自主研发的胶黏剂，粘接层很薄，热导率相对比较高，保证产品在市场竞争上具有一定的优势。3)通过实验数据对比分析，温差ΔT和制冷量Qc的数据差异均在实验仪器误差范围内，针对ΔT和Qc来说，回路形式对半导体制冷器制冷效率影响不大。4)在寿命方面，在2．4万次循环结束时，A型成品电阻变化率分变为1．35%和1．45%，而B型均在2．04%左右。直观的数据对比显示A型基板的电阻变化率相对较低，寿命趋势相对更长。
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半导体材料设计篇13
基于硅资源深加工的硅材料产业（以下简称硅材料产业）是全球性的朝阳产业和战略性产业，发展势头迅猛，全球60万家硅企业生产的约80亿美元的硅材料，支撑起了2230亿美元的半导体集成电路产业，进一步支撑起数以万亿美元计的电子、计算机、通信等信息产业，全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中，95%以上的半导体器件是用硅材料制作，集成电路的99%以上用硅制作。硅原料和硅制品的产品贸易额达到5000亿美元以上，全球硅业研发机构及学术团体1000多个，行业组织300多个。
当前，各国政府高度重视硅材料产业的发展，如美国、日本、德国、欧盟均制定了诸如21世纪国家纳米纲要、光电子计划、太阳能电池（光伏）发电计划、下一代照明光源计划等新材料、新产业规划。我国政府也高度重视硅产业的发展，先后采取各种措施鼓励、扶持硅材料产业规划与建设。
涉及硅原料和硅产品的国际和各国标准达到8000余项，我国相关标准则不足100项，远远落后于发达国家水平，也不能满足自身快速发展的需要。因此，站在国家战略高度，立足国际、国内硅产业发展态势和市场需求，研究我国硅材料产业及其标准化战略，制定并实施适合我国国情的硅材料标准体系及标准，对提升我国硅产业的国际竞争力具有十分重要的现实意义。
2、国内外硅材料产业调研与分析
2.1工业硅
工业硅及深加工产业是目前国际上的硅产业发展的核心，主要集中在晶体硅材料（单晶硅、多晶硅、硅外延片）和有机硅材料以及石英晶体元器件等方面的生产和研究。
（1）多晶硅
多晶硅材料生产在产业链中处于高端，市场需求旺盛，产品供不应求。主要用于半导体芯片及太阳能
电池芯片、金属陶瓷、宇宙航行、光导纤维通信以及硅有机化合物。生产技术掌握在日本Tokuyama、三菱、住友、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司手中。国际上多种生产工艺路线并存，产业化技术相互封锁和垄断。主要有改良西门子法、硅烷法和流化床法，其中西门子改良法约占世界总产能的80%。短期内技术垄断的局面不会改变，但研发活跃，涌现出冶金法、熔融析出法等新工艺技术。
我国多晶硅质量已能满足集成电路用单晶的要求，但多晶硅核心技术三氯氢硅还原法被上述国外企业垄断，核心技术工艺没有完全掌握，尚不能完全满足高阻区熔硅要求。与国际先进水平相比，生产成本明显偏高（见表1-1），市场竞争力不强。我国60%以上的的多晶硅材料仍需进口。
（2）单晶硅
单晶硅是电子信息材料中最具基础性的半导体类材料。广泛用于国民经济和国防科技中各个领域，如太阳能电能转化、电视、电脑、冰箱、电话、手机、汽车及航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等。
随着集成电路的迅猛发展，对单晶硅的直径要求越来越大，关键设备—单晶炉也不断向大型化发展。单晶硅拉制技术和工艺是世界上晶体硅工业发展的关键。我国依托日本合资企业，已能够稳定生产200mm集成电路级和212mm（8.5英寸）的太阳能光伏电池级的硅单晶，产量占世界21%。但尚不能生产最先进的300mm（12英寸）的硅单晶。
（3）有机硅
有机硅是指含si-c键的有机硅化合物，主要分为单体、中间体和下游产品。单体主要指甲基、苯基、乙烯基氯硅烷等原料。中间体主要指线状或环状体的硅氧烷低聚物，如六甲基二硅氧烷（MM）、八甲基环四硅氧烷（D4）、二甲基环硅氧烷混合物（DMC）等。下游产品则是指中间体通过聚合反应，并添加无机填料或改性助剂制得，主要有硅橡胶、硅油及二次加工品、硅树脂及硅烷偶联剂四大类。
作为新型高科技材料，有机硅应用于航空、军事、建筑、电子电气、纺织、汽车、机械、皮革造纸、化工轻工、金属和油漆、医药医疗等各个领域，被誉为“工业味精”。
