半导体材料发展特性(6篇)
半导体材料发展特性篇1
关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
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。
（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。
半导体材料发展特性篇2
GaN、AlN、InN及其合金等材，是作为新材料的GaN系材料。对衬底材料进行评价要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是发展GaN基技术的重要目标。评价衬底材料要综合考虑衬底与外延膜的晶格匹配、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配、衬底与外延膜的化学稳定性匹配、材料制备的难易程度及成本的高低的因素。InN的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的。自支撑同质外延衬底的研制对发展自主知识产权的氮化物半导体激光器、大功率高亮度半导体照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发”文稿介绍了氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发的部分内容。
氮化物衬底材料与半导体照明的应用前景
GaN是直接带隙的材料，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级。因此，宽带隙的GaN基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用前景；对环保，其还是很适合于环保的材料体系。
1994年，日本的Nicha公司在GaN/Al2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次实现商品化。1998年，GaN基发光二极管LED市场规模为US$5.0亿，2000年，市场规模扩大至US$13亿。据权威专家的预计，GaN基LED及其所用的Al2O3衬底在国际市场上的市场成长期将达到50年之久。GaN基LED及其所用的Al2O3衬底具有独特的优异物化性能，并且具有长久耐用性。预计，2005年GaN基器件的市场规模将扩大至US$30亿，GaN基器件所用的Al2O3衬底的市场规模将扩大至US$5亿。
半导体照明产业发展分类所示的若干主要阶段，其每个阶段均能形成富有特色的产业链：
（1）第一阶段
第一阶段（特种照明时代，2005年之前），其中有：仪器仪表指示；金色显示、室内外广告；交通灯、信号灯、标致灯、汽车灯；室内长明灯、吊顶灯、变色灯、草坪灯；城市景观美化的建筑轮廓灯、桥梁、高速公路、隧道导引路灯，等等。
（2）第二阶段
第二阶段（照明时代，2005~2010年），其中有：CD、DVD、H-DVD光存储；激光金色显示；娱乐、条型码、打印、图像记录；医用激光；开拓固定照明新领域，衍生出新的照明产业，为通用照明应用打下基础，等等。
（3）第三阶段
第三阶段（通用照明时代，2010年之后），包括以上二个阶段的应用，并且还全面进入通用照明市场，占有30~50%的市场份额。
到达目前为止（处于第一阶段，特种照明时代），已纷纷将中、低功率蓝色发光二极管(LED)、绿色LED、白光LED、蓝紫色LED等实现了量产，走向了商业市场。高功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段InN-GaN等，将会引发新的、更加大的商机，例如，光存储、光通讯等。实现高功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段InN-GaN实用化，并且达到其商品化，这需要合适的衬底材料。因此，GaN材料及器件发展，需要寻找到与GaN匹配的衬底材料，进一步提高外延膜的质量。
另外，就基础研究和中长期计划考虑，科技发展越来越需要把不同体系的材料结合到一起，即称之为异质结材料。应用协变衬底可以将晶格和热失配的缺陷局限在衬底上，并且为开辟新的材料体系打下基础。已提出了多种协变衬底的制备技术，例如，自支撑衬底、键合和扭曲键合、重位晶格过渡层，以及SOI和VTE衬底技术等。预计，在今后的10~20年中，大尺寸的、协变衬底的制备技术将获得突破，并且广泛应用于大失配异质结材料生长及其相联系的光电子器件制造。
世界各国现在又投入了大量的人力、财力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此领域的制高点。
氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发
GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作为新材料的GaN系材料。对衬底材料进行评价，要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是作为发展GaN基技术的重要目标。
一、评价衬底材料综合考虑因素
评价衬底材料要综合考虑以下的几个因素：
（1）衬底与外延膜的晶格匹配
衬底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二个内容：
·外延生长面内的晶格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜的匹配；
·沿衬底表面法线方向上的匹配。
（2）衬底与外延膜的热膨胀系数匹配
热膨胀系数的匹配也很重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。
（3）衬底与外延膜的化学稳定性匹配
衬底材料需要有相当好的化学稳定性，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。
（4）材料制备的难易程度及成本的高低
考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，而且其成本不宜很高。
