半导体材料范文第1篇

半导体材料应用有单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯;另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。

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半导体材料范文第2篇

关键词：有机半导体 材料 应用

1、前言

半导体材料是在室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电，室温时电导率一般在105～107欧·米之间[1]。有机半导体材料的系统研究始于20世纪60年代，并且在近几十年来取得长足进步，2000年度诺贝尔化学奖授予白川英树等三位从事导电聚合物研究的科学家，这标志着有机半导体材料科学已经进入新的发展阶段[3]。

有机半导体材料与传统的无机半导体材料相比有一定的相似性，它们在电导率、载流子迁移率[4]和能隙等方面存在着较多的类似点，应用领域[5]也有一定的相似性。但是有机半导体材料又具有许多不同于无机半导体材料的新特点，有机半导体材料具有质量轻、柔韧易加工性、可低温大面积成膜等特点，将低成本的有机半导体材料用于微电子及光电子器件的研究近年来受到高度重视。近几年来建立起来的超快光谱技术和超微结构表征方法为研究有机半导体的激发态提供了手段，使有机半导体激发态性质、激发态结构[6]的基础研究和应用研究迅速发展。成为目前国际上最活跃的研究领域之一。

2、常见的有机半导体材料

已知的有机半导体[7]有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等。有机半导体器件[8]对所有有机半导体材料有两点要求[9]：（1）高迁移率，以保证器件的开关速度；（2）低本征电导率，尽可能地降低器件漏电流，从而提高器件的开关比。

2.2 有机半导体材料分类

2.2.1 根据载流子传输类型划分

根据载流子传输类型[10～11]来划分半导体材料，无机半导体材料和有机半导体材料的划分标准是不同的。对无机半导体材料而言，它的N、P型主要取决于半导体中密度占优势的载流子类型，这是因为载流子是通过离域带（导带或价带）来传输的。因而，电子占多数的半导体为N型材料，空穴占多数则为P型材料。而对于有机半导体来说，对半导体类型的定义只能根据载流子输运能力大小来划分，这是因为有机半导体内部电子与空穴密度不存在明显差别，而且载流子是通过定域传输的，因而若一种有机半导体对电子输运能力“明显”优于对空穴的输运能力，则定义这种半导体为N型材料，反之则为P型材料。另外，如果对空穴和电子的传输能力相当，则把这种有机半导体材料称之为双极型材料。通常在有机半导体领域中也称N型有机半导体为电子传输材料，P型有机半导体为空穴传输材料。

2.2.1.1 P—型有机半导体材料

P型高聚物典型代表为烷基取代的聚噻吩，如典型的P型高聚物为区域规整聚32烷基噻吩能形成高度三维有序的聚合物分子链，但其场效应行为强烈地依赖于成膜所使用的溶剂。P型低聚物以噻吩及其衍生物为代表。实际上，历史上第一个制备出的OFET就是采用低聚噻吩为场效应材料。低聚物分子[12]由于可通过灵活改变分子链长度和引入官能团来调节分子轨道能级，因而在OFET中占重要地位。P型有机小分子[13]则拥有聚合物无法比拟的优点，如易于提纯，分子间的平面结构则大大降低了分子间的势垒，从而有利于载流子高速迁移；又因为其成膜工艺多，制备的半导体薄膜质量较好，目前部分有机半导体，如并五苯等已能制备成单晶，这大大提高了载流子场效应迁移率，拓展了OFET的应用空间。典型的P型有机小分子通常有并五苯、酚箐类化合物、苝、红荧烯等。

有机半导体材料中以P型有机半导体材料[14]为主，因此P型场效应材料研究进展比较迅速，种类也较多。另外，P型有机半导体材料的载流子迁移率和开关比，采用真空成膜的OFET性能大多比较优良。如单晶并五苯的OFET性能最好，大大超过了其它OFET性能，也大大超过了非晶硅薄膜晶体管。

