半导体类文章

半导体魔角超晶格中的连续Mott跃迁

文章出处： Tingxin Li, Shengwei Jiang, Lizhong Li, Yang Zhang, Kaifei Kang, Jiacheng Zhu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Debanjan Chowdhury, Liang Fu, Jie Shan, Kin Fai Mak. Continuous Mott transition in semiconductor moire superlattices. Nature 2021 , 597 , 350-354.

摘要： 随着电子相互作用的增加，Landau费米液体演化为非磁性Mott绝缘体是物理学中最令人困惑的量子相变之一。这一跃迁的邻近区域被认为是物质的奇异态，如量子自旋液体、激子凝聚和非常规超导。半导体魔角材料在三角形晶格上实现了高度可控的Hubbard模型模拟，通过连续调谐电子相互作用提供了一个独特的机会来驱动金属-绝缘体过渡(MIT)。在这里，通过电调节MoTe2/WSe2魔角超晶格的有效相互作用强度，作者观察到一个在每个单元晶胞固定填充一个电子的连续的MIT现象。量子临界的存在是由电阻的缩放塌缩、绝缘侧接近临界点时电荷隙的连续消失和金属侧发散的准粒子有效质量所支持的。作者还观察到磁化率在MIT的平稳演化，没有证据表明在Curie-Weiss温度约5%的范围内存在长程磁序。这表明在绝缘侧有大量的低能自旋激发，而在金属侧观察到的Pomeranchuk效应需进一步证实。作者的结果与二维连续Mott跃迁的普遍批判理论是一致的。

相互作用引起的电子局域化-Mott跃迁预计会发生在半填充的Hubbard模型中。当电子的动能(以带宽 W 为特征)远远超过其相互作用能(以现场库仑斥力 U 为特征)时，基态是具有明确定义的电子费米表面的金属。相反，当 U W 时，基态是带有电荷隙的绝缘体。当 U 和 W 具有可比性时，系统将经历一次MIT过程。尽管Mott和Hubbard的开创性著作广泛接受了这一观点，但人们对这种转变的本质仍知之甚少。在大多数材料中，过渡是一级驱动的，经常伴随着同时的磁性、结构或其它形式的有序。连续的MIT现象，表现出不对称的破坏，整个电子费米表面的突然消失和同时打开电荷穿过量子临界点，仍然是凝聚态物理的突出问题之一。尽管对这一主题进行了广泛的理论研究，但实验研究对象仍然很少。

连续的Mott跃迁通常受到几何挫折和降维的青睐，其中强量子涨落可以削弱甚至猝灭不同类型的有序。魔角二维过渡金属二卤族(TMDs)异质结构为Mott跃迁提供了理想的实验平台，该异质结构被认为实现了三角晶格Hubbard模式。该系统是高度可控的，允许独立调节填充因子和有效相互作用强度( U / W )。特别地，在场效应器件中，电子密度可以通过门控连续调谐。理论上，有效相互作用强度可以通过改变TMD层之间的转角来调整，转角决定了魔角周期，从而决定了带宽。这里作者演示了平面外电场连续调谐 U / W 。电场改变了两层TMD之间的电位差，进而改变了魔角电位差，主要改变了局域Wannier函数的大小和带宽。作者研究了在固定的半带填充时系统的电输运和磁性质作为有效相互作用的函数。

作者研究了具有空穴掺杂的近零取向的MoTe2/WSe2异质双层膜。两种TMD材料的晶格失配率约为7%。在零转角时，它们形成一个三角形的魔角超晶格，周期约为5 nm (图1a)，对应于魔角密度约为5 1012 cm-2。在每个TMD单分子层中，带边位于具有双自旋谷简并的Brillouin区的K/K'点。用密度泛函理论(DFT)表征了弛豫零度取向MoTe2/WSe2异质双层膜的电子能带结构。它们具有I型能带排列，价带偏移量约为300 meV(传导和价带边缘均来自MoTe2)。图1d给出了两个平面外位移场 D 下的前两个魔角价带，这两个值减小了价带偏移。位移场对能带色散有很强的影响。对于足够大的场，第一个魔角频带的带宽随 D 迅速增加(图1e)，支持带宽调谐MITs的可行性。两种材料的大晶格失配具有一些实际优势。由于魔角周期对零度附近的转角不敏感，异质结构不容易受到角度排列不均匀造成的失调的影响。与无序密度(约1011 cm-2)相比，较大的魔角密度或等效的掺杂密度在半填充时更有利于纯粹的相互作用驱动的MITs。最后，大掺杂密度有助于形成良好的电接触，以便在低温下进行传输测量。

