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。
半导体照明是最近两三年内，世界各国探讨最多的照明项目之一。如果世界上一半的白炽灯和荧光灯用半导体灯代替，如果半导体灯的价格能降至普通消费者的消费水平，那这个世界不会再为电力紧张而发愁。那么半导体灯何时才能进入寻常百姓家呢？ 近年来，世界三大照明工业巨头——通用电气、飞利浦、奥斯拉姆纷纷与半导体公司结合，组建半导体照明公司。日本、美国、韩国、欧盟等也相继推出国家半导体照明计划。 顺应世界高新技术产业发展这一潮流，我国国家半导体照明工程协调领导小组也早已成立，科技部会同信息产业部、建设部、教育部、中国轻工业联合会、中国科学院等行业和地方，开始启动半导体照明工程。 神奇的半导体灯 半导体技术继引发了第一场产业革命——微电子革命后，正孕育一场新的革命——照明革命。随着第三代半导体材料氮化镓的出现，半导体技术正向人类奉献出又一成果：用半导体发光二极管（LED）作为新光源的固态照明——半导体灯，取代传统白炽灯和荧光灯。 国家半导体照明工程协调领导小组组长李健列举了两个数字：同样亮度下，电能消耗仅为白炽灯的1／10，而寿命则是白炽灯的100倍。“100倍是个什么概念呢？以一天点6小时计算，一盏灯就可用50年，你一辈子也用不了两盏灯。” 由于半导体灯具有节能、长寿命、免维护、易控制、环保等优点，所以业内人士普遍认为，如同半导体晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统灯也是大势所趋。荧光灯解决不了频闪问题，半导体灯却不存在，是真正意义上的“绿色照明”。 对于半导体灯来说，红光、黄光灯是低端产品，这种灯目前已实现批量生产，其中我国的生产成本最有竞争力，已用于道路照明、装饰等特种照明。低成本、高亮度、大功率的白光灯才是高端产品。美国最新开发出5瓦的白光灯，我国则可生产1．5瓦白光灯。但价格都太高，是白炽灯的十几倍。因此，日本、美国、欧盟等启动的半导体照明计划，主攻方向之一就是降低造价。他们提出的让半导体灯大规模替代白炽灯的时间表，大致在2006年和2007年。 美国能源部计划，到2010年前后，用半导体灯代替55％的白炽灯和荧光灯，每年可节约350亿美元。据测算，7年后仅在美国，半导体照明就可形成一个500亿美元的大产业。 四大基地争锋半导体民用照明 当厦门市政府副秘书长林守章前不久从科技部高新技术司领导的手中接过国家半导体照明产业基地的牌子时，意味着厦门与上海、南昌、大连一起成为国家四大半导体照明基地。 厦门“光源岛”计划提出，到2010年形成300亿元的产业规模，总投资将达到100亿元。江西南昌提出，通过5—7年的努力，基地达到年产值100亿元的经济规模。上海预测，到2010年实现销售100亿～120亿元，出口创汇3－5亿美元。上海将因此成为我国LED与光电子产业示范区、半导体灯产业技术创新示范区和产业集聚区。大连则宣称，将以民办官助的开发模式，争取在2至3年内把大连光电产业园建成中国乃至世界知名的光电产业基地，大连市政府还成立了“大连光电产业园”和“大连半导体照明工程基地”领导小组。 国家半导体照明工程协调办公室副主任吴玲指出，与国际先进水平相比，现在中国半导体照明技术落后三到五年，差距不是太大，以中国现有的技术基础和产业基础，有望通过阶段性的整体推进，最终形成有核心竞争力的中国半导体照明产业。 巨大的机遇 “我国发展半导体照明产业的机遇很好。”李健分析了几大有利条件。 第一，中国拥有巨大的照明工业和照明市场。我国现在是世界上第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。美国的年照明用电为6000亿千瓦时，约占用电总量的20％。我国人口5倍于美国，目前年照明用电才2000亿千瓦时，仅为美国的1／3，占全国用电总量的12％。这意味着照明工业在我国有着巨大的发展空间。全面建设小康社会，广大群众对新型照明更是有着旺盛的需求。 第二，我国在这个领域已具备一定的技术和产业基础。我国自主研制的第一个发光二极管，比世界上第一个发光二极管只晚几个月。专家认为，从总体上看，目前我国半导体发光二极管产业的技术水平与发达国家只相差3年左右。我国已初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装到集成应用的比较完整的产业链。尤其是封装已在国际市场上占有相当大的份额，我国生产的红光、黄光半导体灯在全球最有竞争力，优势就在于封装。 第三，半导体照明产业是一个技术密集型加劳动密集型产业，比较适合我们的国情，其风险和难度都低于微电子产业。 李健强调：“这样好的机遇我们必须紧紧抓住”。
半导体物理学是以半导体中原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子运动过程为研究对象的学科，是固体物理的一个重要组成部分，凝聚态物理的一个活跃分支[1]。半导体物理学是一门公认的难教、难学的课程，为了提高半导体物理学的教学质量，相关院校的教师们提出了许多有益的建议和有效的方法，如类比学习法[2]、多媒体教学法、市场导向法[3]等。基于提高课堂效率、改善半导体物理学课程的教学效果的目标，作者在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学的教学中，对传统的课堂教学模式进行改革，在半导体物理学的课堂教学中采用“学案导学”教学模式，该文就“学案导学”教学模式在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学课程教学实践作一简述，供同行参考。
1 半导体物理学课程教学模式改革的必要性和迫切性
