半导体材料设计(收集5篇)

半导体材料设计篇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。

半导体材料设计篇2

1渐进均匀化理论及其离散形

均匀化方法是针对周期性分布的复合材料的，首先应假定在宏观上非均匀的复合材料在细观尺度上呈周期性变化，如图1所示。且细观单胞尺度Y相对于宏观结构尺度X是一个很小的量μ，即Y=X/μ(0＜μ＜1)。图中Ω表示宏观区域，结构体受到体积力f，结构体的边界Γt上受到表面力t，Γu为位移被固定的边界。为了方便对均匀化方法进行数值计算，我们将其从张量形式转化成离散形式。宏观有效弹性常数计算式(2)和χkli的求解式(3)经有限元离散后为中:上标e表示单胞的有限元单元;［D］e是单元材料弹性性能矩阵;［B］e是单元的几何矩阵;［χkl］e是相对应单元节点的位移矩阵。

2微结构拓扑优化模型

本文对微结构进行有限元离散后，采用各向同性惩罚(SIMP)材料插值模型，对每个单元设定一个表示单元密度的连续变量x，以x为设计变量，且x∈［0，1］。则单元弹性矩阵与设计变量的关系为对上式参考复合函数微分性质以及周期性函的性质，得到均匀化等效弹性模量的计算公式，具推导过程见文献［9，10］。

3数值算例

微结构的拓扑优化设计区域为一正方形，单胞的三种边界条件如图2所示。实体材料的弹性模量E0=1000，泊松比v=0.3;材料为正交各向异性设计类型选取为平面应变问题，选用正方形四节等参单元。1)过滤半径对优化结构的影响优化目标为maxD11时，即取w=［1，0，0］，网格为20×20，材料体积约束取0.5，取不同的过滤半径进行灵敏度过滤的结果如图3所示。由图3可以看出材料呈水平纤维状，得到的结构水平方向的抗拉性能最优。由迭代收敛曲线及优化结果可以看出，选取过滤半径较小(f=1.4，微观单元边长为1)时，优化结果的棋盘格式有所改善但未完全消除;选取过滤半径f=2.0时，其优化结果最好且收敛速度快;选取过滤半径较大(f=5.0)时，优化构型出现模糊边界，且最优抗拉性能不及f=2.0时得到的最优解。通过引入灵敏度过滤技术棋盘格式得到了抑制，说明本文选用的敏度过滤法可以很好的消除网格依赖缺陷，优化构型。2)网格密度对优化结果的影响优化目标为maxD66，即取w=［0，0，1］，材料体积约束取0.5，网格划分分别取20×20、30×30和40×40得到的优化结果如图4所示。由图4可看出材料沿45°分布，可充分发挥材料的抗剪切能力，即材料获得最大剪切模量。不同的网格密度所得到的优化构型与最大剪切模量基本相等，说明网格疏密对最终拓扑结构的影响不大。网格细化对于得到的最优性能稍微有所提高但影响也不是很大。所以采用20×20的网格就可得到理想的优化结果，且运算时间较短。本文得到的优化构型与文献［11］采用MMA算法计算优化模型所得构型相比，材料分布规律基本相同。)惩罚因子对优化结果的影响优化目标为maxD66，惩罚因子p分别为2、3、4、5和6时，优化迭代曲线如图5所示，分别迭代为44、23、24、22和24步。由图5可知，随着惩罚因子的增加，目标函数收敛加快，但是最优值也随之减小。通过比较分析，惩罚因子为3时，即可加快收敛速度，又能得到较理想的目标函数最优值。本文中目标函数随惩罚因子变化的趋势与文献［13］中最刚微结构优化设计中趋势相似。

4周期性冲孔板设计

冲孔板广泛应用于建筑、机械等领域，如消音设备、制冷设备、音箱、滤清设备等，因而其种类繁多、形状各异。本文将弹性性能作为优化目标对铝合金冲孔板孔型(材料分布)进行设计，使其在不同工况下具有能发挥材料最大潜力的结构。有2A11铝合金(E=0.7×105MPa，ν=0.33)冲孔板孔洞百分比为40%，优化得到冲孔板的双向抗拉性能成一定比例w(w1=max0.5D11+0.5D22，图6a));w2=max0.6D11+0.4D22，图6b)以及最大剪切模量G(图6c))的构型及其优化迭代次数收敛曲线。双向均衡拉伸模量相等时，材料平均分布;当水平方向的比重增加时，材料在水平方向分布量也之增多。通过本文设计的优化模型，在保证材料限定用量的情况下，得到了具有期望力学性能的构件。