二、InN的外延衬底材料的研究与开发
InN的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的，其中有：InN；α－Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si；GaAs(111)等。
Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如，GaN、AlN、InN，这些材料都有二种结晶形式：一种是立方晶系的闪锌矿结构，而另一种是六方晶系的纤锌矿结构。以蓝光辐射为中心形成研究热点的是纤锌矿结构的氮化镓、氮化铝、氮化铟，而且主要是氮化镓、氮化铝、氮化铟的固溶体。这些材料的禁带是直接跃迁型，因而有很高的量子效率。用氮化镓、氮化铝、氮化铟这三种材料按不同组份和比例生成的固溶体，其禁带宽度可在2.2eV到6.2eV之间变化。这样，用这些固溶体制造发光器件，是光电集成材料和器件发展的方向。
（1）InN和GaN
因为异质外延氮化物薄膜通常带来大量的缺陷，缺陷损害了器件的性能。与GaN一样，如果能在InN上进行同质外延生长，可以大大减少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飞跃。
自支撑同质外延GaN,AlN和AlGaN衬底是目前最有可能首先获得实际应用的衬底材料。
（2）蓝宝石(α-Al2O3)和6H-SiC
α-Al2O3单晶，即蓝宝石晶体。(0001)面蓝宝石是目前最常用的InN的外延衬底材料。其匹配方向为：InN(001)//α－Al2O3(001),InN[110]//α－Al2O3[100][11,12]。因为衬底表面在薄膜生长前的氮化中变为AlON,InN绕α－Al2O3(0001)衬底的六面形格子结构旋转30°，这样其失匹配度就比原来的29%稍有减少。虽然(0001)面蓝宝石与InN晶格的失配率高达25%，但是由于其六方对称，熔点为2050℃，最高工作温度可达1900℃，具有良好的高温稳定性和机械力学性能，加之对其研究较多，生产技术较为成熟，而且价格便宜，现在仍然是应用最为广泛的衬底材料。
6H-SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。同蓝宝石相比，6H-SiC与InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，这就使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，因而增强了6H-SiC作为衬底材料的竞争力。又由于6H-SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构；但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。
（3）镁铝尖晶石(MgAl2O4)
MgAl2O4晶体，即铝酸镁晶体。MgAl2O4晶体是高熔点(2130℃)、高硬度（莫氏8级）的晶体材料，属面心立方晶系，空间群为Fd3m,晶格常数为0.8085nm。MgAl2O4晶体是优良的传声介质材料，在微波段的声衰减低，用MgAl2O4晶体制作的微波延迟线插入损耗小。MgAl2O4晶体与Si的晶格匹配性能好，其膨胀系数也与Si相近，因而外延Si膜的形变扭曲小，制作的大规模超高速集成电路速度比用蓝宝石制作的速度要快。此外，国外又用MgAl2O4晶体作超导材料，有很好的效果。近年来，对MgAl2O4晶体用于GaN的外延衬底材料研究较多。由于MgAl2O4晶体具有良好的晶格匹配和热膨胀匹配，(111)面MgAl2O4晶体与GaN晶格的失配率为9%，具有优良的热稳定性和化学稳定性，以及良好的机械力学性能等优点，MgAl2O4晶体目前是GaN较为合适的衬底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高质量的GaN膜，并且已研制成功蓝光LED和LD。此外，MgAl2O4衬底最吸引人之处在于可以通过解理的方法获得激光腔面。
在前面的研究基础上，近来把MgAl2O4晶体用作InN的外延衬底材料的研究也陆续见之于文献报道。其之间的匹配方向为：InN(001)//MgAl2O4(111)，InN[110]//MgAl2O4[100]，InN绕MgAl2O4(111)衬底的四方、六方形格子结构旋转30°。研究表明(111)面MgAl2O4晶体与InN晶格的失配率为15%，晶格匹配性能要大大优于蓝宝石，(0001)面蓝宝石与InN晶格的失配率高达25%。而且，如果位于顶层氧原子层下面的镁原子占据有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么这样可以有希望将晶格失配率进一步降低至7%，这个数字要远远低于蓝宝石。所以MgAl2O4晶体是很有发展潜力的InN的外延衬底材料。
（4）LiAlO2和LiGaO2
以往的研究是把LiAlO2和LiGaO2用作GaN的外延衬底材料。LiAlO2和LiGaO2与GaN的外延膜的失配度相当小，这使得LiAlO2和LiGaO2成为相当合适的GaN的外延衬底材料。同时LiGaO2作为GaN的外延衬底材料,还有其独到的优点：外延生长GaN后，LiGaO2衬底可以被腐蚀，剩下GaN外延膜，这将极大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶体中的锂离子很活泼，在普通的外延生长条件下（例如，MOCVD法的化学气氛和生长温度）不能稳定存在，故其单晶作为GaN的外延衬底材料还有待于进一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延衬底材料。
（5）MgO
MgO晶体属立方晶系，是NaCl型结构，熔点为2800℃。因为MgO晶体在MOCVD气氛中不够稳定，所以对其使用少，特别是对于熔点和生长温度更高的InN薄膜。
（6）GaAs