传统半导体物理学的主要内容包含半导体的晶格结构、半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、非平衡载流子及载流子的运动规律、p―n结、异质结、金属半导体接触、表面及MIS结构等半导体表面和界面问题以及半导体的光、热、磁、压阻等物理现象[4]。但是近年来半导体物理发展迅猛，新现象、新理论、新的研究领域不断涌现。上世纪50～60年代，属于以固体能带理论、晶格动力学理论、金属―半导体接触理论、p-n结理论和隧道效应理论为主的晶态半导体物理时代；70～80年代则形成半导体超晶格物理、半导体表面物理和非晶态半导体物理三足鼎立的格局；90 年代以后，随着多孔硅、C60以及碳纳米管、纳米团簇、量子线与量子点微结构的兴起，纳米半导体物理的研究开始出现并深化；现在，以GaN为主的第三代半导体、有机聚合物半导体、光子带隙晶体以及自旋电子学的研究，使半导体物理研究进入一个新的里程[5]。
半导体物理学是材料科学工程专业（光伏方向）的核心专业课程，是太阳能电池原理等后续专业课程的基础。它是一门理论性较强同时又和实践密切结合的课程。要透彻学习半导体物理学，既要求有较强的数学功底，熟悉微积分和数理方程；又要求有深厚的物理理论基础，需要原子物理、统计物理、量子力学、固体物理等前置课程作为理论基础。由于材料科学工程（光伏方向）培养目标侧重于培养光伏工程专业技术人才，而不是学术型的研究人才，在课程设置方面有自己的独特要求，学生在学习半导体物理之前，没有系统学习过数学物理方程、量子力学、固体物体、统计物理等专业课程，所以理论基础极其薄弱，这给该门课程的教学带来极大的困难和挑战。而且半导体物理的理论深奥，概念多，公式多，涉及知识范围广，理论推导复杂，沿用“教师讲学生听”的传统课堂教学模式，学生学习兴趣不高，直接的结果就是课程教学质量较低，教学效果不好，学生学习普遍被动。面对发展迅猛的半导体物理和目前教学现状，如果不对“教师讲、学生听”的半导体物理学的课堂教学模式进行改革，难以跟上形势的发展。为此教师要在半导体物理学教学中采用了“学案导学”教学模式。
2 “学案导学”导学教学模式在半导体物理课程教学中的实施过程
“学案导学”教学模式由“学、教、练、评”四个模块构成。“学”，就是学生根据教师出示的教学目标、教学重点、教学难点，通过自学掌握所学内容。“教”，就是教师讲重点、难点、讲思路等。“练”，就是通过课堂训练和课后练习相结合，检验学习效果。“评”，就是通过教师点评方式矫正错误，总结方法，揭示规律。“学案导学”教学模式相对于传统教学模式的改革绝不是一蹴而就的课堂教学形式的简单改变，而是一项复杂的系统工程，包括教学模式的总体目标确定、教学内容的重新构建、导学案的编写、课堂教学过程的实施。
2.1 半导体物理学“学案导学”教学模式总体目标的确定
半导体物理学课堂教学模式创新的总体目标是：以材料科学工程专业（光伏方向）人才培养方案和半导体物理学课程教学大纲依据，以学生为主体，以训练为主线，以培养学生的思维方式、创新精神和实践能力为根本宗旨，倡导自主、合作、探究的新型学习方式，构建自主高效的课堂教学模式；注重学生的主体参与，体现课堂的师生互动和生生互动，关注学生的兴趣、动机、情感和态度，突出学生的思维开发和能力培养；针对学生的不同需求，实行差异化教学，面向全体，分层实施。
2.2 根据人才培养方案构建合理有效的教学内容
半导体物理学的教材种类较多，经典教材包括：黄昆、谢希德主编的《半导体物理》（科学出版社出版）；叶修良主编《半导体物理学》（高等教育出版社出版）；刘恩科、朱秉生主编《半导体物理学》（电子工业出版社出版）。该校教研组经过认真分析，选择刘恩科主编的《半导体物理学》第7版作为教材，该书内容极其丰富，全书共分13章，前五章主要讲解晶体半导体的结构、电子的能带、载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子理论等基础知识，第6章讲PN结理论，第7章讲金属和半导体的接触性能、第8章讲半导体的表面理论、第9章讲半导体的异质结构，第10、11、12章讲解半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应，第13章讲解非晶态半导体的结构和性质；该教材理论性很强，有很多繁杂的数学推导，要真正掌握教材所讲内容，需要深厚的数学功底和物理理论功底。该校材料科学工程专业（光伏方向）立足于培养光伏工程的应用型人才，学生理论功底较为薄弱，故我们对理论推导不做过高的要求，但对推导的结果要形成定性的理解。具体要求学生掌握半导体物理学的基本理论、晶体半导体材料的基本结构、半导体材料基本参数的测定方法。根据人才培养方案的要求，我们确定的主要理论教学内容有：（1）半导体中的电子状态；（2）半导体中的杂质和缺陷能级；（3）半导体中载流子的统计分布；（4）半导体的导电性；（5）非平衡载流子理论；（6）PN节；（7）金属和半导体接触；（8）半导体表面理论。对半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应以及非晶态半导体不做要求。在课程实践方面我们开设四个实验：（1）半导体载流子浓度的测定；（2）少数载流子寿命的测量；（3）多晶硅和单晶硅电阻率的测量；（4）PN节正向特性的研究和应用。
2.3 立足学生实际精心编写导学案
“导学案”是我们指导学生自主学习的纲领性文件，对每个教学内容都精心编写了“导学案”。“导学案”主要包括每章节的主要内容、课程重点、课程难点、基本概念、基本要求、思考题等六个方面的内容。以“半导体中的电子状态”为例，我们编写的导学案如下：
2.3.1 本节主要内容
原子中的电子状态：
（1）玻耳的氢原子理论；（2）玻耳氢原子理论的意义；（3）氢原子能级公式及玻耳氢原子轨道半径；（4）索末菲对玻耳理论的发展；（5）量子力学对半经典理论的修正；（6）原子能级的简并度。
晶体中的电子状态：
（1）电子共有化运动；（2）电子共有化运动使能级分裂为能带。
半导体硅、锗晶体的能带：
（1）硅、锗原子的电子结构；（2）硅、锗晶体能带的形成；（3）半导体（硅、锗）的能带特点
2.3.2 课程重点
（1）氢原子能级公式，氢原子第一玻耳轨道半径，这两个公式还可用于类氢原子。（今后用到）
