半導(dǎo)體材料Ca2Si的研究進(jìn)展

田川

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提升，在工業(yè)發(fā)展的過(guò)程中高新技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展水平也在不斷提升，其中半導(dǎo)體材料作為集成電路工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對(duì)于國(guó)家信息化建設(shè)有著深遠(yuǎn)的影響。集成電路在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中傳統(tǒng)上所采用的材料不可回收和降解，對(duì)于我國(guó)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不良的影響。為了適應(yīng)我國(guó)環(huán)境友好型社會(huì)和環(huán)境友好型工業(yè)的發(fā)展需求，環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料Ca2Si在目前集成電路設(shè)計(jì)和制作的過(guò)程中被廣泛地運(yùn)用，同時(shí)相關(guān)的工業(yè)企業(yè)也在不斷加強(qiáng)對(duì)于Ca2Si材料的研究，旨在為提升集成電路的發(fā)展質(zhì)量提供幫助。本文在開展研究的過(guò)程中旨在對(duì)環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料Ca2Si的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，探討其應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體材料;環(huán)境友好;Ca2Si

在我國(guó)電子工業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，Ca2Si作為環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，這不僅達(dá)到了環(huán)境保護(hù)的目的，而且有利于促進(jìn)我國(guó)信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造的過(guò)程中所采用的Ga、As、Pb等元素都有著十分良好的性能，但是這些元素大部分都有毒，很多元素已經(jīng)面臨著資源枯竭的情況，不能夠有效滿足我國(guó)對(duì)于半導(dǎo)體制作的需要。Ca元素在我國(guó)的埋藏量十分巨大，而且在制作半導(dǎo)體的過(guò)程中無(wú)毒無(wú)害，能夠有效發(fā)揮半導(dǎo)體在信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中的重要作用。

1 半導(dǎo)體材料Ca2Si的研究現(xiàn)狀

1.1 Ca2Si的晶體結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

Ca2Si的晶體結(jié)構(gòu)有著自身的特性，Ca2Si的兩種晶體結(jié)構(gòu)正交結(jié)構(gòu)和立方結(jié)構(gòu)都在半導(dǎo)體左右過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。正交結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為a=0.7677nm，b=0.4789nm，c=0.9012nm，晶胞當(dāng)中包含4個(gè)Ca2Si分析和12個(gè)原子;立方結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為a=0.7017nm，晶胞當(dāng)中包含4個(gè)Ca2Si分析和12個(gè)原子。通過(guò)XDR進(jìn)行分析和研究可以得出在兩種晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)中簡(jiǎn)單正交結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，在具體使用的過(guò)程中能夠達(dá)到更好的效果。

1.2 能帶結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

Ca2Si的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)于其利用有著十分重要的影響，直接關(guān)系到Ca2Si材料能夠在光電子領(lǐng)域當(dāng)中被廣泛地運(yùn)用，但是在實(shí)際研究的過(guò)程中對(duì)于Ca2Si材料的能帶結(jié)構(gòu)在理論和試驗(yàn)結(jié)果上都不具有統(tǒng)一性，在這方面有著較大的針輪。在對(duì)能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的過(guò)程中應(yīng)用了全勢(shì)線性增廣平面波（FLAPW）法和廣義密度近似（GGA）計(jì)算得出的Ca2Si能帶結(jié)構(gòu)，得出Ca2Si是直接帶隙半導(dǎo)體。這種研究結(jié)果表明Ca2Si材料能夠在光電子領(lǐng)域當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)用，并且能夠達(dá)到較為良好的效果。

1.3 光學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀

在對(duì)Ca2Si材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究的過(guò)程中主要進(jìn)行了兩方面的研究工作，一方面的研究工作針對(duì)其介電函數(shù)，另一方面的研究工作針對(duì)其吸收系數(shù)。在對(duì)介電函數(shù)進(jìn)行研究的過(guò)陳中結(jié)果表明正交結(jié)構(gòu)的Ca2Si化合物的介電函數(shù)是存在相當(dāng)大的各向異性，對(duì)于a，b，c方向的偏振光.E∥a與E∥c譜非常相似。在對(duì)吸收系數(shù)進(jìn)行研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在4.5eV以下能量范圍內(nèi)，Ca2Si的光吸收系數(shù)大于β-FeSi2，這使Ca2Si有望成為高效率太陽(yáng)能電池，同時(shí)與現(xiàn)有的非晶硅（a-Si）太陽(yáng)能電池組合，這對(duì)于目前太陽(yáng)能電池效率的提升以及制作出高轉(zhuǎn)換率的太陽(yáng)能電池具有十分重要的指導(dǎo)意義。

