第一篇：磷化铟晶体半导体材料的研究综述

文献综述

课题名称 磷化铟晶体半导体材料的研究 学生学院 机电工程学院 专业班级202_级机电（3）班 学 号 31120000135 学生姓名 王琮 指导教师 路家斌

202_年01月06日

中文摘要

磷化铟(InP)已成为光电器件和微电子器件不可或缺的重要半导体材料。本文详细研究了快速大容量合成高纯及各种熔体配比条件的InP材料；大直径 lnP单晶生长；与熔体配比相关的缺陷性质；lnP中的VIn心相关的缺陷性质和有关InP材料的应用，本文回顾了磷化铟(InP)晶体材料的发展过程 , 介绍了磷化铟材料的多种用途和优越特性，深入分析InP合成的物理化学过程，国际上首次采用双管合成技术，通 过对热场和其他工艺参数的优化，实现在60—90分钟内合成4．6Kg高纯InP多晶。通过对配比量的调节，实现了熔体的富铟、近化学配比，富磷等状态，为进一步开展不同熔体配比对InP性质的影响奠定了基础.关键词：磷化铟磷注入合成晶体 材料 器件

ABSTRACT Indium Phosphide(InP)has been indispensable to both optical and electronic devices．This paper used a direct P—injection synthesis and LEC crystal growth method to prepare high purity and various melt stoichiometryconditions polycrystalline InP and to grow high quality,large diameter InP single crystal in our homemade pullers．In this work，we have obtained the abstract this paper looks back the developing process on the bulk InP crystals, introduces vario us uses a nd superior character of the InP ma terials and a large quantity of high purity InP crystal material has been produced by the phosphorus in-situ injection synthesis and liquid encapsulated Czochralski(LEC)growth process．In the injection method，phosphorus reacts with indium very quickly so that the rapid polycrystalline synthesis is possible．The quartz injector with two Or multi-transfer tubes was used to improve the synthesis result．It will avoid quartz injector blast when the melt was indraft into the transfer tube．The injection speed，melt temperature，phosphorus excess，and SO on are also important for a successful synthesis process．About 4000—60009 stoichiometric high purity poly InP is synthesized reproducibly by improved P-injection method in the high—pressure puller．

Keywords：InP , P-injection synthesis, Crystal , Material, Device

引言

磷化铟(InP)是重要的Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体材料之一 , 是继 Si、Ga As之后的新一代电子功能材料。几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时 , 科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。1952年 Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半导体 , 而且某些化合物半导体如 Ga As、In P等具有 Ge、Si 所不具备的优越特性(如电子迁移率高、禁带宽度大等等), 可以在微波及光电器件领域有广泛的应用 , 因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。但是, 由于这些化合物中含有易挥发的Ⅴ族元素 , 材料的制备远比 Ge、Si 等困难。到 50年代末 , 科学工作者应用水平布里奇曼法(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生长出了 Ga As、InP单晶 , 但由于晶体太小不适于大规模的研究。1962年 Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半导体晶体 , 1965 ～ 1968 年 M ullin等人第一次用三氧化二硼(B2 O3)做液封剂 , 用 LEC法生长了 Ga As、InP等单晶材料 , 为以后生长大直径、高质量Ⅲ-Ⅴ 族单晶打下了基础 , InP材料的研究也才真正开始。但由于InP在熔点温度 1335±7K时 , 磷的离解压为27.5atm, 因此 InP多晶的合成相对比较困难 , 单晶生长也困难得多 , 就是说整个过程始终要在高温高压下进行, 所以 InP单晶就难获得 , 而且在高温高压下生长单晶 , 其所受到的热应力也大 ,所以晶片加工就很难 ,再加上 InP的堆垛层错能较低 ,容易产生孪晶 ,致使高质量的 In P单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的 InP抛光片要比 Ga As的贵 3～ 5 倍。而对 In P材料的研究还远不如 Si、Ga As等材料来得深入和广泛。只是在 70年代由于有人提出了 In P可能具有三能谷能带结构而使许多科学工作者的目光投向了 In P材料, 使 In P的研究形成了一次小高潮 , 但后来证明 In P和 Ga As一样是两能谷能带结构。但这一过程使国际上形成了一批专门从事 InP性质研究的科学家。随着 80年代 HEM T 技术和应用的迅速发展以及光纤通信事业的大发展 , 光电器件的走红 , 太阳能电池的大量需求, 极大地推动了与这些技术密切相关的 InP材料的研究和发展。

由于 InP材料的一系列优越性被发现 , 使其在军用、民用光纤通信、微波、毫米波器件、抗辐射太阳能电池、异质结晶体管等许多高技术领域有广泛应用 , 所以各技术先进国家普遍加强了对 InP材料的重视程度。北大西洋公约组织(N ATO)在 1980年就召开了三年一届的 In P工作会议并有专门组织进行管理 , 到 1989 年由于 In P材料与器件发展迅速 , 所以工作会议就改为由 IEEE 等国际著名组织主办的以 In P命名的国际性学术会议—— “磷化铟及相关材料国际会议(IPRM)”, 会议每年召开一次 , 1998年 5月在日本的筑波举办第 10届IPRM 会议 , 这次 IPRM’98会议将总结最近10年来国际上 In P发展的最新成果 , 并将举办隆重的 10周年庆祝仪式。中国大陆的两位学者已被邀请参加此次盛会。

美国国防部早在 1989年就把 InP和 Ga As 放在一起制定了专门的到 202_年的发展规划 , 其具体目标是到 202_年要有 6英寸的 Ga As单晶 ,而对 In P单晶材料是要有可靠的来源。从目前的资料看 , 他们的目标提前实现了。而到90年代中期 , 美国陆军制定了包括 InP技术在内的 20项关键电子技术 , 以提高其在21世纪的实战能力, 因为 In P的微波和毫米波单片电路能使陆军采用固态器件和相控技术来发展先进的雷达、电子战系统和通信系统。其它英、日、俄、法等技术先进国家也早在 70年代末就对InP单晶材料的制备和相关器件的发展给以极大的关注 , 所以目前仍是这些国家在此领域保持领先地位 , 并积极开拓市场 , 逐步将这一高科技军事领域的奇葩转化到民用工业上来 , 使之真正实现广泛应用。

我国的 InP材料研究起步并不晚 ,在 70年代就开始了 InP单晶材料的研制工作 , 到 1976 年就用国产自行设计制造的首台高压单晶炉生长出了我国第一根具有使用和研究价值的 InP 单晶。到 80年代初开始了我国自己的 InP基器件研制工作。在我国老一辈半导体材料专家中科院林兰英院士的始终关注下 , 尽管由于我国的基础工业还比较落后 , In P的应用在我国还远不如人意 , 但我国一直没有放弃这一重要领域的研究工作。我国的科学工作者在艰苦的条件下 , 在 InP多晶合成和单晶生长方面取得了许多成果 , 在某些方面的工艺技术还处于国际先进水平。

第一章 绪论

1．1 InP晶体概述

人类认识半导体的历史可以追溯到1782年以前，沃尔特(A．Volta)通过静电计对不同材料进行接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介 于其间的“半导体”，随后他也最早使用了“半导体”一词。1833年，法拉第(M．Faraday)发现了A92S具有负的电阻温度系数12J，史密斯(W． R．Smith)发现硒的光电导现象，布劳恩(F．Braun)于1874年发现了 PbS和FeS2与金属探针接触时的整流现象，揭开了人类研究半导体材料 的新篇章。20世纪成为人类在材料发展史中流光溢彩的辉煌历史时期，由于社会进步及军事电子技术发展的迫切需要，使人们意识到：未雨绸缪 的时候到了。于是一大批新型电子材料应运而生：1910年蒂埃尔(Thiel)等 首次报道了人工合成磷化铟(InP)材料，这成为了人类研究III．V族化合 物的最早记录；1929年，戈尔德施米特(Goldschmidt)首次合成了出了 GaAs，并指出其具有闪锌矿结构。1940～1945年，对PbS，PbSe和PbTe 作为红外探测材料进行了大量研究。1950年，用直拉(CZ)法制备出第一颗 锗(Ge)单晶．1952年，制备出第一颗硅(si)单晶；1954年，用区熔(FZ)法，水平(HB)法制备出砷化镓(GaAs)单晶；德国的Welker于1 950年代 初期开展了III．V族半导体材料的生长研究IlOl，1963年纳尔逊(H．Nelson)用液相外延法(LPE)生长了GaAs外延层，并做出了半导体激光器111|。1965年，耐特(Knight)首次用气相外延(VPE)法成功地制备了砷化镓(GaAs)单晶薄膜；1965年，Mullin等报道了GaAs单晶的液封直拉生长方法，1960年代末开始用LEC法生长InP和GaP单晶[13-151。从新材料家族中涌 现出来的新秀，不但为材料王国的兴盛带来了曙光，也为新一代军事电子装备的发展带来了希望。

与锗、硅材料相比，化合物半导体GaAs、InP具有许多优点：直接跃 迁型能带结构，具有高的电光转换效率；电子迁移率高，易于制成半绝缘 材料，适合制作高频微波器件和电路；工作温度高(400．450℃)；具有强的抗辐射能力；作为太阳能电池材料的转换效率高等。这些特性决定了 GaAs、InP等材料在固态发光、微波通信、光纤通信、制导／导航、卫星等 民用和军事等领域的应用十分广阔。

半导体技术的商业化生产历史可以看作是一系列工艺技术不断更新发 展的历史。第一个商业化晶体管是用锗(Ge)制造的，但在20世纪60年代 早期，硅(Si)器件很快就在性能和价位上超过了它。硅现在能确立在半导体工业中的统治地位，部分要归功于工艺技术的不断开发，使得硅器件在 集成功能性和价位上具有很强的竞争能力。第三种商业化半导体技术出现 于20世纪80年代后期，来自于化合物材料领域一一砷化镓(GaAs)，当时 曾有人预言GaAs将全面代替Si，20多年过去了，这种局面不仅没有出现，而且Si在更多的领域发挥出优异的表现。在1970年代中后期，以InP单 晶为衬底制作的长波长激光器首次实现了室温下激射后，lnP单晶开始逐 步引起人们的重视，到1980年代初期，InP基高电子迁移率晶体管的出现，使得InP在微电子领域也表现出优异的特性，而且人们认为可以在InP上 方便的实现光电集成，使相关领域产生巨大的飞跃，因此，1980年代后期 即有科学家预言半导体材料发展的第四次浪潮已经出现，认为InP及其相 关材料能够很快替代砷化镓的化合物半导体技术，用于高性能、大批量商 业应用中。确实，InP在光纤制造、毫米波甚至在无线应用方面都明 显地显示出使人信服的优于砷化镓的性能优点，我们相信这些优点将使 InP与其它材料拉开差距，但由于其性价比和很多实际工艺问题，GaAs、InP所扮演的角色只是发挥其各自优势，与其他材料间没有完全替代性的 关系。而且，化合物半导体材料的很多属性还远远未被了解，还有待于进一步深入探讨。InP的发展之路还充满了曲折与艰辛。但这一切正说明了 lnP继续值得深入研究的重要性。

InP的主要应用有以下几个方面：

光通信中所用的石英光纤的最小损耗波长是在1．3斗m～1．55I．tm。因此 这是光纤通信的两个主要窗口，前者用于短距离局域通信网，后者用于长 距离高速率的光通信系统。因为这些系统中必需的III．V族三元、四元合 金lnGaAs光探测器、InGaAsP激光器等在这个波长范围，而lnP与这些合 金晶格匹配。因此InP就是生产光通讯中InP基激光二极管(LD)，发光 二极管(LED)和光探测器等的关键材料，这些器件实现了光纤通信中信 息的发射、传播、放大、接收等功能。事实上，目前全球高速互联网就是建立在这些器件的基础上的。

InP也非常适用于高频器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质 结双极晶体管(HBT)等方面。因为与InP晶格匹配的lnGaAs外延层的载 流子浓度和电子迁移率非常高，超过与GaAs晶格匹配的A1GaAs，这些作 为高频器件的lnP基器件在超过几十GHz的频率范围有很大的应用前景。InP基器件在毫米波通讯、防撞系统、图像传感器等新的领域也有广泛应 用。集成激光器、光探测器和放大器等的光电集成电路(OEIC)是新一代 40Gb／sec通信系统必不可少的，可以有效提升器件的可靠性和减小器件的尺寸。OC．768(Optical Carrier 768，光载波768是SONET规范中定义的 传输速度。OC．768定义为光设备的传输速度为OC．1的768倍)作为宽带 综合业务数字网的一部分，是最快的同步光纤网络(SONET)的光纤数据 传输标准速度。为了适应日益增长的带宽需求，OC．768采用了密集波分复 用(DWDM)来在同一光纤上传输多重数据通路。新的DWDM系统现在 发展到每根光纤以10 Tbps的速度传输。这相当于一根光纤的理论容量能 够同时支持一个激活的Internet连接到美国的每个家庭。而OC．768的材料、元件基础就是lnP基相关器件。随着能带工程理论、超薄材料工艺技术及深亚微米制造技术的进展越来越显示出其异乎寻常的特性，成为毫米波高端器件的首选材料，受到广泛的重视，特别受到军方的青睐。