（2）量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数表示。
（3）晶体形成能带的原因是由于电子共有化运动。
（4）半导体（硅、锗）能带的特点：
①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带。
②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。
③导带与价带间的能隙（Energy gap）称为禁带（forbidden band），禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。
④当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续。
课程难点：原子能级的简并度为（2l+1），若记入自旋，简并度为2（2l+1）；注意一点，原子是不能简并的。
基本概念：电子共有化运动是指原子组成晶体后，由于原子壳层的交叠，电子不再局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到另一个原子上去。因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。但须注意，因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层中转移。
基本要求：掌握氢原子能级公式和氢原子轨道半径公式；掌握能带形成的原因及电子共有化运动的特点；掌握硅、锗能带的特点。
思考题：（1）原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同，原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。（2）晶体体积的大小对能级和能带有什么影响。
2.4 以学生为主体组织课堂教学
在每次上课的前一周，我们将下周要学习的内容的导学案印发给学生，人手一份，让学生按照导学案的要求先在课余时间提前预习，对一些基本概念要有初步的理解，对该课内容要形成基本的认识。比如，我们在学习“半导体中的电子状态”这一内容时，要求学生通过预习要清楚：孤立原子中的电子所处的状态是怎样的；晶体中的原子状态又是怎样的；半导体硅、锗的能带有何特点。在课堂教学中我们的教学组织程序是一问、二讨论、三讲解、四总结。一问，是指通过提问，抽取个别同学回答问题，了解学生的自主学习情况。二讨论是指让同学们就教师提出的问题开展自主深入的讨论。例如就晶体中电子的状态这一问题，让学生讨论什么是共有化运动；电子的共有化远动是如何产生的；电子的共有化运动有何特征；电子的共有化运动如何使能级分裂为能带。让学生畅所欲言，充分发表自己的意见，教师认真聆听，发现学生的错误认识，为下一步的讲解做好准备。三讲解是指就三个方面的知识进行讲解，其一是就学生讨论过程中的错误认识和错误观点及时的纠正；其二是对学生不具备的理论知识进行补充讲解，例如学生不具备量子力学基础，就要给学生补充讲解量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方，电子的状态可用四个量子数表示；其三是就难点进行讲解，比如原子能级的简并度，学生理解起来较为困难，就需要教师深入细致地讲解；四总结就是归纳本堂课要掌握的重点知识，那些基本概念必须掌握，那些基本公式必须会应用。
【关键词】半导体物理与器件课程；物理学史；定性分析；形象化教学
0 前言
随着半导体技术和集成电路的飞速发展，现代半导体产业已经形成了设计―制造―封装测试的完整产业链，其应用覆盖了电脑、汽车电子、激光器、太阳能电池、光纤通讯、半导体照明及平板显示等各个领域，年销售额超过3000亿美元，已然成为国民经济发展中的重要战略产业[1]。作为掌握半导体技术的一门先导性课程，半导体物理与器件课程旨在研究半导体材料和器件的基本性能和内在机理，是研究集成电路工艺、设计及应用的重要理论基础。该课程理论较为深奥、知识点多、涉及范围广、理论推导复杂、学科性很强，对于学生的数学物理的基础要求较高[2]。而现行的教材特点及传统教学方式大都强调繁琐的理论推导，容易使学生陷入“只见树木，不见森林”的境地，在茫茫的公式海洋中逐步丧失学习兴趣，影响了课程的教学质量。因此迫切需要对这些问题与不足进行改革，优化和整合教学内容。本文从注重物理学史的介绍、理论推导与定性分析相结合、利用形象化教学、注重理论和实践相结合以及培养学生查阅文献能力五个方面，对课程的教学改革进行了若干思考，力求为学生呈现一个条理清晰、理论分析简练、物理图像明确、多方互动的教学过程，逐步培养学生学习半导体物理与器件课程的兴趣，促进教学质量的提高。
1 加强半导体物理学史的介绍
物理学是研究物质的组成及其运动规律的基础科学，是自然科学的基础。而物理学史是研究物理学概念、定律和定理的起源、发展、变化，揭示其发生、发展的原因和规律的一门学科，充分体现了人类认识自然界由简单到复杂、由表面到本质的认知过程，其中包含了大量的方法论和认识论，蕴涵了丰富的科学素质和人文精神。打个比方，在教学中讲物理学理论，会给学生以知识，而讲物理学史，则会给学生带来智慧。牛顿说过：“如果说我比别人看得远一点，那是因为我站在巨人的肩上。”著名的物理学家朗之万也曾指出：“在科学教学中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。”因此在半导体物理与器件的教学过程中，适当穿插物理学史的内容，把物理知识的来龙去脉作出历史的叙述，不但能激发学生学习兴趣、活跃课堂气氛，而且还具有以下两方面的作用：首先有助于学生对半导体物理与器件知识点的系统化。记忆一段充满探索者思索与创造、艰辛与执着、悲欢与激情的历史肯定要比一堆单纯、枯燥的公式容易多了。例如，半导体物理的理论基础就是量子力学，而量子力学之所以出现就在于诸多经典物理学无法解释的实验现象。从黑体辐射引出了普朗克的辐射量子化假设、光电效应引出了爱因斯坦的电磁波能量量子化、分立原子光谱的观测到原子模型的建立过程、再到德布罗意物质波理论、薛定谔方程的建立和求解以及能带理论的建立等等，了解了物理学史的发展，就系统地串联了课程的知识点；其次有助于培养学生的科学素养。科学素养与知识相比是更深层次的东西，是对知识本质的理解、内化和激活，它包含科学知识、科学思想、科学态度和科学方法。把知识教育的基本内容同历史发展过程结合起来，让学生了解科学家发现物理概念、物理规律的历史过程，循着科学家的思维方法和探索途径来“发现”物理概念和规律，敢于持怀疑、辩证的态度来看待科学问题，学会运用观察和实验、类比和联想、猜测和试探、分析和综合、佯缪和反正、科学假设等科学方法来研究问题，使自身的科学素养得到提升[3-4]。