GaAs(111)也是目前生长InN薄膜的衬底材料。衬底的氮化温度低于700℃时，生长InN薄膜的厚度小于0.05μm时，InN薄膜为立方结构，当生长InN薄膜的厚度超过0.2μm时，立方结构消失，全部转变为六方结构的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111)衬底上的核化方式与在α－Al2O3(001)衬底上的情况有非常大的差别，InN薄膜在GaAs(111)衬底上的核化方式没有在白宝石衬底上生长InN薄膜时出现的柱状、纤维状结构，表面上显现为非常平整。
（7）Si
单晶Si，是应用很广的半导体材料。以Si作为InN衬底材料是很引起注意的，因为有可能将InN基器件与Si器件集成。此外，Si技术在半导体工业中已相当的成熟。可以想象，如果在Si的衬底上能生长出器件质量的InN外延膜，这样则将大大简化InN基器件的制作工艺，减小器件的大小。
（8）ZrB2
半导体材料发展特性篇3
关键词：新型纳米半导体制备实验光催化技术
中图分类号：O643文献标识码：A文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0001-02
随着新型材料的不断涌现，各生产、加工行业对其各项性能的关注程度也大大提升，其中针对半导体材料光催化性能的研究也越来越多。氧化锌作为光催化剂有着价格实惠、无毒、高效等优点，虽然其催化机理与氧化钛相似，但是氧化锌光催化剂的吸光效率更好，因此有可能会成为取代氧化钛的新型光催光剂。
氧化锌自然条件下，氧化锌主要以纤锌矿的结构形式存在，其光电性能、电磁波吸收能力以及热稳定性都非常好，在压电传感器、紫外光发射器、显示器、导电薄膜、表面波吸收以及太阳能电池等方面都有着非常广泛的应用，是一种应用潜力很大的新型半导体材料。在对太阳能开发力度不断加大的未来，半导体材料的发展空间更大。
1半导体光催化的机理、特点
1.1半导体光催化的机理
在半导体中，未被占的高能导带以及被占的低能价带组成了其能带结构，由于价带和导带处于分离状态，它们之间的能级距离就叫做带隙宽度。半导体的这种结构就是其光特性的基础，当与半导体带隙宽度匹配的光波照射半导体光催化剂时，价带电子就会吸收光的能量而发生跃迁，直接跨过能级距离跃迁到导带上去，价带就会因此出现空穴，引起光电子和空穴的竞争。当它们分离时，能够运动到半导体表面，能量匹配的电子就会被空穴捕获使得空穴具有强氧化性，而电子本身就具有较强的还原性，因此半导体内部就产生了电子对。
1.2半导体光催化的特点
首先，半导体所使用的光催化剂的污染小，并且没有毒性，催化效率高；其次，半导体光催化几乎没有选择性，因此适用范围较广，降解效率与除净度都比较高。在光催化过程中能将大部分有机污染物氧化，产生水、二氧化碳以及无机盐等无害物质；再次，半导体的光催化反应一般在室温条件下进行，条件温和并且操作简单；最后，半导体光催化技术除了可以利用紫外光，也可以利用太阳光进行反应。在太阳的照射下，半导体催化剂可以将太阳光吸收并转化为化学能或者电能，而由于太阳能取之不尽用之不竭的特点，半导体光催化技术的开发与应用也有了更加广阔的空间。
2氧化锌纳米半导体材料包覆材料的制备方法
氧化锌纳米半导体材料的准备方法主要有两种，分别是草酸沉淀法和柠檬酸络合法。
（1）草酸沉淀法制备氧化锌纳米半导体材料。
将浓度为0.5mol/L的硝酸锌溶液置于烧杯中，然后将锌离子与草酸物质量之比为1.0∶1.5的草酸溶液加入其中，产生白色沉淀以后继续搅拌2h，然后对沉淀进行分离、洗涤以及干燥操作，并在500℃的温度下煅烧1h，就可以得到氧化锌试样，将其记为试样A。
（2）柠檬酸络合法制备氧化锌纳米半导体材料。
将浓度为0.5mol/L的硝酸锌溶液置于烧杯中，然后将锌离子与柠檬酸物质量之比为1.0∶1.5的柠檬酸溶液加入其中，然后再加入适量的乙二醇，搅拌溶液让其均匀分散，之后将其置于超声波中进行超声分散半个小时，形成均匀的溶胶，接着在80℃的恒温下让溶胶转变为凝胶。将凝胶状态的混合物置于100℃的烤箱中加热变成干凝胶，然后将其研碎，并在500℃的温度下煅烧一个小时，所得到的氧化锌试样记为B。
3氧化锌纳米半导体材料包覆材料的光催化性能研究
纳米材料由于粒径非常小，因此空穴和电子从半导体内部跃迁到表面的时间更短，产生光电子流的速度就更快。此外，半导体材料的比表面积较大，因此催化剂的吸附性能会更好。因此猜测，纳米半导体材料具有非常好的光催化效果。以下通过实验的方法对其光催化性进行验证。
3.1实验过程
为了研究氧化锌的光催化性能，我们还需要将其置于光催化反应器上进行实验。首先将15mg氧化锌催化剂加入到50ml质量浓度为20mg/L的甲基橙溶液中，置于超声波中进行超声分散，15min以后放到暗处搅拌大约10min左右时间，让氧化锌催化剂与染料充分混合并达到吸附与脱附平衡。然后打开光催化反应器的高压泵灯，每间隔一定时间就取一次样。取来的试样首先进行离心，然后利用分光计测定其吸光度，在吸光度基础上计算甲基橙溶液的降解率。此外，为了突出实验效果，还需要进行一组仅有光照以及在暗处加入氧化锌催化剂的对比实验，并在溶液光催化降解以后进行可见光吸收光谱测试。
3.2实验结果以及光催化性能分析
由图1、图2我们可以知道，没有光照时甲基橙的降解率非常低，也就说明在无光照条件下，氧化锌的催化性能比较差。在仅有光照的情况下，甲基橙几乎没有降解率，而在既有光照也有光催化剂的情况下，甲基橙的降解率明显升高。并且图中显示，光照时间为30min时，试样A的甲基橙降低率在94.36%，而试样B的降解率则为81.75%。这说明氧化锌催化剂对甲基橙的降解作用属于光降解，并且催化活性非常好。草酸沉淀法制备得到的氧化锌颗粒由于粒径较小，并且中间部分空心，比表面积更大，因此光催化性能更好。
4结语
在时代的发展以及科学技术的进步下，研究新型材料来满足人们不断上升的各种需求已经是一项非常重要的时代性课题。而随着能源危机的出现，世界各国均已开始投入对太阳能的开发与利用研究工作中。在这样的发展形势下，研究新型纳米半导体材料及其光催化性能对于缓解能源危机有着重要意义。氧化锌作为一种新型纳米半导体材料，有着非常多的应用优势，开发潜力非常大。其制备方法主要有草酸沉淀法以及柠檬酸络合法，通过实验我们知道，氧化锌催化剂的催化活性非常好，并且两种氧化锌半导体的制备方法中，草酸沉淀法不仅操作简单，催化效率也更好。
参考文献
[1]禹崇菲.新型纳米BiVO_4的制备、表征及其光催化性能研究[D].河南师范大学，2013.
[2]杨艳青.粘土―等离子体复合材料的制备及其光催化性能研究[D].武汉理工大学，2012.
