半导体纳米科技的发展与应用

1 引言

诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。而半导体纳米材料就是对半导体材料用纳米技术改造后的材料。

纳米半导体材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细半导体材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为0.1~100nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米半导体细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Si粒子原位加压成形，烧结得到半导体纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态，纳米半导体材料则是纳米材料中的一个极其重要的分支，经过纳米技术改造的半导体材料有着不同寻常的特殊性质。

在纳米半导体材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。半导体纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规半导体纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，直径几乎是英文里面一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。但就是这些“极小”的粒子，通过纳米技术的改造，却有着各种奇异的性质。比如1975年，

英国W.G.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。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，根据纳米半导体特殊性质而有针对性的应用的例子真是不胜枚举。

2半导体纳米科技的发展

2.1半导体纳米科技的发展现状

纳米科学技术是（Naso-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本含义是在纳米尺寸（10-10～10-7m）范围内认知和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造物质。半导体纳米科技是指把纳米技术应用到半导体材料上面，并通过物理法，化学法，综合法这三种制备方法制造出的有特定的声、光、电、磁、热性能应用到生产生活等实践方面的特殊材料。当半导体材料的尺度缩小到纳米范围时，其物理、化学性质将发生显著变化，并呈现出由高表面积或量子效应引起的独特性能。目前，半导体纳米材料与器件的研究仍处于探索、开发阶段，但它们在多个领域的应用，如新型高效太阳能电池、纳米级电子器件、纳米发光器件、激光技术、波导、化学及生物传感器、化学催化剂等已呈现出诱人的前景,纳米技术的进一步发展必将使得半导体工业实现历史性突破。

2.2半导体纳米科技的发展历史

纳米科学技术是上世纪80年代末期诞生的新科学技术，他被公认为是21世纪的三大科学技术之一。经过20多年的发展，现今半导体器件在发展，其组件的特征尺寸在不断减小，小到纳米尺寸将引起质变。晶体管的基础是p-n结，当固体器件的尺寸达到纳米时，一个简单的p-n结两侧在n型和p型区域中都出现了反型层，即耗尽区，通常这个区的尺寸接近微米量级。因为要保持晶态结构，掺杂浓度受到限制，势垒宽度不能无限地小下去，整个p-n结的尺寸将不小于微米

级。如果晶体管的尺寸小到仅剩反型区，就将失去p-n结的特性，因此也就失去了微电子器件的基础，这就意味着达到了微电子器件的极限。集成度不断提高的发展趋势，将电子器件逼进了纳米电子器件的领域。从微电子器件到纳米电子器件是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。因为第一次变革对两类器件基础理论是一样的；而第二次变革，对于纳电子器件传统理论不再适用，需要发展新理论以及探索相应的材料和技术，因此纳米半导体器件的出现，给科技发展带来了机遇。其中纳米半导体的制备技术经历了三个阶段：

第一阶段：单一材料和单相材料。即纳米晶或纳米相（Nanocrystalline or Nanophase）

第二阶段：纳米复合材料。通常采用纳米微粒与纳米微粒的复合（0-0复合）、纳米微粒同常规块体之间的复合（0-3复合）及复合纳米薄膜（0-2复合）。

第三阶段：纳米组装体系（Nanostructured assembling system）、纳米尺度的图案材料（Patterning materials on the nanometer scale）。他的基本内涵是纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三维空间之中组装排列成具有纳米结构的体系（如下图）。其中

包括纳米阵列体系、介空组装体系、薄

膜镶嵌体系。纳米颗粒、丝、管可以有

序的排列而不同于第一、第二阶段中带

有一定程度的随机性质。

2.3半导体纳米科技的发展现状与趋势

当前半导体纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术等方面。用纳米半导体材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米技术还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，以满足特定的需要。

在纳米半导体制备方面，追求获得量大、尺寸可控、表面清洁，制备方法趋