2.2.1.2 N—型有机半导体材料

1990年第一个N—沟道OFET被报道，它采用双酞菁镥为场效应材料[15]，其器件性能一般，载流子迁移率为2×10—4cm2v—1·s—1（典型载流子迁移率约为1 cm2·v—1·s—1）。N—型有机半导体化合物对氧和湿度较敏感，从而造成场效应迁移率低和晶体管工作性能不稳定，因此N型有机场效应材料在数目上大大少于P型有机场效应材料。

为提高N型场效应材料[16]的稳定性和场效应迁移率，通常可通过调节其电子亲合能，如引入强吸电子基团—CN、—NO2或—F等来降低其LUMO能级，使得电子的注入和运输成为可能，这是目前获得高效N—沟道半导体材料的主要途径，或在其表面加一钝化层或完全包裹封装来实现。由于N型半导体材料较少、稳定性达不到要求，但它又是双极晶体管的重要组成部分，因而对稳定的高性能的N型场效应材料的研制是具有非常重要意义的。

同样地，N型场效应材料也分为高聚物、低聚物和有机小分子三类。目前，N型高聚物半导体材料不是很多。通过离子注入对PPV（聚乙烯）进行掺杂后，可以得到优良的工作性能和加工性能的N—沟道有机半导体材料。直到2000年采用蒸镀制膜，得到并五苯OFET的μe达到2.4 cm2/（V·s），Ion/Ioff达到108，分子晶体管的实现为晶体管微型化、大规模集成和超大规模集成奠定了坚实的基础。器件[17]的稳定性也有了很大提高，其中单晶二萘嵌苯的OFET性能最好，也超过非晶薄膜晶体管的载流子迁移率。

2.2.1.3 双极型材料

半导体材料范文第3篇

现在最高效的热电材料一般由铋、碲、硒等相对来说比较少见的无机半导体组成，这些元素昂贵、易碎，而且有些还有毒。有机半导体不仅便宜、储量丰富而且轻便、坚固，但一直以来，这类热电材料在热-电转化过程中的表现差强人意。无机半导体热电材料的热电转化效率几乎是有机半导体热电材料的4倍。

科学家们一般用“性能指数”这一值来反映材料的热电转化效率。目前，在室温下，最高效的无机热电材料的“性能指数”接近1；而有机半导体热电材料的“性能指数”仅为0.25。

现在，科学家们将最好的有机半导体热电材料聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）的“性能指数”提高了70%，达到0.42，为目前最好的无机半导体热电材料的一半。

PEDOT：PSS由PEDOT和PSS两种物质构成，PEDOT是EDOT（3，4-亚乙二氧噻吩单体）的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。PEDOT：PSS以前被用作有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池等设备的透明电极；也被用来做胶片等材料的防静电剂。

科学家们一般采用掺杂这一过程来增加材料的导电能力，当朝某种材料添加搀杂剂时，掺杂剂就给主材料提供了电载体，每个添加进去的电载体都能增强原材料的导电能力。然而，当在PEDOT中掺杂PSS时，实际上只有很少量的PSS同PEDOT结合，其余的PSS分子并没有离子化，化学活性也不强。研究人员发现，这些过量的PSS分子会显著抑制PEDOT：PSS的导电能力和热电性能。

该研究的领导者、密歇根大学机械工程、电子工程和计算机副教授凯文·派普表示：“不活跃的PSS分子会进一步将PEDOT分子推开，使电子更难在PEDOT分子之间跳跃。离子化的PSS分子会提高PEDOT：PSS的导电性，而没有离子化的PSS分子则会降低其导电性。”