2 理论推导与定性分析相结合
半导体物理与器件课程最典型的特点就是公式多，理论推导复杂，通常要求学生具有较高的数学物理基础。但是如果一味地追求理论推导，则容易让学生陷入困境，不知所措。例如在讲解量子隧道效应的时候，通常需要先求解一维无限高方势阱中粒子的薛定谔方程，以获得粒子在势阱中的波函数分布，然后再求解一维有限高方势阱粒子的波函数。这两个步骤涉及了大量的理论计算，尤其是后者的计算更为复杂，完全推导完需要耗费大量的时间和精力，也容易使学生感到反感。实际上，在求解获得一维无限高方势阱中粒子的波函数之后，就可以采用定性的方法去分析有限高势阱中粒子的运动行为。在一维无限高方势阱中，由于假设了边界处势垒能量是无穷大，因此波函数的导数在边界处是不连续的。然而在有限高势阱中，由于边界处的势能是有限值，因此不仅波函数在边界处连续，其导数在边界处也必须连续。可以想象，其波函数在边界处一定是渐变的，势必延伸到势阱外，亦即波函数在势阱外也不为零，说明势阱中的粒子有通过势垒的可能性。按照经典物理的理解，粒子将会百分之百被势垒弹回，而不可能通过势垒，但在量子力学中就完全不同了，一部分粒子将穿透势垒到势阱外，这种现象就称为隧道效应。同样在考虑粒子穿透势阱的概率问题。也可以采用定性分析的方法。例如，粒子的质量、具有的能量、势垒的高度、还有势垒的厚度，它们与穿透概率之间可能的关系是什么。采用类比的方法引导学生进行定性分析，好比一个人要穿越一堵墙壁，如果墙的高度一定，那么弹跳能力好的人，肯定更容易翻墙而过。弹跳能力的好坏可以视为粒子具有的能量大小，因此可以很直观理解，穿透概率和粒子能量的若干次方成正比关系，能量越大，越容易穿越。同样可以举墙壁高低、胖子瘦子翻墙等例子来定性探讨微观粒子的隧穿行为。
3 充分利用形象化教学
为了能够让学生直观理解半导体物理与器件中各种抽象的物理概念、模型，需要采用形象化教学方法。一方面要利用现代多媒体教学手段，制作必要的课件来模拟物理模型以及相关的物理过程。同时要善于利用周围的环境来帮助学生理解物理概念和模型。如教室里规则排列的座位和男女同学，在课程的教学中就非常有用：座位可以抽象成二维的晶体点阵，座位上全部坐男同学是一种情况，座位上全部坐女同学又是另一种情况，虽然物质构成不同了，但是点阵结构相同，很好地诠释了晶体结构等于点阵加基元的概念。利用座位还可以讨论晶向、原子线密度、晶列间距等概念。在讨论电子，空穴导电机制的时候，把坐满人的座位看着满价带，教室最前面一排空着的位置看成空带，人的移动好比电子的移动，这样很容易理解在外电场作用下，价带、空带以及导带的导电行为，同时对于电子激发后产生的空穴及运动行为也提供了更为形象的认识。再比如，利用工科班级女生远比男生少的特点，可以说明少数载流子（女生）和多数载流子（男生）的概念。假设班级有4个女生，40个男生，当有光照产生非平衡载流子时，例如产生5个女生和5个男生，显然非平衡载流子对于少数载流子的影响要远远大于对多数载流子的影响，通过这种形象类比的方式，就能帮助学生很好地理解为什么非平衡载流子都是指非平衡少数载流子的原因。
4 坚持理论与应用相结合
学习半导体物理和器件就是为了在理论知识和实际应用之间架设一座桥梁。在教授理论知识的同时，一定要多举一些应用的实例，这样不仅有利于学生理解理论知识，还可以大大提升学生学习的动力，培养专业兴趣。例如讲完量子隧道效应后，其典型的应用实例就是扫描隧道显微镜（STM）的发明。通过对STM工作原理的分析，并制作动画模拟其金属针尖扫描样品的表面和收集隧道电流的过程，激发学生的兴趣。结合PN结空间电荷区的形成以及光生载流子的知识，讲解太阳能电池的一般工作原理和设计思路，进而拓展到整个光伏产业的发展和当前形势。在电子受激辐射的基础上说明激光的产生和应用。结合能带理论和载流子的产生与复合说明发光二极管（LED）的工作原理，以及LED照明工程的发展和进展。在学习晶体管工作原理的基础上，让学生进一步了解现代集成电路朝纳电子方向发展所遇到的挑战和发展轨迹[5-6]。通过理论和实践应用的高度结合，可以让学生不光看见树木，还看见森林，理解学习半导体物理与器件是为了“学以致用”。
5 培养学生文献调研的能力
教师课堂的授课只是传播知识的一种途径，而大学的教育更重要是要培养学生的自我学习能力。网络是当今科技发展的重要产物，网络上也充满了各种各样的丰富知识，培养学生通过网络进行资料调研对于半导体物理与器件课程的学有裨益。在文献调研的过程中，让学生充分、及时地了解半导体产业发展的相关动态，学会“精读”和“略读”文献，在吸收文献知识的基础上，进一步条理化、规整化课堂所学的内容，甚至有所创新。具体教学过程中，可以针对不同的知识点，安排学生课后进行相应的文献调研和总结，并以PPT的形式做一个简短的文献汇报。让学生与教师互换角色，加强互动，互相促进。
6 结语
《半导体物理与器件》课程的教学改革是顺应半导体技术和产业发展的必然要求，尤其对于工科的学生，更要了解物理问题是从哪里来的，并发展应用到什么地方。在教学的过程中，要避免盲目繁琐的公式推导，避免单一的教学方式，通过引入物理学史、定性分析问题、形象化教学等教学手段促进学生学习的兴趣，提高课程的教学质量。积极推动高等学校人才的培养和学科建设工作。
【参考文献】
[1]施敏.半导体器件物理与工艺.2版[M].苏州：苏州大学出版社，2002.
