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篇1

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC’s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0．18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm,0．13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4,6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：（1）．增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。(2)．提高材料的電學和光學微區均勻性。（3）．降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。（4）．GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

(1)Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管(HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW,功率增益6.4db;雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz,HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1．5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄(～0．01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9．1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW。量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3．7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

(2)硅基應變異質結構材料。硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0．9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP,InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3．6～4W。特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED)和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0．5W。在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題,如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可見光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1．5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計算的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料

硅材料作為微電子技術的主導地位至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶

材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體

微結構材料的建議

(1)超晶格、量子阱材料

從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

篇2

1半導體物理實驗課程存在的問題與困難

半導體物理實驗是物理學專業電子材料與器件工程方向必修的一門專業實驗課，旨在培養學生對半導體材料和器件的制備及測試方法的實踐操作能力，其教學效果直接影響著后續研究生階段的學習和畢業工作實踐。通過對前幾年本專業畢業生的就業情況分析，發現該專業畢業生缺乏對領域內前沿技術的理解和掌握。由于沒有經過相關知識的實驗訓練，不少畢業生就業后再學習過程較長，融入企事業單位較慢，因此提升空間受到限制。1．1教學內容簡單陳舊。目前，國內高校在半導體物理實驗課程教學內容的設置上大同小異，基礎性實驗居多，對于新能源、新型電子器件等領域的相關實驗內容完全沒有或涉及較少。某些高校還利用虛擬實驗來進行實驗教學，其實驗效果遠不如學生實際動手操作。我校的半導體物理實驗原有教學內容主要參照上個世紀七、八十年代國家對半導體產業人才培養的要求所設置，受技術、條件所限，主要以傳統半導體物理的基礎類實驗為主，實驗內容陳舊。但是在實驗內容中添加新能源、新型電子器件等領域的技術方法，對于增加學生對所學領域內最新前沿技術的了解，掌握現代技術中半導體材料特性相關的實驗手段和測試技術是極為重要的。1．2儀器設備嚴重匱乏。半導體物理實驗的教學目標是使學生熟練掌握半導體材料和器件的制備、基本物理參數以及物理性質的測試原理和表征方法，為半導體材料與器件的開發設計與研制奠定基礎。隨著科學技術的不斷發展，專業實驗的教學內容應隨著專業知識的更新及行業的發展及時調整，從而能更好的完成課程教學目標的要求，培養新時代的人才。實驗內容的調整和更新需要有新型的實驗儀器設備做保障，但我校原有實驗教學儀器設備絕大部分生產于上個世紀六七十年代，在長期實驗教學過程中，不少儀器因無法修復的故障而處于待報廢狀態。由于儀器設備不能及時更新，致使個別實驗內容無法正常進行，可運行的儀器設備也因為年代久遠，實驗誤差大、重復性低，有時甚至會得到錯誤的實驗結果，只能作學生“按部就班”的基礎實驗，難以進行實驗內容的調整，將新技術新方法應用于教學中。因此，在改革之前半導體物理實驗的實驗設計以基礎類實驗為主，設計性、應用性、綜合性等提高類實驗較少，且無法開展創新類實驗。缺少自主設計、創新、協作等實踐能力的訓練，不僅極大地降低學生對專業實驗的興趣，且不利于學生實踐和創新創業能力的培養，半導體物理實驗課程的改革勢在必行。