InP的带宽在1．4eV附近，因此可以制成高转换效率的太阳能电池。并由于其具有高抗辐射性能被用于空间卫星的太阳能电池。

以上这些情况使得磷化铟在目前现有的应用基础上能有更多可开发的 应用前景，比如，在共振隧穿器件方面的最新进展。而所有的这些应用都 基于高质量的InP衬底的提供。因此，开展InP材料的合成、单晶生长以 及特性研究对制备高质量InP基器件就特别重要。

目前研究的重点主要集中在以下几个方面：①发展InP多晶的直接合 成技术，简化合成工艺、降低成本。②发展大直径InP单晶制备技术，减 少孪晶，提高成晶率降低成本。③降低大直径InP单晶的位错密度。除采 用垂直梯度凝固技术(VGF)和汽压可控直拉(VCz)等工艺外，改善热场结 构，减少热应力，控制掺杂条件等工艺措施也可以实现这一目标。④完善 4英寸的InP晶片制备技术。尤其是改善材料表面质量。⑤提高半绝缘InP 单晶片的热稳定性，减少掺杂剂Fe的使用量。这也就是本论文主要研究的 课题内容。

1．2 InP半岛特材料的基本性能

磷化铟(InP)是由III族元素铟(In)和V族元素磷(P)化合而成 III-V族化合物半导体材料。InP具有闪锌矿结构，晶格常数5．869A。常温 下禁带宽度1．35eV，直接跃迁型能带结构，发射波长0．929m，熔点温度1335K。lnP与三元合金lnGaAs以及四元合金InGaAsP晶格匹配。这就是 为什么磷化铟作为波长在1．3．1．55微米光纤通信中的激光器和光探测器和 像HEMT、HBT等高频电子器件所必需的衬底材料。InP的带宽正好适合 高转换效率的太阳能电池。具有同样晶格常数的InGaAsP的带宽可以从 1．35eV转变为0．74eV(0．9．1．7微米)。通过改变InGaAsP的组分，它可以获得和InP衬底一致的晶格常数以适合光纤通讯所需的波长。

InP的晶格可以看作是两个互穿的面心立方晶格，其中一个是由In 原子构成，另一个是由P原子构成，这种结构也可看成In原子所构成的面 心立方晶格与P原子所构成的面心立方晶格沿体对角体(<“1>方向)互 相位移(1／4，1／4，1／4)套构(穿插)而成。因此，In原子被四个磷原子围 绕，形成四面体结构，如图1．1。这种结构除每个原子最近邻是异种原子 外，与金刚石结构是相同的，每个原子最近邻有4个异种原子，配位数为 4。若该原子位于一正四面体中心，则其最近邻的异种原子处于正四面体的 项角，其化学键为四面体键，键角为1 09。28 7。因为闪锌矿结构是立方 结构的一种，在使用(001)晶向衬底时，是四路对称解理的，因此特别适 合生产激光器件所需的做为激光谐振镜面的平行解理面。

图1．1 InP晶格结构及晶向示意图

从图1．1可以看到，所有(1l 0)面(族)上都包含In，P两种原子，而所有(1 11)面(族)上都只包含P或ln一种原子。共有8个(11 1)面，4个是(11 1)A面只包含In原子，另4个是(1l 1)B面，只包含P原子，在方向上，InP晶体是由一系列In，原子和P原子组成的双原子层依 次排列而成的。故其与两个晶向是不等价的，使其沿 方向具有极性。InP在熔点温度附近1335±7K时，磷的离解压为27．5atm，因此InP 多晶的合成相对比较困难。从目前的报道看，自然界中尚未找到天然形成 的InP块状晶体材料。但是人们还是发明了许多方法用以合成InP多晶和 4 第一章绪论 生长InP单晶。图1．2给出了lnP的能带结构示意图，表1．1给出了InP的 能带参数。

图1．2磷化铟的能带结构及载流子浓度

表1．1 InP能带的基本参数

表1．2 InP材料的基本参数

磷化铟的分子量为145．795，密度为4．7879／cm3，显微硬度为 435士20／mm。磷化铟单晶质地软脆，呈银灰色，有金属光泽。常压下磷化 铟为闪锌矿结构，在压力≥13．3GPa时，其结构变为NaCI型面心立方结构，空间群为05h-Fm3m。磷化铟的硬度比硅、磷化镓、砷化镓等小。这是磷 化铟比硅、磷化镓、砷化镓更易碎的主要原因，因而磷化铟的晶片厚度的 规格就要比硅厚很多。SEMI(国际半导体标准组织)规定了磷化铟的晶片 尺寸和标准。常温下磷化铟是稳定的，在长时间范围的观察，常温下，表面氧化速 度很慢。在360℃以上开始有离解现象，但800℃开放式退火10小时，表 面离解不明显。1 000℃以上离解加快，在1 062℃(熔点)的离解压为 2．75MPa。磷化铟在空气中加热时生成氧化膜。磷化铟与卤素发生反应，溶于C12、Br2的有机溶剂(如甲醇或乙醇)可作为InP的抛光腐蚀剂。磷化铟可溶于王水、溴甲醇。

磷化铟在室温下可以与盐酸发生反应。对于(100)InP材料，盐酸是 一种很有效的腐蚀剂，各向异性的腐蚀特性非常明显。InP与HC!．HN03 的混合液、氢卤酸．双氧水系也起反应，可作为腐蚀剂，用于厚度控制不严 格的表面抛光。含有Br2的氢卤酸与InP反应很快，其腐蚀速率在室温附近与温度关系不大，而是随Br2含量的增加而提高。以前的InP化学机械 抛光大量使用Br系的溶液，近期发展出一些无Br系的腐蚀液。磷化铟与碱性溶液发生反应，但反应速度缓慢。一般不做腐蚀液。

第二章 InP的加工合成技术

2．1合成InP多晶方法简介

高纯、近化学配比、无夹杂的InP多晶料是生产高质量InP的前提条 件。InP晶体的很多特性，都与起始原料，即多晶材料的特性相关，如材 料的配比度，材料的纯度，对晶体生长，晶体的电学表现，晶体的完整性，均匀性等都有很大的影响。从图2.1给出的磷的蒸汽压与温度之间的函数 关系来看，在熔点温度1062℃下lnP材料具有很高的离解压，大约为2.75MPa，此时，磷的蒸汽压超过了10Mpa，因此在单晶生长炉内像GaAs 那样将磷和铟直接合成磷化铟多晶非常的困难。因此，一般要在高压炉内 用高纯铟和高纯红磷首先合成InP多晶料，然后再进行晶体生长工作，但 是能够实现原位或准原位合成连续拉晶一直是科学家研究的方向。目前，已有多种合成InP多晶料的方法，包括：溶质扩散合成技术(SSD)，水平布里奇曼法(HB)，水平梯度凝固法(HGF)和原位直接合成法(In-situ Synthesis)包括磷注入法、磷液封法等。

图2．1磷蒸汽压与温度之间的关系

2．1．1溶质扩散法合成(SSD)溶质扩散法(SSD)1229-232]最早被用于GaP的晶体生长和InP的多晶合成。图2．2给出了SSD法合成InP的基本形式和温度曲线。SSD法从富 铟的熔体中生长的InP晶体所用的温度较低(900．1000℃)。In和P在真空 下密封在一个石英安瓿中，将P加热到一定温度以使P蒸气的压力低于一 个大气压。P蒸气溶解于In熔体中，直至达到饱和。由于坩埚底部的温度 低于In熔体表面的温度，溶解的P从熔体表面扩散到坩埚底部。当坩埚底 部的P增加并超过其溶解度时，就从坩埚底部合成并析出InP多晶。SSD 技术的优点在于生长温度低，有效的避免了Si的沾污，因此提高了纯度，用这种方法合成的多晶的载流子浓度可以达到10‘4cm。的水平。早期的结 果认为使用SSD技术生长的InP比HB法等其他方法的纯度更高。SSD技 术的缺点是和HB法相比合成量太少、速度太慢，目前基本不再使用。这 是因为P在In熔体中的扩散系数很小，而扩散又是SSD合成技术的主要 机制。使用这种方法成本太高，无法满足工业生产的需求，而从纯度方面 讲，其他合成方法通过改进工艺条件也可以达到需求。

图2-2 SSD法合成磷化铟示意图

2．1．2水平布里奇曼法(HB)和水平梯度凝固法(HGF)合成

在磷化铟晶体研究的早期许多研究者对水平布里奇曼法(HB)和水平梯度凝固法(HGF)合成磷化铟进行了广泛的研究1233J。这种方法是使磷蒸 汽和铟熔体反应合成磷化铟多晶。当铟熔体的温度高于磷化铟熔体的熔点，磷蒸汽就被铟熔体吸收，直到铟熔体全部转变为磷化铟熔体。因为铟熔体 的温度比熔点的温度高，而且P蒸汽与In熔体的接触面积远远大于SSD 法，因此合成速率比SSD法要高，但是从石英安瓿产生的Si的沾污也比较明显。通过采用pBN(热解氮化硼)舟可以大幅降低Si的沾污。但合成 时间仍相对较长，早期的工作中的一个重点就是防止由于压力不平衡造成 的“炸管”现象，现在由于压力传感器和计算机控制的使用，使得采用 HB／HGF合成InP的技术相当成熟。目前，工业上合成InP多晶的主要方 法即为HB／HGF法。目前可达到的合成时间和合成量为1 OO小时合成4KgInP多晶。目前，工业生产InP多晶时使用的三温区加热的高压HB法合成装置 如图2．3所示。其目的是克服以前的HB／HGF法的缺点。炉体采用高压釜 形式，内部炉体有三个区域，即铟熔化区，合成区和磷蒸气控制区。高纯 In在一石英舟或pBN舟内，高纯红P密封在一石英安瓿内加热。高压釜 中加入惰性气体如N2或Ar2，一般管内的P压要稍大于管外压力，通过压 力传感器的精确控制和计算机控温系统，使磷蒸汽从安瓿的一侧按照溶解 度溶解到铟熔体中。在高频加热区的温度最高，但是仍然低于磷化铟的熔 点，由于提高了溶解度，熔体中的磷不断增加，直至合成出配比多晶。

图2．3合成InP多晶用HB技术示意图

在HB技术中，为了能够得到理想纯度的InP多晶，无多余的In夹杂，而且合成速度理想，必须优化以下的参数：(1)In熔体的温度；(2)P蒸 气的压力；(3)舟的运动速度；(4)合成区的温度；(5)合成配比量；(6)舟的材料。In熔体的温度越高，P的溶解度越大，这样富P的可能性将降 低。但另一方面，由于温度的升高，In与舟反应，Si进入In熔体中，合 成的多晶料的纯度会降低。Si的沾污以两种方式发生。一是In与石英舟的 直接反应，如式：

可以通过加入In203防止此反应的发生。然而，加入In203会增加In熔体 中的O含量。发生Si沾污的另外一条途径是通过In蒸气。尽管In的蒸气 压低，但它与舟壁反应并产生SiO气体。SiO气体与In熔体反应并使Si 进入熔体。Janson考虑了SiO气体与ln熔体的热动力学。这些反应可以表达如式(2-2)和式(2．3)、(2．4)：

由于Si元素的沾污，使得InP多晶中的主要杂质就是Si。当使用6N铟，6N磷的原材料时，通常只能得到剩余载流子浓度n=ND--NA=1～5 X l 016 cm一，迁移率ll～3500 cm2／V．s(300K)量级的InP多晶材料。Yamamoto等通过研究在InP多晶中掺杂Si的分凝，证实了Si是主要 杂质。Dean等认为主要的施主杂质是S或者本身的缺陷1236J。使用pBN舟 可以使载流子浓度达到1015 cmo的量级，甚至有报道可以达到5 X 1014 cm。的水平[64,2371。P蒸气的压力越高，InP多晶越少富In，但是石英管炸裂的可能性就 越大，瞬间压力变化也容易产生。在多晶生长的过程中，In熔体中的P饱 和，InP就会沿液相线温度从饱和的In熔体中析出。如果舟的运动速度比 析出速度快，那么In熔体在生长界面上来不及反应而形成富In。合成区的 温度会影响纯度和生长速度。当此温度增加时，生长界面处的熔体中P的 饱和成分与液相线的温度增加会使生长速度增加，而且析出的In会减少。然而合成区的温度增加，从前述纯度的角度来说是不希望发生的，即会造 成Si的沾污。因此合成区温度的增加显然会增加InP多晶中的载流子浓度。通过优化前述的合成参数，可以得到少富In或者不富In的多晶InP。如果 采用pBN舟进行HB法合成，也能得到高纯的InP多晶。而且，目前的脱 舟技术也越来越成熟，使得使用pBN舟的成本得到有效的控制。Yashida等开发了一种梯度凝固法来合成多晶和晶体生长。在一个经过喷砂和打磨的石英舟中将铟和磷合成多晶，防止了多晶料粘在石英面上，而且防止了Si的沾污。然后经过梯度凝固可以生长晶体。用这种石英舟获 得的多晶料的载流子浓度可以达到5X 1015cm。的水平。

