半导体材料论文

时间:2017-12-01 编辑:子祺 手机版

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  半导体材料论文一

  摘要:随着科技和经济的进步发展,半导体器件在我们生活中的应用越来越广泛,而在半导体器件中有机半导体应用最为广泛。本文即将探索和解说有机半导体器件的电学性能,揭开其神秘的面纱。该文主要从有机半导体同无机半导体的发展历程及其其概念导入,其次在分析有机半导体的优劣点,解说有机半导体的场效应现象,最后以纳米ZnO线(棒)的试验解说其电学性质

  关键词:半导体有机半导体电学性能

  一、从有机半导体到无机半导体的探索

  1.1有机半导体的概念及其研究历程

  什么叫有机半导体呢?众所周知,半导体材料是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料,这类材料具有独特的功能特性。以硅、锗、砷化嫁、氮化嫁等为代表的半导体材料已经广泛应用于电子元件、高密度信息存储、光电器件等领域。随着人们对物质世界认识的逐步深入,一批具有半导体特性的有机功能材料被开发出来了,并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。

  在1574年,人们就开始了半导体器件的研究。然而,一直到1947年朗讯(Lueent)科技公司所属贝尔实验室的一个研究小组发明了双极晶体管后,半导体器件物理的研究才有了根本性的突破,从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。在发明晶体管之后,随着硅平面工艺的进步和集成电路的发明,从小规模、中规模集成电路到大规模、超大规模集成电路不断发展,出现了今天这样的以微电子技术为基础的电子信息技术与产业,所以晶体管及其相关的半导体器件成了当今全球市场份额最大的电子工业基础。,半导体在当今社会拥着卓越的地位,而无机半导体又是是半导体家族的重中之重。

  1.2有机半导体同无机半导体的区别及其优点

  与无机半导体相比,有点半导体具有一定的自身独特性,表现在:

  (l)、有机半导体的成膜技术更多、更新,如真空蒸镀,溶液甩膜,Langmtrir一Blodgett(LB)技术,分子自组装技术,从而使制作工艺简单、多样、成本低。利用有机薄膜大规模制备技术,可以制备大面积的器件。

  (2)、器件的尺寸能做得更小(分子尺度),集成度更高。分子尺度的减小和集成度的提高意味着操作功率的减小以及运算速度的提高。

  (3)、以有机聚合物制成的场效应器件,其电性能可通过对有机分子结构进行适当的修饰(在分子链上接上或截去适当的原子和基团)而得到满意的结果。同时,通过化学或电化学掺杂,有机聚合物的电导率能够在绝缘体(电阻率一10一Qcm)到良导体这样一个很宽的范围内变动。因此,通过掺杂或修饰技术,可以获得理想的导电聚合物。

  (4)、有机物易于获得,有机场效应器件的制作工艺也更为简单,它并不要求严格地控制气氛条件和苛刻的纯度要求,因而能有效地降低器件的成本。

  (5)、全部由有机材料制备的所谓“全有机”的场效应器件呈现出非常好的柔韧性,而且质量轻。

  (6)通过对有机分子结构进行适当的修饰,可以得到不同性能的材料,因此通过对有机半导体材料进行改性就能够使器件的电学性能达到理想的结果。

  1.3有机半导体材料分类

  有机半导体层是有机半导体器件中最重要的功能层,对于器件的性能起主导作用。所以,有机半导体器件对所用有机半导体材料有两点要求:

  (l)、高迁移率;(2)、低本征电导率。

  高的迁移率是为了保证器件的开关速度,低的本征电导率是为了尽可能地降低器件的漏电流,从而提高器件的开关比。用作有机半导体器件的有机半导体材料按不同的化学和物理性质主要分为三类:一是高分子聚合物,如烷基取代的聚噬吩;二是低聚物,如咪嗯齐聚物和噬吩齐聚物;三是有机小分子化合物,如并苯类,C6。,金属酞著化合物,蔡,花,电荷转移盐等。

  二、制作有机半导体器件的常用技术

  有机半导体性能的好坏多数决定于半导体制作过程因此实验制备技术就显得尤为重要。下面将对一些人们常用器件制备的实验技术做简要的介绍:

  (1)、真空技术。它是目前制备有机半导体器件最普遍采用的方法之一,主要包括真空镀膜、溅射和有机分子束外延生长(OMBE)技术。

  (2)、溶液处理成膜技术。它被认为是制备有机半导体器件最有发展潜力的技术,适用于可溶性的有机半导体材料。常用的溶液处理成膜技术主要包括电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、分子自组装技术、印刷技术等。

  三、有机半导体器件的场效应现象

  为了便于说明有机半导体器件的场效应现象,本文结合有机极性材料制作有机半导体器件对薄膜态有机场效应进行分析。试验中,将有机极性材料经过真空热蒸镀提纯之后溶在DMF溶液中,浓度是20Omg/ml,使用超声波清洗机促进它们充分并且均匀的溶解,经过真空系统中沉积黄金薄膜作为器件的源极和漏极。在类似条件下,在玻璃衬底上制作了极性材料的薄膜形态晶粒,研究发现:

  在有机极性材料形态,有块状、树枝状和针状。不同的薄膜态形态,在不同栅极电压VG的作用下有不同的Ids(流过器件的源极和漏极的电流)一Vds(加在器件的源极和漏极之间的电压)曲线。

  1、块状形貌结构的薄膜态有机器件的Ids-Vds(性能曲线,变化范围是从-150V到15OV、栅极电压的变化范围是从-200V到200V。当栅极电压Vg以100V的间隔从-200V变化到200V时,Ids随着Vds的增加而增加,此时没有场效应现象。

  2、针状形貌结构的薄膜态有机器件的Ids-Vds性能曲线,当Vds从-75V增加到75V,栅极电压VG的变化范围是一200V~20OV,递增幅度是5OV。此时器件具有三种性能规律:(1)在固定的栅极电压Vg下,当从Vds-75V增加到75V时,电流Ids也随之增加;(2)在固定的外加电压Vds下,当栅极电压Vg从-2O0V增加到2OOV时,电流Ids也随之增加;(3)如果没有对器件施加Vds电压,只要栅极电压Vds存在,就会产生Ids电流,产生电池效应。

  通过上述的解说我们对有机半导体器件的电学性能已有一定的了解了。下面我们即将通过试验来揭开其神秘的面纱。

  四、有机半导体的光电性能探讨——以纳米ZnO线(棒)的光电性能研究为例

  近年来,纳米硅的研究引起了社会的广泛的关注,本文中我们将采用场发射系统,测试利用水热法制备的硅基阵列化氧化锌纳米丝的场发射性能。图11是直径为30和100nm两个氧化锌阵列的场发射性能图,其中图11a和b分别是上述两个样品的I_V图和F_N图。从图11a中可以看出氧化锌纳米丝的直径对场发射性能有很大的影响,直径为30nm的氧化锌阵列的开启场强为2V/μm门槛场强为5V/μm;而直径为100nm的氧化锌阵列的开启场强为3V/μm,门槛场强大于7V/μm。并且从图11b中可以知道,ln(J/E2)和1/E的关系近似成线性关系,可知阴极的电子发射与F_N模型吻合很好,表明其发射为场发射,其性能比文献报道的用热蒸发制备的阵列化氧化锌的场发射性能要好[25]。这主要是由于氧化锌的二次生长,导致所得氧化锌阵列由上下两层组成,具有较高的密度以及较小的直径,在电场的作用下,更多的电子更容易从尖端的氧化锌纳米丝发射,从而降低了它们的开启场强和门槛场强。

  我们测试了硅基阵列化纳米ZnO的光致荧光谱,如图12所示。从图中可知,600~700℃和300~400℃下热蒸发合成的阵列化ZnO纳米丝的峰位分别在393nm(虚线)及396nm(实线)。PL谱上强烈的紫外光的峰证明:合成的ZnO纳米丝有较好的结晶性能和较少的氧空位缺陷。由于在高温区合成的纳米丝有较细的尖端,故有少量蓝移。

  通过上述针对纳米ZnO线(棒)的试验,我们能对硅基一维纳米的电学性能进行了初步的探讨。相信这些工作将为今后的硅基一维纳米材料在光电方面的应用提供一个良好的基础。

  半导体材料论文二

  引言

  激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱( 单、多量子阱 ) 等多种形式 ,制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延 (VPE)、分子束外延 (MBE)、金属有机化合物气相淀积 (MOCVD)、化学束外延 (CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[5].半导体激光器的应用范围十分广泛,而且由于它的体积小,结构简单 ,输入能量低 ,寿命长 ,易于调制和价格低等优点 ,使它已经成为当今光电子科学的核心技术 ,受到了世界各国的高度重视。