2半導體物理實驗課程改革的內容與舉措

半導體物理實驗開設時間為本科大四秋季學期，該實驗課與專業理論課半導體物理學、半導體器件、薄膜物理學在同一學期進行。隨著半導體技術日新月異發展的今天，對半導體物理實驗的教學內容也提出了新的要求，因此，要求這門實驗課程不僅能夠通過對半導體材料某些重要參數和特性的觀測，使學生掌握半導體材料和器件的制備及基本物理參數與物理性質的測試方法，而且可以在鋪墊必備基礎和實際操作技能的同時，拓展學生在電子材料與器件工程領域的科學前沿知識，為將來獨立開展產品的研制和科學研究打下堅實的基礎。2．1實驗基礎設施的建設。2013年年底，基于我校本科教學項目的資金支持，半導體物理實驗教學團隊通過調研國內外高校現行半導體物理實驗教學資料，結合我校實驗教學的自身特點，按照創新教育的要求重新設計了半導體物理實驗內容，并根據所開設實驗教學內容合理配置相應的實驗儀器設備，新配置儀器設備具有一定的前瞻性，品質優良，數量合理，保證實驗教學質量。由于作為一門專業實驗課，每學年只有一個學期承擔教學任務，為了提高儀器設備的利用率，做到實驗設備資源的不浪費，計劃成立一間半導體物理實驗專屬的實驗室，用于陳放新購置的實驗設備，在沒有教學任務的學期，該實驗室做為科研實驗室和創新創業實驗室使用。通過近三年的建設，半導體物理實驗專屬實驗室———新能源材料與電子器件工程創新實驗室建成并投入使用，該實驗室為電子材料與器件工程方向的本科生畢業論文設計以及全院本科生的創新創業實驗設計提供了基本保障，更為重要的是該實驗室的建成極大地改善了半導體物理實驗的原有教學條件，解決了實際困難，使得半導體物理實驗教學效果顯著提升。不僅加強了學生對專業核心知識理解和掌握，而且啟發學生綜合運用所學知識創造性地解決實際問題，有效提高學生的實踐動手能力、創新能力和綜合素質。2．2實驗教學內容的更新。半導體物理實驗是一門72學時的實驗課，在專屬實驗室建成后，按照重視基礎、突出綜合、強調創新、提升能力的要求，逐步培養與提高學生的科學實驗素質和創新能力，構建了“九—八—五”新的實驗內容體系，包括如下三個層次(表1)。第一層次為“九”個基礎型實驗，涵蓋對半導體材料的物理性質(結構、電學、光學)的測定，通過對物理量的測量驗證物理規律，訓練學生觀察、分析和研究半導體物理實驗現象的能力，掌握常用基本半導體物理實驗儀器的原理、性能和測量方法等。第二層次為“八”個提高型實驗(綜合、應用性實驗)，學生通過第一層次的實驗訓練后，已掌握了基本的實驗方法和技能，在此基礎上，開展綜合性實驗，可以培養學生綜合運用所學知識以及分析和解決問題的能力。通過應用性實驗培養學生將來利用設備原理從事生產或者技術服務的能力。第三層次為“五”個設計創新型實驗，學生需運用多學科知識、綜合多學科內容，結合教師的科研項目進行創新研究，通過設計型實驗可以鍛煉學生組織和自主實驗的能力，著力培養學生創新實踐能力和基本的科研素質。每個基礎型實驗4學時，提高型實驗8學時，創新型實驗12學時，規定基礎型為必修實驗，提高型、創新型為選作實驗。九個基礎型實驗全部完成后，學生可根據興趣和畢業設計要求在提高型、創新型實驗中各分別選做一定數量的實驗，在開課學期結束時完成至少72個學時的實驗并獲得成績方為合格。2．3實驗教學方式的優化。在教學方式上，建立以學生為中心、學生自我訓練為主的教學模式，充分調動學生的主觀能動性。將之前老師實驗前的講解轉變為學生代表講解實驗內容，然后老師提問并補充完善，在整個實驗安排過程中，實驗內容由淺入深、由簡單到綜合、逐步過渡至設計和研究創新型實驗。三個層次的實驗內容形成連貫的實驗梯度教學體系，在充分激發學生學習興趣的同時，培養學生自主學習、自發解決問題的能力。2．4實驗考核機制的改革。目前大部分實驗課的成績由每次實驗后的“實驗報告”的平均成績決定，然而單獨一份實驗報告并不能夠完整反應學生的實際動手操作能力和對實驗內容的熟悉程度。因此，本課程將此改革為總成績由每次“實驗”的平均成績決定。每次實驗成績包括實驗預習、實驗操作和實驗報告三部分，實驗開始前通過問答以及學生講解實驗內容來給出實驗預習成績;實驗操作成績是個團隊成績反映每組實驗學生在實驗過程中的動手能力以及組員之間的相互協助情況;針對提高型和創新性實驗，特別是創新性實驗，要求以科技論文的形式來撰寫實驗報告，以此來鍛煉本科生的科技論文寫作能力。通過三部分綜合來給出的實驗成績更注重對知識的掌握、能力的提高和綜合素質的培養等方面的考核。