作者用六方氮化硼(hBN)栅极介质和石墨栅极电极制作了MoTe2/WSe2异质双层材料的双栅场效应器件(图1a，1b)。位于顶部与底部的典型hBN的厚度分别为5 nm和20~30 nm。作者将器件按霍尔条几何形状进行图形化，并将4点片电阻降至300 mK。图1c显示器件1在300 mK时的方形电阻 R 是两个栅极电压的函数。它可以转换成电阻作为填充因子 f 的函数，并使用已知的器件几何形状应用于平面外电场 E (顶部和底部电场的平均值)。两个显著的电阻特征分别对应于 f = 1和2，其中 f = 1表示每个魔角晶胞有一个空穴，即魔角价带的一半被填满。在足够大的应用领域，它们都变成金属。 f = 2时的MIT在一个更小的场。它的机理不同于 f = 1时的Mott跃迁。应用的磁场关闭第一和第二魔角带之间的间隙，并诱导从带绝缘体到补偿半金属的过渡。它对Mott绝缘状态没有明显的影响。

图2a说明了典型电场下电阻在70 K以下的温度依赖性。它们表现出两种行为。在临界磁场以下，电阻在冷却时增加。这是绝缘体的特性。电阻随热活化而变化。作者在图2b中提取了用于电荷传输的激活间隙Δ。当 E c从下面接近时，间隙大小从几十meV单调减小到几meV。它遵循幂律关系Δ | E - E c| νz ，其中指数 νz (图2c)。

在临界电场以上，电阻在低温至10 K范围内与 T 2有关。这是具有电子-电子umklapp散射的Landau费米液体的特征。作者用 R = R 0 + AT 2拟合低温电阻，其中 R 0为剩余电阻，根据Kadowaki-Woods扩展定律， A 1/2与准粒子有效质量 m ⁎成正比。当 E 从上面接近 E c时(图2d)， A 1/2的电场依赖关系可以用幂律 A 1/2 m * | E - E c| 发散来很好地描述。结果表明，整个电子费米表面都对输运有贡献，由于MIT附近的量子涨落， m ⁎在 E c处发散。

电阻在较高温度下偏离 T 2的依赖关系，在温度 T *时达到最大值，并随着温度的进一步升高而减小。在这里，类绝缘行为遵循幂次定律，而不是激活温度依赖。 T *值在接近MIT时减小(图3c)。平方电阻可以超过Mott-Ioffe-Regel极限(图2a中水平虚线)， h / e 2，其中 h 和 e 分别表示普朗克常数和基本电荷。这相当于一个比魔角时期小的平均自由路径，并暗示了“坏”的金属行为。

接下来作者演示了MIT附近电阻曲线的量子临界尺度塌缩。作者首先确定临界场的精确值，在该值处观察到 R ( T )的简单幂律依赖性。作者用临界磁场 R c( T )处的电阻使 R ( T )归一化。MIT附近的电阻曲线在温度随磁场变化的 T 0s缩放后坍塌成两个分支(图3a，3b)。顶部和底部分支分别代表绝缘和金属传输行为，它们在对数图中显示出约 R / R c = 1的反射对称。作者通过在绝缘侧的一个场将其与测量的电荷间隙匹配来确定 T 0的刻度。使用相同的 T 0s，不作任何调整，在与临界点等距离的金属侧缩放曲线。尺度参数 T 0在接近临界场时连续消失(图2b)。与电荷间隙相似， T 0遵循幂律关系 T 0 | E - E c| νz 呈，其指数为 νz (图2c)。图3a，3b也比较了同一装置在不同热循环后的两组测量结果，受到紊乱的影响，非常接近临界点。