但是HB／HGF技术，从原理上还是一种通过溶解进行合成的方法，工 艺上合成量越大则合成时间越长，Si的沾污也越明显(可能来自石英管壁)，并且“炸管”的可能性也越大，并且无论什么形式的合成舟，增加In的重 量都非常困难，而且增加石英管的直径，势必要求更大口径的高压釜，成 本也将迅速增加。目前，InPact公司的常规合成量仅1．25Kg，锭条长 300mmI配J。其他公司采用的合成量也基本在1．4Kg，使得用这种方法合成 lnP的成本始终居高不下，这也说明，高纯In、P和高纯Ga、As的单位价 格接近，而InP晶片高于GaAs晶片5．10倍的重要因素。

2．1．3直接合成法

直接合成技术为在更快的合成速度下生产更高纯度的InP晶体提供了可能，是InP合成方法的发展方向。对于直接合成，已经研究了三种方法：磷蒸气注入技术；液态磷液封技术；在压力非常高的腔内直接合成铟和磷。

尽管三温区HB法被用于工业化生产磷化铟多晶，但是由于在高压容 器内用磷注入法合成多晶的速度快、成本低，因此很有可能成为一种非常 可行的方法。由于这种方法所具有的明显的优点，所以很多研究者开展了广泛的研究。用这种注入法，磷与铟的反应非常快，因此快速合成完全可以实现。而且这种方法也非常容易增加产量，因此这种方法有可能在未来 成为大规模生产磷化铟多晶所使用的方法。实际上Bliss等为此已经开发了一个新的系统[243]。然而，这种方法因为很难找到磷注入时的合适的熔点温度因而很难获得配比的多晶。如果这种方法要成为工业化生产所用的 话，配比熔体的控制度就是最关键的技术之一。Inada等发明了一种多晶合成和晶体生长同步的方法。其反应原理见图2.4，合成示意图见2．5。用这种方法铟和磷都放在坩埚中。坩埚顶部盖有一个加热罩。这样使得在这个温区磷蒸汽加热分解到这个壁后形成液态的磷。这样液磷滴到铟熔体中与铟进行瞬间反应，直到全部反应为磷化铟熔体。剩下的液态磷作为液封剂防止晶体生长中磷的离解。多晶合成后晶体生长可以不经冷却连续生长。该方法基本实现了原位合成，连续拉晶的概念，但因为固态红磷在转变为液态磷的过程中，会有大量的挥发，使得使用石英观察窗进行晶体生长的观察，基本不可能，所以，为了解决这个问题，他们采用了X射线扫描技术，来观察籽晶接触和生长情况。该方法在工艺尚未成熟前的摸索阶段，工序中大量的磷损失，且将形成大量的 白磷，极剧毒性，且易自燃，而晶体生长过程大量使用X射线，不仅造成工艺成本过大，而且，将对操作人员造成伤害，因而，该工艺开展的时间不长。

图2．4磷液封合成技术原理图

图2．5磷液封原位合成、拉晶示意图

V．Prasad等开发了一种在极高压下原位合成InP，之后用MLEK技术连续拉晶的工艺。而且开展了熔体富磷的单晶生长工作。从成本角度讲极高压方法合成InP也不适合工业化生产的要求。

2．2磷注入合成InP多晶

2．2．1磷注入合成InP原理

对InP晶体生长而言，由于磷的过高的蒸汽压因而迄今没有如GaAs 系统中完整的P．T-X的相图。图2-6(a)示出磷化铟的压力．温度相图，图 2-6(b)示出磷化铟的组分．温度相图。详细的相图从缺陷形成的角度仍在 进行讨论。非配比范围的磷化铟现在还不是非常清楚，但是利用库伦滴定 法进行的初步研究表明这个范围比砷化镓要窄。从表2．1可以看出与砷化 镓相比磷化铟的组分偏离是非常小的。图2．7显示了非配比的磷化铟的范 围远小于砷化镓的配比情况。这可能就是磷化铟不能形成像砷化镓的EL2 那样的原生缺陷的原因。关于从富磷熔体中生长的InP材料的有关研究，由于工艺上的难度，其深度和广度都不如从富铟熔体中生长的InP材料那 样详细。

表2．1 InP库仑滴定测试

图2．7磷化铟固液相线示意图

从原理上讲，磷注入合成是一种原位(或准原位)直接合成技术。无 论其注入形式如何，基本过程就是依据磷的相图，逐渐增加磷源炉的输入功率(或熔体温度)，使红磷以适当的速率汽化注入到铟熔体内，在lnP的 熔点温度(1335K)附近，磷和铟发生反应，合成得到不同化学计量比的InP 熔体。磷注入原理与化学反应式(2．1)：

则铟和磷在InP的熔点温度附近反应方程式为(2-2)：

从压力平衡角度讲，为了保证合成顺利进行，则P泡内的压力要大于外压。这种压力关系表现在式(2-3)和(2-4)，图2．12 In—InP液相线上的磷的浓度与温度的比

只有通过深入了解InP体系的各种热物理条件，建立高温、高压下磷 注入系统内部固、液、气多相热物理模型，才能真正将工艺上升为理论。图2．8所示的是温度与热容的关系。

图2-

9、图2．

10、图2．

11、图2．

12、图2．13所示的是与蒸汽压有关的 数据。

图2-1 1 lnP最佳分压与In．P液相线上的气态铟、P2和P4的温度倒数的比

图2．12 In—InP液相线上的磷的浓度与温度的比

图2一13根据不同种类的平衡线计算的分压

以上各图揭示的各种关系，对于合成高质量InP多晶具有很大帮助。通过这些数据，可以看出，InP熔化时的特性非常重要。

2．2．2磷注入合成方法

高纯InP是制备高质量InP的前提条件，决定着InP单晶材料的应用 和发展。InP单晶的纯度不仅影响其电学性质，而且影响器件质量，因此 制备掺Fe半绝缘InP单晶时，希望材料越纯越好，以便尽可能降低Fe的 掺杂量而得到半绝缘性质的InP材料。低Fe含量的半绝缘InP单晶对于电 子器件的制造具有十分重要的意义。这只有通过使用高纯lnP多晶来制备。已经证明：通过对高纯非掺杂InP单晶片退火可获得半绝缘InP单晶片。由此可见高纯InP材料的制备是十分重要的。

InP的合成需要在高温、高压的环境中进行，工艺难度相当大，但人们还是发明了许多方法用以合成lnP多晶。早期，包括高压炉内使用水平布里奇曼技术(HB)和梯度冷却技术(GF)进行合成及SSD技术都不能 满足人们对材料纯度的要求，而且，人们认为最好的多晶合成技术应该能 生成出高纯度的多晶，尽可能少量铟残余和快的合成速度，并且能够实现，合成后即连续可以进行晶体生长，这就要求进行原位合成。但显然，InP 无法像GaAs那样将两种元素放在一起直接合成。这样，人们受到其他工 艺中的一些现象的启发，发明了磷注入式合成技术。并开展了多种形式的 探索。国际上，l 970年代初，Fischer等最早提出了注入式合成的概念，早期，该技术是应用于GaP材料的合成【24引。其原理见图2．14。到1980年NATO 组织的lnP会议上Wardill等提出可以将该技术用于lnP合成

随后，J．P．Farges，G．W．Iseler，G．A．Antypas等都开展了有关 磷注入合成的早期研究。

国内，孙同年等在1968年前后已经完成比较成熟的注入式合成GaAs 的工作。1970年开展了InP合成炉的设计，已经将该技术作为主要因素，设计到炉子的结构中。1975年该组设计成功我国首台高压单晶炉，后获得 全国科学大会奖。1 976年生长了国内首根InP单‘晶，同时在国际上率先完 成了磷注入合成，连续拉晶工艺，该工作于1977年柳州召开的全国GaAs 及III．V族材料会议上发表，并获得国家发明奖[238,2391。1982年首次在国际上发表，并多次被国际同行引用。虽然，由于时处特殊历史时期，很多文献、记录有些模糊，但我国科学家在该领域所傲的开拓性工作，意 义重大，在InP的发展史上已成为一个里程碑。图2.5给出了我国设计的 P注入合成连续单晶生长的高压单晶炉的示意图。图2.6为我国最早的高 压单晶炉照片。

孙同年等殴计制造的球形高压单晶炉与国际上通用的钟罩式单晶炉和 筒形单晶炉结构不同，其为球形门结构．使得其内部空间较大，在炉体内 设计安装两只供磷注入合成的机械手，因此该单晶能够首先采用原位磷注 入法合成不同化学计量比的InP熔体。合成结束后，操作机械手移开磷源 炉，然后引入籽晶，利用LEC法从不同化学计量比的InP熔体中生长InP 单晶。该高压单晶炉的另一显著特点为其采用侧开门结构，使得装料方便，另一对称侧有强力捧风系统，可以迅速将炉内的挥发性气氛捧出。国际上，根多科学工作者开展了各种形式的P注入合成的探索。比如-Farges借鉴了Sun等的工艺柚魄出了两种磷注入合成的模式。一是将磷 泡固定在耔晶杆上，待熔体温度达到要求时，下降耔晶杆将磷泡插入熔体 中，靠熔体的温度来对磷泡进行烘烤，进行合成。后来，其他一些单位借 鉴了该方法，在磷泡上加上电阻丝．使得烘烤和磷源炉加热，使得磷蒸气 注入到铟熔体中，生成lnP熔体。该方法的示意图见图2-17。

第二种模式是磷泡置于坩埚上方，籽晶杆穿过磷泡中部，首先下降磷 泡(外置磷源炉)，通过两方面的加热使得红碡气化，注入到铟熔体中，进行化合反应，图2-】8给出了这种形式的两个示意图。待合成后，提升磷泡 和磷源炉，下降籽晶，进行单晶生长，但是园为炉内行程所服，一般采取 基本不提拉的LEK技术进行单晶生长，此时还可以增加磁场．进行MLEK 单晶生长。该技术得到了Bliss等的较好的笈展。并于纽约州立大学石溪 分校的研究人员开展了热场和磷泡运动的热分布的计算机模拟，给出了传 输机制。Bliss和Jafri等I$2,2461给出了利用这种方式合成InP并连续拉晶的示意 图．见图2．19。

由于LEK技术对于生长lnP单晶来讲，具有较大的难度，且晶体所受 的热应力相当太，晶体品质难以保证，故而，在美国军方的支持下，Bliss联合GT公司和纽约州立大学石溪分校的研究人员一起设计了一个新型的 能够原位合成，且连续拉晶的大型单晶炉[52,53,2431。该单晶炉的示意图和操 作过程见图2．20。该单晶炉分为三个炉室，晶体合成、生长室；磷源炉室； 籽晶室，该单晶炉还可以加装磁场。以改善大直径单晶生长的热对流条件。该炉可以实现1 5Kg的InP合成和6英寸lnP单晶生长，实际在近7小时 左右合成了3Kg高纯InP多晶，连续单晶生长的结果，未见报道。其使用 的磷源炉和磷泡装架使用不锈钢，并在磷泡上布置了多个压力和温度传感 器，以精确控制磷注入速度。其合作者Zhang等在多区域自适应网格计算 方法的基础上，对InP的注入式合成过程中的输运过程进行了计算，获得 了很多有益的结果124卜25 01。

图2．2l显示了另外一种磷注入合成的形式。其将磷源炉和磷泡放 在加热器的一侧，首先，提升坩埚，使注入管插入熔体中，通过控制磷源 炉的加热功率，使磷蒸气注入到铟熔体中进行化合，形成InP熔体，合成 结束后，下降坩埚使得注入管脱离熔体，然后下降籽晶，进行InP生长。英国MCP公司发展了一种大容量合成InP‘的方法【165|。如图2．22。该 方法在常规筒形单晶炉外侧连接了一个水平高压加热炉，合成时，磷注入 管推到坩埚上方，然后翻转1800，注入管插入到熔体中，水平炉内的磷容 器经多段加热，形成磷蒸气，与铟熔体反应，化合成InP。合成后，再翻 转注入管，将磷容器拉回起始位置，之后，还可以下降籽晶，进行单晶生 长。利用这种方法，实现了一次合成1 1 Kg多晶InP，但材料纯度不够高。

以上给出了多年来不同科学工作者在磷注入合成方面的一些思路，磷 注入合成技术可以说是最接近直接原位合成的技术，从各方面讲，该技术 相对来说比较有优势，这是因为这种方法可以以比其他方法更快的速度来 进行合成，而且可以降低生产成本，相对还比较安全，且可较容易的增加合成量。是未来磷化铟多晶合成的发展方向。