3半導體物理實驗課程改革后的成效

半導體物理實驗在我校本科教學項目的支持下，購置并更新了實驗設備建立了專屬實驗室，構建了“九—八—五”新實驗內容體系，并采用新的教學方式和考核機制，教師和學生普遍感覺到新實驗教學體系的目的性、整體性和層次性都得到了極大的提高。教學內容和教學方式的調整，使學生理論聯系實際的能力得到增強，提高了學生的積極性和主動性。實驗中學生實際動手的機會增多，對知識的渴求程度明顯加強，為了更好地完成創新設計實驗，部分本科生還會主動去查閱研中英文科技文獻，真正做到了自主自覺的學習。通過實驗課程的教學，學生掌握了科技論文的基本格式，數據處理的圖表制作，了解了科學研究的過程，具備了基本的科研能力，也為學生的畢業設計打下了良好的基礎。與此同時，利用新購置的實驗設備建立的實驗室，在做為科研實驗室和創新創業實驗室使用時，也取得了優異的成績。依托本實驗室，2015年“國家級大學生創新創業訓練計劃”立項3項，2016年“國家級大學生創新創業訓練計劃”立項4項。

篇3

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

（2）硅基應變異質結構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

篇4

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

（2）硅基應變異質結構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

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（二）信息網絡化對大學生道德教育的挑戰

網絡的虛擬化易導致大學生人際交往的障礙，必然會影響和改變其生活方式，產生人際障礙，人際關系淡漠和人際距離疏遠，并導致孤獨、苦悶、焦慮、壓抑，甚至情緒低落、消沉、精神不振等。同時，互聯網的發展方便了西方思想文化的滲透，這對大學生的世界觀、人生觀、理想信念、道德倫理、民族認同感等會造成潛移默化的扭曲、侵蝕和消磨，而且也使我們的思想教育工作效果受到極大的削弱。

二、大學生主題班會對思想道德教育的重要意義

大學生主題班會是對大學生進行素質教育的一項最基本、最常用的途徑之一，是開展學生教育管理和道德素質建設的一個重要載體和陣地，近年來越來越受到高校領導的重視，借助主題班會來提高大學生思想素質有著重要意義。

（一）增強思想教育的吸引力，幫助大學生明確思想認識

大學生對社會接觸較少，社會經驗往往不足，且個體之間經歷不同，在認識層次、認識水平上存在一定差異，對社會上存在的問題以及個人自身的成長與發展認識也就不同，難以避免片面性和模糊性，有的甚至比較偏激，這就需要相關引導使學生形成正確的思想認識。而主題班會一般從大學生的現實生活中取材，內容大多和學生的生活息息相關，通過新穎的主題班會可以吸引學生充分參與，引導學生主動積極探究，從生動的體驗中獲得對世界、人生、自我的認知，讓他們學會獨立思考、獨立生活、獨立生存。

（二）增強班級向心力，促進師生交流

一個真正意義上的大學班集體，并不是若干個大學生的一種簡單組合，它的建立有一個過程，需要大學生由彼此陌生到互相熟悉最終到互相了解并在此基礎上產生向心力進而產生凝聚意識，這是大學階段的班級得以牢牢維系的根本所在。而一個高質量的主題班會氛圍輕松活潑，能夠調動全班同學參與活動，有助于增強班級成員的自豪感、凝聚力、自信心，同時在這種環境中互動，更容易拉近老師與學生以及學生與學生之間的距離，促進彼此之間的了解。并且班導師在參與班會過程中可以進一步了解學生的思想動態，提升他們的判斷力、思考力，從而輔助其對學生的思想教育。