半导体材料设计篇3

【关键词】导数产品包装设计最大值最小值

近年来，饮料工业已逐渐成为我国食品工业中新崛起的一大行业。如何构想出一个外形教美观、手感较好，制造成品所需材料体积又较省的易拉罐是每个商家都力争的。只要稍加留意就会发现销量很大的饮料的易拉罐的形状和尺寸几乎都是一样的。看来，这并非偶然，这是高等数学中导数知识在包装设计中的最优化设计问题。

案例1：（易拉罐的设计）如果把易拉罐视为圆柱体，是否注意到大饮料公司出售的易拉罐的半径与高之比是多少？不妨测量一下，为什么这些公司会选择这种比例呢？若要设计一个容积为500的圆柱形容器，当其底面半径与高之比为多少时容器所耗材料最少？

分析：当设计易拉罐时，大饮料公司除考虑外包装的美观之外，还必须考虑容积一定的情况下，所用材料最少、焊接或加工制作费最低等。

解：设其底面半径为，高为，其面积为（1）

容积为（2）

将代入（1）式得，令，得唯一驻点。

因为此问题的最小值一定存在，此驻点即为最小值点，此时，即。

故当底面半径与高之比为1：2时，所用材料最少。

案例2：饮料瓶大小对饮料公司利润的影响

（1）你是否注意过，市场上等量的小包装的物品一般比大包装的要贵些？

（2）是不是饮料瓶越大，饮料公司的利润越大？

【背景知识】某制造商制造并出售球型瓶装的某种饮料.瓶子的制造成本是分，其中是瓶子的半径，单位是厘米。已知每出售1的饮料，制造商可获利0.2分，且制造商能制作的瓶子的最大半径为。

（1）瓶子半径多大时，能使每瓶饮料的利润最大？

（2）瓶子的半径多大时，每瓶的利润最小？

分析：根据净利润=利润总额-制造成本先建立目标函数，再转化为函数的最值问题求解。

解：设每瓶饮料的利润为，得

则，令，得驻点（舍去）

当时，，它表示为减函数，即半径越大，利润越低；

当时，，它表示为增函数，即半径越大，利润越高。

故当半径时，此时利润最小为；因，故此时利润小于0，表示此种瓶内饮料的利润还不够瓶子的成本。

当半径为时，此时利润最大为分。

案例3：请你设计一个包装盒.如图所示，是边长为60的正方形硬纸片，切去阴影部分所示的四个全等的等腰直角三角形，再沿虚线折起，使得四个点重合于图中的点，正好形成一个正四棱柱形状的包装盒.在上，是被切去的等腰直角三角形斜边的两个端点.设。试问取何值时，包装盒的容积最大？此时包装盒的高与底面边长的比值是多少？

分析：由实际问题抽象出函数模型，利用导数求函数最优解.

解：设包装盒的高为，底面边长为，由得

由，得，又包装盒为长方体，故容积

则，令，得驻点（舍去）。

当时，

由判定极值的第一充分条件得时，取得极大值，也是最大值。

此时，，即包装盒的高与底面边长的比值为1：2。

参考文献

[1]华东师范大学数学系.数学分析（第三版）[M].高等教育出版社，2001.

半导体材料设计篇4

关键词：微电子半导体制造封装技术

中图分类号：TN405文献标识码：A文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0070-02

微电子技术作为当今工业信息社会发展最快、最重要的技术之一，是电子信息产业的“心脏”。而微电子技术的重要标志，正是半导体集成电路技术的飞速进步和发展。多年来，随着我国对微电子技术的重视和积极布局投入，结合社会良好的创新发展氛围，我国的微电子技术得到了迅速的发展和进步。目前我国自主制造的集成芯片在射频通信、雷达电子、数字多媒体处理器中已经得到了广泛应用。但总体来看，我国的核心集成电路基础元器件的研发水平、制造能力等还和发展较早的发达国家存在一定差距，唯有继续积极布局，完善创新体系，才能逐渐与世界先进水平接轨。集成电路技术，主要包括电路设计、制造工艺、封装检测几大技术体系，随着集成电路产业的深入发展，制造和封装技术已经成为微电子产业的重要支柱。本文将对微电子技术的制造和封装技术的发展和应用进行简要说明与研究。