半导体材料范文第4篇

关键词：氮化镓 室温铁磁性 MOCVD

电荷是电子最基本的一个内禀属性，以电荷自由度为基础的传统电子学造就了现代半导体工业的辉煌。然而除了电荷，电子还具有另外一个内禀属性——自旋。在传统的电子学技术当中，电子的自旋特性并没有被充分利用。随着科学技术的进步，怎样有效的操控电子自旋从而设计新型的器件引起了科学家们的广泛关注，同时也促进了一门新的交叉学科——自旋电子学（Spintronics）的发展。作为自旋电子学材料的一个重要组成分类，磁性半导体是指由磁性过渡族金属元素或稀土金属元素部分替代半导体材料中的非磁性元素后所形成的一类新型化合物半导体材料。相对于传统的磁性材料而言，其磁性元素的含量比较少，所以又称之为稀释磁性半导体。稀释磁性半导体在自旋电子器件的实现上有着很大的优势，在晶体结构上，稀释磁性半导体的制备完全可以借鉴现有的半导体制备工艺技术，在材料生长过程中进行同质外延，生长出高质量的薄膜，足以满足器件要求；另一方面，晶格中磁性离子介入后，能带结构由于塞曼分裂而产生巨大的自旋劈裂，从而产生自旋极化电流，所以完全可以充当自旋极化电流的源层应用到自旋电子学器件当中去。

目前关于稀释磁性半导体磁性起源的理论主要可以分为两类。第一类理论立足于平均场近似的前提之上。该理论认为，磁性离子均匀随机的以替位形式进入半导体晶格当中，并通过某种均匀场的形式相互耦合，从而对外显现出宏观铁磁性。第二类理论把磁性的产生归功于晶格中磁性原子集结成的纳米团簇，主要是指含量极少的磁性金属颗粒以及其他相化合物。而对于不同方法制备的稀释磁性半导体材料，其结构相对有所不同，也就导致了其磁学、光学以及输运性质的不同。在第一类理论之中，由Dietl等人提出的基于Zerner模型的平均场理论[1，2]被普遍接受用以解释稀释磁性半导体的磁性来源。Zerner模型最初被用来解释稀土金属的磁性起源问题，该模型认为磁性的产生来源于巡游电子与局域自旋之间的交换作用。Dietl等人发现基于该模型并结合考虑等效平均场、以及极化载流子诱导的离子间交换耦合作用的各向异性之后，可以很好的解释GaMnAs、InMnAs等DMS材料的磁学行为，并能相对准确的验证此类DMS材料的居里温度。尤为重要的是，该理论结果指出，当材料中Mn离子浓度达到5%、空穴浓度达到1020cm-3之后，ZnO、GaN以及其他一些半导体材料可以表现出室温铁磁性。虽然相对于目前的实验技术，这些条件比较难以达到，但该理论仍然掀起了ZnO、GaN基等稀磁半导体的研究热潮。N化物半导体材料具有比较小的晶格常数，从而使得价带轨道与磁性离子之间产生很强的杂化效应。所以，在N化物稀磁半导体材料内部，价带空穴和局域磁性离子间的自旋相关耦合相对比较大，而这种自旋相关的耦合效应正是载流子诱导的铁磁耦合的关键。

目前，GaN薄膜的制备方法主要有分子束外延技术（MBE，Molecular Beam Epitaxy），金属有机物化学气相外延技术（MOCVD，Metal Organic Chemical Vapor Deposition）和氢化物外延技术（HVPE）等。在各种生长方法中，前驱物的种类、衬底的选择、缓冲层的选择、生长温度等条件直接影响着薄膜的晶体质量。