参考文献

[1]fl 1 R．W．Cahn，Pergamon mater,series，The Coming of mater．Sci．，Pergamon，UK： EIservier Sci．Ltd．202_．253．27 1．

[2]万群．半导体材料．万群，吕其春主编．中国冶金百科全书．金属材料卷．北 京：冶金工业出版社，202_．19．20．

[3]林兰英，周煌．半导体材料．师昌绪主编．材料科学技术百科全书上卷．北京： 中国大百科全书出版社，1995．8．

[4] R．A．Smith．Semiconductor 2rid ed．Cambridge：The syndics of the Cambridge University Press．1978．1．10．

[5]邓志杰郑安生编著半导体材料．北京：化学工业出版社，202_．7附录半 导体材料及其应用大事年表(1782．202_)350．353．

[6] A．Thiel，and H．Koelsch，Z．Anorg．Chem 66(1 9 l O)288．

[7] Gordon K．Teai，and John B．Little，Physical Review,V01．78(1950)，647。[8]Gordon K。Teal，Phys．Rev．，87(1 952)，22 1．

[9] R．Gremmelmuer，Z．Naturfarsch，ll a(1 956)，5 11．

『1 01 H．Welker,Z．Naturforsch，V01．A，No．7a(1 952)，744． [11]H．Nelson，RCA Review,24(1963)，603．

[12] J．R．Knight，D．Effer and P．E．Evans，Solid State Electron．8(1 965)l 78．

[13] J．B．Mullin，Joumal ofCrystal Growth 264(202_)578-592 [141 J．B．Mullin，B．W．Straughan，、Ⅳ．S．Brickell，J．Crystal Growth 65(1965)782．

[15]J．B．Mullin．R．J．Heritage，C．H．Holliday,B．W．Straughan，Joumal of Crystal Growth，VoIumes 3．4，l 968。Pages 28 1．285．

[16]王占国，陈立泉，屠海令主编中国材料工程大典(第11卷)(信息功能材 料工程)(上)，北京，化学工业出版社202_．

[17]樊重道编译国际电子报磷化铟在向砷化镓挑战1989．

[18]1TII．Vs Review lnP．the dream。the reality and the roadmap V01．1．No．5 202_．

[19]Dwight C．Streit电子工程专辑磷化铟的商业化生产之路202_ [20]孙聂枫，陈旭东，赵有文，杨光耀，刘思林，孙同年，半导体情报，v01．35，4 n998)1．

[21]1 O．Oda，et a1．Recent Technologies in lnP Bulk Crystals Optoelectronic properties of semiconductors and superlattices Volume 9 InP and related compounds，materials，applications and devices Edited by M．O．Manasreh Gordon and breach science publishers．

[22]武尔桢，林金庭主编，电子工业生产技术手册，半导体与集成电路卷，半 导体材料，北京，国防工业出版社，1989．

[23]1 D F．Bliss，InP Bulk Crystal growth and Character．in Wada O and Hasegawa H． ed．1nP based Mater．Devices：Phys．Techn01．New York：John Wiley&Sons．1nc．1999．

[24]Properties of Indium Phosphide，INSPEC，EMIS Datareviews Series No．6(The Gresham Press．Surrey,Eng land．1991． [25] Indium Phosphide：Crystal Growth and Characterization，Semiconductors and Semimetals，V01．3 l，Edited by R．K．Willardson and A．C．Beer(Academic Press，INC．、．1 990．

[26]孙聂枫、周晓龙、陈秉克，孙同年，电子工业专用设备202_年10(129期.

第二篇：晶体硅电池漏电研究

【干货】晶体硅电池漏电都有哪些原因？

202_-01-26

摘要本文描述了晶体硅太阳能电池片局部漏电现象，分析了晶体硅硅片及电池生产过程中可能产生的漏电原因及预防措施。电池生产过程中刻蚀不完全或未刻蚀、点状烧穿和印刷擦片或漏浆等情况会产生漏电，严重影响电池片的品质，另外发现Si3N4颗粒、多晶硅晶界等也有可能造成电池片漏电。

关键词：漏电流;点状烧穿;印刷擦片;刻蚀不完全

太阳能发电由于其具有环保、高效、节能以及取之不尽、用之不竭等特点，已成为新能源中最受瞩目的能源。太阳能电池是一个巨大的半导体二极管，以半导体材料为基础进行能量转换。目前，光伏行业中晶体硅太阳能电池还是占主导位置。晶体硅太阳电池主要分为两种，一种是将圆柱形的单晶硅棒切割成单晶硅片;一种是通过铸锭方式生成多晶硅片。单晶硅棒和多晶铸锭的质量很大程度上可以影响晶体硅电池片的质量。随着晶体硅电池利用的日益广泛，晶体硅太阳电池局部漏电问题逐渐受到人们的关注与重视。因此晶体硅电池漏电原因的分析与讨论成为晶体硅电池研究的热点之一。

在晶体硅太阳电池生产过程中，部分晶体硅太阳电池难免会因为各种原因导致局部漏电，甚至短路。晶体硅片在制作生产过程中导致局部漏电主要原因为1)通过PN结的漏电流;2)沿电池边缘的表面漏电流;3)金属化处理后沿着微观裂纹或晶界形成的微观通道的漏电流[1]。本文主要探究了晶体硅电池漏电的原因，并进行具体分析。

一、晶体硅太阳电池工作原理

如图1所示，当处于开路的情况下，当光生电流和正向电流相等的时候，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间，P-N结两端将建立起稳定的电势差Voc(P区为正,N区为负)。如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，只要光生电流不停止，就会有源源不断的电流通过电路，P-N结起到了一个电源的作用。这就是太阳能电池的工作原理[2]。来源：Solarbe 作者：李吉，靳迎松，严金梅，王惠，麻增智，赵江雷

图2是利用P/N结光生伏特效应做成的理想光电池的等效电路图。

图中把光照下的p-n结看作一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光生电流IL，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻RSH来等效。本文主要研究的就是在实际太阳电池生产中的漏电原因[3]。

二、晶体硅太阳电池漏电分析

从晶体硅太阳电池生产工艺流程看，以下几个因素与电池片漏电有关：1)刻蚀不完全或未刻蚀;2)点状烧穿;3)印刷擦片或漏浆。对上述三方面进行实验研究，在研究过程中发现除了以上三种漏电原因外，还有Si3N4颗粒、多晶晶界等也会造成电池片漏电[4,5]。

1刻蚀不完全或未刻蚀造成的漏电

扩散工艺中在硅片的上表面和周边都扩散上了N型结，如果不去除周边的N型结会导致电池片正负极被周边的N型结联接起来，使电池正负极接通，起不到电池的作用了，我们用等离子刻蚀去除太阳能电池的周边结，其腐蚀反应方程为：

CF4------C+4F*(1)Si+4F------SiF4* ↑(2)

等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。

如果硅片未刻蚀或刻蚀不完全没有及时发现，并且下传印刷，将产生局部漏电的电池片，我们可以通过IR红外热成像仪，判断局部漏电硅片是否刻蚀原因产生的。

IR红外热成像仪的工作原理是在连接电池片的正负极时，使电池片上会形成一个电流回路，当有区域漏电时，该区域的电流就会特别大，产生的热量就会比较多，红外成像仪可以根据硅片表面产生的不同热量转换为电信号，进而在显示器上形成热图像，可以对发热的异常区域进行准确的识别。

刻蚀不完全或未刻蚀的硅片在IR下表现为电池片边缘发红，如图3所示。刻蚀不完全或未刻蚀的电池片在进行四周打磨后漏电流会减少到2A以下，如表1所示。

以上几点可以判断为刻蚀不完全或未刻蚀造成的。刻蚀不完全主要是由于硅片边结由于设备原因或人为原因未去除干净，导致漏电过大的异常现象主要有以下原因：1)刻蚀功率过小;2)刻蚀时间不足;3)刻蚀压力波动导致刻蚀不均;4)刻蚀时机台故障，以致刻蚀未进行完全;5)刻蚀时，硅片底部托盘未旋转，导致刻蚀不均;6)人为原因，将未刻蚀硅片下传;针对以上原因需要加强刻蚀机的监控，增加人员的责任意识。

2点状烧穿造成的漏电

点状烧穿通常意义上指IR拍摄出呈现点状发红的漏电现象，具体表现如图4所示，其主要由以下三种因素引起，1)隐裂引起的点状烧穿;2)微隐裂引起的点状烧穿;3)未知因素引起的点状烧穿。

隐裂引起的点状烧穿主要有两种方式产生，1)扩散前隐裂即在扩散步磷源顺着裂缝扩散，从而导致上下导通，产生点状烧穿;2)印刷前隐裂即在印刷过程中，浆料恰巧印过裂缝，银浆通过裂缝渗透到背面产生点状烧穿。对于由隐裂而产生的点状烧穿，我们必须规范生产现场操作，尽量避免产生隐裂片的可能。比如装舟卸舟时轻拿轻放，保持印刷机台干净平整等等。

微隐裂引起的点状烧穿主要是因为硅片本身晶体结构存在缺陷，在烧结过程中会破坏晶体结构，银浆顺着晶界渗透至基区，从而产生漏电。我们通常也称此现象为微隐裂。判断是硅片本身的缺陷还是晶体硅电池生产过程中导致的点状烧穿，我们需要借助扫描电镜进行分析。

由扫描电镜即扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，简称SEM)，主要用于观察样品的表面形貌、割裂面结构、管腔内表面的结构等，所获得的图像立体感强，可用来观察样品的各种形貌特征。

由SEM图片可知：微隐裂正面与背面均存在凹槽缺陷，导致点状烧穿，如图5所示。对于此类由晶体缺陷引起的点状烧穿，如果要降低其产生的可能性，则需要在进料时加一道检测工序，测量每片原料片的少子寿命分布，剔除异常片。但该工序费时费力，可行性有待进一步商榷。

3擦片或漏浆造成的漏电

擦片主要是指在印刷过程中出现的印刷不良片用酒精等将栅线擦拭干净后重新印刷的电池片。这些电池片如果没有处理好，可以看到如图6所示的形貌。在显微镜下观察可以看到还有部分浆料残留在硅片表面，IR图像显示有大面积漏电，EL图像显示表面有大面积污染，SEM图像显示可以看到密密麻麻的细点，这些细点即为银浆，在擦片的过程中银浆渗进电池片里;小颗粒银浆是团状银浆在烧结过程中形成玻璃态造成的大面积漏电。

造成擦片漏电的原因主要为人为操作不规范导致的，1)人为的擦片破坏Si3N4膜面，使Si3N4钝化效果失效;2)绒面凸起部分在人为摩擦过程中极易受损，使电池片p型裸露，印刷后直接与金属电极导通发生短路;3)即使擦片后表观看来已无浆料，但仍会有少量浆料残留在绒面凹陷处，烧结后成为金属复合中心，降低少子寿命，漏电明显增大;4)擦片过程中难免使电池片四周沾到浆料，造成pn结导通，发生漏电。

漏浆主要包含边缘漏浆和表面漏浆两种，边缘漏浆是指电池片四周沾到浆料，造成pn型导通，发生漏电如图7所示;边缘漏浆和刻蚀不完全只看IR图像很难区分，必须在SEM或者基恩士下观察方能准确判断。

表面漏浆是指电池片在印刷前有隐裂，印刷时隐裂处沾染上铝浆，烧结时铝浆随银浆一起被烧进PN结，而导致PN结被烧穿，引起的漏电如图8所示。平面图上明显看到浆料(红色线条包围的区域)，这些浆料以铝浆为主。其他原因造成的漏电

Si3N4颗粒有可能造成漏电如图9所示，Si3N4颗粒主要来源：1)铸造多晶硅时在坩埚表面喷涂的Si3N4脱落融入硅锭所致;2)镀膜时SiH4的含量偏高，形成Si3N4颗粒。Si3N4颗粒的晶粒贯穿电池片的层错，使PN结导通而导致漏电。

晶界缺陷有可能造成漏电如图10所示，其原因主要为1)杂质原子容易在晶界位置集中，形成各类缺陷和复合中心;2)高温扩散的原子也容易沿着位错和晶界形成微小的桥路漏电。

三、结论

分析了晶体硅硅片及电池生产阶段可能产生的漏电原因及预防措施。在电池生产过程中产生漏电的主要原因为：1)刻蚀不完全或未刻蚀 2)点状烧穿3)印刷擦片或漏浆等，严重影响电池片的品质。在分析过程中还发现Si3N4颗粒、多晶晶界等也有可能造成电池片漏电，在以后的研究中也需要重点关注。

参考文献

[1] 曹泽淳.国产太阳电池并联电阻的研究.中国太阳能学会第一届光伏会.北京.1983

[2] 马丁•格林.太阳电池工作原理、工艺和系统的应用[M].北京:.电子工业出版社,1987,98-103.[3] 刘恩科,朱秉升,罗晋升,等.半导体物理学[M]:第6版.北京:电子工业出版社,202_:151-164.[4] Breitenstein O, Rakotoniaina JP, Al Rifai MH.Quantitative evaluation of shunts in solar cells by lock-in thermography.Progress in Photovoltaics: Research and Applications 202_;11: 512–526.[5] Breitenstein O, Langenkamp M, Lang O, Schirrmacher A.Shunts due to laser scribing of solar cells evaluated by highlysensitive lock-in thermography.Solar Energy Materials and Solar Cells 202_;65: 55–62.