（三）有助于學校、院系德育工作的開展

班會時間可以被充分利用來積極宣傳落實學校、院系的各項工作、規章制度、文件精神，增進大學生對學校德育工作的了解。同時大學生對學校的態度也被及時反饋到學校。這樣，有利于擴大學校德育工作的宣傳范圍，增強其宣傳力度，提高影響度，取得思想教育的效果。

三、我國大學生主題班會的現狀

目前，隨著大學生的思想政治教育問題日益引起社會的廣泛關注，中國各大高校也將主題班會列為必不可少的一項教學內容。我國高校開展主題班會較為積極，盡量朝著內容多樣化的方向努力，組織也做到正規有序，確實起到了一定思想教育的作用。但是我國大學生主題班會存在的問題也不容小覷。主要不足如下：

（一）對主題班會沒有一個明確的功能定位

不明確的功能定位導致主題班會職責不明確，效果得不到保證。且班會的主題大都空泛，使得主題班會往往流于事務性和形式化，并未真正發揮主題班會的思想教育的作用和價值，從而降低了主題班會課的教育效果。

（二）開展過于頻繁

很多高校從大一開始就不斷地舉行班會，少則兩周一次，少則一周舉行兩三次，過于頻繁的班會占用了學生太多時間，且內容也因此無關痛癢沒什么實質性意義，一次班會往往點個名，有事即說，無事便散，有些班會甚至只有短短十幾分鐘，讓參加的學生苦笑不已，甚至產生對主題班會教育意義的質疑。

（三）內容空洞枯燥，索然無味

雖然高校們也正努力打破班會無聊，沒有收獲的僵局，試圖做到班會內容豐富多樣化，但顯然這種努力遠遠不夠，成效也不明顯。大部分班級的班會以點名和通知事務的形式為主，不然就是班導師和班干部的單方面灌輸，形式也突破不了傳統的討論與文藝節目，久而久之難免使學生喪失積極性，引起不滿。

四、針對現階段我國大學生主題班會問題的解決方法

（一）發揮班導師在班會中的指導作用

班導師是班級的主心骨，班導師對待班會的態度，直接影響著學生對待班會的態度。因此，班導師必須嚴格要求自己，以高度的責任心投入到班會工作之中。班導師對班會的內容、形式與大學生進行研究，達成共識后一錘定音，不再更改，但要把握好班會的方向；之后，班導師要根據內容，與班干部討論，從而采取好的形式，精心設計班會，確保每次班會都在班導師的宏觀指導之下完成，可以防止大學生在一些問題把握上的不穩定性，班會的威信也可以更好地在大學生中確立起來。同時，班導師在班會上要用飽滿的熱情真誠地贊美一切美的事物和現象，抨擊各種不良的行為。要將自己的人格與正義融入一言一行中，用楷模的力量去引導學生，熏陶學生，啟迪學生的道德覺悟，增強學生的道德意識，培養學生的道德責任感。隨著班導師指導班會的次數增多，學生干部就會汲取經驗，掌握舉行班會的重點與要點，這時班導師就可以放權交給學生自行開展，但也要定時參與到班會當中來。

（二）豐富內容

結合國際、國內大事，重要節日、紀念日，學校、院系的工作狀況班級工作的實際以及大學生學習、生活和心理上的需要，廣泛宣傳和教育學生所關注的問題，交流解答疑難困惑，并將社會主義榮辱觀等重要內容滲透進來，使班會不再是追求形式的敷衍，而令學生確有收獲。這樣，在滿足大學生的需求的同時，也取得了意想不到的德育效果。

（三）適度安排班會組織的頻率與時間

盡量少占用學生的課余時間，做到數量適中但卻不失為精華。豐富班會開展的形式，可以采用不同學生輪流主持，演講，小組討論，辯論賽的形式，使更多的學生更好地參與進來。最好還能將班會的地點擴展到室外，舉行一些主題活動，實踐演練，幫助學生在實際參與中了解班會的內容和要旨，并產生對班會工作的信心與濃厚興趣，從而獲得學生們的支持。