1微电子制造技术

集成电路制造工艺主要可以分为材料工艺和半导体工艺。材料工艺包括各种圆片的制备，包括从单晶拉制到外延的多个工艺，传统Si晶圆制造的主要工艺包括单晶拉制、切片、研磨抛光、外延生长等工序，而GaAs的全离子注入工艺所需要的是抛光好的单晶片（衬底片），不需要外延。半导体工艺总体可以概括为图形制备、图形转移和扩散形成特征区等三大步。图形制备是以光刻工艺为主，目前最具代表性的光刻工艺制程是28nm。图形转移是将光刻形成的图形转移到电路载体，如介质、半导体和金属中，以实现集成电路的电气功能。注入或扩散是通过引入外来杂质，在半导体某些区域实现有效掺杂，形成不同载流子类型或不同浓度分布的结构和功能。

从历史进程来看，硅和锗是最早被应用于集成电路制造的半导体材料。随着半导体材料和微电子制造技术的发展，以GaAs为代表的第二代半导体材料逐渐被广泛应用。直到现在第三代半导体材料GaN和SiC已经凭借其大功率、宽禁带等特性在迅速占据市场。在这三代半导体材料的迭展中，其特征尺寸逐渐由毫米缩小到当前的14纳米、7纳米水平，而在当前微电子制造技术的持续发展中，材料和设备正在成为制造能力提升的决定性因素，包括光刻设备、掩模制造技术设备和光刻胶材料技术等。材料的研发能力、设备制造和应用能力的提升直接决定着当下和未来微电子制造水平的提升。

总之，推动微电子制造技术发展的动力来自于应用设计需求和其自身的发展需要。从长远看，新材料的出现带来的优越特性，是帶动微电子器件及其制造技术的提升的重要表现形式。较为典型的例子是GaN半导体材料及其器件的技术突破直接推动了蓝光和白光LED的诞生，以及高频大功率器件的迅速发展。作为微电子器件服务媒介，信息技术的发展需求依然是微电子制造技术发展的重要动力。信号的生成、存储、传输和处理等在超高速、高频、大容量等技术要求下飞速发展，也会持续推动微电子制造技术在加工技术、制造能力等方面相应提升。微电子制造技术发展的第二个主要表现形式是自身能力的提升，其主要来自于制造设备技术、应用能力的迅速发展和相应配套服务材料技术的同步提升。

2微电子封装技术

微电子封装的技术种类很多，按照封装引脚结构不同可以分为通孔插装式和表面安装式。通常来说集成电路封装技术的发展可以分为三个阶段：第一阶段，20世纪70年代，当时微电子封装技术主要是以引脚插装型封装技术为主。第二阶段，20世纪80年代，SMT技术逐渐走向成熟，表面安装技术由于其可适应更短引脚节距和高密度电路的特点逐渐取代引脚直插技术。第三阶段，20世纪90年代，随着电子技术的不断发展以及集成电路技术的不断进步，对于微电子封装技术的要求越来越高，促使出现了BGA、CSP、MCM等多种封装技术。使引脚间距从过去的1.27mm、0.635mm到目前的0.5mm、0.4mm、0.3mm发展，封装密度也越来越大，CSP的芯片尺寸与封装尺寸之比已经小于1.2。

目前，元器件尺寸已日益逼近极限。由于受制于设备能力、PCB设计和加工能力等限制，元器件尺寸已经很难继续缩小。但是在當今信息时代，依然在持续对电子设备提出更轻薄、高性能的需求。在此动力下，依然推动着微电子封装继续向MCM、SIP、SOC封装继续发展，实现IC封装和板级电路组装这两个封装层次的技术深度融合将是目前发展的重点方向。