[2]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]胡化凯.物理学史二十讲[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.
[4]徐克尊，陈向军，陈宏芳.近代物理学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2008.
【关键词】宽带半导体材料 电子机构 性质
Ⅱ-Ⅲ2-Ⅳ4型三元化合物，为具有缺陷黄铜矿结构的宽带半导体材料，材料电子机构优化性强，弹性以及光学性质好，用于光学设备乃至电光器件等的制造中，在提高设备性能方面，价值显著。本文以密度泛函理论为基础，对缺陷黄铜矿结构半导体CdAl2S4的电子机构、弹性及光学性质进行了分析：
1 宽带半导体材料模拟计算方法
以密度泛函理论为基础进行模拟计算。将CdAl2S4拆分开来，分为Cd、Al以及S三个部分，三者的价电子组态存在一定差异，Cd电子组态为4d105s2、Al电子组态为3s23p2、S电子组态为3s23p4。电子与电子之间存在的交换关联势，以PBE泛函作为基础进行描述。参数设计情况如表1。
从表1中可以看出，半导体材料参数如下：
（1）动能截断值：500eV。
（2）布里渊区k点网格8×8×4。
（3）原子作用收敛标准：10-3eV/A。
（4）自洽精度：10-6eV/atom。
2 宽带半导体材料的电子机构与性质
2.1 宽带半导体材料的电子机构
从晶格结构、能带结构方面，对宽带半体材料CdAl2S4的电子机构进行了研究：
2.1.1 晶格结构
宽带半导体材料CdAl2S4的原子中，不同原子的空间占位不同，具体如表2。
考虑不同原子在空间占位方面存在的差异，应首先采用晶格优化的方法，提高材料结构本身的稳定性，CdAl2S4的晶格结构参数以及键长如下：Cd-S键长2.577、Al1-S键长2.279、Al2-S键长2.272。a实验值2.553，计算值5.648。
2.1.2 能带结构
宽带半导体材料CdAl2S4的能带结构如图1。
图1显示，宽带半导体材料CdAl2S4的价带主要由三部分所构成，分别为低价带、高价带与最高价带：
（1）低价带：低价带即能量最低的价带，包括S的s态以及Al的s态等部分，通过对半导体材料CdAl2S4的低价带的观察可以发现，S与Al两者中所包含的原则，具有较高的结合性质。
（2）高价带：与低价带相比，高价带的能量相对较高，判断与Cd原子有关。观察图1可以看出，半导体材料CdAl2S4高价带Cd-d态的局域性较强。
（3）最高价带：最高价带的能量最高，一般在-5.4-0eV之间，该价带包括上下两部分，两部分所包含的能态各不相同。以导带部分为例，其能态一般在3.395eV-6.5eV之间。
2.2 宽带半导体材料的性质
从弹性性质、光学性质两方面，对宽带半导体材料CdAl2S4的性质进行了分析：
2.2.1 弹性性质
晶体相邻原子的成键性质等，与弹性性质存在联系。从宽带半导体材料CdAl2S4的各向异性因子，该材料的弹性性质呈现各向异性的特点。
宽带半导体材料CdAl2S4的延展性与脆性，与弹性同样存在联系，简单的讲，材料的延展性与弹性呈正相关，材料脆性与弹性，则呈负相关。通常情况下，材料的延展性与脆性如何，可以采用体模量与剪切模量之间的比值来确定，当两者之间的比值在1.75以下时，说明材料的延展性较差，脆性较强，弹性性质较差。相反，当两者之间的比值在1.75以上时，则说明材料的延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强。
通过对宽带半导体材料CdAl2S4体模量与剪切模量之间的比值的计算可以发现，比值为1.876，较1.75大，可以认为，该材料的延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强。
2.2.2 光学性质
半导体材料的光学性质，属于其物理性质中极其重要的一方面，在光学仪器等的研制过程中，对半导体材料的光学性质十分重视。宽带半导体材料CdAl2S4的本质来看，该材料晶体为四方晶系单光轴晶体，各向异性显著。
将光谱能量确定为0-20eV，对材料的光学性质进行了研究，发现半导体材料CdAl2S4的光子能量在3.5eV以下以及12.5eV以上的区域，而不存在在两者之间，可以认为，该材料晶体的光学性质具有各向异性。另外，研究显示，该材料的反射系数可达到0.85，强放射峰在紫外区域，可以认为，宽带半导体材料CdAl2S4具有紫外探测以及紫外屏蔽的光学性质。
3 讨论
宽带半导体材料CdAl2S4电子机构相对稳定，延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强，具有紫外探测以及紫外屏蔽的光学性质。未来，应对宽带半导体材料的性质进行进一步的研究，以开发出该材料的更多功能，确保其价值能够得到更好的发挥。
4 结论
鉴于宽带半导体材料CdAl2S4在电子机构以及弹性性质和光学性质方面存在的特点及优势，可以将其应用到紫外探测以及紫外屏蔽等材料的研制过程中，使之优势能够得到充分的发挥，为社会各领域的发展发挥价值。
参考文献
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关键词：氧化锌，稀磁半导体，铁磁性
0.引言
当代和未来信息技术都占据着重要的地位，因此随着社会的不断发展,对信息的处理、传输和存储将要求更大的规模和速度。半导体材料在信息处理和传输中有着重要的作用，半导体技术应用了电子的电荷属性；磁性材料在信息存储有着重要的应用，磁性技术利用了电子的自旋属性。但是半导体材料都不具有磁性,磁性材料及其化合物都不具有半导体的性质，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，即在GaAs、GaN、ZnO等半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，这种通过掺杂而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，人们称其为稀磁性。在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性离子所形成的一类新型半导体材料，称之为稀磁半导体。