半导体材料发展特性篇4
关键词：半刚性沥青路面；半刚性材料；路面特点；早期病害
中图分类号：TF526文献标识码：A
1.半刚性材料
1.1半刚性材料的特点
（1）具有一定的抗拉强度
各种半刚性材料都具有一定的抗拉强度。测定半刚性材料的抗拉强度共有三种方法。一种方法是利用梁式试件，并用三分点加载方法，进行弯拉试验，直到试件破坏，用此法测得的试件抗拉强度称作抗弯拉强度。第二种方法是利用梁式试件或圆柱体试件进行直接拉伸试验，直到试件破坏，这种方法测得的试件抗拉强度称作直接抗拉强度。第三种方法是利用圆柱体试件并沿其直径方向用接近于线压力进行试验，直到破坏，用此法得到的试件抗拉强度称为间接抗拉强度或劈裂强度。
（2）环境温度对半刚性材料强度的形成和发展有很大影响
环境温度越高，半刚性材料内部的化学反应就越快和越强烈，因此其强度也越高。
（3）强度和刚性都随龄期增长
（4）刚性为原柔性材料（即未用结合料的材料）的数倍，但有明显小于水泥混凝土。
1.2半刚性材料的干缩特性
半刚性材料产生体积干缩的程度或干缩性（最大干缩应变与平均干缩系数）的大小与下列因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定（或处治）土的类别（细粒土、中粒土或粗粒土）、粒料的含量、小于0.5mm的细土含量和塑性指数、小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分、制作（室内试件）含水量和龄期等。
1.3半刚性材料的温度收缩特性
组成半刚性材料的三个相，即不同矿物颗粒组成的固相、液相和气相在降温过程中相互作用的结果，使半刚性材料产生体积收缩，即温度收缩。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小；粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩性较大。粘土及其他胶体颗粒的温度收缩性的大小与其扩散层厚度成正比。半刚性材料中胶结物各矿物有较大的温度收缩性。
2.半刚性沥青路面的优点及常见病害
用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎（砾）石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层，在前期具有柔性路面的力学性质，后期的强度和刚度较有较大幅度的增长，但是最后的强度和刚度仍远小于水泥混凝土。
2.1半刚性路面的优点
半刚性沥青路面是由半刚性材料底基层、基层和沥青面层构成的路面结构形式。半刚性基层沥青路面具有强度高、刚度大、整体性好、水稳性和抗冻性好以及抗行车疲劳性能好等优良特性，另外，半刚性材料取材广泛、利于机械化施工且工程造价低，因此而成为我国高等级公路路面结构的主要结构形式。
半刚性沥青面层从工艺上分有两类，一类是拌和法半刚性面层，另一类是灌浆法半刚性沥青面层。前者是在沥青混凝上拌和物母体中加入适量的水泥砂浆，凝结硬化后兼有白色路面刚性与黑色路面柔性的新型路面结构；后者是以空隙率较大的压实沥青混合料路面为母体，灌入掺加添加剂的水泥浆，凝结硬化后形成兼有刚性与柔性的路面结构。
半刚性沥青面层除具有上述刚性与柔性之外，与普通沥青路面相比，它有较高的高温稳定性、属于无车辙路面。这一方面是由于半刚性路面层中水泥砂浆或水泥灌浆的存在，增大了材料的骨架组成部分，减小了对温度敏感的沥青材料部分的相对比例，另一方面也是由于面层颜色的变浅，减小了路面的吸热速度，使其内部温度低于普通沥青路面的温度。
由于半刚性材料的性质与柔性材料有明显差别，因此由半刚性材料构成的基层和底基层的使用性能与柔性材料构成的基层和底基层的使用性能也有着显著区别：
（1）半刚性路面的承载能力和分布荷载的能力明显大于柔性路面。半刚性路面下土基顶面所受的压应力或压应变明显小于柔性路面下土基顶面所受的压应力或压应变。它有利于保持土基良好的工作状态，有利于土基工作在弹性阶段，也有利于减轻路面表面的车辙深度。
（2）厚半刚性材料层的优越性。
1）半刚性路面的承载能力可由半刚性层满足；
2）沥青面层的厚度对半刚性路面的承载能力无明显影响；
3）厚半刚性材料层可抵消土基强度的巨大差别；
4）全厚式半刚性基层具有更大的优越性。
2.2半刚性沥青路面常见病害
（1）基层开裂
研究认为，基层一旦开裂，路面结构受力状态将发生急剧变化，并导致半刚性路面结构的快速损坏；路表弯沉不能准确反映半刚性路面结构的破坏状态，以路表弯沉作为路面结构的设计和质量验收指标不能有效地控制路面基层的开裂；基层横向开裂后，沥青面层的破坏主要受控于剪应力；基层一旦出现横向裂缝，其底部裂缝两侧的纵向拉应力、剪应力迅速增加，使横缝两侧底部形成严重破坏，这为水损坏后基层形成缝底部脱空，进而引起面层沿横缝两侧的开裂、沉陷留下了严重隐患。
半刚性路面基层的先期开裂一般基于两个方面的原因：一是半基层的温缩与干缩性开裂，二是行车荷载下的疲劳开裂。
（2）反射裂缝