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團體是指兩個或兩個以上的人，互相影響、互相依賴，且具有共同的目標，為了完成特定的目標而相互結合成的組織。團體具有互動與相對動態的性質，是具有社會互動性質的組織，團體遵循共同的規范，具有目標性。

團體動力是指某社會團體之所以形成的原因，以及維系團體功能的一種力量或一種方式。團體動力學是社會科學的分支，是一門探討團體結構及團體與成員間相互動力關系的學問。其理論有場地論、因素分析論、社會團體工作理論、心理分析理論等。場地論代表人物勒溫認為，應該把團體看作是一個生命的空間，它是由一些力量或變量組成，它們是影響團體內成員的重要變項。根據此理論，在教育教學實踐中，班主任若能將班級作為心理場地并作數量化呈現，才能分析、控制班級與運用班級動力。因素分析論的代表人物卡特爾認為，團體動力主要受到某些重要因素的影響，領導者在決定團體的發展時，需要了解團體內的關鍵因素。根據卡特爾的理論，若能對團體內的各項屬性一一加以評估，掌握有關的獨立變項，可以有效運作團體。社會團體工作論是將團體工作者的敘事性記錄及團體成員的個案史等資料加以分析，以了解團體對成員人格發展的影響；重視團體經驗與個體成長的交互作用，注重行動研究，即領導者如何有效利用學習遷移，促發成員轉移團體咨詢情景的積極經驗，以協助成員產生建設，增進社會適應。心理分析理論強調團體歷程中有關的情感因素，包括領導者和成員、成員與成員、成員與他人，強調透過對成員過去經驗的了解及個案記錄的分析解釋，促發動力性的團體經驗，協助成員產生積極的行為改變與人格發展。

班級是一個團體，班主任是團體的領導者。如何消除團體的沖突，促進團體凝聚力的提升，進而形成團體的動力，并運用團體動力的輔導策略，這些是班主任科學管理班級應涉及到的內容。了解團體動力理論，借鑒動力理論，有助于班主任形成自己有效管理班級的教育理念。

二、認識中小學班級中的團體動力形態

21世紀社會急劇的變遷與轉型，使得傳統的結構功能論受到現代文化的挑戰。班級是學校教育中最基層的單位，而過去以教師為中心的教室管理模式較忽視與壓抑班級團體動力的影響性。班級中存在著許許多多的小團體，這些小團體具有其潛在的影響力。作為班主任，應善用這些團體動力來使得班級管理更具有成效。

（一）非主流文化團體取向的小團體

所謂的非主流文化指相對于主流文化之外的其他文化，它是邊緣的、附屬的與次要的文化。中小學學生的他律性較強，容易受到同輩團體的影響而在班級中形成學生非主流文化團體，容易受到媒體與流行文化等因素的影響，而形成一種屬于次級文化的小團體。例如在中小學中流行的女孩們的影視歌星崇拜現象，中小學男生當前所流行的網絡游戲，如魔獸爭霸等，都是典型的學校非主流文化。班主任若能留心觀察學生無意間形成的非主流文化團體，運用引導的方法把這些團體的動力凝聚起來向著具有教育性的方向發展，對于班級管理是有所幫助的。

（二）以個性、興趣結合和教師評價取向的小團體

一般來說，中小學生在教室中的小團體比較傾向于個性與興趣的結合。但也可能會因為受到功課與教師的標準化評價而形成所謂的好學生小團體與調皮學生的小團體。通常所謂的好學生小團體對班級管理會產生積極的幫助，而調皮學生的小團體可能造成班級管理的問題所在。因此，班主任要平等對待學生，必須消除個人的喜好，對于還正在成長中的學生不要給予社會的標準評價，因為每位學生的潛力是無限的，教師必須循循善誘，引導這些班級中的小團體朝著健康的方向發展。