  1 半导体激光器的历史

  半导体激光器又称激光二极管 (LD)。随着半导体物理的发展 ,人们早在 20 世纪 50 年代就设想发明半导体激光器。

  20 世纪 60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器 ,是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在 1962 年 7 月召开的固体器件研究国际会议上 ,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯(Keyes)和奎斯特(Quist)报告了砷化镓材料的光发射现象。

  半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器 ,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层 ,如 GaAs,GaAlAs 所组成的激光器。单异质结注人型激光器 (SHLD),它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在 GaAsP 一 N 结的 P 区之内 ,以此来降低阀值电流密度的激光器。

  1970 年 ,人们又发明了激光波长为 9 000? 在室温下连续工作的双异质结 GaAs-GaAlAs( 砷化稼一稼铝砷 ) 激光器 . 在半导体激光器件中 ,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式 GaAs 二极管激光器 .

  从 20 世纪 70 年代末开始 ,半导体激光器明显向着两个方向发展 ,一类是以传递信息为目的的信息型激光器 ;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下 ,高功率半导体激光器 ( 连续输出功率在 100W 以上 ,脉冲输出功率在 5W 以上 ,均可称之谓高功率半导体激光器 ) 在 20 世纪90 年代取得了突破性进展 ,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加 ,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化 ,国内样品器件输出已达到 600W.另外 ,还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中 ,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长 ,可以很方便地对输出光束进行调制。

  20 世纪 90 年代末 ,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。

  目前 ,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络 ,为了满足 21 世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要 ,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带 LD、大功率 LD,短波长 LD,盆子线和量子点激光器、中红外 LD 等方面发展。

  2 半导体激光器的应用

  半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器。目前 ,已经广泛应用于通讯、测距、精密仪器加工 ,光集成的信息存储和信息处理等。在光纤通讯中 ,半导体激光器是光纤通讯系统的唯一实用化的光源 ,而且光纤通讯已经成为当代通讯的主流。到如今 ,它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。

  在激光测距中 ,激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确 ,其误差仅为其它光学测距仪的 1/5 到数百分之一 ,因而被广泛用于地形测量 ,战场测量 ,坦克 ,飞机 ,舰艇和火炮对目标的测距 ,测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。在精密仪器加工中 ,借助 Q 开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲 ,可以对集成电路进行切割、打孔等。

  在光集成的信息存储应用中 ,人们采用短激光波长读出光盘的内容 ,采用蓝、绿激光来提高光盘的存储密度。在信息处理应用中 ,表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源 ,且用于光计算机和神经网络中。此外 ,半导体激光器还运用在环境检测和医疗中。在环境检测中 ,通过分析光谱来分析环境气体 ,从而监测大气污染、汽车尾气等。在医疗方面 ,半导体激光除了用于软组织切除 ,组织接合 ,凝固和汽化等外 ,还用于激光动力学治疗 ,将与肿瘤有亲和性的光敏物质有选择地聚集在癌组织内 ,通过半导体激光的照射 ,使癌组织坏死 ,而对健康组织毫无损害。

  3 结论

  半导体激光器的波长范围宽 ,制作简单、成本低、易于大量生产 ,并且体积小、重量轻、寿命长。因此 ,品种发展快 ,运用十分广泛。虽然我国半导体激光器的研制和生产技术有了一定的基础 ,但要与国际上迅速发展的趋势相比 ,我国还有一些差距 ,这需要我们刻苦专研 ,努力创新。

  参考文献

  [1]张兴,等。微电子学概论[M].北京:北京大学出版社,2000,1.

  [2]刘树林,张华曹,柴常春[M].北京:电子工业出版社,2005,2.

  [3]付燕军,邹文栋,肖慧荣,甘月红。半导体激光器驱动电路的光功率控制的研究[J].红外与激光工程,2005,34(5)。

  [4]周崇喜,刘银辉,谢伟民,杜春雷。大功率半导体激光器阵列光束光纤耦合研究[J].中国激光,2004,31(11)。

  [5]王德,李学千。半导体激光器的最新进展及其应用[J].光学精密工程,2001,9(3)。

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