反射裂缝在国外多用于描述已开裂旧沥青路面或水泥路面的罩面层在行车荷载作用下原路面裂缝反射到新加铺面层上形成的裂缝，而对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝特指由于半刚性基层在温度收缩和干燥收缩下产生的收缩裂缝，而后沿开裂基层向上反射到沥青面层形成的裂缝。由于半刚性基层材料的特性，基层的干燥收缩和温度收缩的产生将是不可避免的。当车辆荷载经过基层裂缝时，使沥青面层受到正反两次剪切和一次弯拉作用，车辆荷载的反复作用会造成反射裂缝的产生与扩展。另外，当基层发生温缩时，基层裂缝进一步扩大，也会给发生温缩的沥青面层增加一个附加应力，由于在较低温度下沥青面层通常较硬，它只能承受较小的拉应力，故这一附加应力容易大于沥青混合料的抗拉应力，基层裂缝上方的面层将从底部产生开裂，在温差影响下，裂缝缝端产生更大拉应力，裂缝继续向上扩展，直至贯通面层。
（3）车辙
在级配碎石基层半刚性沥青路面结构中，级配碎石属于松散型材料，其自身不会因为局部变形而产生拉应力。但由于级配碎石基层对于下卧各层变形的适应或跟随，会将下卧各层的变形反映到路表面上来，加大路表车辙深度。当级配碎石层设置在半刚性底基层上，半刚性底基层刚度较大，表面产生的弯沉较小，因此对级配碎石的自适应性变形能够起到一定的控制作用。
（4）桥头跳车
桥头跳车有两种情况：首先是台背填土压实不足，导致填土在台背后数十米范围内下沉其特征为:沉降在行车方向是渐变的，延续距离相对较长，路面的整体强度未受破坏，路表面也少有损坏，但行车时具有明显的波浪感。其次是由于桥梁与台背填土刚度的差异而产生的不均匀沉降，从而出现的跳台其特征为：延续距离短，只有几米，路面少有损坏发生，行车时具有明显的瞬间跳车冲击感。
（5）纵向裂缝
这种裂缝的数量较少，大多发生在高路堤地段路基外侧。成因是路堤中央与外侧压实不均匀，旧路帮宽或地基受外部水源的长期侵蚀，导致路基或地基的不均匀沉降。一般情况下裂缝较宽。
（6）路面局部凹陷龟裂
这种损坏是路面局部网裂的延续。因局部网裂没有得到及时的维修封堵，雨水渗入到基层，而高速行驶车辆轮胎的强大泵吸作用，使半刚性基层的胶结材料被吸出，长时间下去，导致基层材料散失，路面出现局部下陷和网裂，进而由局部网裂发展成为明显的凹陷龟裂，对行车的平顺性和安全性有很大影响。其特征为:起始于轮迹处，路面结构在该处完全破坏，在破坏过程中雨天有灰浆外泻痕迹。
半导体材料发展特性篇5
[关键词]纳米材料；技术；涂料；应用
中图分类号：TQ63文献标识码：A文章编号：1009-914X（2017）25-0397-02
1纳米材料的概述
纳米材料是指由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子组成的新一代材料。而纳米技术是研究物质组成体系的运动规律和相互作用以及在应用中实现特有功能和智能作用的一种科学技术。纳米涂料是利用纳米粒子抗紫外线的性能对涂料进行改性，提高涂料的某些性能。纳米涂料也是纳米复合涂料，是在涂料生产过程中加入纳米粒子，从而产生许多优异性能，使纳米涂料具有优异的力学、热学、光学及电磁学性能，这些都是传统涂料不能比拟的，而且添加不同的纳米粒子便生产出不同功能的纳米涂料，从而扩大了涂料的应用范围。
纳米涂料的发展：首先，纳米材料在我国的发展已经很广泛，在市场上也取得较好的反应，纳米建筑涂料是纳米涂料用量最大的品种之一，也是提升传统涂料的重点领域。近几年来，纳米材料的发展更为迅速，在建筑行业中，主要被用于改善建筑内墙涂料的抗菌性和建筑外墙涂料的耐候性，已经逐渐形成一种产业。但是还是落后于发达国家，国外的纳米材料的应用，对于纳米涂料的应用，国外对其的开发起步较早并形成产业化，美国对于纳米材料的应用主要用于绝缘涂料、豪华轿车面漆以及军事方面，还开展了在包装上使用阻隔性涂层、透明并耐磨性涂料、光致变色涂料等纳米涂料的应用研究。而日本主要在由光催化进行自动清洁涂料、静电屏蔽涂料的研究方面取得成效并将其发展为产业化。
2纳米材料的物理性能
纳米材料中能级分裂和电子布局的变化；纳米材料电子的强关联或相关性；纳米材料具备的激子过程和激发态；纳米材料的表面态与表面结构：纳米材料占比例较大的是的其表面，当纳米材料减少到10nm时，体内原子和表面原子的数目比将达到50%。表面原子与体内原子所处的化学环境截然不同，因此会有表面相形成。但是，由于普通材料中，表面相受到比例小的影响，局限性较大。对于纳米材料来说，由于自身表象与体相比例相差不大，因此，在許多物理变化以及化学变化中的作用显著，而且更加利于人们对其进行研究；纳米材料的量子隧穿与纳米尺度的耦合：目前改性涂料所使用纳米材料一般为半导体纳米材料，如纳米SiO2、TiO2、ZnO等，半导体纳米材料比较特殊；具有光学性；纳米半导体粒子，1-100nm。由于量子尺寸效应差异较大，因此目前最活跃的研究领域之一就是纳米半导体粒子的光化学性质和光物理性质，对于纳米半导体粒子所具有的室温光致发光及超快速的光学非线性响应等特性更加受到关注。一般情况下，当导体激子玻尔半径与导体粒子尺寸半径极其相近时，随着导体粒子尺寸的变化，其导体的有效带隙也随之发生变化。导体尺寸越小，其导体的有效带隙越多，其相应的荧光光谱和吸收光谱会发生蓝移，最终形成能级在能带中。
3纳米材料的其他性能
