项目名称：新型高性能半导体纳米线电子器件和量
子器件
首席科学家：徐洪起北京大学
起止年限：2012.1至2016.8
依托部门：教育部中国科学院
一、关键科学问题及研究内容
国际半导体技术路线图（ITRS）中明确指出研制可控生长半导体纳米线及其高性能器件是当代半导体工业及其在纳米CMOS和后CMOS时代的一个具有挑战性的科学任务。本项目将针对这一科学挑战着力解决如下关键科学问题：（1）与当代CMOS工艺兼容、用于新型高性能可集成的纳电子器件的半导体纳米线阵列的生长机制和可控制备；（2）可集成的超高速半导体纳米线电子器件的工作原理、结构设计及器件中的表面和界面的调控；（3）新型高性能半导体纳米线量子电子器件的工作模式、功能设计和模拟、载流子的基本运动规律。
根据这些关键科学问题，本项目包括如下主要研究内容：
(一)新型半导体纳米线及其阵列的可控生长和结构性能表征
在本项目中我们将采用可控生长的方法来生长制备高品质的InAs、InSb 和GaSb纳米线及其异质结纳米线和这些纳米线的阵列。
生长纳米线的一个重要环节是选取衬底，我们将研究在InAs衬底上生长高品质的InAs纳米线，特别是要研究在大晶格失配的Si衬底上生长InAs纳米线的技术。采用Si衬底将大大降低生长成本并为与当代CMOS工艺的兼容、集成创造条件。关于InSb和GaSb纳米线的制备，人们还没有找到可直接生长高品质InSb和GaSb纳米线的衬底。我们将研究以InAs纳米线为InSb和GaSb纳米线生长凝结核的两阶段和多阶段换源生长工艺，探索建立生长高品质InSb和GaSb纳米线及其InAs、InSb和GaSb异质结纳米线的工艺技术。本项目推荐首席徐洪起教授领导的小组采用MOCVD 技术已初步证明这种技术路线可行。我们将进一步发展、优化InSb和GaSb纳米线的MOCVD生长工艺技术，并努力探索出用CVD和MBE生长InSb和GaSb纳米线的生长技术。CVD是一种低成本、灵活性高的纳米线生长技术，可用来探索生长大量、多样的InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结，可为项目前期的纳米器件制作技术的发展提供丰富的
纳米线材料，也可为MOCVD技术路线的发展提供技术参考。MBE生长技术虽然成本高，但可提供高品质的纳米线结构，特别是可提供具有单原子层精度的异质结纳米线结构，是本项目研究高性能纳米线电子器件的工作原理和性能极限不可或缺的材料。实际上以InAs纳米线为凝结核生长出的InSb纳米线和GaSb纳米线结构是一些新型的InAs/InSb、InAs/InSb/GaSb、InAs/GaSb等异质结纳米线结构，是研制新型高性能电子器件的全新纳米材料系统。
我们还将研究纳米线阵列的可控制备技术。
作为器件材料基础的半导体纳米线，其性能是决定器件品质的关键因素之一。优化纳米线的制备工艺、研究其结构和性能的关系对制备高性能纳米线电子器件至关重要。除了传统的结构分析手段，本项目还将利用和发展以电子显微镜为基础的纳米结构的原位表征技术，研究纳米线的结构及其成份分布，利用电子能量损失谱和各种光学测量（如光致发光光谱，X 射线荧光光谱）方法研究纳米线的电子结构，研究纳米线的晶体结构与电子能谱结构之间的关系；通过结合微加工技术和性能测量手段，获得纳米线的制备条件、结构、电学特性的关系，优化可控的纳米线生长工艺，为制备高性能器件提供基础。
（二）立式环栅超高频半导体纳米线器件的研制
本项目将研究采用InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结构制作立式环栅纳米线场效应晶体管和类CMOS器件及其工作原理。立式环栅器件结构不仅可以实现很好的栅控，而且为高密度立体集成以及与CMOS线路兼容的全三维空间集成提供了可能。但是，立式环栅工艺复杂，国际上也只有极少数几个研究组制备成功了。另一方面，要实现高性能器件，还有很多材料、物理和化学方面的科学难题需要解决。例如，由于表面散射等原因，目前实验测得的InAs纳米线的电子迁移率常远远低于理论值3300cm2/Vs。我们将通过本项目集中攻克立式环栅纳米线器件的制作技术难题，制作出纳米线立式环栅器件。针对这个目标,我们将集中力量研究以下内容：
利用电子束曝光或纳米压印技术确定纳米线的生长位臵与用MOCVD或MBE方法制备纳米线阵列的工艺兼容性问题；利用原子层沉积(ALD)技术生长的高K介质层的介电性质、缺陷特性及其对整个器件性能的影响；高K介质与纳米线的界面性质对器件性能的影响，界面性质改善的机理和实现方法；源、漏电极与纳米线接触的可控制备、性质和对器件性能的影响规律；源、漏、栅电极结构的设计，如材料种类、面积、形状、上下排列间距和重叠方式等，引起的各种寄生电容、串并联电阻等对器件性能的影响；立式环栅纳米线器件的制备中涉及到的多次定位、光刻、刻蚀和镀膜等十余步工艺的兼容性、精确对准、重复性和可靠性也是本项目需要解决的技术难题。
（三）新型半导体纳米线量子电子器件的研制
我们还将采用InAs、InSb和GaSb纳米线以及它们的异质结纳米线结构探索研制一些基于量子原理的新型高性能半导体纳米线电子器件。我们将着重研究亚阈值摆幅能突破硅基CMOS极限的纳米线量子隧穿场效应晶体管和超低功耗超导电流场效应晶体管及其它相关量子电子器件。我们将在本项目的先期阶段以研究单一的纳米线量子电子器件为主，后期将研究采用立式环栅技术制作可进行后期集成的新型量子器件。下面是我们将研制的几种新型半导体纳米线量子电子器件。
（1）半导体纳米线量子隧穿二极管。自组织生长的InAs纳米线是本征n 型半导体，而GaSb是本征p型半导体，因此InAs/GaSb异质结纳米线将是一种自组织生长得到无需掺杂的高质量p-n结纳米线结构。在本项目中，我们将采用InAs和GaSb异质结纳米线这种优越而独特的结构来制作不需掺杂的高性能量子隧穿二极管器件，克服传统p-n结中掺杂界面难以控制的困难。我们将通过生长条件不断优化，大幅提高InAs/GaSb 纳米线量子隧穿二极管的峰值电流和峰值与谷值电流的比值，使所制作的器件在射频区域性能优异，从而可作为基本元件集成到振荡信号电路中。
（2）半导体纳米线量子隧穿场效应晶体管（T-FET）。我们将在本项目中采用半导体异质结纳米线提供的优良结构特点和电学性能来设计制作半导体纳米线T-FET。我们将采用InAs/GaSb异质结纳米线来制作基本的量子隧穿二极管，然后再在p-n结周围采用环栅或侧栅技术来实现场效应的操作。T-FET既能实现负微分电阻，又能对器件的峰值电流和阈值电压进行有效调控，使器件的功能优异而又多元化。
（3）双栅p-n结量子隧穿二极管。在InAs或InSb纳米线上并排制作出分立的两个栅极，并通过栅控使一段纳米线是n型导电而另一段是p型导电，从而在它的中间形成一个p-n结。这是另一个完全不需要通过掺杂实现的p-n结二极管。
我们还可以通过调节栅控的位臵和施加的栅压以及源漏偏压来控制p-n结的厚度，并通过这种控制制作出量子隧穿结二极管。通过调节栅压可以调节峰值电流及峰值与峰谷电流的比值等表征量子隧穿结负微分电阻I-V特性的参数。不需要掺杂的特点必将使器件的性能极其优越，从而满足高频电路对于高性能振荡元件的需要。