2 Ca2Si晶體的生長(zhǎng)及制備方法

2.1 熔融制備法

熔融制備法是一種傳統(tǒng)的Ca2Si的制備方法，在2004年之前很多材料學(xué)者都采用這種方法來(lái)制備Ca2Si塊材料，旨在對(duì)Ca2Si材料的晶體結(jié)構(gòu)以及光電性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。在具體制備的過(guò)程中是在惰性氣體環(huán)境下，在坩堝內(nèi)按照相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量2∶1的Ca和Si來(lái)制備Ca2Si。這種制備方法在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中所得到的晶粒比較粗大，不能夠?qū)ζ湮⒔Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制，但是制備方法簡(jiǎn)單，并且成本較低。

2.2 熱蒸發(fā)制備法

熱蒸發(fā)制備法是一種制備Ca2Si的一種全新的方法，這種方法主要可分為兩個(gè)步驟因此也被稱為蒸發(fā)熱處理兩步法。采用這樣方法能夠制備出單相的Ca2Si層，第一步制備是在Si襯底上生長(zhǎng)Mg2Si層，即在真空室里，加熱裝有Mg源和Si（111）襯底的容器并保持370℃高溫3h;第二步制備是生長(zhǎng)Ca2Si層，在生長(zhǎng)的過(guò)程中除了生長(zhǎng)的溫度和生長(zhǎng)的時(shí)間和第一步不同，其余方法都相同，這樣能夠制備出Ca2Si層。

3 Ca2Si制備及應(yīng)用應(yīng)注意的問(wèn)題

3.1 穩(wěn)定單晶薄膜的制備

在對(duì)Ca2Si材料進(jìn)行制備的過(guò)程中要尤其注意穩(wěn)定單晶薄膜的制備工作，因?yàn)镃a原子有很高的蒸汽壓，Ca原子很容易從硅襯底中蒸發(fā)出來(lái)，從而不利于Ca和Si的相互擴(kuò)散來(lái)形成Ca的硅化物。因此在制備的過(guò)程中要選擇合適的制備方法以及退火溫度，同時(shí)要達(dá)到制備器件的相關(guān)要求，薄膜必須具有一定的厚度，這是現(xiàn)在制備方法研究所需要考慮的。

3.2 Ca2Si的能帶結(jié)構(gòu)

Ca2Si材料制備的過(guò)程中，由于Ca2Si屬于直接帶隙，但是在具體試驗(yàn)和測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)的過(guò)程中有著很大的查核別，有一些研究表明Ca2Si的帶隙試驗(yàn)值為1.9eV，但是有一些的研究結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，因此需要開展進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究。

3.3 Ca2Si摻雜特性

Ca2Si具有摻雜特性，雖然在實(shí)際制備的過(guò)程中能夠制成單晶的Ca2Si塊體和薄膜，但是尤其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，至今沒有形成的三元硅化物的能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)目前沒有形成電子和光學(xué)的相關(guān)報(bào)告，需要進(jìn)一步研究和探索。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在開展研究的過(guò)程中主要對(duì)環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料Ca2Si的發(fā)展現(xiàn)狀和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，目前對(duì)于Ca2Si材料的研究主要集中在晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)等方面的研究，這些方面的研究對(duì)于Ca2Si材料更好地在半導(dǎo)體制作當(dāng)中應(yīng)用具有十分重要的價(jià)值和意義。其中對(duì)Ca2Si的研究還集中在Ca2Si材料的制備上，目前主要的制備方法有：熔融制備法、熱蒸發(fā)制備法以及其他制備方法，這些制備方法是利用Ca2Si進(jìn)行半導(dǎo)體制作的重要基礎(chǔ)。因此，在開展制備工作的過(guò)程中要注意穩(wěn)定單晶薄膜的制備、Ca2Si的能帶結(jié)構(gòu)以及Ca2Si摻雜特性，這樣才能夠讓Ca2Si材料更好地應(yīng)用到集成電路的制作當(dāng)中，更好地促進(jìn)我國(guó)信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔冬萌，任雪勇，付姍姍，周文娟.環(huán)境友好半導(dǎo)體Ca_2Si晶體生長(zhǎng)及其性能研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2008（05）：459-464.

[2]肖清泉，謝泉，楊吟野，張晉敏，任雪勇.環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Ca_2Si的研究進(jìn)展[J].山西科技，2007（02）：106-107+113.