第三篇：半导体照明相关研究参考论文

半导体照明这一新兴领域的出现，使同时专长于电力电子学、光学和热管理学（机械工程）这三个领域的工程师成为抢手人才。

目前，在三个领域都富有经验的工程师并不很多，而这通常意味着系统工程师或者整体产品工程师的背景要和这三大领域相关，同时他们还需尽可能与其他领域的工程师协作。系统工程师常常会把自己在原有领域养成的习惯或积累的经验带入设计工作中，这和一个主要研究数字系统的电子工程师转去解决电源管理问题时所遇到的情况相似：他们可能依靠单纯的仿真，不在试验台上对电源做测试就直接在电路板上布线，因为他们没有认识到：开关稳压器需要仔细检查电路板布局；另外，如果没有经过试验台测试，实际的工作情况很难与仿真一致。在设计LED灯具的过程中，当系统架构工程师是位电子电力专家，或者电源设计被承包给一家工程公司时，一些标准电源设计中常见的习惯就会出现在LED驱动器设计中。

一些习惯是很有用的，因为LED驱动器在很多方面与传统的恒压源非常相似。这两类电路都工作在较宽的输入电压范围和较大的输出功率下，另外，这两类电路都面对连接到交流电源、直流稳压电源轨还是电池上等不同连接方式所带来的挑战。电力电子工程师习惯于总想确保输出电压或电流的高精确度，但这对LED驱动器设计而言并不是很好的习惯。诸如FPGA和DSP之类的数字负载需要更低的核心电压，而这又要求更严格的控制，以防止出现较高的误码率。因此，数字电源轨的公差通常会控制在±1%以内或比它们的标称值小，也可用其绝对数值表示，如0.99V至1.01V。在将传统电源的设计习惯引入LED驱动器设计领域时，通常带来的问题是：为了实现对输出电流公差的严格控制，将浪费更多的电力并使用更昂贵的器件，或者二者兼而有之。成本压力 理想的电源是成本不高，效率能达到100%，并且不占用空间。电力电子工程师习惯了从客户那里听取意见，他们也会尽最大力量去满足那些要求，力图在最小的空间和预算范围内进行系统设计。在进行LED驱动器设计时也不例外，事实上它面对更大的预算压力，因为传统的照明技术已经完全实现了商品化，其价格已经非常低廉。所以，花好预算下的每一分钱都非常重要，这也是一些电力电子设计师工程师被***惯“引入歧途”的地方。要将LED电流的精确度控制到与数字负载的供电电压的精度相同，则会既浪费电，又浪费成本。100mA到1A是当前大多数产品的电流范围，特别是目前350mA（或者更确切地说，光电半导体结的电流密度为350mA/mm2）是热管理和照明效率间常采纳的折衷方案。控制LED驱动器的集成电路是硅基的，所以在1.25V的范围内有一个典型的带隙。要在1.25V处达到1%的容差，亦即需要±12.5mV的电压范围。这并不难实现，能达到这种容差或更好容差范围的低价电压参考电路或电源控制IC种类繁多，价格低廉。当控制输出电压时，可在极低功率下使用高精度电阻来反馈输出电压（如图1a所示）。为控制输出电流，需要对反馈方式做出一些调整，如图1b所示。这是目前控制输出电流的唯一且最简单的手段。图1a：电压反馈；图1b：电流反馈深入研究之后，就会发现这种做法的一个主要缺点是：负载和反馈电路二者是完全相同的。参考电压被加在与LED串联的一个电阻上，这意味着参考电压或LED电流越高，电阻消耗的功率越大。

第四篇：化合物半导体行业研究 202_-12

化合物半导体行业研究

202_-12

射频性能优异的化合物半导体

化合物半导体射频性能优异。硅单晶材料是制作普通集成电路芯片的主要原料，但受限于材料特性，很难适用于高频/高压/大电流芯片应用。化合物半导体材料因其优良的器件特性广泛适用于射频器件。常见的化合物半导体包括三五族化合物半导体和四族化合物半导体。其中，砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）作为其中应用领域最广、产业化程度最高的三五族化合物材料，具有优良的射频性能，天然具备禁带宽度宽、截止频率高、功率密度大等特点，作为射频功率器件的基础材料分别主宰主流民用和军用/高性能射频集成电路市场。

工艺独特，产业链自成体系

化合物半导体工艺独特，需要专门的制造产线。普通硅工艺集成电路和砷化镓/氮化镓等化合物集成电路芯片生产流程大致类似：先将衬底材料纯化、拉晶、切片后在某种衬底上形成外延层，由代工厂按照设计公司的设计进行一系列工艺步骤进行电路制造，制成的芯片交由相关厂商进行封装与测试，最终完成芯片制造。然而由于材料特性、外延方式和制作环境要求和普通硅CMOS工艺截然不同，化合物集成电路需要使用专门的生产工艺流程与产线设备，进而催生出专门针对化合物半导体集成电路生产的工厂（Fab）。

化合物半导体射频器件产业存在整合元件制造商（IDM）和（无晶圆设计公司+晶圆代工厂）两种商业模式。传统的国际设计厂商都采用IDM形式，各自配备私有产线，从设计到晶圆生产成品都自己完成。该模式的优点为有利于技术保密、产线工艺参数控制及设计精确度提升，缺点是重固定资产配置的产线容易闲置浪费，且规模扩张受限。新兴化合物集成电路设计公司往往采用无晶圆设计（Fabless Design House）模式，即设计公司本身不配备芯片制造产线，而将晶圆代工和封装测试都交由下游专业代工厂（Fab）配合进行。

射频核芯：GaAs占据主流，GaN利润战略双高地 PA：独立于主芯片的射频器件

射频功率放大器（Power Amplifier, 简称PA）是化合物半导体应用的主要器件，也是无线通信设备射频前端最核心的组成部分。射频前端（RF Front End）是用以实现射频信号发射与接收功能的芯片组，与基带芯片协同工作，共同实现无线通讯功能。射频前端包括功率放大器（Power Amplifier）、开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer）、低噪声放大器（Low Noise Amplifier）等功能构件，其中核心器件是决定发射信号能力的射频功率放大器芯片。PA芯片的性能直接决定了手机等无线终端的通讯距离、信号质量和待机时间，是整个通讯系统芯片组中除基带主芯片之外最重要的组成部分。

射频前端功能组件围绕PA芯片设计、集成和演化，形成独立于主芯片的前端芯片组。随着无线通讯协议的复杂化及射频前端芯片设计的不断演进，PA设计厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中，视系统需求形成多种功能组合。目前PA芯片除实现发射信号功率放大功能外，往往会集成开关器或双工器，进而演化出TxM（PA+Switch）、PAiD（PA+ Duplexer）、PAM（多PA模组）等多种复合功能的PA芯片类型。

砷化镓占据PA主流，氮化镓战略利润双高地

化合物PA芯片是射频前端市场的主流产品。PA主要有化合物工艺的砷化镓/氮化镓PA和硅工艺的CMOS PA。砷化镓 PA芯片相对于硅工艺CMOS芯片具备高频高效率等特点，目前广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，其射频性能虽略逊于氮化镓射频器件，但成本和良率方面存在相对优势，完全可以满足民用需求；GaN PA具有最高的功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度低于砷化镓芯片，目前主要用于远距离信号传送或高功率级别（例如雷达、基站收发台、卫星通信、电子战等）射频细分市场和军用电子领域。CMOS PA采用普通硅基集成电路工艺制造，由于与主流半导体（硅）制造工艺兼容，易于集成射频控制逻辑单元，近年来在2G手机和低端Wifi等消费电子领域出现爆发性增长，但始终受限于材料性能，只能应用于对线性度、频率和效率等方面要求较低的低端应用，无法满足复杂通讯系统的性能要求。随着无线网络频率范围不断向高频扩展及无线通讯系统频带分布的复杂化，化合物半导体射频芯片的优势地位未来仍将维持。

砷化镓PA占据市场主流，CMOS PA低端市场占比扩大。因性能远超硅基CMOS PA器件，产品良率和制造成本优于氮化镓PA器件，砷化镓PA目前在消费电子市场占据统治地位。根据IBS数据，202_年，全球PA市场规模为84.5亿美元，其中CMOS PA产值3.77亿美元，市场占比仅4.67%；化合物PA产值80.76亿美元，占比高达95.33%，其中绝大多数为应用于消费品电子射频前端的砷化镓PA。

氮化镓PA占据利润高地，且战略位置显著。Cree公司相关年报显示，其氮化镓相关的射频与功率器件部门202_/202_/202_年产值分别为0.89亿/1.08亿/1.24亿美元，毛利率分别为54%/56.5%/54.7%，受益于高端应用，维持较高毛利水平。氮化镓射频器件经过近十年的科技攻关已在202_年实现高可靠量产，产品性能在宽带、效率、高频等三个方面全面超越GaAs器件，主要用于军事雷达、电子战、民用基站等高端高性能应用场景，战略位置显著。此外，长期困扰GaN功率器件实用化技术推广的瓶颈如可靠性和稳定性问题随着材料、工艺和器件结构等水平的提高已大幅提升。以HRL公司生产的E-W波段GaN器件为例，其输出功率是其他材料器件的5倍，且性能仍有广阔的提升空间。处于军事目的考虑，国外高性能的氮化镓射频PA均实行对华禁运。因此完善和发展自主氮化镓射频半导体产业，对增强国防安全和促进高性能射频器件研制具有重要的意义。

通讯升级驱动市场稳健增长

核心驱动力：3G/4G/5G终端市场持续稳定增长

预计全球202_年移动终端出货总量为26.5亿部。据IDC数据，手持终端市场从202_年至202_年保持12%的复合增长率，202_年全球手持终端出货量为21.8亿部。据电子行业研究机构Navian 202_年统计，预计202_年全球手持终端出货量26.5亿部。手持终端出总量保持平稳增长将拉动对砷化镓PA芯片的需求，从而推动化合物半导体产业的持续稳定发展。

4G终端市场占比扩大，载波聚合（CA）技术维持砷化镓PA优势地位。202_年2G/3G/4G移动通讯手持终端出货量占比分别约为44.7%、48.5%、6.8%；202_年分别为17.1%、51.7%、31.2%；202_年预计为6.2%、19.1%和74.7%。4G手持终端出货量和市场占比逐年增加，由202_年2100万台迅速增长至202_年的9.67亿台，预计202_年可达19.8亿台，202_年至202_年复合增速高达91.45%。LTE-A标准使用的载波聚合技术对PA线性度和能效的高标准要求将进一步强化砷化镓射频PA芯片在该领域的绝对市场份额。

多模多频终端单机所需的PA芯片增至5-7颗，Strategy Analytics 预测5G单机需16颗PA。手持终端单机所需PA个数取决于通讯标准的调制方式和频带数目，考虑到无线通讯设备对通讯制式的向下兼容，对单机射频前端数目更多且性能要求更高。一方面，3G/4G所需频带数目较2G系统大幅增加，尤其是4G频段众多，而单个终端内PA数目与需要支持的频段数目正向相关，不相邻频段间难以实现PA复用；另一方面，3G/4G的通讯信号调制方式与2G不同，对PA的特性要求不同（3G/4G要求使用线性PA），基于性能考虑很难通用。加之各国各运营商频段和制式（FDD/TDD）分配情况复杂，单个手持终端为满足用户多模多频的实际应用需求，需要集成的PA个数和实现复杂度都随之提升，进而导致单机PA成本提升。统计结果显示，2G时代手机单机PA芯片成本仅0.3美元/部，3G手机则提升至约1.25美元/部，而4G时代则增至2美元～3.25美元/部，高端手机成本甚至更高，仅iPhone6射频部分就使用了6颗PA芯片。据Strategy Analytics，5G手机天线可能与信号收发器集成，需多颗PA组成发射通道，未来单机所需PA或达16颗。

移动通讯升级成为化合物射频半导体持续增长的主要动力。移动终端射频前端作为化合物集成电路的主要应用市场，其增长速度大于终端产品出货量增速，主要受益于3G/4G单机PA复杂度的上升和成本的增加。根据终端出货情况和对应射频前端成本，我们测算202_年全球手持终端市场PA芯片（部分含Switch）总产值约40.38亿美元，预计202_年，总产值将增长至86.57亿美元。

