硅基光子晶体的研究

硅基光子晶体的研究从真空管到超大规模集成电路，人类跨出了巨大的一步、半个世纪以来，电子器件的迅猛发展使其广泛应用于生活和工作的各个领域，它尤其促进了通讯和计算机产业的发展。

然而，进一步小型化以及在减小能耗下提高运作速度，几乎是一种挑战、由于电子器件是基于电子在物质中的运动，在纳米区域内，量子和热的波动使它的运作变得不可靠了，人们感到了电子产业的发展极限。

由于光子是以光速运动的粒子，以光子为载体的光子器件有比电子器件高得多的运行速度，光子在电介质传播每秒可以携带更多的信息，其传输带宽要远大于金属导线，并且光子受到的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高，人们转而把目光投向了光子，提出了用光子作为信息裁体代替电子的设想。

类似于电子产业中的半导体材料，光子产业中也存在着一种基础材料——光子晶体（Photonic Crystals ）。

光子晶体（Photonic Crystals ）是由具有不同介电常数（折射率）的材料按照某种空间有序排列的的其周期可与光波长相比的人工微结构。

介电函数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式，使光子带隙出现，当光的频率位于光子带隙范围内，它将不能在光子晶体中的任何方向传播。

因此，光子晶体也常称为光子带隙材料（Phtonic Band Gap Materials ）。

光子晶体将成为光电集成、光子集成、光通讯的关键性基础材料，所以光子晶体又成为“光学半导体”。

它广阔的应用前景使光子晶体成为当今世界范围的一个研究热点，得到了迅速的发展。

硅材料是现代集成电路工业的基础性材料，是人类制备工艺最成熟、研究最深入、了解最清楚的材料之一。

硅的折射率 较高（在波长为1.1μm 时n=3.53），满足完全光子带隙的光子晶体的要求，且硅对通信领域所采用的两个波长1.3μm 和1.55μm 来说是透明的，所以硅材料是制备光子晶体的良好材料。

近几年硅基光电集成取得了一些突破，研究硅基光子晶体，将大大促进硅基光电集成，全光集成技术的发展。

本研究方向着重研究硅基光子晶体和二氧化硅蛋白石光子晶体的制备和性质，研究采用自组装方法获得的蛋白石胶体晶体为模板，制备硅的反蛋白石结构，理论计算表明三维周期结构只具有赝光子带隙，这种由数百纳米的单分散二氧化硅小球自组装面心密排堆积而成的反蛋白石结构具有完全的光子带隙。

光子晶体的广阔的应用前景使其成为当今世界范围的一个研究热点铸造多晶硅及其他光电转换材料现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。

为此各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源。

作为最理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特点，而利用太阳能发电具有环保等优点，而且不必考虑其安全性问题。

所以在发达国家得到了高度重视，欧洲联盟国家计划在２０１０年太阳能光电转换的电力占所有总电力的1.5％，美国启动了“百万屋顶”计划。

在能源短缺，环境保护问题日益严重的我国，低成本高效率地利用太阳能尤为重要。

太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。

常规太阳电池简单装置如图1所示。

当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。

当光照在太阳电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给外界负载提供电流。

从本世纪70年代中期开始了地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本的转变。

以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。

单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。

目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。

但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。

另外，寻找适合铸造多晶硅表面织构化的湿化学腐蚀方法也是目前低成本制备高效率电池的重要工艺。

从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。

其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做。

本实验室该研究方向主要集中在对太阳能用直拉硅单晶和铸造多晶硅中杂质和缺陷规律的研究，表面绒面的制备和性质， SiNx减反射和钝化膜的制备，以及碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)等化合物太阳能电池材料的制备。