作者在图3c中显示了|log( R / R c)|的场温相图。它揭示了被广泛观察到的量子临界的“扇形”结构。Widom线接近临界场的垂直蓝线。 T ⁎线及其镜像(对应|log( R / R c)| )为MIT附近的有限温度交叉设定了尺度，即量子临界区边界。在这个区域内有d R /d T < 0，它与下面讨论的Pomeranchuk效应相关。

由于Mott绝缘体的基态和低能激发态是由磁相互作用决定的，因此作者研究了临界点附近的磁性能。平行于二维平面的磁场与自旋耦合较弱，这是由于TMDs中强的Ising自旋-轨道相互作用。作者利用磁圆二色性(MCD)表征了TMD魔角异质结构中空穴在平面外磁场 B 下的磁化强度。图4a显示了MCD在 K时的几个电场的磁场依赖关系。在小的区域内，MCD随 B 线性增加，在 B * (符号)以上饱和。饱和场 B *在金属侧随电场的增大而增大，而在绝缘侧则随电场的增大而减弱(约4-5 T)。两侧的MCD饱和是由不同的机理引起的。在金属方面， B *与磁阻饱和场(图4c)很好地吻合，此时传输从金属过渡到绝缘。在绝缘方面， B *反映了磁相互作用能尺度。MCD可以转换为磁化，因为在饱和时，它的值对应于完全极化自旋的磁化强度。

然后由 B = 0附近的磁化率斜率得到磁化率 χ 。图4b显示了 χ -1在不同电场下的温度依赖性。对于 K以下的所有电场，它都是平滑的。高温条件下，所有的数据都可以用负的Weiss常数θ 30-40 K的Curie-Weiss依赖关系 χ -1 T - θ 描述(图中虚线)。这反映了Hubbard模型局域矩之间的反铁磁超交换相互作用，并揭示了在MIT附近两侧的磁相互作用能约为3 meV (与图4a中绝缘侧测量到的 B *一致)。图4b还显示了在低温下，靠近MIT的两侧的磁化率都很高。在金属方面，磁化率饱和发生在 T * (用箭头标记)附近。磁化率也显示出一个平滑的依赖于电场通过MIT到 K (图4d)。

在低温下，系统在金属方面是Landau费米液体，由费米面附近重费米子的Pauli磁化率给出 χ 。在~ T *以上，系统进入非相干状态，易感性遵循Curie-Weiss依赖性。这与通过 T *加热时从金属(d R /d T > 0)到类似绝缘的(d R /d T < 0)传输的交叉相关。这种行为让人想起在氦-3中观察到的Pomeranchuk效应，其中局域化电荷的增加和局域矩的形成导致加热时自旋熵的增加。当塞曼能量超过重正化带宽( gμ B B * W *)时，相干准粒子也会被破坏。这张图与图4c中的磁阻数据一致，并且 gμ B B *与图3c中的热激发能( k B T * W *)吻合较好。其中 g 、 μ B和 k B分别表示空穴 g 因子(TMDs中g 11)、玻尔磁子和玻尔兹曼常数。与大多数二维电子系统相比，TMD的魔角超晶格中的空穴塞曼能量明显大于回旋能，这是由于较大的 g 因子和较重的带质量，而魔角平带又进一步提高了带质量。

在MIT附近，由于 U 和 W 均为数十meV，磁相互作用能(~3 meV)为系统的最小能量尺度。最低测量温度(磁和输运性质分别为 K和300 mK)远远低于这个能量尺度。因此，没有任何自旋间隙迹象的 χ 对所有电场的平滑温度依赖关系(图4b)和 χ 在MIT的平滑演化(图4d)支持了两侧没有长程磁序。这些观察指出，MIT从费米液体到非磁性(或120度Néel低于 K)Mott绝缘体在有限温度下具有广泛的自旋熵。这是预期的受挫晶格，并被Pomeranchuk效应进一步证实。此外，由于 m ⁎在金属方面发散， χ 在MIT上的平滑演化意味着Landau参数 F 0a是发散的；类似地，发散的 F 0s压缩率必须在MIT处消失。