美国道康宁等5大有机硅公司占据了全球96%的市场。目前市场发展的动力最主要在亚洲，我国市场规模占亚洲的近一半。中国蓝星集团通过海外并购成为全球第四大有机硅企业。但我国单体生产技术落后，同时存在品种少、水平低、质量差，产量低的状况。有机硅下游产品有5000多种，我国仅500多种；实际产量仅占国内需求的20%；产品结构上，硅油、硅树脂在加工助剂等市场的应用有待发掘。
2.2半导体硅
半导体硅材料包括多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅等。在集成电路（IC）、硅光电池、传感器、射线探测器、整流器等各类电子元件中占有极为重要的地位，是“微电子”和“现代化电子”的代名词。目前，半导体硅和硅基材料向大直径化、新加工处理工艺以及深亚微米乃至纳米集成电路发展方向发展。
半导体产业是世界经济升级的心脏，Intel、IBM、太阳微、德州仪器等执半导体牛耳，走到了世界技术发展的最前沿。日、德控制的硅片公司占世界硅片销量的90%以上。其中信越（Shin—Etsu）、瓦克（Wacker）、住友（Sumitomo）等四家的销售额占世界硅片销售额的近70%。
我国半导体产业已形成了设计、芯片制造及封装并举的全面发展格局。在全球半导体产业中所占份额由1.2%提高到3.7%，发展势头迅猛。但在半导体硅晶体材料方面，我国高纯度多晶硅、SOI材料（绝缘体用硅）、某些化合物半导体材料等与世界水平仍有一定差距。
2.3光伏硅
随着世界各国特别是欧美发达国家清洁能源政策的实施，光伏市场年均增长速度超过30%，仅2000-2010年，世界光伏电池产量增长了17倍，至今仍在快速增长。
光伏产业链上游是Hemlock、Wacker、Tokuyama、REC、MEMC、Misubishi 和Sumitomo等7家多晶硅厂商，产量占到全球总产量的95%以上，垄断全球多晶硅供应；中游是22家硅片（Wafer）厂商，包括RWE Schott Solar、Sharp、Q-cells、BP Solar、DeutscheSolar、Kyocera等，技术难度仅次于多晶硅；其次是太阳能电池（Cell）制造，全球有40余家；下游则是组件生产，全球数量超过200家，技术含量相对较低，属于劳动力密集型产业。
我国已成为世界第一光伏出口大国。近年来，我国部分企业已基本掌握了多晶硅材料的生产工艺，已满足我国50%光伏产品生产需要。光伏生产设备的国产化能力也迅速提高。但装备技术和高纯多晶硅和高端硅产品原材料技术尚未真正掌握，成为当前我国太阳能光伏产业和微电子产业发展的共同瓶颈。表现在现实层面就是我国光伏出口的主要形式是电池组件等下游产品，高附加值的技术出口较少。
然而，国际多晶硅大公司的技术先进性又是很有限度的，其落后点、薄弱点是为我所知的，并可成为我们破解他们技术垄断的切入点和突破点。
2.4人造石英晶体（石英晶体元器件）
人造石英晶体是重要的电子功能材料，信息领域中的重点基础材料之一。随着手机、笔记本电脑、数码相机、汽车及网络等应用产品市场的飞速发展，石英晶体元器件的市场需求日益增长，其中SMD晶体元器件成为主流产品。
日本在石英晶体元器件占有很大优势。其主要晶体厂商基本将其成熟产品迁到我国生产，使我国成为世界上主要的晶体生产国之一，压电晶体产业有了较大的发展。但我国工艺装备相当于国外20世纪80-90年代水平；国内对压电水晶的缺陷控制仍处于宏观控制阶段（国外已进入微观阶段）；国外压电水晶产品以直径76mm-100mm为主，而国内以50mm为主，不能满足信息产品需求。在技术水平、硬件基础、品种系列、资金投入等方面均有待提高。
人工晶体材料将进入分子剪裁与设计阶段，可以对压电性能定量计算，对材料功能基因裁减设计。石英元器件朝轻薄短小、高频、网路化等方向发展。随着我国移动通讯巨大市场的形成和手机国产化步伐的加快，我国对石英晶体产生的SAW（声表面波）器件和SMD（声体波）器件的需求迅速增长，市场前景良好，我国在新产业面前面临机遇和挑战。
2.5石英玻璃
石英玻璃是属于新材料的工业技术玻璃。广泛用于光源、电子、光通讯、仪表、激光、航天、核技术和国防等领域。
石英玻璃生产集中在美、德、法、日、英等国几家跨国公司手中。我国石英玻璃行业历经1989-2000年的引进国外先进技术、技术创新、增加品种和产量的大发展时期，石英玻璃器材的加工技术已达到世界先进水平。目前，国内石英玻璃原料及产品制造应用领域正向半导体和光通讯行业集中，半导体技术和光通讯技术用石英玻璃生产技术提高很快。如立式扩散用石英仪器、大口径石英玻璃管、不透明石英玻璃管等已达国际水平，并大量出口。电光源和家电用的石英玻璃在产量上，已在世界上占主导地位。