3.1光学性能：当纳米微粒的粒径与电子的德布罗意波长、超导相干波长以及玻尔半径相当时，其具有较为显著的尺寸效应。同时，纳米材料的比表面使处于小颗粒内部的电子、原子以及处于表面态的电子、原子与的行为有很大的差别，影响纳米微粒的光学特性与纳米材料的这种量子尺寸效应和表面效应有很大的关系。这是同样材质纳米材料的宏观大块物体不具备的。例如SiO2、TiO2、ZnO等，能够很好的吸收紫外光，而其中一些氧化物几乎不吸收紫外光，例如亚微米的TiO2。由于这些纳米材料具有良好的半导体特性，因此容易吸收紫外光，其主要原因是由于电子被激发发生跃迁，从而吸收紫外光线。纳米材料与具有相同材质的大块材料相比，纳米材料在吸收紫外光线过程中，会出现蓝移现象，出现蓝移现象的原因有，量子尺寸发生变化，能隙变宽，光吸收靠近短波。另一种是表面效应。大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。
3.2吸附性能：当不同相相接触并且互相结合时，就是吸附现象。纳米微粒与材质相同的一些材料相比吸附性较强，主要是由于其比表面积较大，并且其表面得原子不能足够配位。影响纳米材料吸附性能的因素较多，其中，溶液性质、被吸附物质的性质、溶剂性质都可能对其产生影响。比如，水溶液的PH值不同，纳米材料微粒的电性也不相同，有可能带正电、也有可能带负电、还有可能呈中性。这些粒子所形成的吸附键不同，其吸附作用也具有差异。一些纳米材料能够利用气体，形成吸附层，如纳米氧化物可以与空气中的一些气体结合形成吸附表层。气体不同，形成的吸附层也不相同。
4纳米材料在涂料中的应用
4.1力学性能的改善
涂料力学性能主要表现在强度、硬度、耐磨性等方面，涂料力学性能的好坏直接关系到涂料的使用寿命。在涂料实际应用过程中，受多种因素的影响，会出现力学性能的变化，从而难以发挥涂料应有的作用。而纳米材料的应用能够有效地改善涂料的力学性能。纳米材料中的纳米粒子比表面积要大，能够与有机树脂基质之间存在良好的界面结合力，大颗粒与成膜物之间的空隙非常小，能够有效地减少毛细作用，从而提高涂层的强度、硬度以及耐磨性。
4.2光学性能的改善
涂料主要是涂在物体表面，而在物体表面，涂料很容易腐化、脱落，而出现这种问题的根源就在于涂料的光学性能比较差，涂料在太阳的照射下快速地发生反应。而纳米材料具备大颗粒所不具备的光学性能。当纳米级微粒掺和进母体材料时，可以提高母体材料的透明性，从而直接散射紫外光，同时，能够将紫外光纤带出散射区域，从而大大的增强涂料的曝光、保色及抗老化性能。
4.3提高光催化效率
就纳米材料而言，纳米粒子尺寸小，比表面积要大，表面原子配位不全，从而使得表面活性点增多，由于表面活性点比较多，反应接触面就比较大，催化效率就要高。对于涂料这种产品而言，纳米材料的可以作为涂料的光催化剂，因纳米粒子的粒径小，粒子吸收光能后，激发出的极子所到达表面的数量就会增多，从而加速催化，提高涂料的光催化性能。如二氧化钛的光催化性能，这种光催化剂集广泛应用于废水处理、有害气体净化、日用品等领域，同时还可以环境保护涂料自己杀菌涂料。
5纳米材料在涂料中应用的关键问题
纳米材料作为科技产物，它的作用毋庸置疑，但是就纳米材料在涂料中的应用来看，还处于初级阶段，在实际应用过程中出现了一些问题，纳米材料在涂料中的应用还有待于深入研究。纳米微粒比表面积以及表面张力大，纳米微粒容易吸附而发生团聚，而这种易团聚的粒子很难分散开来，如果这些团聚的粒子没有良好的分散，就难以发挥纳米材料在涂料中应有的作用。因此，针对纳米粒子团聚问题，就必须深入研究纳米粒子团聚后的分散，要加大研究，以科学、先进的方法来讲这些团聚的粒子来分散。纳米材料属于该科技产品，纳米材料在涂料中的应用与其他材料在涂料中的应用情况有着一定的区别，纳米材料在应用过程需要根据涂料的特性来进行，但是就目前来看，纳米材料对涂料的作用研究还不够深入，以至于纳米涂料技术水平不够高，涂料性能与国外相比存在着一定的差距。因此，加大科技的研究是纳米材料普及应用的保障。一方面，要继续深入研究纳米材料科技，不断提高纳米材料技术含量，另一方面，要加强国际合作，学习国外先进的技术理念，从而更好地发挥纳米材料在涂料中的作用，不断能提高涂料的性能。
6纳米材料及其技术在涂料中的应用
6.1TiO2在涂料中的应用
纳米TiO2具有光学效应，其粒径发生改变，光学效应也发生变化。纳米TiO2中的金红石型材料能够变色，角度不同，颜色随之发生改变。多应用于汽车喷漆中，能够产生一些很神奇的变化。利用纳米TiO2中的紫外吸收特性，对汽车面漆的耐候性能有较大的提升。除此之外，纳米TiO2还具有光催化特性，利用其这一特性，能够对空氣产生净化作用，并且对于空气中的其他污染物进行降解，保护环境。
TiO2的光催化效应及应用：纳米二氧化钛具有高的光催化活性，是一种光催化半导体抗菌剂，在波长小于400nm的光照下，能吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，价带电子被激发到导带，形成空穴-电子对，并将能量传递到周围介质，诱发光化学反应，具有光催化能力。一般抗菌剂有杀菌作用，但不能分解毒素，而二氧化钛利用生成的活性氧杀菌，并且能使细菌死后产生的内毒素分解。纳米TiO2广泛应用于自洁陶瓷、玻璃以及厨房和医院设施中，一些高速公路两侧的护墙上也涂有纳米TiO2以消除汽车尾气的影响。
TiO2的紫外屏蔽应用：纳米TiO2的小尺寸效应、量子效应和诱导效应可使光吸收带蓝移，产生强的紫外吸收。纳米TiO2具有很好的紫外线屏蔽作用，也是一种防老化材料，可将其均匀分散到涂料中制成紫外线屏蔽涂层和抗老化涂层。纳米TiO2作为一种良好的永久性紫外线吸收材料还可用于配制耐久型外用透明面漆，一般用于木器、家具、文物保护等领域。