1. 发展现状
1.1 掺杂具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子
在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子，结果发现样品的室温铁磁性对制备技术、生长条件等都有很大的依赖关系。侯登录等人[1]采用磁控溅射法在Si基底上制备Fe掺杂的样品，发现铁磁性是其本征性质。。Liu等人用化学气相沉积法制备了Co掺杂的样品，分析发现掺杂Co的ZnO样品铁磁性与Co的不纯相ZnCo2O 4无关。Akdogan等人用射频磁控溅射法制备了掺杂不同Co离子浓度的的样品，分析得出氧原子的自旋极化对样品长程铁磁序的形成有重要作用，且Co原子的掺杂引起了ZnO的本征铁磁性。Parra-Palomino等人研究发现样品的铁磁性与ZnO中的缺陷有关。
1.2 掺杂具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子
在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子，于宙等人[2]用化学方法制备了Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料，分析发现该材料的铁磁性是由Mn离子对ZnO中Zn离子的替代作用引起的。Robert等用射频磁控溅射法制备了掺杂Cr的ZnO样品。分析发现H原子占据了O的位置并产生了一个深的施主缺陷从而增强了自由载流子数和铁磁的超交换作用，进而导致了样品的铁磁性。
1.3 掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等金属离子
研究发现在ZnO样品中掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等离子样品也可以显示出室温铁磁性。刘惠莲等[3]用柠檬酸盐法合成了一系列掺Cu样品，研究发现铁磁性是其本征性质。Ma等人用脉冲激光沉积法制备了掺杂Al的ZnO样品，发现样品铁磁性与Al原子和Zn之间的电荷传输有关。
1.4 多元素掺杂ZnO基稀磁半导体
邱东江等人[4]用电子束反应蒸发法生长了Mn和N共掺杂的薄膜，发现样品的室温铁磁性很可能源于束缚磁极化子的形成。Gu等人用射频磁控溅射法制备了掺杂Mn和N的ZnO样品。分析发现样品为室温铁磁性,这可能与N原子的掺入使空穴的浓度增加有关。Shim等人用标准固态反应法制备了掺杂Fe、Cu的ZnO样品，发现掺杂Fe、Cu的ZnO的铁磁性起源于第二相。且Fe原子进入ZnO并取代Zn原子是产生铁磁性的主要原因。宋海岸等人[5]在Si(100)衬底上制备了Ni掺杂和(Ni、Li)共掺ZnO薄膜样品。研究发现铁磁性的起源可以用电子调制的机制来解释,Ni-ZnO中的施主电子形成了束缚磁极化子,束缚磁极化子能级的交叠形成自旋-自旋杂质能带,通过这些施主电子耦合即Ni2+原子之间的远程交换相互作用导致了铁磁性。
由于掺杂ZnO是一个新兴的研究方向，因此人们对其研究结果不尽相同有的甚至相反，例如对于Fe掺杂的ZnO基稀磁半导体，Parra-Palomino等人发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用载流子交换机制来解释，侯登录等人[1]发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用局域磁偶极子作用机制来解释。又如对于掺杂样品的铁磁性是样品的本征性质还是非本征性质方面人们的观点也不尽相同，Shim等人发现铁磁性是掺杂Ni的ZnO样品的非本征性质。Akdogan等人发现Co原子的掺杂引起了样品的本征铁磁性。对于掺杂所引起的样品磁性方面，Liu等人研究发现掺杂Co的ZnO样品具有铁磁性，而Tortosa等人发现掺杂Co的ZnO样品是顺磁性的。研究发现样品的铁磁性与制备方法、生长的气体环境、气体压强、生长时间、退火温度、退火时间、掺杂剂量、掺杂元素的种类以及相对含量均有很大的关系。
2. 结论
目前, 对于ZnO基稀磁半导体材料的研究主要集中在两个方面:(1)优化生长参数,获得高质量的薄膜。。(2)选择不同掺杂元素与掺杂量,通过单掺杂或共掺杂,提高薄膜的居里温度,奠定其应用基础。
通过对单掺杂金属的ZnO样品及共掺杂的样品的结构分析、以及电学、磁学、导电性等性质的分析，发现对于相同的掺杂，样品铁磁性的强弱不同，有的结论甚至相反。这与样品的制备技术不同、以及不同的生长环境有关。通过各种制备方法及不同制备工艺得到的ZnO薄膜的性能存在较大的差异,而且可重复率比较低。铁磁性来源和机理分析还需要进一步的系统性研究。。对样品的铁磁性起源理论众多。目前关于稀磁半导体材料铁磁性根源的解释有多种，有载流子交换机制(可以解释具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni、V、Cr、Cu、Al等元素掺杂的情况）。载流子导致的铁磁性与反铁磁性竞争机制（可以解释Mn、Cr、Co等元素掺杂的情况）。局域磁偶极子之间相互作用机制（可以解释V、Ni等元素掺杂的情况）。
在实验和理论的统一方面还存在有许多的矛盾之处,而且每种理论都只得到了部分实验证实.因此对ZnO基稀磁半导体的磁性机理的认识还需进一步的提高。可以在以下几个方面开展进一步的更深入的研究。一是改善样品的制备工艺，许多试验重复率很低说明样品的制备过程中有许多影响因素，有待于对其发现并掌握。二是改变掺杂的金属元素，传统的掺杂只对过渡金属进行了大量研究对于非过渡金属的相关研究很少。而且由单掺杂向共掺杂转变是一条很好的思路。
参考文献
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[5]宋海岸,叶小娟,钟伟等.(Ni、Li)掺杂ZnO薄膜的制备及其性能.纳米材料与界构.2008,45(12):698-702.