（4）超导电流场效应晶体管（S-FET）。InAs，InSb和GaSb纳米线材料的另外一个突出优点是极易与不同材料结合制成高性能复合电子与光电子器件。我们将探索用超导材料做接触电极，从而制成超导电流场效应晶体管。这种器件采用超导体临近效应原理，使纳米线在与超导体结合时呈现超导特性。因此，电流流过纳米线时无压降，但电流强度可用栅控调制。这是一种极低能耗的场效应晶体管，可实现超大规模集成，在一些特殊、关键领域有重要应用前景。
（四）半导体纳米线的结构及其器件设计和理论分析。
半导体InAs、InSb和GaSb纳米线及其异质结构是近几年来迅猛发展起来的结构新颖、性能优异的纳米材料。在基于新结构、新原理的高性能纳电子器件
中有广阔的应用前景。但是目前人们对这些纳米线的晶格结构、能带结构、电学性质，以及器件的性能和工作原理等方面的理解仍然十分粗浅，在器件的设计、性能的优化、模型的建立以及器件的集成等方面的理论工作仍然十分缺乏。本项目将与实验相结合通过理论分析与数值计算，努力揭示这些纳米线的基本物理特性和器件的工作原理和性能，为新型高性能半导体纳米线的电子器件的设计、制作、测量等奠定厚实的理论基础。具体将通过对InAs、InSb和GaSb纳米线及其异质结的晶格结构分析和相关理论计算来确定这些纳米材料的能谱结构，特别是wurtzite结构的纳米线的能谱结构和异质结构的能谱结构，并研究新型量子器件的性能及工作原理。将通过严格的理论分析与计算揭示载流子在材料和器件中的输运过程和散射机制。另一方面，通过建立器件模型和等效电路等探索研究器件的性能特点和集成性。并利用器件模型指导器件的设计、评估器件的性能、提取器件的工作参数等，为器件的集成和性能的充分优化提供理论依据。
二、预期目标
总体目标：
本项目针对未来信息技术及相关产业和国防高技术产业对新一代高性能电子器件的明确需求，围绕国际半导体技术路线图提出的未来半导体技术发展所面临的关键科学问题，从新材料、新结构、新器件原理和模型等基础层面进行创新研究。我们的总体目标是发展新型可集成的超高速半导体纳米线电子器件和一系列新型高性能半导体纳米线量子电子器件，使我国在先进半导体纳米器件领域拥有关键核心技术和自主知识产权，为我国高端电子和信息产业的可持续发展奠定技术基础并培养高水平人才，增强我国在高科技领域的原创能力和国际竞争力。
五年预期目标：
本项目的五年预期目标主要是解决与当代CMOS工艺兼容的、可集成的、超高速、新型高性能半导体纳米线器件的关键科学问题和技术问题，开发具有自主知识产权的核心技术。具体包括：
（1）在与当代CMOS工艺兼容的硅衬底上定位生长出高品质的InAs、InSb 和GaSb纳米线及其异质结构。制备出垂直生长的纳米线阵列。认识纳米
线的生长机制，掌握相关制备技术。
（2）掌握环栅半导体纳米线器件的制作技术，认识超高速纳米器件的工作原理和性能影响机制，制作出截止频率在THz的立式环栅半导体纳米线场
效应晶体管等高性能、可集成的半导体纳米线器件。
（3）研制出亚阈值摆幅小于硅CMOS理论极限（60 mV/decade）的隧穿场效应晶体管和超低功耗的超导电流场效应晶体管。认识相关的器件工作原
理和物理机制。
（4）建立高性能半导体纳米线器件模型和模拟软件，建立半导体纳米线及其异质结构的晶格结构和能谱结构的计算方法和程序，认识纳米线结构中
的载流子散射机制和量子输运过程、器件工作原理，提供器件的极限工
作性能参数和器件性能优化方案。
（5）拥有一批具有自主知识产权、与半导体纳米线材料和器件相关的发明专利和核心技术。项目执行期间发表100篇以上国际高水平论文，其中包
括影响因子大于6的论文约20篇，申请20个以上发明专利。
（6）培养出一批创新能力强的纳米器件领域的优秀科研人才。项目执行期间将年轻学者培养成为能够独挡一面的学科带头人（其中包括1-2名国家
杰出青年基金获得者）。
三、研究方案
（一）学术思路
本项目将紧紧抓住InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结的独特结构特点和优异电学性质优势，研制出未来纳米CMOS时代和后CMOS时代的高性能半导体纳米线电子器件和量子器件。本项目的具体学术思路包括：（1）利用InSb 和InAs的高n-型迁移率特性，采用新型立式环栅技术制备出截止频率进入THz 的超高速半导体纳米线场效应器件；（2）通过可控生长将高n-型迁移率的InAs 纳米线与高p-型迁移率的GaSb纳米线材料相结合，采用双栅技术制作出无需专门掺杂的超高速类CMOS器件；（3）利用可控生长的高品质、无位错的InSb、InAs和GaSb纳米线组成的异质结构，研制新型高负微分电阻纳米线隧穿二极管器件和亚阈值摆幅突破CMOS理论极限（即小于60mV/decade）的隧穿场效应晶体管；（4）利用InSb纳米线的窄带隙和高迁移率特性，采用双栅技术研制超高速可调控p-n结器件和隧穿电子器件；（5）利用InSb和InAs纳米线极易与超导电极相结合的技术优势，研制出超导电流可调控的极低能耗的超导电流场效应晶体管。
（二）技术途径
本项目涵盖了纳米材料的可控生长与表征、纳米器件的制作与测量以及纳米结构与器件的理论、建模与数值模拟三大基本研究任务（见图5.1）。这三大基本研究任务相互依托、相互支持，围绕着制作新型InSb、InAs和GaSb半导体纳米线电子器件和量子器件这一核心研究目标，构成本项目的总体研究内容与方案。
图5.1：围绕着本项目核心研究目标的三大基本研究任务及其相互关系
本项目的具体技术途径简述如下：
（1）在InSb、InAs和GaSb纳米线材料的可控生长和表征研究中，我们将采用电子束曝光和纳米压印等纳米加工技术在衬底上定点、定位制备出形状尺寸可控的作为纳米线生长凝结核的金属纳米颗粒阵列。然后采用MOCVD、MBE 和CVD等淀积外延技术生长InAs纳米线，并采用两阶段和多阶段换源工艺生长InSb和GaSb纳米线以及由InSb、InAs和GaSb纳米线组成的各种异质结构。将着重研究在大晶格失配条件下Si衬底上纳米线的生长工艺及其生长机制。将采用当代先进的分析仪器（包括XRD、SEM、EDX、HETEM、STEM、PPMS、PL、PLE、拉曼光谱等）对生长的纳米线及其异质结构的结构和性能进行测量、表征，并将研究结果用来指导生长工艺的优化。
（2）将在生长有纳米线的衬底上采用原子层淀积、定位曝光、刻蚀、镀膜等纳米加工技术制作纳米线立式环栅器件。通过对器件性能进行精细的低频和射频电学测量和分析不断优化器件的结构设计，提高器件的性能，并为器件极限性能的评估提供翔实的实验数据。将先在Si/SiO2衬底上制作量子器件，通过精细的电学测量研究新型纳米线量子器件的工作原理及材料结构和器件结构的优化方案。在方案成熟以后再研究采用立式环栅工艺设计制作量子器件，从而为建立纳米线量子器件的可集成工艺提供一个全新的技术路线。
（3）理论分析、建模和数值模拟方面主要将针对InSb、InAs和GaSb纳米线及其新型异质结构的晶格和能谱结构，以及基于这些纳米线结构制作的超高速环栅电子器件和新型量子电子器件，通过采用第一性原理、紧束缚近似理论、k.p 理论、非平衡格林函数方法、散射矩阵方法、Boltzmann输运方程以及分子动力学等理论方法进行理论分析、模型模拟和数值计算，建立适用的物理与器件模型、提供新型器件的设计方案，揭示器件的工作机理和基本功能、提取器件参数、评估器件的性能并提出改进途径。