6.2SiO2在涂料中的应用
纳米SiO2是无定型白色粉末，是一种无毒，无味，无污染的无机非金属材料，表面存在不饱和的残键和不同键和状态的羟基，其分子结构呈三维网状结构。
纳米颗粒的比表面积和表面张力都很大，容易相互吸附而发生团聚。而纳米粒子如果不能真正的以纳米级分散在涂料中，就失去了其应有的作用。添加纳米SiO2的涂料具有防流挂，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有优良的自清洁性能和附着力。纳米二氧化硅具有极强的紫外吸收、红外反射特性，它添加在涂料中，能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的，同时增加涂料的隔热性。
6.3纳米CaCO3在涂料中的应用
纳米碳酸钙的主要作用是改善涂料的性能，使涂料的触变性更好，在施工的过程中防止流挂并增加涂料的贮存稳定性。纳米碳酸钙改善涂料触变性的主要原因是由于纳米碳酸钙粒子表面相互聚集的氢键作用力不强，很容易被剪切力切开，在使用的时候这些氢键在外部剪切力的作用下又可以迅速的恢复，能够迅速的重整结构。纳米碳酸钙对涂膜有一定的补强作用，同时还具备其他纳米材料的普遍共性“蓝移”现象。从纳米碳酸钙的结构来看，部分纳米粒子聚集并形成一次链状结构，这种结构可以将涂料的结构化水平提高，在与聚合物混合时形成的物理缠结能力增强，从而增加涂膜补强效果。
7结束语
综上所述，加强对纳米材料及其技术在涂料产业中应用的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的纳米材料及其技术应用过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
作者：韩继强
参考文献
半导体材料发展特性篇6
关键词：碳化硅材料；电力电子器件；硅半导体材料；新型化合物；高频大功率器件文献标识码：A
中图分类号：TN387文章编号：1009-2374（2015）36-0037-02DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.36.017
相较于硅器件，碳化硅主要具有稳定性良好、热导率高、载流子饱和漂移速度高等优点，可以制作各种耐高温的高频大功率器件，由于碳化硅材料的这种良好的使用性能，所能达到的使用效果是以往硅器件所达不到的，从而成为当前发展最成熟的宽禁带半导体材料。由于碳化硅材料可以在温度超过600℃的工作环境中保持良好的工作状态，对工作环境具有更高的适应性，同时在额定阻断电压相同的前提下，碳化硅材料所制成的功率开关器件与以硅材料所制成的器件相比，不仅具有更高的工作效率，其也具有更低的通态比电阻，基于以上优点使得碳化硅材料在电力电子器件的制作中被广泛
应用。
尽管碳化硅器件面积由于受到自身晶格缺陷的限制而远不能与硅器件相比，产量、成本以及可靠性方面也对碳化硅器件的发展具有一定的阻碍，但自从1990年直径30mm的碳化硅单晶片上市以来，随着科技的迅速发展，各种高品质的碳化硅应用技术被研究、开发出来，碳化硅材料在电力电子器件中的应用范围也逐渐在扩大，并使得其在部分电力电子技术领域逐渐替代了以往的硅器件。近些年来，在美国、德国等各大公司以碳化硅材料发明生产了许多的电力电子器件，这些器件都具有反向恢复时间短、反向漏电流极小、高温条件下工作状态没有明显改变等优点。特别需要提到的就是肖特基势垒二极管，以碳化硅材料制造的比以往由硅和砷化镓材料制造而成的肖特基势垒二极管适用范围从250V提高到了1200V，相信随着科学技术的不断提高，其使用范围将会更大，这在电力电子器件的发展中是一个质的提高。同时由于使用碳化硅材料所带来的整体效益明显高于碳化硅与硅器件之间的制作成本差异，相信在不久的将来，在电力电子器件的制造中碳化硅的使用将会更加广泛，电力电子器件也将会具有更高的使用性能。
1在电力电子器件中关于碳化硅研发工作的进展
随着碳化硅器件在电力电子中的应用越来越广泛，使得关于碳化硅的研发工作进展也不断加快。图1表示碳化硅器件研发进程中肖特基势垒二极管和碳化硅pn结二极管阻断电压和场效应器件品质因子（FM）的最高水平随时间递增的情况：
通过图1可以发现，在进入新世纪以来，电力电子器件基本性能参数增长相较以前更为迅速，对场效应器件的研发进展更加明显，证明场效应器件具有巨大的发展潜力。
在电力电子器件的应用方面，由于浪涌电流会引起器件结温的骤然升高，通态比电阻偏高的器件，其浪涌电流承受能力也会随之降低，因此电力电子器件在需要时尽可能降低静态和动态损耗外，还要注意提高浪涌电流的承受能力。同时单极功率器件的通态比电阻随阻断电压的提高而增加，尽管硅器件具有较好的性能价格比，但这也是需要电压的等级控制在100V以内，从而使得难以满足高频应用的需要，如果使用碳化硅器件制造单极器件，其通态压降将会低于硅双极器件，纵使在阻断电压高于10kV的前提下，其结果也是一样，单极器件在工作效率等方面相较于双极器件具有更加明显的优势，同时肖特基势垒二极管能够更好地促进碳化硅电力电子器件的商品化进程，因此在碳化硅电力电子器件的研究和开发过程中，首先就要重点进行肖特基势垒二极管的研究和开发。