一、认真制订了学习计划，突出一个核心，做到三个结合
年初，根据省委宣传部、省委讲师团的理论学习热点和市委宣传部的具体部署，结合我县的实际，拟出了县委中心组学习计划，并送县委中心组组长审定。今年上半年的学习计划主要突出一个核心，做到三个结合。
1、把学习“三个代表”重要思想作为县委中心组学习的核心内容。“三个代表”重要思想是运用马克思主义最现实、最生动的教材。上半年县委中心组学习的核心内容就是学习“三个代表”重要思想。因此，在安排学习计划时，把学习“三个代表”重要思想贯穿于中心组学习的全过程。把学习“三个代表”重要思想同学习经济、政治、文化等方面的知识结合起来，努力提高运用理论分析和解决实际问题的能力。
2、把学习贯彻中央、省、市重大决策，树立科学发展观，同实现我县新跨越结合起来。县委中心组学习紧紧围绕全县工作大局，围绕中央的重大决策和重要战略部署来进行。因此，把全面准确深入学习领会中央一系列重要会议精神，做为一项十分重要的任务贯穿于学习安排中。认真学习领会党的重大方针、政策；认真学习领会中央、省、市各项会议的基本要求、方针、政策，重大决策和工作部署，增强全力实现我县新跨越的积极性、主动性和创造性。
3、把学习坚持立党为公、执政为民，同始终保持共产党员先进性结合起来。立党为公、执政为民是“三个代表”重要思想的本质要求，也是保持共产党员先进性的具体体现。因此，把学习领会和实践立党为公、执政为民，保持共产党员先进性这个本质作为重要内容。按照同志提出的为民务实、清廉的要求，切实转变作风，树立正确的政绩观，真正做到权为民所用，情为民所系，利为民所谋。今年上半年，县委学习中心组紧紧抓住了保持共产党员先进性教育，全体中心组成员切实摆正了位置、务实了作风。
4、把学习加强党的领导班子建设，同提高党的执政能力建设结合起来。同志强调，中央要求领导干部加强学习，根本目的是要提高我们执政兴国的本领，提高为人民服务的本领，提高不断开创中国特色社会主义事业新局面的本领。因此，上半年县委中心组学习与各项工作紧密结合，始终围绕提高领导干部理论素养，提高领导水平和决策水平，增强领导班子的凝聚力和战斗力来进行，切实提高了党的执政能力。
二、坚持了中心组学习制度，学习方式、方法有所创新
为使县委中心组学习步入制度化轨道，我们建立健全了学习制度，并结合双峰的实际，制定了《双峰县委中心组学习制度》，从而保证各项学习任务落到实处。
1、保障了充分的学习资料。根据学习需要，及时征订、购买了理论书籍以及辅导材料、音像资料等，及时收集整理相关报刊资料，推荐一些有价值的理论文章、社论、评论等，供中心组成员参考。如《条例》的学习，中心组成员每人配备了一本《条例》；保持共产党员先进性教育购买了大量的音像资料。
2、搞好了专题调研。每次学习前，都要求中心组所有成员密切联系国际国内形势和全县工作大局，结合我县改革发展稳定的实际，围绕全局性、战略性、前瞻性的重大问题，设计调研选题，提出调研方案，认真开展专题调研。如《中央一号文件》学习前，所有中心组成员都深入挂点乡镇和挂点村进行调查，找出了存在的突出问题，在学习中都得到了一一解决。
3、做好了充分的会务准备。每次学习都根据学习计划和学习情况，提出集中学习的建议方案，经中心组组长审定后，及时协调好集中学习的时间，并聘请有关专家和领导作学习辅导，落实重点发言人，拟发学习通知，准备学习资料，严格考勤登记，做好会议记录。
4、保存了学习档案。每次中心组学习的学习 请示、集中学习通知、学习材料、学习记录、学习考勤、发言提纲、学习综述和体会文章都存入了中心组学习档案。
5、及时通报了学习情况。每次县委中心组学习后，都形成了学习综述，以文件或学习简报等形式向下级党委（党组）通报了县委中心组学习的内容和收获，引导和推动了全县各二级中心组的学习。
6、认真组织了全县中心组的半年检查考核。7月份，由县委中心组成员组织了专门力量对全县各二级中心组的半年学习进行了全面的检查考核，及时发出了通报，并对下半年二级中心组的学习进行了指导。
在学习形式上以集中学习为主。今年上半年，县委学习中心组围绕学习贯彻十六大精神、学习贯彻“三个代表”重要思想、保持共产党员先进性、人口安全理论、“十一五”工业发展规划等主题，针对大家普遍关心的热点问题、重大理论问题，本着高规格、高水准先后邀请了省计生厅、湘潭大学、省委讲师团、市财政局、市委统战部等领导和知名教授为县委中心组集中辅导7场10个专题。其中《保持共产党员先进性教育专题讲座》、《财政法规和条例知识讲座》、《人口安全理论与实践专题讲座》和《对台形势分析》、《双峰“十一五”工业发展战略专题讲座》都扩大到了各乡镇书记、镇长、县直局党政一把手，取得很好的成效。
在学习方法上，做到五个结合，逐步形成了一套科学的学习方法体系。县委中心组在学习方法上做到集中学习与分散自学相结合，走出去与请进来相结合，在上面学与走下去讲相结合，理论研讨与实地考察相结合、独立思考与互相交流相结合，尤其是全面启动了“借脑引智”工程。
【关键词】半导体物理；CDIO实验；工程实践
半导体物理作为微电子技术专业的骨干课程之一，理论性和系统性均较强。其主要内容包括半导体的晶体结构和电子状态、杂志和缺陷能级、载流子的统计分布、载流子的散射及电导问题、非平衡载流子的产生，复合及其运动规律、PN结、金属和半导体的接触、半导体表面及MIS结构、半导体异质结结构等。内容多，学生专业基础弱，往往在后半学期学生出现进度跟不上，积极性下降，遗忘率高等问题，学习效果不太理想。其主要问题是教学方式的问题。
1 传统教学模式存在的问题
1.1 内容繁冗