一维纳米半导体材料的研究纳米材料特别是纳米半导体材料研究是目前材料学研究的一个热点，被公认为是21世纪最有前途的学科之一。

欧盟委员会最近的调查认为纳米技术在10年后有可能成为仅次于计算机芯片制造的第二大制造业，科学家们认为，纳米技术的深远意义可与18世纪的工业革命相媲美。

如果说微电子技术推动了信息技术的高度发展，那么纳米光电子技术将在信息时代的下一阶段占据中心地位，并将发挥革命性的作用。

而在半导体材料中，半导体硅是一种非常重要的微电子材料，由于它的光电性能已经在微电子器件各个方面有了广泛的应用，对于它的研究也已经广泛而深刻。

但是当硅的尺寸到了纳米级以后，由于量子限域效应、尺寸效应等作用，使它在光电方面、机械方面表现出与常规硅材料不同的优异性能。

因此一维纳米硅材料以及其它一维纳米半导体材料将在场发射、扫描电镜探头、发光器件、单电子晶体管、可转换电池电极、以及MOS器件等领域中发挥重要作用。

我们采用低温气相沉积法、电化学和化学方法研究和制备一维纳米半导体材料，我们在高温高压条件下或运用阵列化氧化铝模板作为衬底，生长出符合半导体器件要求的阵列化可控纳米硅丝（硅管）以及CdS, ZnO, SiO2等其它一维纳米丝，其长度、直径和生长方向可以简单的调节。

同时，研究一维纳米半导体材料的生长机理、Raman 位移、PL光谱等性能。

对于它们的结晶性能的改善、掺杂、I-V特性、光波导、以及P-N结二极管特性方面也进行了一定的研究和探讨。

我们所需要的测试仪器包括：TEM、SEM、FESEM、AFM、STM、XPS、Raman Spectrum、PL、XRD、EDX、I-V测试仪等等。

超大规模集成电路用硅单晶材料的制备和缺陷工程人类经历了石器时代，铜器时代和铁器时代，在本世纪的六十年代进入了硅时代。

在硅材料基础上微电子工业的崛起，对本世纪世界经济和科技的高速发展起了决定性的作用。

在人类跨入21世纪的时候，超大规模集成电路的发展依旧很快，并仍然按照摩尔（Moore）定律发展，目前，国际微电子工业已进入深亚微米时代，主流硅晶片的直径是200毫米，特征线宽是0.18微米，生产着256M 的DRAM。

微电子已成为国民经济的支柱产业，在国家经济、国防和科技的现代化上起着举足轻重的作用。

毫无疑问，硅材料是微电子的基础材料，在过去的四十年，硅材料的发展直接促进了集成电路和整个微电子产业的进步。

国际半导体材料专家们共同认为，在本世纪前20－50年，硅材料作为微电子的基础材料是不会改变的。

在经济和技术发展的推动下，超大规模集成电路将“更快、更好、更便宜”，技术特征上将出现“硅片直径更大，特征线宽更小”。

深亚微米集成电路的超速发展对硅材料的科学研究和技术进步提出了新的挑战，它要求硅单晶材料“大直径、无缺陷”。

集成电路和硅单晶材料的大直径化的根本动力在于经济成本，国际市场竞争激烈，虽然从200毫米到300毫米的转变，整个工业界需要花费150-500亿美圆，但直径的增加，可以使每一硅片上的芯片数增加2.5倍，整体成本可以降低20-30%，因此，硅单晶材料的大直径研制和发展是必然的。

随着线宽的变小，在早期不成严重问题的微缺陷问题更加突现，如200毫米硅材料中出现的void微缺陷的尺寸在100纳米左右，对集成电路已形成致命的影响。

实际上，当单个缺陷的尺寸达到最小特征线宽的二分之一或三分之一时，将导致线路的失效。

因此，硅材料的发展，在今后20年中，其技术特征是大直径化，其关键的问题则是：晶体的完整性。

这完整性包括三方面，一是晶体生长中体材料的晶格完整，无缺陷。

二是晶体加工过程中表面的完整性。

三是器件制造过程中，器件有源区的晶格完整性。

本实验室从50年代初就开始半导体硅材料研究，至今已取得了一系列重要成果。

在硅单晶生长技术，探测器级高纯硅单晶，硅单晶中碳、氧的控制，以及硅单晶的电学测量等方面取得过重大成果，在国际上首创了减压充氮硅单晶生长技术获得国家发明二等奖l项，三等奖2项，省部级科技进步奖十余项。

本研究方向主要研究8－12英寸超大规模集成电路用硅单晶的制备、加工和缺陷工程。

揭示8-12英寸超（特）大规模硅集成电路（ULSI）用硅材料中轻元素杂质和缺陷性质以及相互作用规律，它们在热处理工艺中的演变，和对材料电学和力学性能的作用。

利用缺陷工程，减少或消除对超（特）大规模硅集成电路（ULSI）用硅材料的缺陷，提高和优化材料性能，为超（特）大规模硅集成电路（ULSI）的设计和制备提供理论依据和优质硅材料。