由于Dietl等人根据理论计算表明，Mn掺杂的GaN材料其居里温度可以达到室温以上，所以大量工作很早就在Mn掺杂GaN领域展开，各种材料合成方法也被用来制备Mn掺杂的GaN材料，比如固态扩散[3]，分子束外延（MBE）[4]，离子注入（ion implantation）[5]和金属有机物化学气相沉积（MOCVD）等[6]。Reed等人[3]应用固态离子扩散的方式在MOCVD生长的GaN薄膜里成功的掺入了Mn离子。通过XRD和TEM表征证实，样品保持了很好的均一性，没有磁性第二相物质存在。VSM结果表明，样品具有室温铁磁性。更为重要的是，不同温度下输运性质的测量，显现很明显的反常霍尔效应，从而在一定程度上说明了VSM观察到的铁磁性为内禀铁磁性。Kane等人应用MOCVD方法制备出Mn掺杂、（Mn，Mg）共掺以及（Mn， Si）共掺GaN薄膜[7]，对于Mn掺杂浓度为0.8%的样品，他们观察到了明显的磁滞回线图，样品具有很明显的室温铁磁性。但是对于（Mn，Mg）共掺的样品，几乎没有铁磁行为存在。他们对样品进行了热退火处理，希望激活样品内部的Mg离子，但是经过退火的样品其导电特性和磁学性能和未退火时几乎一样。通过SIMS测量他们发现，当固定Mn有机源流量时，随着Mg离子浓度升高，生成样品中Mn的浓度不断下降。于是可以得出这样的结论，（Mn，Mg）共掺的GaN样品生长时，与Mn离子相比，Mg离子更容易进入GaN晶格；Mg离子的进入减少了Mn离子的浓度，从而大大降低了样品的铁磁性。

Fe掺杂GaN材料的研究工作早期作主要集中在电学和光学的性能研究上，各种制备方法也被应用到该材料的制备上来。H.Akinaga及其合作者采用低温MBE技术制备出均质Fe掺杂GaN样品，并用TEM、EXAFS等手段对材料进行了分析[8]。应用EXAFS技术对样品的局域微观结构进行分析，证实了绝大多数的Fe离子取代Ga离子进入晶格，并且保证了Fe原子周围晶格的短程有序性。Theodoropoulou等人通过离子注入方法制备出了含Fe离子浓度高达5%的p型Fe掺杂GaN样品[9]。他们用传统MOCVD工艺制备出空穴浓度为3×1017cm-3的P型GaN样品，随后把高能Fe离子注入样品之中。同样，通过TEM分析可以得出结论，样品中没有第二相物质或纳米团簇的存在。样品在低温（10K）时具有很明显的铁磁性，掺Fe浓度为3%的样品其居里温度更是高达约250K，然而5%样品的居里温度略低于3%的样品，该小组认为，这是由于随着注入离子量的增加，会引发更多的缺陷以及施主能级，降低了样品中的空穴浓度，从而减弱磁性。对于载流子诱发铁磁性机制来说，这是一个很好的结果。

Bonanni小组对MOCVD生长的Fe掺杂GaN以及（Fe，Si）、（Fe，Mg）共掺GaN薄膜也进行了细致深入的研究，并把成果发表在Physical Review Letters等杂志上[10]。他们对高浓度Fe离子掺杂GaN进行了研究。结果表明，Fe在GaN中的固溶度仅有0.4%，当Fe离子浓度远远大于其在GaN的固溶度时，便会以Fe纳米团簇和Fe3N纳米团簇的形式存在。尤为重要的是，该组通过同步辐射XRD和高分辨TEM对Fe掺杂GaN、（Fe，Si）或（Fe，Mg）共掺GaN材料进行了研究，在材料里观察到了亚稳态相分离现象，即观察到了不同区域Fe元素有显著差别，但晶格结构仍能保持原有GaN的晶格结构，并没有观察到其他相的存在。更重要的是，Si或Mg离子的掺入，为GaN材料带来了额外载流子，而这些载流子易于被Fe离子束缚中心所俘获。与晶格中的孤立Fe离子相比，束缚了空穴或电子的Fe离子相互之间的库伦相互作用被大大降低，从而抑制了富Fe区域以及Fe纳米团簇和Fe3N纳米团簇的形成。