芯片级互联技术是电子封装技术的核心和关键。无论是芯片装连还是电子封装技术都是在基板上进行操作，因此这些都能够运用到互联的微技术，微互联技术是封装技术的核心，现在的微互联技术主要包含以下几个：引线键合技术，是把半导体芯片与电子封装的外部框架运用一定的手段连接起来的技术，工艺成熟，易于返工，依然是目前应用最广泛的芯片互连技术；载体自动焊技术，载体自动焊技术可通过带盘连续作业，用聚合物做成相应的引脚，将相应的晶片放入对应的键合区，最后通过热电极把全部的引线有序地键合到位置，载体自动焊技术的主要优点是组装密度高，可互连器件的引脚多，间距小，但设备投资大、生产线长、不易返工等特性限制了该技术的应用。倒装芯片技术是把芯片直接倒置放在相应的基片上，焊区能够放在芯片的任意地方，可大幅提高I/O数量，提高封装密度。但凸点制作技术要求高、不能返工等问题也依然有待继续研究，芯片倒装技术是目前和未来最值得研究和应用的芯片互连技术。

总之，微电子封装技术经历了从通孔插装式封装、表面安装式封装、窄间距表面安装焊球阵列封装、芯片级封装等发展阶段。目前最广泛使用的微电子封装技术是表面安装封装和芯片尺寸封装及其互连技术，随着电子器件体积继续缩小，I/O数量越来越多，引脚间距越来越密，安装难度越来越大，同时，在此基础上，以及高频高密度电路广泛应用于航天及其他军用电子，需要适应的环境越来越苛刻，封装技术的可靠性问题也被摆上了新的高度。

半导体材料设计篇5

【关键词】半导体材料与器件；双语教学；课程内容

0引言

随着信息时代的发展，对光电子专业类人才的需求也越来越大。大学教育作为培养人才的重要基地，承担了越来越重要的角色；向社会输送高素质的人才，要求对光电子专业课程体系教学不断更新改革，赋予其新时代的内涵。目前，还没有一本合适的教材能满足这个要求。另外，在教学方法上也缺乏行之有效的方法。

1课程内容的构建

半导体材料与器件这门课，应该涉及到半导体材料与半导体器件两个方面的内容，现有的教材在内容构建上往往偏重半导体材料，或是偏重半导体器件，很少能兼顾两者的材料与器件的平衡。图1为现有邓志杰等编的《半导体材料》的内容构建示意图，明显偏重于材料，对器件部分只做了简单的概述，如图1所示。类似的教材还有杨树人等编的《半导体材料》。由刘思科等编的《半导体物理学》这门课则大篇幅的介绍半导体物理相关的知识，而对半导体材料涉及较少。同样，由DieterK.Schroder编写的《SemiconductorMaterialandDeviceCharacterization，ThirdEdition》则大部分内容介绍器件特性，而对材料方面的相关知识介绍很少。同样，佛罗里达大学的FrankySo教授编著的《OrganicElectronicsMaterialsProcessingDevicesandApplications》则侧重于器件加工制备，RobertF.Pierret等编著的《SemiconductorDeviceFundamentals》则侧重于器件特性原理。

基于此，本人提出了全新的内容构建策略，该策略同时兼顾了半导体材料与半导体器件两个方面的内容。该策略结构示意图如图2所示，其内容分半导体材料与半导体器件两个部分，其中半导体材料包含：元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体和有机半导体，半导体器件部分包含三个部分的内容，分别是器件基础、二极管、三极管。

对比图1、图2不难看出，新编排的课程内容更简洁、更全面。其实，现有材料的课程内容编排上有很多的弊端，如知识点内容很相似，交叉重叠性大。如元素半导体，半导体电子材料、半导体光电子材料，在内容上有很大的交叠；非晶、有机和微结构半导体与掺杂半导体有很大的重叠，所以在新方案中将其并入掺杂半导体一章中来讲解，而前者并入到半导体一章中来讲解。可以看出，新方案更合理、简洁明了。

半导体材料与器件这么课程，其内容应该包含经典的无机半导体、新型有机半导体；器件内容应该包含经典的二极管、栅控二极管、三级管、结型场效应晶体管。其中，二极管的两个重要应用，即光伏电池、发光二极管、二极管存储器件，应该作为一个重要的章节进行介绍。