总之，在本项目执行的过程中，各团队间围绕制作基于InSb、InAs和GaSb 纳米线超高速环栅电子器件和新型高性能量子电子器件这一中心目标充分发挥各自的优势，相互依托、相互支持，协作攻关，为完成本项目的三大基本任务而形成一个有机的研究群体。
（三）创新点与特色
本项目的创新点与特色可概括如下：
（1）InSb和GaSb分别是n-型和p-型迁移率最高的半导体材料，本项目将制备基于这些纳米线、其截止频率在THz的场效应器件，有望突破当代CMOS 的速度瓶颈，这是目前国际上都还没有实现的。
（2）立式环栅器件使纳米线器件在工艺上真正具有三维可集成性。本项目将使我国首次实现基于窄带隙半导体纳米线的立式环栅器件。
（3）采用InSb/GaSb、InAs/GaSb异质结和双栅技术制成的纳米线器件，将是国际上第一个采用高迁移率材料而又无需专门掺杂就能实现的类CMOS半导体纳米线器件，必将为纳米CMOS时代和后CMOS时代的器件的集成开拓出新的技术路线。
（4）利用只有通过纳米线结构才能可控生长实现的高品质InSb、InAs和GaSb纳米线异质结构，研制出亚阈值摆幅将突破CMOS理论极限（即小于
60mV/decade）的新型隧穿场效应晶体管。
（5）利用InSb和InAs纳米线极易与超导电极相结合的特性，通过器件设计研制出超导电流可调控的极低能耗的超导场效应晶体管，将为研制有特殊用途的“零功耗”器件提供一个新的设计思路。
总之，InSb、InAs和GaSb纳米线是三种性能独特，优势突出且极具应用前景的纳米材料。若我国能对在这一领域的研究进行重点支持，必将使我国在未来高性能纳米电子与量子器件这一高科技和国防工业战略领域的争夺战中取得有利地位。
（四）可行性分析
虽然目前国际上和国内许多研究机构都在研制基于半导体纳米线的纳米器件，但是只有极少数的研究组能够研制出高品质InSb、InAs和GaSb这些窄带隙和近窄带隙半导体纳米线的纳米器件。本项目的有利条件之一是在InSb纳米线这一电学特性极佳的纳米线器件的研制领域，推荐首席徐洪起教授领导的研究组和合作者已经掌握了可控生长高品质纳米线材料及其电子和量子器件的制作技术。本项目将集中我国在材料生长、纳米器件和理论研究方面的优势力量，重点攻克关键科学和技术问题，制作出的InSb纳米线场效应晶体管将能在器件的运行速度上突破当代CMOS的速度瓶颈，从而为发展未来运行速度在THz的超快纳米半导体场效应管器件做出贡献。
平面、层状InSb和GaSb材料的生长技术复杂，目前国际上只有可数的几个实验组采用MBE技术获得过可用于制作器件的层状InSb异质结构。我们采用纳米线结构，由于晶格失配能可在纳米线中获得高效释放，使多种高品质、无位错的InSb、InAs和GaSb纳米线异质结的生长成为可能，从而使制作新型超高速类CMOS电子器件和低亚阈值摆幅的隧穿场效应器件等多种高性能电子和量子器件成为可能。
总之，虽然本项目的研究内容和技术路线的实现具有极大的挑战性，但是本项目的研究内容和目标是紧紧结合InSb、InAs和GaSb纳米线的结构特点和性能优势而部署的，本项目的研究目标中不存在不可逾越的障碍。本项目成员在相关研究领域有多年的经验，本项目的各依托单位也具有开展本项目研究的设备条件。因此，我们有信心完成在本项目中提出的各项研究内容和计划，实现我们的目标，为我国未来半导体纳米线器件的发展做出重大贡献。
四、年度计划
纳米光电子技术的发展及应用 摘要:纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物,由纳米技术而产生一些先进交叉学科技术，本文主要讲述的纳米光电子技术就是纳米技术与光电技术的结合的一个实例，随着纳米技术的不断成熟和光电子技术的不断发展，两者的结合而产生的纳米光电子器件也在不断的发展,其应用也在不断扩大。 关键词：纳米技术纳米光电子技术纳米光电子器件应用 一、前言 纳米材料与技术是20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性，交叉性的学科领域，为21世纪三大高新科技之一。而如今，纳米技术给各行各业带来了崭新的活力甚至变革性的发展，该性能的纳米产品也已经走进我们的日常生活，成为公众视线中的焦点。[2 纳米技术的概念由已故美国著名物理学家理查德。费因曼提出，而不同领域对纳米技术的看法大相径庭，就目前发展现状而言大体分为三种：第一种，是美国科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术。而根据这一概念，可以制造出任何种类的分子结构；第二种概念把纳
米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米技术精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术；第三种概念是从生物角度出发而提出的，而在生物细胞和生物膜内就存在纳米级的结构 二、纳米技术及其发展史 1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。其中纳米技术主要为以下四个方面 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等. 3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分
项目名称：高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其 在磁性电子器件中的应用 首席科学家：薛德胜兰州大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容 本项目根据电子信息技术中对GHz频段的高性能、微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件用高频磁性纳米材料的迫切要求，通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，突破Snoek理论极限的制约，探索提高磁性纳米材料高频性质的新机制，突破传统微波磁性材料不能同时保持高共振频率和高磁导率的瓶颈，获得1-5 GHz波段内高磁导率的高频磁性纳米材料；并针对高频磁性纳米材料在1-5 GHz电子信息传输和近场抗电磁干扰技术中的具体应用，探索保持优良高频磁性基础上的电磁匹配机制，突破电磁波的连续介质理论，设计并实现具有良好电磁匹配的可工作在1-5 GHz的微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件。 针对GHz频率下，同时提高磁性纳米材料的共振频率和磁导率，以及获得优异性能的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件，拟解决的关键科学问题包括： ●自然共振机制下，同时提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及双 各向异性控制下大幅度调控高频磁性的机制及磁化强度的动力学过程。 ●非自然共振机制下，提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及有效 各向异性和体积共同作用下的超顺磁阻塞共振频率对高频磁性的影响机制。 ●描述磁性纳米材料电磁性质的有效理论，以及核/壳结构的形态、相构成和 各相的体积分数对新型磁性/介电纳米材料的高频电磁耦合机制和匹配关系的宽范围调控机制。 ●分离介质对电磁波传输特性的影响机制，以及高性能薄膜电感和抗电磁干扰 器件的设计理论和器件研制。 主要研究内容包括： ●以高饱和磁化强度M s的铁基和钴基铁磁金属及合金为基础，制备磁性纳米 薄膜、颗粒膜及多层膜。通过溅射时外加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎、衬底修饰等手段，在样品平面内产生单轴或单向磁各向异性。通过薄膜的微结构优化，降低矫顽力H c，提高磁导率 ；改变面内各向异性，探索大范围调控磁性纳米薄膜高频磁性的规律。 ●制备线度比（aspect ratio）大的片状软磁纳米颗粒，调整静态磁矩分布在薄 片平面内，利用形状调控垂直片状纳米颗粒平面的各向异性场，用磁场热处理、应力、取向等方式在片状纳米颗粒平面内产生和调节各向异性场。研究这两个各向异性场的比值与材料高频磁性的关系。寻找大幅度提高双各向异性片状磁性纳米颗粒的规律，探索提高高频磁性的新机制。 ●采用高温热解或还原的方法制备单分散、表面活性剂分子包覆的不同形状的
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/56536972.html, 量子点的制备及应用进展 作者：于潇张雪萍王才富倪柳松等 来源：《科技视界》2013年第29期 【摘要】本文分别从量子点的概念、特性、制备方法、表面修饰等方面对量子点进行了 描述及讨论，在此基础上，对量子点在生物传感器方面的应用进行了，最后分析了量子点生物传感器的存在的问题，对其未来发展趋势进行了展望。 【关键词】量子点；光学；生物传感器 量子点主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的均一或核壳结构纳米颗粒，又称半导体纳米晶体。由于发生结构和性质发生宏观到微观的转变，其拥有独特的光、电、声、磁、催化效应，因此成为一类比较特殊的纳米材料。国内外关于量子点传感器的研究非常广泛，例如在生命科学领域，可以用于基于荧光共振能量转移原理的荧光探针检测，可以用于荧光成像，生物芯片等；在半导体器件领域，量子点可以用于激光器，发光二极管、LED等。本文对量子点 的制备方法和应用领域及前景进行了初步讨论。 1 量子点的基本特性及其制备方法 1.1 量子点的特性及优势 量子点的基本特性有：量子尺寸效应、表面效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应，除此之外，量子点具有一些独特的光学效应，这使得量子点较传统的荧光染料用来标记生物探针具有以下优势： （1）量子点具有宽的激发光谱范围，可以用波长短于发射光的光激发，产生窄而对称的发射光谱，避免了相邻探测通道之间的干扰。 （2）量子点可以“调色”，即通过调节同一组分粒径的大小或改变量子点的组成，使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。尺寸越小，发射光的波长越小。 （3）量子点的稳定性好，抗漂白能力强，荧光强度强，具有较高的发光效率。半导体量子点的表面上包覆一层其他的无机材料，可以对核心进行保护和提高发光效率，从而进一步提高光稳定性。正是由于量子点具有以上特性使其在生物识别及检测中具有潜在的应用前景，有望成为一类新型的生化探针和传感器的能量供体，因此备受关注。 1.2 量子点的制备方法 根据原料的不同分为无机合成路线和金属-有机物合成路线，两种合成方法各有利弊。
半导体器件试题库 常用单位： 在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 （一）名词解释题 杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用，通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度， 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。 晶向： 晶面： （二）填空题 1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为 杂质和 杂质两种。 3．点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4．线缺陷，也称位错，包括 、 两种。 5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向 弯曲，获得空穴时，能带 向 弯曲。 6．能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质；能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。
9．在Si-SiO 2系统中，存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向 移动；对于P 型半 导体，当温度升高时，费米能级向 移动。 （三）简答题 1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？ 2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用？ 3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？ 4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？ （四）问答题 1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？ 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？ （五）计算题 1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶面（100）、（110）的面间距和原子面密度。 2．掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ，已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ，而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3，由此计算： （a ）该样品的离化杂质浓度是多少？ （b ）该样品的少子浓度是多少？ （c ）未离化杂质浓度是多少？ （d ）施主杂质浓度是多少？ 3．室温下的Si ，实验测得430 4.510 cm n -=?，153510 cm D N -=?， （a ）该半导体是N 型还是P 型的？ （b ）分别求出其多子浓度和少子浓度。 （c ）样品的电导率是多少？ （d ）计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4．室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?，1931.110 cm v N -=?，0.026 eV B k T =，禁带 宽度 1.12 eV g E =，如果忽略禁带宽度随温度的变化