综上所述，作者证明了MoTe2/WSe2的魔角超晶格在300 mK下的连续Mott跃迁，并在量子临界点附近进行了标度分析。MIT是由改变平面外电场引起的，该电场主要改变魔角电位深度，从而改变 U / W 。作者的结果，包括连续消失的电荷隙，发散的有效质量，贯穿MIT的恒定自旋磁化率，以及Pomeranchuk效应，都指向了一个清晰的例子，在连续MIT中，整个电子费米表面突然消失。此外，由于半带填充密度几乎比无序密度高两个数量级，无序仅在观测到的相互作用驱动的MIT中起扰动作用。在二维电子气体系统中，作者观察到的密度调谐的MITs与具有非常不同的能量尺度且没有晶格的二维电子气体系统具有显著的相似性，突出了跃迁的普遍性。未来对跃迁附近的输运和磁性特性的研究，特别是在较低温度下的研究，可能揭示物质的新奇异态，如量子自旋液体。

作者/朱公子

第三代半导体

我估摸着只要是炒股或者是关注二级市场的朋友们，这几天一定都没少听这词儿，如果不是大盘这几天实在是太惨了，估计炒作行情会比现在强势的多得多。

那到底这所谓的第三代半导体，到底是个什么玩意？值不值得炒？未来的逻辑在哪儿？

接下来，只要您能耐着性子好好看，我保证给它写的人人都能整明白，这可比你天天盯着大盘有意思的多了！

一、为什么称之为第三代半导体？

1、重点词

客官们就记住一个关键词—— 材料 ，这就是前后三代半导体之间最大的区别。

2、每一代材料的简述

①第一代半导体材料： 主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。

兴起时间： 二十世纪五十年代。

代表材料： 硅（Si）、锗（Ge）元素半导体材料。

应用领域： 集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业。

历史 意义： 第一代半导体材料引发了以集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。

对于第一代半导体材料，简单理解就是：最早用的是锗，后来又从锗变成了硅，并且几乎完全取代。

原因在于： ①硅的产量相对较多，具备成本优势。②技术开发更加完善。

但是，到了40纳米以下，锗的应用又出现了，因为锗硅通道可以让电子流速更快。现在用的锗硅在特殊的通道材料里会用到，将来会涉及到碳的应用，下文会详细讲解。

②第二代半导体材料： 以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为代表，是4G时代的大部分通信设备的材料。

兴起时间： 20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、锑化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。

代表材料： 如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

应用领域： 主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和 GPS 导航等领域。

性能升级： 以砷化镓为例，相比于第一代半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性。

总结： 第二代是使用复合物的。也就是复合半导体材料，我们生活中常用的是砷化镓、磷化铟这一类材料，可以用在功放领域，早期它们的速度比较快。

但是因为砷含剧毒！所以现在很多地方都禁止使用，砷化镓的应用还只是局限在高速的功放功率领域。而磷化铟则可以用来做发光器件，比如说LED里面都可以用到。

③第三代半导体材料： 以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为四大代表，是5G时代的主要材料。

起源时间： M国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件。而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所，在1995年也起步了该方面的研究。

重点： 市场上从半年前炒氮化镓的充电器时，市场的反应一直不够强烈，那是因为当时第三代半导体还没有被列入国家“十四五”这个层级的战略部署上，所以单凭氮化镓这一个概念，是不足以支撑整个市场逻辑的！

发展现状： 在5G通信、新能源 汽车 、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，目前，应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术，也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。

性能升级： 专业名词咱们就不赘述了，通俗的说，到了第三代半导体材料这儿，更好的化合物出现了，性能优势就在于耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低。

有一点我觉得需要单独提一下：碳化硅与氮化镓相比较，碳化硅的发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率：在高功率应用中，碳化硅占据统治地位；氮化镓具有更高的电子迁移率，因而能够比碳化硅具有更高的开关速度，所以在高频率应用领域，氮化镓具备优势。

第三代半导体的应用

咱们重点说一说碳化硅 。碳化硅在民用领域应用非常广泛：其中电动 汽车 、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。

咱先举两个典型的例子：

年，丰田 汽车 运用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车，逆变器开关损耗降低30%。

年，三菱电机在逆变器上用到了碳化硅，开发出了全世界最小马达。

而其他军用领域上，碳化硅更是广泛用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。

为什么我说要重点说说碳化硅呢？因为半导体产业的基石正是 芯片 ，而碳化硅，正因为它优越的物理性能，一定是将来 最被广泛使用在制作半导体芯片上的基础材料 ！

①优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。而且，碳化硅MOSFET将与硅基IGBT长期共存，他们更适合应用在高功率和高频高速领域。