为了生长出质量较好的Mn（Fe）掺杂GaN样品，我们采用在GaN上同质外延。首先在c面取向的蓝宝石（Al2O3）衬底上生长低温GaN缓冲层，然后在高温下（1050℃）生长高质量的未掺杂GaN薄膜，最后在上面继续外延Mn（Fe）掺杂的GaN薄膜。材料生长采用三甲基镓做镓源，甲基二茂锰（二茂铁）做锰（Fe）源，氨气（NH3）做氮源。稀磁半导体材料的光电磁等物理性质与材料中磁性离子的浓度直接相关，我们通过改变通入反应腔的Ga源Mn（Fe）源的流量比，从而改变GaN中掺入的离子浓度，尽可能在大范围离子浓度下对样品的各项性能进行研究。随着掺杂离子浓度的增加，GaN的晶体质量会受到很大影响，尤其是稀释磁性半导体材料，要求磁性离子的浓度远远高于传统的半导体掺杂工艺所达到的浓度。同时，不同掺杂浓度的样品，其结构和成份的变化也直接影响了材料的光学、电学以及磁学特性，所以弄清稀磁半导体材料的微观结构以及成分对于材料制备过程的优化以及自旋电子器件的实现至关重要。针对这些问题，我们对Mn掺杂GaN以及Fe掺杂GaN的结构、光学、电学以及磁学性能进行了详细的研究[11，12]。

如图1（a）所示，由X射线衍射测量结果可以知道，当Mn离子的浓度小于2.7%时，Mn掺杂GaN材料的XRD衍射峰除了对应宝石衬底和六角结构的GaN相外没有其他相的衍射峰，这说明该Mn离子浓度下的掺杂GaN晶体保持了单一的六角结构；而当Mn原子百分比为3.9%时除了宝石衬底和六角结构GaN相的衍射峰外，在θ值为18.3°附近还有一个很宽的衍射峰，这对应于六角结构的Mn6N2.58（002）晶面的衍射峰。由此我们可以认为，Mn离子在GaN中的最大掺杂浓度不大于3.9%，当离子浓度过大时，将会以其他相物质的形式析出。我们用超导量子干涉仪对薄膜进行了磁性测量，测量的结果如图1（b）所示，测量在5K温度下进行。除了Mn掺杂浓度为3.9%的样品，我们没有在其他样品中发现铁磁信号。样品3.9%中观测到了微弱的铁磁，我们认为这可能是由于样品中MnxNy类似化合物引起的。

图2（a）为Fe掺杂GaN材料的XRD衍射图谱，从图中我们可以看出，在低浓度Fe掺杂时（Fe浓度小于1%），没有其他相物质的出现，样品保持很好的晶格结构和晶体质量，而当Fe离子浓度较高时，样品内部出现了Fe3N等纳米团簇。图2（b）样品室温下测得的磁滞回线，我们可以看到，样品均体现出清晰室温铁磁，与低浓度样品相比，高浓度样品的饱和磁化强度有大幅度提高，我们认为这是由于样品中存在的第二相物质引起的。

为了研究并且比较一下Mn和Fe掺杂GaN材料二者的掺杂效率，我们定义了一个效率系数k，其计算过程由下式所示：k=（Dion/DGa）/（Pion/PTMGa）。其中，Dion和DGa为合成材料中磁性离子和Ga离子的浓度，pion和pTMGa为通入反应腔的磁性离子有机源（Cp2Fe， MCp2Mn）和三甲基镓（TMGa）的摩尔量。该式的物理含义不难理解，对于理想条件下，通入反应腔的有机源完全反应，所生成的掺杂GaN样品中的磁性离子与Ga离子比应等于通入反应腔的前驱物的摩尔流量比，即 k值应该为1。但实际样品制备过程中还要考虑到诸多其他因素，一方面，通入反应腔的有机源并不能按照摩尔比完全反应，另一方面，离子浓度还受到固溶度的限制，导致实际制备的样品中掺杂离子浓度要远远小于理想条件下。