纳米电子学与纳米电子器件 引言 电子器件是20世纪的伟大发明之一。它的诞生给人类社会带来了巨大的影响。电子器件的发展过程大致可分为三个阶段：即真空电子管、固体晶体管和正在悄然兴起的单电子管。1947年，固体晶体管的发明标志着固体电子学的开始，真空电子学的终结。半个多世纪以来，以集成电路为主要标志的微电子技术和后来的超晶格及其低维量子结构的研究使得电子科学技术发展到了一个前所未有的高度，而且这种发展趋势愈演愈烈。进入21世纪，以纳米量子器件为主攻方向的纳米电子学崭新时代已经来临！ 1纳米电子学及其发展路线 1.1纳米电子学基本概念 作为微电子学的下一代，纳米电子学是指在1nm-100 nm的纳米结构(量子点)内探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律，研究单个原子、分子人工组装和自组装技术，研究在量子点内单个量子或量子波所表现出来的特征和功能，用于信息的产生、传递和交换的器件，电路与系统及其在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学、纳米机械学等应用的学科，也称为量子功能电子学。它的最大特点是把半导体电子学、超导电子学、原子电子学、分子电子学等融为一体，而且高温铜氧化物超导体有可能和半导体硅、化合物半导体、生物膜等一样成为重要的纳米量子材料。 纳米电子学可分为两大类，一为单量子电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的粒子性；二为量子波电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的波动性。按照Moore定律，以硅材料为主的微电子技术到2011年最小尺寸为0.08微米，达到了微电子器件的物理极限，此后将是纳电子学时代。当进入纳电子时代后，在微电子学中适合的Moore定律将不再适应纳电子学。在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特征。纳米电子学就是讨论这些特性的规律和 利用其规律制成功能器件的学科。 1.2纳米电子学发展路线 一般认为纳米电子的由来与发展有两条路径：一条是以Si和GaAs为主的无机材料的固态电子器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径；另一条则是基于化学有机高分子和生物学材料自组装功能器件尺度逐渐变大的自下而上的发展过程，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件。 1.2.1自上而下的发展路线 纳米科技的提出和发展有着其社会发展强烈需求的背景。首先，来自微电子产业。1965年，英特尔公司的创始人Moore科学而及时地总结了晶体管集成电路的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。过去20多年的实践证明了它的正确性，MOS集成电路一直严格遵循这一定律，从最初每个芯片上仅有64个晶体管的小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。预计到2014年，器件特征尺寸为35 nm
科研训练报告 题目：半导体量子结构的生长方式学生姓名： 学院：理学院 班级： 指导教师： 2012年09 月12 日
一、国内外研究进展及研究意义 1.1 国内外研究现状和发展动态 半导体量子结构的生产方式有三种，包括量子点、量子线，量子点三种方式，量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。美国科学家首度利用光将胶状(colloidal)半导体量子点(quantum dot)磁化，且其生命周期远远超过先前的记录。这个结果除了能激发更多基础研究，对于同时利用自旋与电荷的自旋电子元件(spintronics)领域，也是一项重大的进展。 直到目前，半导体只能在相当低温下呈现磁性，原因是磁化半导体纳米微粒需要靠激子(exciton)之间的磁性交互作用，但此作用的强度在30 K附近就不足以对抗热效应。 最近，华盛顿大学的Daniel Gamelin等人制造出掺杂的纳米微晶，它们的量子局限效应(quantum confinement effect)使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可长达100 ns，比先前的记录200皮秒(picosecond, ps)高出很多。研究人员利用光将激子注入胶状纳米微晶中，产生相当强的光诱发磁化(light-induced magnetization)现象。 华大团队成功的关键在于以磁性锰离子取代镉化硒(CdSe)半导体纳米微晶中的部份镉离子。这些悬浮在胶状溶液中的微晶大小不到10 nm，照光时内部产生的强大磁场可将锰离子的自旋完全排正。Gamelin表示，排正的过程非常快，此效应在低温时非常强，且可维持到室温。这要归功于第一次在研究中被观察到的高温磁激子(excitonic magnetic polaron, EMP)。 上述团队舍弃以传统的分子束磊晶法(MBE)，而改用新的化学方法直接合成磁性半导体量子点。Gamelin解释，由于掺质-载子间的交互作用够强，EMP稳定性因而增强超过100倍，所以才能在300 K下观察到磁化效应。 美国科学家开发出一种新型的电子胶(electronic glue)，能将个别的纳米晶体(nanocrystals)连接在一起。这种电子胶还能用来制作大面积的电子元件和光伏(photovoltaics)元件。 利用旋转或浸泡涂布(dip coating)和喷墨印刷等溶液类制程来制作大面积太阳电池，例如便宜的屋顶太阳能面板，是高成本效益的方法。不过这些技术必须让半导体溶解，以方便做为墨水(ink)使用。半导体纳米微晶是微小的半导体块状物，是制作此类墨水的理想材料。 然而，在纳米微晶表面由庞大、绝缘有机分子组成的表面配位基，会阻隔纳米晶体间的电荷转移，造成印刷阵列内的个别纳米微晶彼此连结不佳，这点大大降低了纳米微晶在太阳电池和其它的元件上的应用。 最近，芝加哥大学的Dmitri Talapin等人开发出一种新的化学材料，能让个别
. 半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能 级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表 示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K 空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