传统半导体物理教学内容知识点多、内容广、理论推导复杂，学生学起来难抓重点，不利于激发学生的兴趣，也不能很好的引导学生进行思考。每节课的新知识点，让学生在短时间内很难消化他们这节课真正学到的是什么。同时对于电子行业来说，其发展速度是非常迅速的，新的理论和前沿技术不断涌现，想在有限的课时里涵盖所有内容显然不大可能，而此时学生的主动学习能力显得尤为重要。
1.2 重理论、轻应用
传统半导体物理课程的教学过程以理论讲授为主，缺乏实际应用的案例分析。整个半导体物理的教学过程，老师一直在不停的进行生硬，晦涩的理论推导、再给出结论这样的模式给学生传输知识。学生实践过程不够，因此工程应用能力较差。
1.3 配套资源不足
陌生的概念总需要找到与其相联系的实物才能更深刻的理解。学生之所以会对半导体的原理、特性等不能深刻理解并记忆是因为还无法与他们大脑里已有的记忆相联系，尤其是抽象的，学生从未亲眼见过的物理过程，所以完善的多媒体教学资源是我们现在非常缺少的。我们也开过一些仿真课程来辅助半导体物理的教学，但因为学生对仿真过程及其意义依然不能有较好的把握，所以辅助效果并不理想。
1.4 学科交叉不够
对于微电子专业来说，学科的交叉渗透非常多，但是因为不同课程由不同老师担任，所以有交叉性的综合知识涉及的不够多。半导体物理的老师只讲授半导体的基本概念、原理、特性等，学生并不知道这对他们以后要学的知识有什么意义和作用，没有目标的学习也是导致学生容易出现理解不深刻、遗忘、对所学专业的认知不够的原因之一。
2 课程教学改革的思路
除了学生直接的课堂感受给我们提出了必须进行教改的要求，同时因为目前工科院校的毕业生出现越来越难适应工业生产的需求的现象，因此，我们改革的人才培养模式除了要达到改善课堂的效果，同时也要解决高等工科教育与社会需求的矛盾。为此我校于2014年正式开始启动CDIO教学改革：以工程与应用为教学背景的改革。将CDIO教学理念与教学方法融入到具体的课程中，有意识的培养学生的“实践、探索、创新”能力，体现出工程教育的特色。
2.1 教学内容的改革
半导体物理因为研究领域非常广，涉及的知识点又较多，为了有较好的教学效果，教师需结合学生的培养方案，把握大体框架，对教学内容做适当的删减、整合。对此，我系任课教师在教学讨论上多次对内容进行斟酌，调整：对目前已非主流的内容进行删除；对前期已经涉及的内容进行简化，一般只讲其整体框架及其和后面所学内容的关联或运用；对后期学生可能重复的内容，比如PN结，也可做适当缩减。同时，为了提高学生的创新能力和探索兴趣，教学内容除了涵盖传统半导体物理教学内容，同时增加前沿技术的讲解，增加学生对微电子行业的了解。
2.2 教学方法的改革
在CDIO教学过程中，将改变老师负责讲，学生只负责听的教学模式，学生是主要的参与者，老师将只起辅助学生学习作用。
老师在整门课程开始之初，需介绍该门课程的主要内容，它讲的是什么，它和我们的生活，和微电子行业，和后续的课程有什么关联，结合应用说明我们要学习的内容是什么及如何一步一步对其进行学习，表达清楚其间的关联，先让学生对半导体物理有个整体认知。
每一章的起始阶段需要给学生提供学习思路框架，让学生清晰的知道本章的重点知识点是哪些，他们之间有什么关联，使学生对整章知识的来龙去脉有整体的把握，然后再让学生在这个框架里面去逐一理解，整个CDIO的教学就变成以学生自学为主，让学生在老师指导的方向下自发的去探索学习的过程。
为督促学生有质量的完成学习，教师需在课堂中将班级分为几个小组，5-7个人为一组，组织相应的讨论课，其内容可多样化。比如，理论讨论课：让学生互相讨论在探索学习过程中不能理解的知识点，有分歧或不肯定的内容可请求老师帮助；习题讨论课：通过习题巩固对理论知识的学习是必不可少的阶段。老师可出一些经典的题目，让学生分组讨论，共同完成。最课堂上，教师要带上相关的半导体器件，可辅助学生理解新的知识。后，老师再对所探索的知识进行不断的重复和总结，加深理解和关联（图1）。
最好的学习是应用。所以在半导体物理及后续课程学习完成之后，我系一般在大三下学期还会开设专门的系统工程设计课程。通过完成一个具体的项目，让学生不仅能巩固半导体物理的理论知识，也能将相关联的不同课程的理论及应用联系起来，让学生系统了解微电子技术。比如，智能小车的设计，无人机的设计等，让半导体物理的学习不止是停留在某一学期，而是贯穿在整个大学阶段，同时，也能让不同学科之间的内容相互交叉、应用，达到工程教育的目的。
2.3 考核方式的改革
基于CDIO的考核方式也不再以一张试卷作为考核的全部内容，要体现过程考核，知识及工程应用考核。在半导体物理的考核办法中，最终成绩由过程考核成绩和期末成绩构成，其中过程考核占50%，期末成绩占50%。其中过程考核包含出勤考核、讨论参与（下转第180页）（上接第132页）考核、工程能力考核。讨论参与考核方式根据授课方式不同较为灵活，可以是教师提问，根据学生回答情况进行考核，也可是学生自主上台讲解自己对今天内容的理解，根据学生的参与情况进行评定；工程能力考核则是根据学生作业情况，项目完成情况给分，为了提高学生合作意识，一般会将一小组的人捆绑给分，为了得到较高的分数，完成较好的同学需帮助较差的同学。将工程培养放在平时，而期末考核则注重对基础知识的理解和应用上（图2）。
3 结束语
在半导体物理教学改革中，将以CDIO先进的教育理念为指导，将知识、能力、素质的培养紧密结合、理论、实践、创新融为一体，构建符合现代工程院校新人才培养模式的课程体系，形成我院半导体物理教学特色。
【参考文献】
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