未来5G技术的发展将进一步拓展化合物PA芯片的市场空间。5G标准预计采用的高载频（6G～80GHz），高数据吞吐率和宽频多天线系统，对PA性能指标和数目也提出更高的要求。Qorvo预测，8GHz以下砷化镓仍是主流，8GHz以上氮化镓替代趋势明显。砷化镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持宽带宽等特点，5G时代将被广泛应用于基站等基础设施，而氮化镓有望在更广阔的移动终端市场成为主力。目前CMOS工艺射频器件尚不能满足3G/4G通讯性能的需求。可以预计在未来载波频率更高、频段更多、频宽更宽的5G时代，氮化镓化合物PA芯片仍将占据主流，将进一步强化和拓展化合物半导体产业的市场空间。同时，PA应用数量将大幅提升，Strategy Analytics称5G时代单机所需PA或达16颗。

辅助驱动 ：物联网高性能互连需求和军工

无线网关领域对高数据率远距离传输的性能需求，将加速推动WiFi领域对化合物射频功放芯片的需求。目前无线局域网网关WiFi领域采用的802.11b/g/n标准对射频性能要求不高，功率发射单元多被集成到WIFI基带芯片中，只有中高端方案采用单独PA芯片供WIFI使用。从202_年开始，在无线局域网网关和物联网WiFi领域，支持双频（2GHz&5GHz），MIMO（多进多出天线）和高发射功率性能需求的802.11ac标准的设备市占率将大幅增加。根据InfoneticsResearch预测结果，202_年802.11ac标准WiFi市场占比将超过80%。预计在手机WiFi模块应用上也将出现同样的趋势。支持802.11ac协议的旗舰手机目前已逐步增加，业界标杆企业苹果在iphone6/6plus中已配置支持该协议的WiFi模组。物联网对数据传输速率和多频运行环境支持将进一步拉动性能优势明显的GaAsPA增量快速发展。

军工领域对于高端通讯产品的需求也将促进化合物半导体射频芯片市场更快增长。未来雷达和电子战系统需要大功率的无线信号发射系统，器件的可靠性要求也更为严苛，其功放芯片通常采用GaN或GaAs制造。根据Strategy Analytics的预测，202_年军用GaAs器件市场规模将达到5亿美元，年复合增长率达13%，其中最大的应用领域为雷达，约占60%。军用领域的增长驱动以及军用产品国产化的迫切需求将给化合物半导体带来更大的市场空间。

化合物射频集成电路：百亿美金市场空间

砷化镓占据射频PA市场绝对市场份额，202_年可达百亿美元规模。202_年，全球PA市场规模为73.9亿美元，由于砷化镓PA由于相对Si基CMOS PA性能优势明显，砷化镓 PA产值占据绝对市场份额，合计71.49亿美元，市场占比高达94%。同时，受益于移动终端升级、物联网产业的持续发展，PA市场总量预计202_年将增至114.16亿美元，202_至202_年复合增长率为7.51%。

氮化镓射频器件市场预计202_年可达6.2亿美元。Yole Development数据显示，202_年全球氮化镓射频器件市场总体规模仅为6300万美元，202_年2.98亿美元，202_年预计约6.2亿美元。202_年至202_年复合增长率为13%。总体市场规模相对于砷化镓射频芯片小很多，但考虑到氮化镓PA器件在军事安全领域和高性能民用基站、高频功率转换器件等领域的诸多应用，其战略位置和发展前景不言而喻。

寡头格局，代工崛起 IDM主导寡头竞争格局

全球化合物射频芯片设计业呈现IDM三寡头格局。由于GaAs/GaN化合物集成电路工艺的独特性及射频电路设计高技术壁垒，化合物半导体市场总体呈现寡头竞争格局，且以IDM公司为主。202_年PA市场传统砷化镓IDM厂商Skyworks、Qorvo、Avago三寡头市场份额分别为37%、25%、24%。设计第四大厂Murata于 202_年3月收购Renesas旗下相关事业部，进军砷化镓PA市场，完成对射频行业全备产品线布局，202_年占据市场份额9%。以RDA为代表的国内Fabless设计厂商因目前主要产品集中于单颗售价低于0.3美元的2G PA领域，202_年合计市场份额小于5%。

优秀设计公司涌现，产业持续整合

产业链呈现多模式整合态势。一方面，随着行业发展和技术演进，传统的砷化镓/氮化镓化合物射频IDM厂商为保持自身技术优势，选择强强联手或持续整合新兴的Fabless设计公司；另一方面，高通、联发科等基带芯片平台为增强平台自身的竞争力，选择参股或并购相应的射频化合物集成电路设计厂商。近年来PA行业并购不断：国际方面，RFMD收购TriQuint，PA龙头强强联手；Skyworks收购AXIOM和SiGe、RFMD收购Amalfi、Avago收购Javelin，传统GaAs PA大厂推进GaAs、CMOS、SiGe等工艺多元化战略；联发科收购络达科技（Airoha）31.55%股权、Qualcomm并购Black Sand，基带厂商涉足PA领域提平台案竞争力。国内方面，202_年7月紫光集团完成对锐迪科收购；202_年5月北京建广资产管理（JAC Capital）收购NXP功率放大器（RF Power）事业部门，在国家意志驱动及并购基金引导下，中国赴海外私有化PA厂商大幕开启。

预期未来行业整合仍将持续。主要集中在以下领域：（1）随着独立PA设计厂商生存空间缩小，占据资金和产业优势的基带芯片公司有望并购PA厂商，以补全平台设计链；（2）占主导地位的砷化镓/氮化镓 PA Fabless或IDM厂商并购采用CMOS工艺的Fabless设计等新技术厂商，以增强自身技术覆盖范围和保持持续竞争力；（3）考虑到高性能氮化镓半导体产业应用领域敏感性，出于军事安全/技术保密/产品性能深度优化的考虑，不排除设计公司通过收购方式建立化合物芯片产线，或代工厂反向收购设计公司打造垂直产业链的并购可能；（4）大陆扶持集成电路行业意志坚决，海外并购优秀的砷化镓厂商将持续加速；（5）国内消费电子产业链上下游公司出于拓展业务目的收购优质化合物半导体设计公司，如长盈精密收购苏州宜确股权布局物联网，未来利用自身的产业链优势向客户推广其射频功放产品。

化合物晶圆代工模式加速成长

砷化镓芯片产能滞后，增长需求强烈。据统计202_年全球PA行业总产值为84.5亿美元，砷化镓代工市场总产值为6.5亿美元，占比仅7.7%。202_年二季度由于中低端智能手机的增量爆发和4G市场占比的迅速拉升，大陆手机市场砷化镓PA产能供给严重不足，市场缺口一度高达20%以上。以Skyworks为代表的国外IDM大厂PA缺货严重，甚至迫使联发科等平台芯片厂商修改平台设计方案应对。

设计公司“去晶圆化”，IDM产能外包成未来必然趋势。与硅基集成电路发展趋势类似，化合物半导体公司也将逐步由垂直一体的IDM模式向“无晶圆Fabless设计+专业晶圆代工”模式发展。一方面，新成立的设计公司一般不购置重资产的芯片生产产线，采用Fabless的纯设计公司方式有助于保持公司的灵活性；另一方面，考虑到晶圆代工产业已然成规模及受到新兴Fabless设计公司挤压，IDM公司对自有产线扩展投资更为保守，因其自有产能必须要保证充分利用产线才不至于闲置。相比之下晶圆代工厂则可以通过掌握Fabless及IDM外发订单维持产能利用率。传统的IDM大厂越来越倾向于不再采用扩大自身产能，转而采用外包给专业的晶圆代工公司进行芯片生产，进而又推动晶圆代工模式的成长。

代工市场产值202_年预计增至百亿人民币规模。随着Fabless设计公司的涌现和IDM外包业务的发展，化合物集成电路代工业务将持续稳步增长。202_年全球砷化镓代工市场总量为6.5亿美元，其中龙头台湾稳懋月产能24k片（以6英寸片计），产值3.78亿美元，占比58.2%。受益于PA芯片业务市场需求的迅猛增长和产业模式转变，预计全球化合物集成电路代工业务市场将实现增量扩张，202_年代工市场总容量将增至16.9亿美元，行业占比增至17.5%。

代工近期向稳懋、宏捷科集中，三安光电有望强势切入。目前全球专业砷化镓晶圆代工厂商以台企为主，代表企业为稳懋（Win）和宏捷科（AWSC），202_年占化合物晶圆代工市场份额分别为58.2%、21.4%。稳懋、宏捷科主要客户分别为Avago、Skyworks。原IDM大厂TriQuint也提供代工服务，但因其兼具IDM和晶圆代工业务易与客户业务发生冲突，导致其在砷化镓晶圆代工市场市占率已从202_年的29%萎缩到18%。预期，中短期GaAs晶圆代工市场份额将不断向稳懋、宏捷科集中。大陆上市公司三安光电目前强势布局砷化镓及氮化镓晶圆代工（202_年底年产能砷化镓30万片、氮化镓6万片），达产后产能将和稳懋现有产能比肩，有望抢占台厂代工市场。

国家意志驱动产业链崛起 内需拉动集成电路产业整体发展 集成电路巨额进口和国家安全战略引起国家高度重视。集成电路被喻为国家的“工业粮食”和国防现代化的“电子血液”，而中国集成电路产业基础薄弱，严重依赖进口，实际自给率仅有约10%，进几年进口金额接近甚至超过原油进口，因此，发展集成电路产业已经被提升为国家安全战略布局。

国家意志有望驱动行业战略性拐点。（1）5/10年成长周期，扶持政策明确。近年来集成电路扶持政策密集颁布，融资、税收、补贴等政策环境不断优化。尤其是202_年6月出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》，定调“设计为龙头、制造为基础、装备和材料为支撑”，以202_、202_、202_为成长周期全力推进我国集成电路产业的发展。（2）庞大资本运作，撬动发展的主要手段。202_年10月，中国成立国家集成电路产业投资基金（简称“大基金”），“大基金”首批规模将达到1200亿元，至202_年9月已投资37个项目，28个企业，加之超过6000亿元的地方基金以及私募股权投资基金，中国有望以千亿元基金撬动万亿元资金投入集成电路行业，加速行业重组、并购。

资源向龙头集中，“马太效应”凸显。全球集成电路产业寡头垄断特征日益显著，中国成长性不足企业也将逐步退出，优质资源向龙头集中。例如“大基金”已投项目及国开行融资项目涉及PA产业链公司的包括：（1）设计环节，“大基金”100亿元投资紫光集团，国开行为紫光集团提供200亿元融资贷款。（2）晶圆代工环节：“大基金”以48.4亿元收购三安光电9.07%股权、以不超过25亿美元推进与三安集团及三安光电合作；国开行以最优惠利率提供200亿人民币融资总量，用于支持三安集团及三安光电的业务发展。（3）封装测试环节：“大基金”3亿美元助力长电科技收购星科金朋。

内国产化趋势明朗：“芯片禁运”与需求缺口

化合物射频芯片大陆需求端市场全备，供给端受“芯片禁运”遏喉，本土化迫在眉睫。（1）需求端：终端应用市场全备，规模条件逐步成熟。随着全球移动终端产品产能向中国转移，中国已经成为全球PA终端产品制造基地，202_年中国汽车、平板电脑、PC、智能手机出货量占全球比重分别达28%、14%、30%、41%，终端应用市场全备，化合物PA芯片市场空间巨大。（2）供给端：中国尚无产值规模占比居前、技术领先的砷化镓/氮化镓集成电路设计、晶圆代工厂商，PA尤其是中高端3G/4G手机射频PA芯片严重依赖进口。美国对华“芯片禁运”政策，尤其是高性能、军用PA禁运政策非常严格，也将极大刺激氮化镓芯片产业本土化发展。

设计端基础扎实，技术突破在即

大陆优秀设计公司不断涌现，2G PA市场领域已占“半壁江山”。和其他集成电路细分行业发展轨迹类似，我国化合物集成电路设计公司较国外IDM大厂比起步较晚、规模相对较小，目前集中于低端消费类电子PA领域，普遍采用Fabless的纯设计公司模式，由台湾代工厂稳懋等专业代工厂商提供芯片制造服务。区别于基带数字电路芯片动辄上千人的“集团军”作战模式，化合物集成电路多为射频模拟电路，Fabless设计公司核心工程师团队往往只需数十人甚至数人。受益于国外人才回流和信息壁垒削弱，大陆化合物集成电路设计公司总体发展势头迅猛，涌现出如锐迪科/汉天下/唯捷创芯等一系列在业界占据一席之地的优秀射频功率放大器设计公司。2G 通讯终端领域，大陆PA厂商出货量已远超国外IDM大厂，合计份额超过75%，占据市场主流地位。202_年，锐迪科微电子 2G PA 202_年出货量1.41亿颗，3G PA出货量300万颗，PA事业部实现营收4300万美元；中科汉天下微电子2G PA出货量2.52亿颗，3G PA出货量4600万颗，实现营收9000万美元。唯捷创芯在3G PA领域起步较早，202_/202_/202_年分别实现营收3.40亿元、4.69亿元和4.1亿元。