. 对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加 量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子 化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合 ,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用 ,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺 陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生 成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整 的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效 地直接复合发光。
《半导体器件物理》试卷（二）标准答案及评分细则 一、填空（共24分，每空2分） 1、PN结电击穿的产生机构两种； 答案：雪崩击穿、隧道击穿或齐纳击穿。 2、双极型晶体管中重掺杂发射区目的； 答案：发射区重掺杂会导致禁带变窄及俄歇复合，这将影响电流传输，目的为提高发射效率，以获取高的电流增益。 3、晶体管特征频率定义； β时答案：随着工作频率f的上升，晶体管共射极电流放大系数β下降为1 =所对应的频率 f，称作特征频率。 T 4、P沟道耗尽型MOSFET阈值电压符号； 答案：0 V。 > T 5、MOS管饱和区漏极电流不饱和原因； 答案：沟道长度调制效应和漏沟静电反馈效应。 6、BV CEO含义； 答案：基极开路时发射极与集电极之间的击穿电压。 7、MOSFET短沟道效应种类； 答案：短窄沟道效应、迁移率调制效应、漏场感应势垒下降效应。 8、扩散电容与过渡区电容区别。 答案：扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。 二、简述（共20分，每小题5分） 1、内建电场； 答案：P型材料和N型材料接触后形成PN结，由于存在浓度差，N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，而在N区的施主正离子中心固定不动，出现净的正电荷，同样P区的受主负离子中心也固定不动，出现净的负电荷，于是就会产生空间电荷区。在空间电荷区内，电子和空穴又会发生漂移运动，它的方向正好与各自扩散运动的方向相反，在无外界干扰的情况下，最后将达到动态平衡，至此形成内建电场，方向由N区指向P区。 2、发射极电流集边效应； 答案：在大电流下，基极的串联电阻上产生一个大的压降，使得发射极由边缘到中心的电场减小，从而电流密度从中心到边缘逐步增大，出现了发射极电流在靠近基区的边缘逐渐增大，此现象称为发射极电流集边效应，或基区
半导体电子元器件基本知识 四、光隔离器件 光耦合器又称光电耦合器，是由发光源和受光器两部分组成。发光源常用砷化镓红外发光二极管，发光源引出的管脚为输入端。常用的受光器有光敏三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。受光器引出的管脚为输出端。光耦合器利用电---光----电两次转换的原理，通过光进行输入与输出之间的耦合。 光耦合器输入与输出之间具有很高的绝缘电阻，可以达到10的10次方欧姆，输入与输出间能承受2000V以上的耐压，信号单向传输而无反馈影响。具有抗干扰能力强、响应速度快、工作可靠等优点，因而用途广泛。如在：高压开关、信号隔离转换、电平匹配等电路中。 光隔离常用如图： 五、电容 有电解电容、瓷片电容、涤纶电容、纸介电容等。 利用电容的两端的电压不能突变的特性可以达到滤波和平滑电压的目的以及电路之间信号的耦合。电解电容是有极性的（有+、-之分）使用时注意极性和耐压。 电路原理图一般用C1、C2、C？等表示。 半导体二极管、三极管、场效应管是电路中最常用的半导体器件，PN结是构成各种半导体器件的重要基础。 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。具有热敏、光敏、掺杂特性；根据掺入的杂质不同，可分为：N型半导体、P型半导体。 PN结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形成P型半导体和N型半导体，它们交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性，即在P端加正电压，N端接负时PN结电阻很低，PN结处于导通状态，加反向电压时，PN结呈高阻状态，为截止,漏电流很小。 一、二极管 将PN结加上相应的电极引线和管壳就成为半导体二极管。 P结引出的电极称为阳极（正极），N结引出的电极称为阴极（负极），原理图中一般常用D1、D2、D？等表示。 二极管正向导通特性（死区电压）：硅管的死区电压大于0。5V，诸管大于0。1V。用数字式万用表的二极管档可直接测量出正极和负极。利用二极管的单向导电性可以组成整流电路。将交流电压变为单向脉动电压。 使用注意事项： 1、在整流电路中流过二极管的平均电流不能超过其最大整流电流； 2、在震荡电路或有电感的回路中注意其最高反向击穿电压的使用问题； 3、整流二极管不应直接串联（大电流时）或并联使用，串联使用时，每个二极管应并联一个均压电阻，其大小按100V（峰值）70K左右计算，并联使用时，每个二极管应串联10
纳米电子学的十大难题 1.分子电子整流器或分子电子晶体管 为了增加密度并把纳米电子器件的工作温度提高到低温范围以上，必须在单分子那么大的尺度上制造纳米电子器件。达到此目标的一个重要途径是设计与合成具有传导和控制电流或信号所必需的本征物理特性的单分子。这条途径通常被称为分子电子学。然而，迄今为止，已能正常工作的纳米尺度分子电子交换器件和放大器件（例如分子晶体管和分子量子点）还没有做出来，也没有演示过。但是，一种已能正常工作的分子导线已被合成和测试。正在攻克分子电子晶体管制造和测试难题的小组包括：詹姆斯·图尔和马克·里德小组以及普度大学的一个跨学科小组。 2.把分子晶体管和导线组装成可运转的电子器件 即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜按照IBM苏黎世实验室最近演 示过的一种方法把分子元件排列在一个平面上。组装较大电子器件的另一种可能的途径是通过阵列的自组装。普度大学的一个跨学科小组在这个方向上取得了惊人的进展。 3.纳米硅基量子异质结 为了继续把固态电子器件缩小到纳米尺度，就必须构建纳米尺度的量子势阱。为此，必须制造出很小很小的类似层状蛋糕的固体结构，其中不同层是由不同势能的不同半导体制成。这些层状结构称为“半导体异质结”。要可靠地在纳米尺度上制造出半导体异质结非常困难，而在纳米尺度上把硅化合物制造成半导体异质结就更难了。