②这里穿插了一个陌生词汇：“禁带宽度”，这到底是神马东西？

这玩意如果解释起来，又得引申出如“能带”、“导带”等一系列的概念，如果不是真的喜欢，我觉得大家也没必要非去研究这些，单说在第三代半导体行业板块中，能知道这一个词，您已经跑赢90%以上的小散了。

客观们就主要记住一个知识点吧： 对于第三代半导体材料，越高的禁带宽度越有优势 。

③主要形式：“衬底”。半导体芯片又分为：集成电路和分立器件。但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底 -外延-器件”结构，而碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

④生产工艺流程：

原料合成——晶体生长——晶锭加工——晶体切割——晶片研磨——晶片抛光——晶片检测——晶片清洗

总结：晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

⑤应用方向：科普完知识、讲完生产制造，最终还是要看这玩意儿怎么用，俩个关键词：功率器件、射频器件。

功率器件： 最重要的下游应用就是—— 新能源 汽车 ！

现有技术方案：每辆新能源 汽车 使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源 汽车 的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。

新能源 汽车 系统架构中，涉及到功率器件包括——电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器。

另外还应用领域也包括——光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等领域。

射频器件： 最重要的下游应用就是—— 5G基站 ！

微波射频器件，主要包括——射频开关、LNA、功率放大器、滤波器。5G基站则是射频器件的主要应用方向。

未来规模：5G时代的到来，将为射频器件带来新的增长动力！2025年全球射频器件市场将超过250亿美元。目前我国在5G建设全球领先，这也是对岸金毛现在狗急跳墙的原因。

我国未来计划建设360万台-492万台5G宏基站，而这个规模是4G宏基站的倍。当前我国已经建设的5G宏基站约为40万台，未来仍有非常大的成长空间。

半导体行业的核心

我相信很多客官一定有这样的疑问： 芯片、半导体、集成电路 ，有什么区别？

1.半导体：

从材料方面说 ，教科书上是这么描述的：Semiconductor，是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料；

按功能结构区分， 半导体行业可分为：集成电路（核心）、分立器件、光电器件及传感器四大类。

2.集成电路（IC， integrated circuit）：

最经典的定义就是：将晶体管、二极管等等有源元件、电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶片上，从而完成特定的电路或者系统功能。

3.芯片：

半导体元件产品的统称 ，是指内含集成电路的硅片，是集成电路的载体，由晶圆分割而成。硅片是一块很小的硅，内含集成电路，它是计算机或者其他电子设备的一部分。

为什么说集成电路，是半导体行业的核心？ 那是因为集成电路的销售比重，基本保持在半导体销售额的80%。

比如，2018年全球4700亿美元的半导体销售额中，集成电路共计3900亿美元，占比达84%。

第三代半导体的未来方向

中国半导体业进入IDM模式是大势所趋，其长久可持续性我非常认可。但是讲到IDM，又有一堆非常容易混淆的概念，篇幅实在是太长了，咱们就不再拆分来讲了，你只要知道IDM最牛逼就完事了！

IDM： 直译：Integrated Design and Manufacture， 垂直整合制造 。

企业： IDM商业模式，就是国际整合元件制造商模式。其厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节，甚至也会延伸到下游电子终端。典型厂商：Intel、三星、TI（德州仪器）、东芝、ST（意法半导体）等。

模式优势：

（1）IDM模式的企业，内部有资源整合优势，从IC设计到IC制造所需的时间较短。

（2）IDM企业利润比较高。根据“微笑曲线”原理，最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率，中间的制造、封装测试环节利润率较低。

（3）IDM企业具有技术优势。大多数的IDM企业都有自己的IP（知识产权），技术开发能力比较强，具有技术领先优势。

重要性

IDM的重要性是不需要用逻辑去判断的，全球集成电路市场的60%由IDM企业所掌握。比如三星电子、恩智浦、英飞凌、NXP等。

4.中国为什么要发展IDM模式？

IDM模式的优势： 产业链内部直接整合、具备规模效应、有效缩短新产品上市时间、并将利润点留在企业内部。

市场的自然选择： 此外，中国已成为全球最大的集成电路消费市场，并具有丰富的劳动力资源，对于发展自有品牌的IDM具有市场优势和成本优势。

现在，无论是被M国的封锁倒逼出来，还是我们自主的选择，我们都必须开拓出一条中国IDM发展之路！

现状： 目前国内现有的所谓IDM，其制造工艺水平和设计能力相当低，比较集中在功率半导体，产品应用面较窄，规模做不大。我知道，这些事实说出来挺让人沮丧的，但这就是事实。