通过该我们可以计算得到，对于样品Fe2和样品Fe4，k值分别为0.40和0.58，而对于样品Mn2和Mn3，k值则分别为0.10和0.07。Heikman小组曾经对MOCVD方法制备的Fe掺杂GaN也进行了类似的掺杂效率研究[13]，他们应用SIMS精确测量了材料中Fe与Ga的离子浓度，对于不同的样品，最后得到k值约为0.6，与我们的结果比较接近。对于Mn掺杂GaN材料，目前还没有相关研究结果报道，但是基于我们不同系列的Mn掺杂GaN材料生长经验，可以肯定，其掺杂效率要远远低于Fe掺杂GaN材料。

参考文献

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[2] T.Dietl，H.Ohno and F.Matsukura，Phys.Rev.B 63，195205（2001）.

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半导体材料范文第5篇

太阳能作为一种清洁无污染的新型能源，受到了各国政府和组织的青睐，而太阳能电池正是目前最主流的转换和储存太阳能的方式。数十年来，人类对太阳能电池高效率的追求从未停止。从简单的单晶硅太阳能电池，到异质结太阳能电池、薄膜太阳能电池，再到目前研究火热的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，光伏材料的能量转换效率不断被刷新。在对光伏材料的研究过程中，我们对半导体中载流子的运动规律有了清楚的认识，可以通过设计光伏结构和组分来调节载流子的输运行为，同时也发展了一系列新颖的实验观测手段。鉴于单节光伏电池的效率已经开始逼近肖克基（ShockleyQueisser）极限，因此很有必要对目前的光伏发展现状进行总结，同时对今后的新型光伏材料探索提供指导，本书就是以此为出发点而写作的。

全书共9章：1.传统的三维结构光伏材料，包括Si， 碲化镉（CdTe）， 铜铟硫（CIS），铜铟镓硫（CIGS），砷化镓（GaAs）， 氧化锌（ZnO）等。主要介绍结构设计过程对各项参数的不断优化，尤其是一些微纳米结构的设计。但是如何将微纳米结构中得到的高效率用于大规模实际应用仍是一个巨大的挑战；2. Cu2ZnSn（S，Se）4 （CZTSSe） 光伏材料。该材料最大的优势是所含元素地表储量丰富，成本低廉。本章主要介绍了CZTSSe材料不同的制备方法，包括脉冲激光沉积，磁控溅射、气相沉积等；3.详细分析Cu2ZnSnS4类型材料，通过元素替换和组分调控，实现能带调节与缺陷控制，最终得到最优的组合方式；4.ZnO光伏材料。介绍n型、p型和共掺杂的ZnO， 实现了结构调控与性能优化；5.利用可见光在TiO2/Metal/CdS三明治结构中实现产氢与光降解过程。主要介绍材料制备和表征方法，并对反应机理进行了分析；6.有机光伏材料。有机材料制备成本低廉，同时具有极好的可印刷性，是未来光伏电池领域极具应用潜力的材料之一；7.有机半导体光伏材料中的{米调控。通过掺杂和热处理等手段，实现能带的调控和最优的光伏性能；8.光伏电池的表征手段；9.太阳能光伏电池的实际应用。

本书内容详实，对从事光伏材料研究的科研人员和教学工作者是一本极好的参考资料。低年级研究生可以重点参考第8章，学习光伏材料表征的基本手段和分析方法。对于从事产业化研究的学者，学习第9章的内容也许大有裨益。对于绝大部分从事新型光伏材料的研究人员，从中汲取灵感，找到光伏材料新的发展方向才是最重要的。自瑞士联邦理工学院Michael Gratzel教授首次发现钙钛矿光伏材料的高转换效率以来，大批的科研人员投身于该新兴领域。2015年，华中科技大学陈炜教授在国际顶级期刊Science上发表文章，实现大面积钙钛矿太阳能电池的国际认可最高效率 （15%），为钙钛矿光伏材料的大规模产业化提供了可能，并且该效率仍有很大的上升空间，所以值得全世界的科研人员投入更多的精力进行研究。