但纳米电子学研究人员还是一致认为，这是固态电子器件继续迅速微型化这个趋势所必需的。 4.纳米尺度量子点电池和无线逻辑器件 圣母大学的伦特教授和波罗教授提出的构建无线量子点计算机逻辑的设计理念对于制造纳米电子计算机来说是一个很有前途的创意。然而，要成为一个实用的设计方案，还需制造出这种类型的纳米器件并对其进行测试。在圣母大学微电子实验室的加里·伯恩斯坦教授的领导下，这个方面的工作正在进行中。 5.兆兆位量子效应电子存储“芯片” 有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，用这种器件可以组装成的一种非常有用的扩展结构是兆兆位的存储器阵列或芯片。这可为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。其典型应用之一也许是在这样一块芯片上存储一部电影。德州仪器公司的纳米电子学小组与马里兰大学的唐浩（HaoTang）正在合作组装这样一种兆兆位的存储器，他们利用的是微电子与纳米电子混合逻辑线路。
一、 选择题：（含多项选择， 共30分，每空1分，错选、漏选、多选均不得分） 1．半导体硅材料的晶格结构是（ A ） A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2．下列固体中，禁带宽度Eg 最大的是（ C ） Ａ 金属 Ｂ 半导体 Ｃ 绝缘体 3．硅单晶中的层错属于（ C ） Ａ 点缺陷 Ｂ 线缺陷 Ｃ 面缺陷 4．施主杂质电离后向半导体提供（ B ），受主杂质电离后向半导体提供（ A ），本征激发后向半导体提供（ A B ）。 A 空穴 B 电子 5．砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠（ A ） A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6．衡量电子填充能级水平的是（ B ） Ａ 施主能级 Ｂ 费米能级 Ｃ 受主能级 D 缺陷能级 7．载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量；载流子的扩散系数是描述载流子( B )的一个物理量。 A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢 8．室温下，半导体Si 中掺硼的浓度为1014cm －3，同时掺有浓度为1.1×1015cm － 3的磷，则电子浓度约为（ B ），空穴浓度为（ D ），费米能级（ G ）；将该半导体升温至570K ，则多子浓度 约为（ F ），少子浓度为（ F ），费米能级（ I ）。（已知：室温下，ni ≈1.5×1010cm － 3，570K 时，ni ≈2×1017cm － 3） A 1014cm －3 B 1015cm －3 C 1.1×1015cm － 3 D 2.25×105cm －3 E 1.2×1015cm －3 F 2×1017cm － 3 G 高于Ei H 低于Ei I 等于Ei 9．载流子的扩散运动产生（ C ）电流，漂移运动产生（ A ）电流。 A 漂移 B 隧道 C 扩散 10．下列器件属于多子器件的是（ B D ） Ａ 稳压二极管 Ｂ 肖特基二极管 Ｃ 发光二极管 D 隧道二极管 11．平衡状态下半导体中载流子浓度n 0p 0=n i 2，载流子的产生率等于复合率，而当np 半导体器件物理复习题 一． 平衡半导体： 概念题： 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。 4. 施主（杂质）原子： 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级高于导带底（0F c E E ->）；对P 型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶（0F v E E -<）。 7. 有效状态密度： 在导带能量范围（ ~c E ∞ ）内，对导带量子态密度函数 导带中电子的有效状态密度。 在价带能量范围（ ~v E -∞） 内，对价带量子态密度函数 8. 以导带底能量c E 为参考，导带中的平衡电子浓度： 其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考，价带中的平衡空穴浓度： 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. 11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 带宽度g c v E E E =-。？ 15. 本征载流子浓度i n ： 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 00i n p n ==。硅半导体，在300T K =时，1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时，半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量严格相等，那么本征半导体费米能级 项目名称：新型高性能半导体纳米线电子器件和量 子器件 首席科学家：徐洪起北京大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：教育部中国科学院 一、关键科学问题及研究内容 国际半导体技术路线图（ITRS）中明确指出研制可控生长半导体纳米线及其高性能器件是当代半导体工业及其在纳米CMOS和后CMOS时代的一个具有挑战性的科学任务。本项目将针对这一科学挑战着力解决如下关键科学问题：（1）与当代CMOS工艺兼容、用于新型高性能可集成的纳电子器件的半导体纳米线阵列的生长机制和可控制备；（2）可集成的超高速半导体纳米线电子器件的工作原理、结构设计及器件中的表面和界面的调控；（3）新型高性能半导体纳米线量子电子器件的工作模式、功能设计和模拟、载流子的基本运动规律。 根据这些关键科学问题，本项目包括如下主要研究内容： (一)新型半导体纳米线及其阵列的可控生长和结构性能表征 在本项目中我们将采用可控生长的方法来生长制备高品质的InAs、InSb 和GaSb纳米线及其异质结纳米线和这些纳米线的阵列。 生长纳米线的一个重要环节是选取衬底，我们将研究在InAs衬底上生长高品质的InAs纳米线，特别是要研究在大晶格失配的Si衬底上生长InAs纳米线的技术。采用Si衬底将大大降低生长成本并为与当代CMOS工艺的兼容、集成创造条件。关于InSb和GaSb纳米线的制备，人们还没有找到可直接生长高品质InSb和GaSb纳米线的衬底。我们将研究以InAs纳米线为InSb和GaSb纳米线生长凝结核的两阶段和多阶段换源生长工艺，探索建立生长高品质InSb和GaSb纳米线及其InAs、InSb和GaSb异质结纳米线的工艺技术。本项目推荐首席徐洪起教授领导的小组采用MOCVD 技术已初步证明这种技术路线可行。