技术突破在即，3G/4G市场国产化替代加速。目前4G PA市场仍被Skyworks、Qorvo、Avago和Murata等几家供应商垄断，其他各家研发进度也在提速，国产化趋势确定。预计202_年4G PA市场大陆PA市占率将大幅增加，占比达20%～40%。

晶圆代工强势导入，全产业链雏形初现

设计推动代工，大陆化合物晶圆代工龙头“呼之欲出”，PA类IDM产业链初现。目前我国化合物半导体领域，尤其是PA Fabless设计领域已经涌现出锐迪科（RDA）、唯捷创芯（Vanchip）、汉天下（Huntersun）、国民飞骧（202_年收购国民技术射频PA业业务）、苏州宜确（202_年被长盈精密收购20%股权）等厂商，及CETC13所、CETC55所等军用科研院所。国内化合物集成电路设计目前已占领2G/3G/WiFi等消费品电子市场中的低端应用。其中汉天下和唯捷创芯已分别在国内2G/3G PA市场占据较大市场份额，各家4G砷化镓射频模组芯片研发快速推进，202_年内均有望实现规模量产，国产化替代趋势明朗且持续加速。封测领域已经储备长电科技、晶方科技、华天科技等优质企业。未来代工环节有望由三安光电填补空白。202_年三安光电拟募投建设年产能30万片砷化镓和6万片氮化镓（6寸）生产线，202_年底达产产能有望超越台湾稳懋现有规模（202_年月产能24k片），成为国内第一家规模量产GaAs/GaN化合物晶圆代工企业。在国家意志驱动下，未来大陆有望打造“设计+晶圆代工+封装测试PA类IDM全产业链。

投资策略：设计关注并购，制造追踪“龙头”

上游设计领域：重点关注化合物射频PA公司被并购机会。PA设计公司独立生存的空间逐步缩小。出于提升性能、降低成本、提升平台竞争力等因素考虑，占据资金和产业优势的基带芯片公司，具备收购射频设计公司补全平台设计链的强烈意愿。重点推荐国内上市公司信维通信，关注长盈精密。下游代工领域：看好积极布局化合物半导体代工领域LED龙头企业三安光电。公司LED芯片龙头地位稳固，并强势进军化合物半导体代工领域，将受益于LED照明市场稳定发展和化合物半导体代工市场爆发性增长。重点关注国内上市公司三安光电。

上游设计公司：关注PA设计公司被并购机会

基带芯片设计公司并购PA Fabless设计公司趋势明显。化合物集成电路下游最大的消费类应用领域是射频功率放大器，在通讯领域必须与基带主芯片搭配使用，在地位上依附于主芯片。即便是国外的PA IDM大厂，在产业链中和平台芯片设计厂商相比也处于从属地位。目前全球集成电路产业明显呈现“持续融合，强者恒强”的高度集中化发展趋势。一方面，PA芯片是通讯领域仅次于基带芯片的重要组成器件，设计和优化上与基带芯片存在天然互补联系，销售业绩和产值预期与基带芯片也存在强烈依附关系，是基带芯片公司的必要有益补充；另一方面，硅基芯片与化合物半导体设计方法和工艺流程上都存在巨大差异，基带芯片设计公司通过自身组建研发团队从而具备PA设计能力并非易事。据此我们研判，在消费电子领域，本土PA设计公司独立生存的空间将逐步缩小。出于提升性能、降低成本、提升平台竞争力等因素考虑，占据资金和产业优势的基带芯片公司，具备收购相关本土PA设计公司，补全平台设计链的强烈意愿。基带芯片巨头高通收购Black Sand巩固PA产品、台湾联发科入资Airoha、大陆展讯与锐迪科合并形成紫光展锐，且与中科汉天下紧密合作，都是这一趋势的有力佐证。

重点推荐上市公司：信维通信，关注长盈精密。

重点关注非上市公司： 锐迪科，中科汉天下，唯捷创芯，苏州宜确，国民飞骧。

锐迪科：与展讯合并，紫光展锐“基带+射频”产业一体化协同效应明显。202_年7月至202_年6月展讯及锐迪科分别以18.7亿美元和9.07亿美元完成私有化，202_年整合初步完成紫光展锐本土IC设计巨头现身。展讯202_年已成为全球第三大基带芯片商，LTE芯片出货过千万颗，产品占三星出货量30%以上。锐迪科在合并前已为国内十大IC设计商之一，为国内领先射频及混合信号芯片供应商，202_年开发的RDA 3G/4G PA在WCDMA模式可达达到50%以上的效率（同期业界平均为40%），LTE模式下工作可达到40%效率同期（业界平均水平为35%）。202_年紫光展锐手机芯片预计出货量将达6.5亿套，稳居全球前三。

唯捷创芯：目前国内唯一大规模量产2G、3G、4G所有标准射频前端产品的公司。202_年成功登陆新三板，202_年又14亿估值完成7000万元融资。202_/202_/202_年营业收入分别为3.40/4.67/4.06亿元，202_年1-4月2G/3G/4G芯片营收占比为38.94%/56.70%/3.16%。202_年6月推出射频前端产品包含2套组合，分别支持3模和5模的4G移动通信终端应用，符合MTK的4G通信平台定义的phase2射频前端标准。目前公司产品已成功应用到联想、华为、HTC等国内一线品牌。202_年与RFMD诉讼案达成和解，为公司未来发展又扫除一大隐患。

中科汉天下：2GCMOS PA全球市占率超50%，稳居全球第一。公司为国内领先无线射频芯片、智能手机功放芯片、双工器、滤波器芯片制造商，202_年公司RF-PA月出货量超过7000万颗，其中2G PA 超4000万/月，3GPA 超1100万套/月，4GPA已导入数家知名IDH方案商和品牌客户的BOM列表，并完成了首批产品的规模量产测试。202_年射频前端芯片通过了三星认证，将大规模量产4G三模八频和五模十七频射频前端套片。

下游制造企业：关注大陆化合物代工潜在龙头

重点公司推荐：看好积极布局化合物半导体代工领域的A股上市公司三安光电。公司主要从事Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的研究与应用，着重以碳化硅、砷化镓、氮化镓、蓝宝石等半导体新材料所涉及的核心主业做大做强，近两年一系列动作布局谋求化合物集成电路代工寡头。

从国家战略，产业发展，及军品民用化等角度考量，培养本土的化合物PA代工龙头企业势在必行，三安光电已积累丰富的化合物半导体制备关键技术，切入化合物芯片代工领域恰逢其时。

信维通信：深度受益5G爆发，由天线至射频前端，打开千亿市值空间

射频主业受益大客户份额持续提升。信维通信主营射频元器件，是全球领先天线厂商，提供产品包括射频隔离器、射频连接器、手机天线、WIFI天线、NFC天线、无线充电等，为国际A客户、三星电子、华为等知名厂商大量供货。随着在射频主业中竞争对手安费诺、Molex等的逐步下滑，公司在大客户的份额稳步提升，并由手机向单机价值量更大的pad，笔记本电脑领域快速扩张，预期今明年相关领域的拓展仍能够为射频主业带来40%以上的增长。此外，公司在国产安卓阵营的份额仍然较低，这部分也将贡献未来一两年公司成长的主要动力。

切入声学，打开中期成长空间。受益声学射频一体化趋势，公司切入声学领域，提供声学+射频的box一体化解决方案。声学领域单机价值量远大于天线，是更为广阔的成长领域。公司声学产品目前已为索尼出货，202_年将大概率在安卓阵营全面导入，迎来声学业务的全面爆发，包括华为和步步高系都是公司的潜在客户，我们认为公司202_年在声学领域的营收有望突破10亿元。

前瞻布局，迎接无线充电盛宴。公司当前是三星无线充电的主力供应商，并和国内科研院所合作，布局无线充电前端材料，打造无线充电核心竞争力。根据台湾媒体报道，202_年大客户有望在三款手机全部导入无线充电，从而使无线充电迎来爆发元年。当前，公司已经全面布局包括大客户和三星在内的不同无线充电解决方案，并致力于提供发射端平台，我们认为公司的无线充电业务将在202_年大幅放量，202_年全面爆发。

全面布局上游材料，发力5G射频前端，打造中国村田。5G技术，天线与射频是关键，射频前端模组价格预期可至50美元，市场空间超200亿美元。5G对手机天线集成度要求不断提高的同时，手机向下兼容的需求拉动单机射频器件使用量，同时射频器件向高频发展。4G时代，PA、SAW等射频核心元件市场被掌握射频材料的美日大厂所掌控。公司顺应5G要求，发展天线阵列与射频模组，进军射频新材料战略卡位，控股国内为数不多掌握射频电子材料、磁性材料、LTCC工艺的先进企业上海光线新材料。对标村田，由射频材料逐步向射频核心元件与模组进发，未来成长可期。

风险因素。射频元件技术风险；无线充电市场风险。

盈利预测、估值及投资评级。公司是全球领先天线厂商，原有业务经营良好，对国际大客户渗透不断加强，成长空间广阔。5G时代提前布局，依托大客户发展，射频前端新产品增长可期。根据近期产业调研及上下游验证，我们维持公司202_/17/18年EPS预测0.57/0.97/1.52元，按照202_年PE=37倍，对应的目标价35.89元，维持“买入”评级。

长盈精密：布局射频前端具备潜力，金属外观持续高增长

布局移动通讯终端零组件，202_年入股苏州宜确。公司202_年以4500万元入股苏州宜确，持股20%。苏州宜确成立于202_年，为射频前端集成电路设计商，业务覆盖2G/3G/4G/MMMB射频功率放大器及射频前端芯片等。202_年成功获审高频段5G基站用功率放大器国家科技重大专项课题，业务延伸布局未来5G通讯。长盈精密籍此拓展无线互联网络射频接入相关业务，奠基无线接入端提供整体方案芯片开发。

受益下游市场，金属CNC外观持续高增长。公司当前60%以上的营收和利润来自CNC，受益于公司主要客户VIVO及OPPO市场份额增长，CNC类产品持续高增长。202_ Q2 VIVO/OPPO国内市场份额由去年同期7.4%/6.9%增至11.9%/13.9%，出货1300/1520万部。若202_年玻璃外观成为趋势，中框大概率由铝变为不锈钢，加工时长将翻倍，刺激营收增长。长盈精密202_ H1金属外观营收18.4亿，同比增长约60%，未来可望继续保持高速增长。

增资入股广东方振，切入A客户产业链。公司202_年向A客户防水液态硅胶供应商广东方振增资4500万元，获得15%股权。A客户新品引智能手机防水热潮，假设未来每年20亿部移动通讯终端采用防水材料，仅消费电子类产品上防水材料市场可超百亿元规模。2016H1广东方振实现利润728万元，近202_ 年全年2 倍，202_-202_ 年预计营收3000/4000/6000 万元。长盈科技切入防水材料业务，外加其防水端子202_年达产在即，全面布局精密防水产业有望。连接器业务多点开花。公司积极布局连接器业务，产能与技术均具优势。202_年公司精密连接器年产能达12亿件，超精密连接器达5亿件。202_ H1公司大电流BTB连接器及卡类快速充电连接器技术广受好评，出货增长明显；自主开发高自动化程度RF线缆组装线，效率较业界水平提高一倍以上；成功开发出Type-C端子，销量已过200万。202_ H1公司连接器营收3.8亿元，预计为公司业绩未来稳定增长点。

风险因素。5G射频前端开发受阻；下游手机市场风险。

盈利预测、估值及投资评级。公司主营业务增长强劲，2016H1金属CNC外观业务同比增长达60%；连接器业务进展顺利，新品多点开花，Type-C端子可望放量；入股苏州宜确布局移动射频前端，未来5G业务为潜在增长点。我们给予公司16/17/18三年EPS为0.64、1.03、1.32元的盈利预测，看好公司主营业务高增长，工业4.0下新业务潜力，按照202_年PE=24倍，给予24.72元目标价，首次覆盖，给予“增持”评级。

三安光电：打造国内化合物半导体代工龙头

LED芯片龙头地位稳固，全球市场提供广阔空间。LED照明产业平稳增长将成为拉动LED芯片产业的强劲动力。202_年国内照明市场LED渗透率有望增至80%。三安光电外延片生产核心设备MOVCD预计202_年底可达 380台，LED业务毛利率也显著高于国内同业，规模效应和成本优势明显，领先地位巩固。202_年全球LED照明市场规模高达299亿美元，市场渗透率27.2%，仍有较大提升空间。将充分受益于LED产业向中国大陆转移趋势，海外市场前景广阔。

IC国产化趋势明朗，大基金支持赶超全球代工龙头。三安光电将融资投产GaAs/GaN器件，深度布局化合物半导体代工市场。产业总体趋势性向亚洲转移，大陆产业链雏形初现，代工环节极有希望由三安填补空白。半导体项目获国家层面支持，大基金48亿元投资成为公司第二大股东，25亿美元规模产业基金、国开行200亿信贷额度将助力公司外延爆发式增长。项目达产后产能比肩业界巨头，有望占据全球27.3%的代工份额。