1.1碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）
在全世界中首次研制成功出了6H-SiC碳化硅肖特基势垒二极管是由美国北卡州立大学功率半导体研制中心所最先报道，这类二极管的阻断电压为400V，通过短短两年的发展就将阻断电压提高到了接近理论设计值（1000V），同时随着在欧洲、亚洲等地对碳化硅肖特基势垒二极管研究的投入，使得使用材料变为4H-SiC，阻断电压获得更大的进步。
当前碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压已经达到10000V以上，大电流器件的通态电流为130A，其阻断电压达到5000V。这种碳化硅肖特基势垒二极管主要采用了n型高阻厚外延片，同时在肖特基势垒接触和欧姆接触中使用了镍，该器件的尺寸也较小，肖特基势垒接触的直径只有300um，且采用了大面积的芯片。在碳化硅肖特基势垒二极管中，若肖特基上的金属是铂，同时为降低阳极电流的扩散电阻而在铂金属上再蒸镀2um的金膜，在背电极经过退化处理的这种器件不具备较好的反向特性，其漏电流随着电压的增加而增加。器件的反向特性与芯片的面积有关，芯片面积越低器件的反向特性越高。同时根据研究者的研究表明，JBS结构在降低碳化硅肖特基势垒二极管的反向漏电流以及改善其正向特性中都具有很好的效果，同时兼顾正反向特性的优化设计已经将碳化硅肖特基势垒二极管的JBS结构的通态比电阻相较于硅器件理论值的1∶400。
1.2碳化硅场效应器件
碳化硅功率金属-氧化物-半导体场效晶体管的开发优势就是能够兼顾阻断电压和通态比电阻，随着1994年首次报道的碳化硅功率金氧半场效晶体管耐压只有250V，短短四年时间其阻断电压就提高到了1400V，同时采用栅增强功率结构设计，可以进一步提高阻断电压，降低通态比电阻。近年来人们充分挖掘了碳化硅材料在场效应器件方面的应用潜力，对结型场效应晶体管的结构也做了很多改良，从而减少了结型场效应晶体管常规工艺流程中的碳化硅外延生长这道高难度工序，同时还在器件结构中取消了横向结型场效应晶体管栅，从而使器件的通态比电阻有所下降，使得场效应器件品质因子也获得了提高。
1.3碳化硅双极型器件
用硅材料是不可能做出耐压十分高的器件，但碳化硅却可以制造阻断电压很高的双极器件，例如pn结二极管和晶闸管等。与肖特基势垒二极管相比，pn结二极管更容易提高阻断电压和经受大电流冲击的能力，同时随着碳化硅品质的提高和各种终端保护技术的采用，使得碳化硅pn结二极管的阻断电压持续升高。由于受到材料的微管密度较高，没有大面积芯片可用的限制，使得一些高压4H-SiCpn结二极管器件的正向电流都比较小。
随着碳化硅器件的使用性能越来越广泛，研发碳化硅双极晶体管成为了当前的发展方向，开发碳化硅双极晶体管的关键问题就是提高电流增益，采用外延层作基区，用离子注入形成发射极的方法可以提高电流的增益，同时采用达林顿结构也会获得更高的电流增益。
晶闸管最能体现碳化硅材料特长是在兼顾开关频率、功率处置能力和高温特性方面，在阻断电压超过3000V的时候，碳化硅晶体管的通态电流密度则会更高，因此更适合于交流开关方面的应用。随着对碳化硅晶闸管研究的深入，使得普通的晶闸管逐渐淡化，而是向GTO方向集中对碳化硅晶体管的研究。
2碳化硅器件在电力电子中的广泛应用
随着碳化硅材料制备技术的进展，使得碳化硅器件在电力电子中应用十分广泛，通过采用碳化硅材料所研制的器件种类也在逐年增加。早在1999年就有关于单向逆变器使用碳化硅pn结二极管以及将碳化硅开关器件和二极管同时应用于三项逆变器和单项PWM逆变器中的报道，同时近些年来在板桥PWM逆变器中使用碳化硅开关器件和二极管方面的应用研发工作也进行了有关的报道。碳化硅器件的应用范围广泛，例如碳关于化硅二极管就在1999年被报道制造成功了一个当时世界最高水平的碳化硅肖特基二极管，在1997年被报道已用结型势垒肖特基接触结构制成碳化硅功率整流器，制造出可探测火焰和爆炸辐射的碳化硅紫外光探测器。同时还有关于碳化硅结型场效应晶体管、具有较高击穿场强的金属-半导体场效应晶体管、静电感应晶体管以及碳化硅晶闸管的应用报道。
3结语
由于碳化硅材料所具有的良好的使用性能和优良特性，使得人们对于碳化硅电力电子器件的研究和使用逐渐深入，但电力电子而言碳化硅材料的优势并不仅局限于能够提高器件的耐压能力，同时更重要的方面就是还能大幅度降低功率损耗，从而使得碳化硅电力电子器件的市场竞争力得到提高。同时碳化硅与硅在电力电子技术领域竞争中所存在的另一优势就是能够将兼顾器件的频率和功率以及耐高温，同时随着碳化硅器件的发展以及制造技术的进步，碳化硅材料在电力电子器件中的应用将会更加广泛，将会极大地推动器件的创新，碳化硅电力电子器件的应用前景将会充满生机。
参考文献
[1]陈治明.继往开来、重振我国电力电子器件研发领域的雄风――电力电子器件研发进展专辑特邀主编评述[J].电力电子技术，2008，（12）.
[2]吴晓刚，周美兰，李文娟.全控型电力电子器件教学实验平台的开发[J].电气电子教学学报，2011，（3）.
[3]赵善麒，盛况，刘扬.新型电力电子器件专辑―特邀主编评述[J].电力电子技术，2012，（12）.
[4]杨法明，杨发顺，张锗源，等.功率VDMOS器件的研究与发展[J].微纳电子技术，2011，（10）.