（三）以座位分配取向的小團體

中小學生常會因為在教室中的座位分配而影響到學習的效果，而由于座位的分配所產生的班級氣氛值得教育心理學工作者進一步探討。一般來說，中小學生若與不喜歡的同學坐在一起，會影響其學習動機；而若與喜歡的同學坐在一起，則會非常興奮而顯得士氣高昂。因此，在班級座位安排方面，班主任必須作適時的調整與更新。在座位的分配方面，必須考慮每位學生不同的學習表現，將學習表現好的學生與學習表現差的學生交錯分配在一起，如此才不容易造成學生的被標準化。此外，高效能的學生座位安排將有助于師生之間形成密切的互動。班主任對于班級中的分組也需要思考，應打破性別意識與學業成就的界線，善用小組間積極的合作與競爭模式，培養學生的主動精神與民主素養，如此將產生最佳的團體動力。

（四）以性別取向的小團體

小學高年級的學生和中學生進入了青春期，而這個階段女生的發育比起同年齡的男生要早，因此這個階段的性別界限特別明顯。在這個青澀的成長階段，中小學生的智力、學習開始初步定型，自尊心與好勝心、喜歡與厭惡、好奇與排斥等特別明顯。一般來說，小學高年級和中學的女生在班級中常會組成許多小團體，這些小團體會基于興趣與個性而組成在一起，且團體之間的界線會比中低年級的學生們來得更明顯。而小學高年級的男生和中學男生在心智與生理發展方面顯著慢于同齡的女生，會有被同齡女生領導的現象，因此小學高年級和中學的男生的小團體界線比較模糊。中小學教師在這個階段的班級管理要特別留心于性別因素所產生的影響，應避免性別間的小團體沖突，并善用此階段學生的語言模式與學生溝通，盡量以“活動式”與“主題式”的策略激發學生的團體動力，并善于借助相互合作與競爭之間產生的最大的效能。這將有助于教師的班級管理。

三、班主任運用團體動力的班級輔導策略

在中小學中，過去偏向于以班主任為中心的班級管理，其目的在于幫助教師控制學生的常規與秩序。而在新時代的班級管理中，必須融入民主的精神與多元的風貌，運用團體動力的心理輔導策略。在實踐中，教師要善于利用師生間的人際影響，進行師生間的積極溝通，尊重學生，傾聽學生的聲音，并適度地給學生建設性的反饋，最終形成科學的管理理念。（一）角色意識培養策略

在班級這個生命空間中，每個學生的動力聚合成班級的凝聚力。要形成班級的凝聚力，教師要抓好班級成員的角色意識培養，通過班級的正式角色和非正式角色的合理安排，使每個學生都能形成積極的角色意識和角色行為，使每個學生能夠感到自己在班上是受重視的，是有地位的，是負有責任的，只有這樣，才能不斷增強學生的責任感、義務感、安全感、歸屬感和集體主義榮譽感，從而自覺接受各種集體規范，不斷提高自己的心理健康水平和社會適應能力。如在班級實行值日班長制度，使學生的責任感和主人翁意識得到培養。再如，通過各種集體活動為學生提供豐富多彩的鍛煉機會，讓每個學生負責一些事務，鍛煉他們的能力。這不但可以促進學生的良好個性品質的發展，促進其動力的產生，也能不斷提升他們的心理健康水平。

（二）營造健康民主的心理環境的策略

心理環境包括班風、校風、輿論、同學關系、師生關系等。建立良好人際關系，培育健康的輿論、風氣，能夠使學生經常受到積極的感染和熏陶，逐漸形成積極上進、開朗樂觀、關心集體、團結互助的良好的性格特征，不斷提高對人際環境的適應能力。目前教師必須改變過去權威者的角色，站在指導學生學習與成長的立場，適時引導學生，培養學生獨立自主的能力，使學生能在民主的氣氛中，展現自己的特色與風格，并學習其他人的優點。教師應在民主健康的氣氛中引導班級向積極正向發展，建立積極、正確和健康的輿論導向，尊重學生所提出的觀點，并讓學生經由民主的程序共同建立班級的規則與秩序，達到學生之間的相互約束與互相學習，從而獲得全班的凝聚力與向心力，這有助于教師成功地管理班級。