风险因素：半导体产线达产不及预期及与代工台企短期竞争加剧的风险；LED下游市场增速低于预期的风险。

盈利预测、估值及投资评级：达产稳定后可实现化合物半导体6寸片年产能36万片，规模大于目前代工龙头台湾稳懋。公司LED芯片龙头地位稳固，并强势进军化合物半导体代工领域，将受益于LED照明市场稳定发展和化合物半导体代工市场爆发性增长。我们预计公司202_-202_年全面摊薄EPS分别为0.52/0.63/0.71元（202_年考虑除权后为0.42元）。参考可比公司估值水平，兼顾并购预期、大基金注资，我们给予公司202_年23倍PE估值，对应目标价14.49元，上调至“买入”评级。

大港股份：稳增拓新，深化PA等新兴领域布局 并购切入PA模块，深化IC产业战略布局。公司全资并购了国内领先的独立集成电路测试服务商艾科半导体，并于202_年对其增资6.9亿元。艾科半导体作为国内领先的专业化独立第三方集成电路测试企业，具有通用射频测试设备研发与产业化能力，目前艾科半导体的Matrix测试系统已量产测试 GSM、EDGE、TD、UMTS（WCDMA）等主流移动设备射频前端器件，涵盖单频功放及多频多模发射模块等产品，并研发出基于通用自动测试设备（ATE）的射频测试方案。与此同时，公司与镇高新等7家公司签订《框架协议》，设立并购基金 50亿元，为发展公司集成电路等新兴产业培育优质标的。202_年该业务开始起量，上半年营收达3900万，增速良好。

激光产品研发稳步推进，进军航空航天军工业务。激光技术是未来制造技术的发展方向之一，激光测距机是中科大港的主要目标产品，我国激光测距机市场正处于腾飞期，202_ 年我国产量为 1,885 台，202_ 年则达到 181,180 台，市场空间广阔。公司与中科院半导体研究所等机构共同设立中科大港激光科技有限公司，从事高功率全固态激光器及其应用研究，已成功掌握30km激光测距技术。一方面，公司已签订三级保密协定，为进军军工市场做铺垫。另一方面，202_年与圌山旅文合资成立大路航空，拟通过收购投资等方式打造航天航空产业整合平台，有望成为来来新的营收增长点。

全方位业务拓展，借力九鼎投资提升资本运营能力。九鼎投资和公司深度合作后，有助于推进公司资本运营能力的改善，为公司今后的资本运作提供有效支撑。此次与九鼎合作，一方面表明公司在外延方面进入实质性筹划阶段。另一方面向市场表明外延整合的方向在朝环保、科技等新兴产业领域拓展。

房产积极转型与固废业务起量，营收增长高速可期。公司固废处理业务盈利能力强，子公司镇江固废202_年公司实现 2386.56万元营业收入，规母净利润1222.9万元，预计202_年公司固废处理产能将充分释放，有望大幅提升公司固废处理业务业绩。此外，公司楚桥雅苑安臵房项目交付及商品房项目的预销售，标志着公司的地产业务已向商品房及商业地产开发建设转型，着手打造公司房地产自主品牌“202_”，预计房地产业务毛利率将持续提升。

风险因素。房地产行业景气程度；激光技术研发失败；IC市场不及预期。

盈利预测、估值及投资评级。公司积极转型泛半导体领域，布局包括射频测试和半导体激光器等多个领域，传统房地产业务为公司转型发展提供持续的资金支持。考虑到射频测试业务的稀缺性和艾科半导体的发展前景，我们给予公司16/17/18三年EPS 0.22/0.37/0.61元的盈利预测，按照17年PE=60倍，给予22.2元目标价，首次覆盖给予“增持”评级。

第五篇：稀磁半导体的研究

稀磁半导体的研究

摘要：稀磁半导体因兼具有磁性材料的信息存储功能和半导体材料的信息处理功能，使其成为微电子学研究的热点。本文将就稀磁半导体的性质和应用，以及研究现状和发展趋势等做一简单介绍。

关键词：稀磁半导体 自旋电子学 半导体物理学

1.引言

信息的海量存储和高速互联，把人们带入了信息时代。目前支撑信息技术存在和发展的两大决定性因素分别是信息的存储和信息的处理。信息的存储是利用了磁性材料中电子的自旋属性，而信息的处理则依靠半导体芯片中电子的电荷属性得以实现。而随着近年来制作工艺水平的迅速提高，这种电荷和自旋彼此孤立的微电子学器件也即将达到物理极限[1]。因此一直以来，研究人员有个自然的想法：能否构造将磁、电集于一体的半导体器件。同时利用自旋和电荷自由度最为成功的的电子器件是由多层铁磁金属膜制备的磁盘读写头,而几乎所有的半导体

[2]器件都是利用载流子的电荷来完成其功能的。这是因为通常半导体材料如硅、砷化镓等都是非磁性材料。长期以来，人们试图将少量的磁性原子掺入非磁性半导体材料中,期待得到磁性半导体材料,制备出集磁、光、电于一体的,低功耗的新型半导体电子器件。

2.稀磁半导体简介

稀磁半导体（DMS）又称半磁半导体，是指在非磁性半导体材料基体中通过掺入少量磁性过渡族金属元素或稀土金属元素使其获得铁磁性能的一类新型功能材料[3]。因稀磁半导体既利用了电子的自旋属性和电荷属性，所以稀磁半导体制作的器件既具有磁性材料器件的信息存储功能，又具有半导体器件的信息处理功能。常用的制备方法有离子注入法（Ion implantation）、分子束外延法（MBE）、金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）等多种工艺[4]。

3.稀磁半导体的性质

稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质，如巨塞曼效应、巨法拉第旋转、自旋共振隧穿和自旋霍尔效应等．这些效应为人们研究制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础[5]。

3.1.巨塞曼效应和巨法拉第旋转

巨塞曼效应是指由载流子和磁性离子之间的sp-d交换相互作用引起的电子和空穴的巨大的自旋劈裂效应[6]。采用圆偏振抽运光照射半导体材料，当一束线偏振的探测光透过材料后其偏振面会发生偏转，透射光偏振面的偏转角称为法拉第角(反射光称为克尔角)．当材料是稀磁半导体时，偏转角要比非磁性半导体材料大1～2数量级．该现象被称为巨法拉第旋转．可以从法拉第角随时间变化的规律来研究载流子和磁离子自旋的弛豫和输运，以及如何用外电场、外磁场和光场来操纵自旋。

3.2.自旋共振隧穿和自旋霍尔效应 近年来稀磁半导体材料在磁场下的输运性质有大量的研究，主要研究的是稀磁半导体结的隧穿和霍尔效应。隧穿输运方面主要是研究通过磁性半导体结的自旋注入．自旋注入是实现半导体材料自旋电子器件的首要问题。室温下半导体材料中的自旋注入，目前实验上有两种实现途径：一类是通过铁磁金属和半导体界面注入；另一类是通过稀磁半导体结隧穿注入．在输运性质方面，人们还在铁磁半导体中发现了反常霍尔效应(或自旋霍尔效应)和各向异性磁电阻[7]。反常霍尔效应给我们提供了关于磁性半导体薄膜载流子自旋极化和散射机制的信息．通常稀磁半导体材料的磁化强度相当小，由于反常霍尔效应灵敏度较高，因此可间接反映磁化强度的大小，甚至确定居里温度。

4.稀磁半导体的研究进展

关于磁性半导体的研究可以追溯到上个世纪60年代，即关于浓缩磁性半导体的研究。所谓浓缩磁性半导体即在每个晶胞相应的晶格位置上都含有磁性元素原子的磁性半导体。例如Eu 或Cr 的硫族化合物:岩盐结构(NaCl—type)的EuS 和EuO 以及尖晶石结构(Spinel s)的CdCr2 S4 和CdCr2 Se4等 ,这些浓缩磁性半导体也被称为第一代磁性半导体[8]。但由于这类浓缩磁性半导体的居里温度太低，且高质量的浓缩磁性半导体薄膜及其异质结构的生长制备和加工方面存在着难以克服的困难，因此,迄今为止这些岩盐结构和尖晶石结构的磁性半导体主要用于基础研究和概念型器件的研究。

进入上个世纪80 年代,人们开始关注稀磁半导体，即少量磁性元素与II—VI族非磁性半导体形成的合金，如(Cd ,Mn)Te 和(Zn ,Mn)Se 等[9]。这些II—VI 族稀磁半导体被称为第二代磁性半导体。这类稀磁半导体虽然相对容易制备，但替代二价阳离子的二价Mn 离子是稳定的,产生的载流子不仅很少,而且也很难控制,所以这种稀磁半导体经常是绝缘体。这严重地限制了其实际应用。尽管如此,人们对II—VI族稀磁半导体的研究和探索一直没有放弃,近年来,又不断地取得了一些新的进展。

上世纪80年代末和90年代中期,利用低温分子束外延技术(L T—MBE)生长的Mn 掺杂III—V 族稀磁半导体(In ,Mn)As 和(Ga ,Mn)As 等引起了人们的高度关注,并称以(Ga ,Mn)As 为代表的III—V 族稀磁半导体为第三代磁性半导体。这些III—V 族稀磁半导体很容易与III—V 族非磁性半导体GaAs、AlAs、(Ga ,Al)As 和(In , Ga)As 等结合形成异质结构,并且与呈现巨磁阻(GMR)效应的金属多层膜类似,其异质结构中也存在着自旋相关的散射、层间相互作用耦合、隧穿磁阻等现象。目前这类稀磁半导体的居里温度还不能满足实际工作要求。因此,提高稀磁半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为目前半导体自旋电子学研究的一个热点[10]。

5.稀磁半导体的应用

稀磁半导体因具有一系列良好的属性，因此近年来得到了较大的关注。随着研究的一步步深入，稀磁半导体也逐渐能够应用到光电子学或微电子学的器件制备中：（1）利用稀磁半导体的巨法拉第旋转效应可制备非倒易光学器件,也可用于制备光调谐器、光开关和传感器件；（2）利用磁性和半导体性实现自旋的注入与输运,可造出新型的自旋电子器件,如自旋过滤器和自旋电子基发光二极管等;（3）通过改变磁性离子的浓度可得到所需要的带隙,从而获得相应的光谱效应。由于其响应波长可覆盖从紫外线到远红外线的宽范围波段,这种DMS 是制备光电器件、光探测器和磁光器件的理想材料；（4）稀磁半导体的磁光效应为光电子技术开辟了新的途径。利用其磁性离子和截流子自旋交换作用(sp-d 作用)所引起的巨g 因子效应,可制备一系列具有特殊性质的稀磁半导体超晶格和量子阱器件。除了以上这些具体的应用之外，利用与自旋相关的输运、磁阻效应和磁光效应等，还可制造出一些新材料和人造纳米结构,包括异质结构(HS)、量子阱(QW)和颗粒结构。总之，随着研究的深入和制备技术的进步，稀磁半导体在半导体微电子学，光电子学，固体物理学等方面的应用将非常普遍[11]。

6.结语

稀磁半导体材料具有极高的应用价值,其研究已愈来愈受到人们的重视，各国已开展了大量的实验工作,研究重点已由先前的纯理论研究慢慢转向将基础研究与应用研究相结合。随着MBE 等技术的发展,制备高质量的稀磁半导体量子阱和超晶格成为可能,使DMS材料在光电子器件上的应用将具有更广阔的前景，并将对信息和自动化工业的发展产生重要的推动作用[12]。

参考文献

[1]邓正,赵侃等.电荷自旋注入机制分离的新型稀磁半导体[J].物理.202_（10）.[2]常凯，夏建白.稀磁半导体-—自旋和电荷的桥梁[J].物理.202_,(06).[3]刘学超，陈之战等.ZnO基稀磁半导体磁性机理研究进展[J].无机材料学

报.202_,1(24）.[4]钟红梅.自旋电子学研究[J].红外.202_,(03).[5]侯登录.稀磁半导体的制备与性质[J].物理实验.202_,8(25).[6]王颖,湛永钟等.稀磁半导体材料的研究进展及应用前景[J].材料导 报.202_,7(21).[7]马军.稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻[J].科学技术与工程.202_,3(13).[8]赵建华, 邓加军等.稀磁半导体的研究进展[J].物理学进展.202_,2(27).[9]许小红，李小丽等.氧化物稀磁半导体的研究进展[J].物理学进 展.202_,4(32).[10]颜冲，于军等.自旋电子学研究进展[J].固体电子学研究与进 展.202_,1(25）.[11]张亚萍，潘礼庆.氧化物稀磁半导体材料的理论与实验研究进展[J].材料导

报.202_(17).[12]黄林琳，许天才.稀磁半导体的研究现状[J].化学工程与装备.202_(09).