但也存在亟待解决的问题：石英原料提纯技术水平较低，产品纯度比国外差，Fe、K、Na等元素含量比国外高几倍，相应产品的羟基含量比国外高出5-6倍；高精度石英光纤玻璃管、大规格石英扩散管、硅片匣、石英钟罩、托盘等高新技术产品，但国内石英玻璃制品尚不能满足。
2.6新型电光源
作为硅材料产业链的延伸，将电光源用石英玻璃与电光源工业相结合起来是个非常好的发展思路。照明产品是国民经济发展和人民生活的必需品，我国基础设施建设、城市亮化工程、工商企业、日常生活等对照明产品的数量和质量的需求都日益增长，尤其是对环保节能高效型的新型电光源需求旺盛，市场前景广阔。
电光源产品历经白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯三代。目前，以半导体发光为光源（LED）的第四代新型电光源时代已经到来，其特点是节能和环保。如：石英玻璃汽车HID灯亮度是卤素灯的3倍、功耗仅为50%、寿命则是十倍。以高档投影灯、液晶监视器冷阴极灯管、汽车用HID灯、LED照明为代表。
国际上新型电光源翘楚为飞利浦（荷），爱普生（日）、优志旺（日），欧司朗（德）、奇异（美）等公司。我国电光源行业依托优质石英资源和较好的石英玻璃管加工能力已形成优势产业集群，能够生产新型汽车灯、节能环保灯、金属卤化物灯、背投电视用放电灯、气体放电灯等30多个系列几百种产品，产品在远销欧美、日韩、东南亚，销售前景良好，发展潜力巨大。但存在种类多但缺乏国际知名品牌，新型电光源产品品种较少的问题。
2.7硅微粉
硅微粉由天然石英或熔融石英经破碎、球磨（或振动、气流磨）、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等工艺加工而成。分为普通、电工级、电子级、熔融石英、超细、纳米等不同类型。
其应用领域由电路封装、塑料、涂料、橡胶、颜料、陶瓷、胶粘剂、玻璃钢、化妆品等已拓展到高分子复合材料、特种陶瓷、航空、航天、精细化工、抗菌材料、药物载体、大面积电子基板等高新技术领域，享有“材料科学的原点”、“工业味精”之美誉，发展前景十分广阔。
当前，只有美、德、日、俄、加、中等少数国家具备硅微粉生产能力。美国处于领先水平，以通用、尤尼明公司为代表。我国石英储量丰富，但高纯、超高纯、超细硅微粉仍处于起步阶段。长期以来，我国高新技术中使用的高纯超细熔融球形硅微粉全部从美、日进口。国外对球形硅微粉生产技术和专用装备严加封锁，直接威胁着我国信息产业的自主发展与国家信息安全保障。
碳化硅微粉用于冶金、磨料、磨具、耐火材料等，在机械、电子、建材等行业需求量很大，我国尚无碳化硅标准。
碳化硅晶体作为信息功能材料与器件，是第三代（高温宽带隙）半导体材料的代表，极有可能触发新的信息技术革命。在半导体器件的应用方面，碳化硅打破了硅芯片材料本身性能的瓶颈，有可能取代硅作芯片，给电子业带来革命性变革。目前主要应用领域有LED固体照明和高频率器件。美国Cree公司的碳化硅晶片产量为30万片，占世界85%，是全球碳化硅晶片行业的先行者。我国已着手利用自身在硅资源和加工技术方面的优势，破解国外碳化硅生产企业对中国实行的禁运，培育碳化硅晶体产业。考虑密切关注其进展，择机进行标准化介入。
3、标准体系研究与标准制订
3.1标准体系建立及标准制定的原则和办法
我国硅产业起步晚，整体水平距世界先进水平仍有差距。主要表现在：产品链不全，各产品系列均存在不同的空白区域，特别是高技术产品地带；尖端高技术产品线较为单薄，不少关键性产品的生产技术和装备成为发展瓶颈。但发展速度快，主要表现在：产品线全面，特别是中低端产品有相当一部分占据主导地位；引进、吸收国外资本、技术及产业化推广速度快，在部分高端领域居先进地位，发展潜力巨大。基于此，我国电子级硅材料标准体系的建立、标准的制定、标准化的实施原则应是：建立硅材料产业标准整体构架，实现产品全面覆盖；实施不对称发展战略，实现高端领域的重点突破；以点带面，实现产业升级。其具体实施办法是：
（1）建立多晶硅、单晶硅、半导体硅、有机硅、人造压电水晶、石英玻璃制品、硅微粉、新型电光源等产品系列的全面标准体系框架；
（2）对技术成熟、质量稳定，市场占有率高的的硅材料产品，制定国家或行业标准，积极争取国际标准制定主导权。
（3）对我国拥有自主知识产权的高技术材料产品，推行专利标准化战略，争取制定国际标准。
（4）标准化范围不限于产品，对装备、工艺等均考虑其标准化需求。
（5）对属于新增产品类别的新产品、新产业，鼓励先行制定标准联盟统一产品标准，待时机成熟，及时制定国家或行业标准。（待续）
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