（三）班級學習分組策略

學生非主流文化所組成的小團體以及班級內的各式各樣的小團體所產生的團體動力，與教師的班級管理有著密切的關系。中小學教師在管理班級時，需要關注時代的發展，融入民主的精神，改變以往以教師為中心的班級管理策略，轉向教師與學生共同管理的模式，培養學生的責任感。教師可進行引導而不急于幫學生作決定，如此將有助于培養學生獨立自主的能力。在班級教學分組方面，必須著眼于班級成員的全面提升，把各類不同學習成績的學生分散并綜合，這將使得每一個小組的成員都可以進行相互指導。這種學習成績混合的分組為學習成績高的學生提供了成長的機會，同時也為學習成績較差的學生提供了補救的機會。善用此類分組方法將會激發學生產生學習上的最佳團體動力。此外，教師也可以根據不同性質的內容或不同的活動形態進行分組，如此將增加班級成員間的互動，增強班級成員的向心力。

（四）團體游戲輔導策略

狹義的團體游戲輔導是指游戲、唱跳，唱跳包含了歌唱與上下肢體移動的音樂律動。從兒童發展理論中可以得知，游戲在兒童發展中的作用是非常重要的，團體游戲能增進學生的感情交流，增進學生對組織的向心力，對于激發學生新的創意與新的思維模式大有幫助。團體游戲輔導有助于學生的人際關系與發展，也是培養學生團體生活技能，培養學生健全人格的一種有效的教學方法。團體游戲對于培養創新性的兒童，對于激發班級的團體動力，具有很大的幫助。班主任在班級管理中，適度運用團體游戲輔導的理念與技巧，并遷移至學生的學習上，可以引發學生的學習興趣，提高學生的學習成效。

班主任是教師中的優秀代表。他們除了應具備普通教師的基本素質之外，還應具備良好的心理素質、熱愛學生的職業素養和科學的管理能力。“當教育者贏得了學生的信任時，學生對接受教育的反感就會被克服而讓位于一種奇特情況，他們把教育者看作一個可以親近的人”。學生在與班主任朝夕相處時，容易產生依賴和歸屬心理，班主任將成為學生最為親近和信賴的人。

參考文獻：

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[4]陳曉紅.班主任應成為青少年學生心理健康的呵護者.教育探索，2006，（2）.

篇7

第一，教師要在任何時候都了解自己班級中的小團體的活動狀況、核心人物的態度以及人員的變遷。同時，還要了解班級內大部分成員對這些小團體的評價。

第二，教師要做好小團體的核心人物的工作。小團體的活動和作用，很大程度上取決于這些核心人物的態度。因此，做好他們的工作是把握小團體的關鍵。

第三，教師要善于在班級中創造良好的情感氣氛，使班級目標與小團體目標在根本利益上是相容的，并努力使小團體的活動適應班級的活動。同時，教師要善于在各種活動中充分調動小團體的積極性，發揮他們的特長，并注意提高他們的活動質量。

篇8

2月9日上午，第五輪六方會談第三階段會議舉行了團長會議，下午又是一系列雙邊磋商，本階段會談進入“磨合期”。

中國代表團當天分別與朝鮮、俄羅斯、韓國、日本、美國代表團進行了雙邊接觸。雙邊接觸前，六方團長舉行了近兩個小時的小范圍會議。

此外，當天中午美朝雙方代表團團長進行了會談，并且在北京金融街的麗斯卡爾頓酒店共進了午餐，這是美朝在此階段六方會談期間的首次雙邊接觸。

午餐后，朝鮮代表團團長金桂冠表示：“我和希爾就推動會談取得進展的方案交換了意見。我們已經就一些問題達成了共識。但是，整體上仍然有分歧，我們正在努力增加共識。”

而美國代表團團長希爾則向媒體透露：“我們綜合討論了‘9?19共同聲明’所涉及的一切議題。朝鮮在棄核起步階段應采取的行動全部包含在聲明里，沒有新內容。但是‘9?19共同聲明’中哪些內容將被列入此次的協議草案，哪些內容需要等到3月份以后考慮，還要經過進一步的磋商。”