我们将进一步发展、优化InSb和GaSb纳米线的MOCVD生长工艺技术，并努力探索出用CVD和MBE生长InSb和GaSb纳米线的生长技术。CVD是一种低成本、灵活性高的纳米线生长技术，可用来探索生长大量、多样的InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结，可为项目前期的纳米器件制作技术的发展提供丰富的 科技信息2011年第29期 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 0引言 近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。 1量子点制备方法 目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel 和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法 外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法 赣 南 师 范 学 院 2010–2011学年第一学期期末考试试卷（A 卷） 开课学院：物电学院 课程名称：半导体物理学 考试形式：闭卷，所需时间：120分钟 注意事项：1、教师出题时请勿超出边界虚线； 2、学生答题前将密封线外的内容填写清楚，答题不得超出密封线； 3、答题请用蓝、黑钢笔或圆珠笔。 一、填空题（共30分，每空1分） 1、半导体中有 电子 和 空穴 两种载流子，而金属中只有 电子 一种载流子。 2、杂质原子进入材料体内有很多情况，常见的有两种，它们是 替代式 杂质和间隙式 杂质。 1、 3、根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵从费米统计率，对于能量为E 的一个量子态，被一个电子占据的概率为()f E ，表达式为 ， ()f E 称为电子的费米分布函数，它是描写 在热平衡状态下，电子在允许 的量子态上如何分布 的一个统计分布函数。当0F E E k T ->>时，费米分布函数转化为 ()B f E ，表达式为 ，()B f E 称为电子的玻尔兹曼分布函数。在 0F E E k T ->>时，量子态被电子占据的概率很小，这正是玻尔兹曼分布函数适用的范 围。费米统计率与玻尔兹曼统计率的主要差别在于 前者受泡利不相容原理的限制 ，而在0F E E k T ->>的条件下，该原理失去作用，因而两种统计的 结果变成一样了。 4、在一定温度下，当没有光照时，一块n 型半导体中， 电子 为多数载流子， 空穴 是少数载流子，电子和空穴的浓度分别为0n 和0p ，则0n 和0p 的关系为 大于 ，当用g h E ν>>（该半导体禁带宽度）的光照射该半导体时，光子就能把价带电子激发到导带上去，此时会产生 电子空穴对 ，使导带比平衡时多出一部分电子n ，价带比平衡时多出一部分空穴p ，n 和p 的关系为 ， 这时把非平衡电子称为非平衡 多数 载流子，而把非平衡空穴称为非平衡 少数 载流子。在一般小注入情况下，在半导体材料中，非平衡 多数 载流子带来的影响可忽略，原因是 注入的非平衡多数载流子浓度比平衡时的多数 载流子浓度小得多 ，而非平衡 少数 载流子却往往起着重要作用，原因是 2、 注入的非平衡少数载流子浓度比平衡时的少数载流子浓度大得多 。 5、非平衡载流子的复合，就复合的微观机构讲，大致可分为两种，直接复合和间接复合， 直接复合是指 电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合 ，间接复合是指 电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合 。载流子在复合时，一定要释放出多余的能量，放出能量的方法有三种，分别为 、 、 3、 发射光子 发射声子 将能量给予其它载流子，增加它们的动能 。 6、在外加电场和光照作用下，使均匀掺杂的半导体中存在平衡载流子和非平衡载流子，由于 半导体表面非平衡载流子浓度比内部高 ，从而非平衡载流子在半导体中作 运动，从而形成 电流，另外，由于外加电场的作用，半导体中的所有载流子会作 运动，从而形成 电流。 二、选择题（共10分，每题2分） 1、本征半导体是指 的半导体。 A 、不含杂质和缺陷 B 、电子密度与空穴密度相等 C 、电阻率最高 D 、电子密度与本征载流子密度相等 2、在Si 材料中掺入P ，则引入的杂质能级 A 、在禁带中线处 B 、靠近导带底 C 、靠近价带顶 D 、以上都不是 3、以下说法不正确的是 A 、价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。 B 、本征激发后，形成了导带电子和价带空穴，在外电场作用下，它们都将参与导电。 C 、电子可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格释放能量。 D 、处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热载流子。 4、以下说法不正确的是 2014级研究生《高等半导体器件物理》试题 1.简单说明抛物线性能能带和非抛物线性能带的能带结构以及各自 的特点、应用。 2.试描述载流子的速度过冲过程和弹道输运过程，以及它们在实际 半导体器件中的应用。 3.什么是半导体超晶格？半导体器件中主要的量子结构有哪些？ 半导体超晶格:两种或者两种以上不同组分或者不同导电类型超薄层材料,交替堆叠形成多个周期结构,如果每层的厚度足够薄,以致其厚度小于电子在该材料中的德布罗意波的波长, 这种周期变化的超薄多层结构就叫做超晶格. 主要的量子结构:超晶格中, 周期交替变化的超薄层的厚度很薄,相临势阱中的电子波函数能够互相交叠, 势阱中的电子能态虽然是分立的, 但已被展宽. 如果限制势阱的势垒进度足够厚, 大于德布罗意波的波长, 那么不同势阱中的波函数不再交叠, 势阱中电子的能量状态变为分立的能级. 这种结构称之为量子阱( QW).在上述结构中,电子只在x 方向上有势垒的限制, 即一维限制,而在y , z 两个方向上是二维自由的. 如果进一步增加限制的维度,则构成量子线和量子点. 对于量子线而言, 电子在x , y 两个方向上都受到势垒限制; 对于量子点来说, 在x , y , z 三个方向上都有势垒限制. 我们通常将这些量子结构称为低维结构, 即量子阱、量子线和量子点分别为二维、一维和零维量子结构. 4.PHEMT的基本结构、工作原理以及电学特点。 5.隧道谐振二极管的主要工作特点，RITD的改进优势有哪些？ 6.突变发射结、缓变基区HBT的工作原理、特点及其应用。 7.举例讨论半导体异质结光电器件的性能。 参考文献： 1.沃纳，半导体器件电子学，电子工业出版社，2005 2.施敏，现代半导体器件物理，科学出版社，2002 3.王良臣等，半导体量子器件物理讲座（第一讲~第七讲），物理（期刊），2001~2002半导体器件物理复习题
新型高性能半导体纳米线电子器件和量子器件
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