2课程内容的组织

在课程内容的组织上，按照由易到难、循序渐进的原则，以及材料-性质-器件应用的原则，先编排材料体系，后编排器件体系。材料体系包含：有本征的p-型材料、n-型材料，非本征掺杂型的p-型材料、n-型材料，以及新型有机半导体材料，包含宽带隙主体材料、窄带隙材料。从材料最基本的物理特性，即电阻切入，围绕电阻的构成因素展开内容，过渡到绝缘体、半导体、导体的概念，以及影响因素，引入到载流子浓度、掺杂、迁移率等概念，即本征的元素半导体向化合型、掺杂型半导体的思路展开。在引入材料的功函数这一概念的基础上，引入接触电阻、界面注入势垒，沿着这一思路自然过渡到肖特基二极管，栅控二极管、三级管等基本的半导体器件等系列概念介绍。该课程内容体系的组织，遵循着从基础性质到上层器件建设的原则，系统性、逻辑性很强，可以说是环环相扣，要求学生在学习的过程中，任何一个章节的内容都不能落下来，以避免给后继的内容学习造成困难。同时，该课程也要求授课老师对课程体系的内容有深刻的理解和清楚的认识，做到思路清晰，讲解有条有理。

3课程内容的编译

依照双语教学的原则，教材应该采用全英文编写。以往的双语教学经验表明，全英语的教材实施起来很困难，教学效果甚微，甚至比纯母语教学的效果更差。原因很简单，部分学生的外语底子薄，阅读纯英文课本很困难，尤其是专业英语教材，碰到长句、疑难复合句看不懂，专业名词更是不懂，甚至凭借网络翻译也找不到答案。确实，专业名词，尤其是半导体这门课的专业名词的翻译是比较少的。另外，有部分名词是用构词法得到的，词典里根本没有收录。这部分学生常常抱怨，中文都看不懂，还看什么英文啊！结果可想而知，什么都没学到，还不如采用中文版教材教学呢。

鉴于一门新课教材全部用英文编写的困难，可以部分章节采用中文编写，部分章节采用英文编写。对于构成半导体学科的三个基础理论，如肖特基理论、半导体能带理论、半导体导电机理、扩散理论，采用中英文对照的形式，以便于学生理解、掌握知识点。对于半导体特有的五大特性，如整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应，应做详细介绍；对于重要现象的发现，如霍尔效应，可以在教材中添加“知识园地”，以增强学生学习兴趣、掌握知识点。方便学生自学。

对于半导体材料部分，如元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体、有机半导体，可以采用中文的形式撰写。其中，元素半导体这一章内容比较难，涉及到原子在固态堆积中的排列，即晶体类型、晶格、晶胞结构等，用中文撰写更便于学生理解。同时，配合适当晶体结构模型，如经典的正四面体结构、面心立方结构、体心结构、六方体心结构、八面体结构模型，来剖析材料的微观结构特征。并且，这部分内容要求学生有一定的背景知识，如对物质结构这门课有初步的认识。接下来的两章，如化合物半导体、掺杂半导体，可以简化材料凝聚态结构的介绍。因为这两类半导体材料分子堆积结构与元素半导体类似，只是一个衍生结构。所以这两章的内容重点介绍化合方式以及掺杂形式。对于有机半导体，可以借鉴经典的元素半导体理论，所以结构部分可以简化，重在介绍有机半导体材料，包含其组成、特性与经典的制备方法。

对于半导体器件部分，其器件基础应该加以重点介绍，对于常见的半导体器件特性效应加以详细的描述，采用地道的英语教材，如ArizonaStateUniversity大学的DieterK.Schroder.编写的《SemiconductorMaterialandDeviceCharacterization，ThirdEdition》里面的第一、二、三、四章部分内容。该教材系统阐述了半导体材料一些基本特性，如电阻率、载流子密度、掺杂、迁移率、公函、接触电阻及界面势垒。重点内容有Schottkybarrierdiodes，solarcell，bipolarjunctiontransistors，light-emittingdiodes，MOSFETs。

4结论

本文针对半导体材料与器件这门课程的内容建设提出了全新的思路，重新编排了该课程内容，优化了课程内容的内涵，调整了半导体材料与半导体器件这两方面的内容比例，使内容的组织更平衡、更合理，并对课程内容的编译提出了新的思路，采用中英文对照使得知识点的阐述更清楚、母语教学更便捷，这将为电子类专业课程的双语教学提供新的参考。

【参考文献】

[1]龙国智.我国高校双语教学的现状评析[J].教育论丛，2011（2）：173-174.