但正因为我们目前处在相对落后的阶段，才更加需要埋头苦干、咬牙追赶，然后一举拿下！

本来写这篇文章的时候不想说股的，但还是提几只吧，也算是给咱们国家的半导体事业做一点点微小的贡献。

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分类: 资源共享 问题描述: 我要写一篇课程结课文章，题目是“非晶态半导体的电学性质”，谁能提供点资料啊？！ 解析: 以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。非晶态半导体虽然在整体上分子排列无序，但是仍具有单晶体的微观结构，因此具有许多特殊的性质。1975年，英国.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功，使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级，促进非晶态半导体器件的开发和应用。同单晶材料相比，非晶态半导体材料制备工艺简单，对衬底结构无特殊要求，易于大面积生长，掺杂后电阻率变化大，可以制成多种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数大，转换效率高，面积大，已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面。 具有半导体性质的非晶态材料。非晶态半导体是半导体的一个重要部分。50年代.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，当时很少有人注意，直到1968年.奥弗申斯基关于用硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后，才引起人们对非晶态半导体的兴趣。1975年.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应，使控制电导和制造PN结成为可能，从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。在理论方面，.安德森和莫脱，.建立了非晶态半导体的电子理论，并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。目前无论在理论方面，还是在应用方面，非晶态半导体的研究正在很快地发展着。 分类 目前主要的非晶态半导体有两大类。 硫系玻璃。含硫族元素的非晶态半导体。例如As-Se、As-S，通常的制备方法是熔体冷却或汽相沉积。 四面体键非晶态半导体。如非晶Si、Ge、GaAs等，此类材料的非晶态不能用熔体冷却的办法来获得，只能用薄膜淀积的办法(如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等)，只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。四面体键非晶态半导体材料的性质，与制备的工艺方法和工艺条件密切相关。图1 不同方法制备非晶硅的光吸收系数 给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱，其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分解，衬底温度分别为500K和300K，c制备工艺是溅射，d制备工艺为蒸发。非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。其实，硅烷辉光放电法制备的非晶硅中，含有大量H，有时又称为非晶的硅氢合金；不同工艺条件，氢含量不同，直接影响到材料的性质。与此相反，硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。图2 汽相淀积溅射薄膜和熔体急冷成块体AsSeTe的光吸收系数谱 给出了一个典型的实例，用熔体冷却和溅射的办法制备的AsSeTe样品，它们的光吸收系数谱具有相同的曲线。 非晶态半导体的电子结构 非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决于原子附近的状况，可以用化学键模型作定性的解释。以四面体键的非晶Ge、Si为例，Ge、Si中四个价电子经sp杂化，近邻原子的价电子之间形成共价键，其成键态对应于价带；反键态对应于导带。无论是Ge、Si的晶态还是非晶态，基本结合方式是相同的，只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变，因而它们的基本能带结构是相类似的。然而，非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有着本质的区别。晶态半导体的结构是周期有序的，或者说具有平移对称性，电子波函数是布洛赫函数，波矢是与平移对称性相联系的量子数，非晶态半导体不存在有周期性， 不再是好的量子数。晶态半导体中电子的运动是比较自由的，电子运动的平均自由程远大于原子间距；非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小，当平均自由程接近原子间距的数量级时，在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡，而是拖有不同程度的带尾(如图3 非晶态半导体的态密度与能量的关系 所示)。非晶态半导体能带中的电子态分为两类：一类称为扩展态，另一类为局域态。处在扩展态的每个电子，为整个固体所共有，可以在固体整个尺度内找到；它在外场中运动类似于晶体中的电子；处在局域态的每个电子基本局限在某一区域，它的状态波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零，它们需要靠声子的协助，进行跳跃式导电。在一个能带中，带中心部分为扩展态，带尾部分为局域态，它们之间有一分界处，如图4 非晶态半导体的扩展态、局域态和迁移率边 中的和，这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱首先提出了迁移率边的概念。如果把迁移率看成是电子态能量的函数，莫脱认为在分界处和存在有迁移率的突变。局域态中的电子是跳跃式导电的，依靠与点阵振动交换能量，从一个局域态跳到另一个局域态，因而当温度趋向0K时，局域态电子迁移率趋于零。扩展态中电子导电类似于晶体中的电子，当趋于0K时，迁移率趋向有限值。莫脱进一步认为迁移率边对应于电子平均自由程接近于原子间距的情况，并定义这种情况下的电导率为最小金属化电导率。然而，目前围绕著迁移率边和最小金属化电导率仍有争论。 缺陷 非晶态半导体与晶态相比较，其中存在大量的缺陷。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级，它们对非晶态半导体的电学和光学性质有着重要的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃，这两类非晶态半导体的缺陷有着显著的差别。 非晶硅中的缺陷主要是空位、微空洞。硅原子外层有四个价电子，正常情况应与近邻的四个硅原子形成四个共价键。存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足，而产生一些悬挂键，在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态：释放未成键的电子成为正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，这是受主态。它们对应的能级在禁带之中，分别称为施主和受主能级。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况，两个电子间的库仑排斥作用，使得受主能级位置高于施主能级，称为正相关能。因此在一般情况下，悬挂键保持只有一个电子占据的中性状态，在实验中观察到悬挂键上未配对电子的自旋共振。1975年斯皮尔等人利用硅烷辉光放电的方法，首先实现非晶硅的掺杂效应，就是因为用这种办法制备的非晶硅中含有大量的氢，氢与悬挂键结合大大减少了缺陷态的数目。这些缺陷同时是有效的复合中心。为了提高非平衡载流子的寿命，也必须降低缺陷态密度。因此，控制非晶硅中的缺陷，成为目前材料制备中的关键问题之一。 硫系玻璃中缺陷的形式不是简单的悬挂键，而是“换价对”。最初，人们发现硫系玻璃与非晶硅不同，观察不到缺陷态上电子的自旋共振，针对这表面上的反常现象，莫脱等人根据安德森的负相关能的设想，提出了MDS模型。当缺陷态上占据两个电子时，会引起点阵的畸变，若由于畸变降低的能量超过电子间库仑排斥作用能，则表现出有负的相关能，这就意味着受主能级位于施主能级之下。用 D、D、D 分别代表缺陷上不占有、占有一个、占有两个电子的状态，负相关能意味着： 2D —→ D+D 是放热的。因而缺陷主要以D、D形式存在，不存在未配对电子，所以没有电子的自旋共振。不少人对D、D、D缺陷的结构作了分析。以非晶态硒为例，硒有六个价电子，可以形成两个共价键，通常呈链状结构，另外有两个未成键的 p电子称为孤对电子。在链的端点处相当于有一个中性悬挂键，这个悬挂键很可能发生畸变，与邻近的孤对电子成键并放出一个电子(形成D)，放出的电子与另一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D)，如图 5 硫系玻璃的换价对 所示。因此又称这种D、D为换价对。由于库仑吸引作用，使得D、D通常是成对地紧密靠在一起，形成紧密换价对。硫系玻璃中成键方式只要有很小变化就可以形成一组紧密换价对，如图6 换价对的自增强效应 所示，它只需很小的能量，有自增强效应，因而这种缺陷的浓度通常是很高的。利用换价对模型可以解释硫属非晶态半导体的光致发光光谱、光致电子自旋共振等一系列实验现象。 应用 非晶态半导体在技术领域中的应用存在着很大的潜力，非晶硫早已广泛应用在复印技术中，由.奥夫辛斯基首创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体制作的电可改写主读存储器已有商品生产，利用光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这种性质制作的光存储器正在研制之中。对于非晶硅的应用目前研究最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简单，易于做成大面积，非晶硅对于太阳光的吸收效率高，器件只需大约1微米厚的薄膜材料，因此，可望做成一种廉价的太阳能电池，现已受到能源专家的重视。最近已有人试验把非晶硅场效应晶体管用于液晶显示和集成电路。