希爾同時表示，美方對會談進程持謹慎樂觀的態度。

除此之外，美朝雙方還就中方提出的協議草案進行了商談，希爾對此表示：“我們努力就協議上的文字進行磋商，而且還要保證雙方對于文字表達意思的理解是一致的，這是很困難的事情。”

此前，韓國、日本以及美國代表團都已經證實中方向其它各方提出一份協議草案，但各代表團均未正式透露草案內容。韓國代表團副團長任圣南當天表示，各方對中方提出的草案“在大的框架內達成相當程度的共識”。

據俄羅斯駐華使館新聞處處長伊薩耶夫介紹，此份草案包括建立5個工作小組，將就朝鮮棄核后的一系列問題展開實質性的工作。其一是由專家組成的工作小組直接就朝鮮停止核武項目問題開展行動。另外4個工作小組負責相應的4個主題：援助朝鮮項目，包括經濟和能源援助、東北亞安全合作問題，剩下的兩個則是朝鮮與日本、美國關系正常化問題。此外，中方的提議還包括在2個月左右的時間內，朝鮮凍結自己的核項目，其中包括寧邊反應堆，以交換對平壤的能源援助。

各方圍繞幾方面議題展開討論，將構成起步階段行動計劃的基礎。但是各方對草案仍存一定的分歧，其中最大的障礙是美國再次提出將“凍結”朝鮮寧邊核設施改為“拆除”的建議，而朝鮮則堅決予以反對。

當晚，外交部副部長戴秉國在釣魚臺國賓館會見了參加第五輪六方會談第三階段會議的各國代表團團長。

戴秉國對六方重聚北京表示歡迎。他指出，事實證明，六方會談是解決朝鮮半島核問題的有效機制。落實好共同聲明是六方的共同愿望，也是國際社會的普遍期待。兩天來，各方進行了認真的討論。相信只要各方抱有誠意，堅持不懈，認真談判，就一定能夠克服困難，為落實共同聲明開好頭、起好步，推動六方會談不斷取得進展。

各方團長對中方為推動六方會談作出的建設性努力予以高度贊賞，表示通向半島無核化的道路充滿希望，也有坎坷。各方愿共同努力，縮小分歧，擴大共識，切實落實共同聲明，朝著既定的目標一步步邁進。

2月12日，會議進入第五天，也是關鍵的一天。從當天上午10時開始，會談各方已經進行了約16個小時的緊張磋商，繼續為達成各方都能認可的書面協議做最后的努力。

據六方會談新聞中心的消息，當天會談各方舉行了“車輪戰式”的雙邊磋商。其中，日本和朝鮮代表團舉行了此次會議以來首次雙邊磋商，磋商持續約一個小時。朝鮮和美國代表團也舉行了至少兩次雙邊磋商。

2月13日下午，第五輪六方會談第三階段會議在釣魚臺國賓館舉行了全體會和閉幕式。武大偉主持了會議。

武大偉說，在各方共同努力下，本次會議就落實共同聲明起步行動達成重要共識，這標志著六方會談和朝鮮半島無核化進程又向前邁出了重要而堅實的一步，有利于半島和東北亞地區的和平、穩定與發展，有利于有關國家改善和發展相互關系，也有利于構筑和諧東北亞新格局。

武大偉對各方在會談中顧全大局、顯示靈活、相向而行的積極態度和做出的建設性努力表示贊賞，希望各方履行相應義務，盡快啟動相關工作，落實好起步階段各項行動和措施。

武大偉表示，希望六方協調一致，乘風破浪，把六方會談的航船駛向和平、發展、合作、共贏的彼岸。

會議以全體起立鼓掌方式通過了落實共同聲明起步行動文件（全文另載），并決定第六輪六方會談于3月19日在北京舉行。

當天下午，國務委員唐家璇在釣魚臺國賓館會見了出席第五輪六方會談第三階段會議的各方代表團團長。

唐家璇代表中國政府對各方經過艱苦努力，就落實共同聲明起步行動達成共識，第五輪六方會談取得積極成果表示祝賀。他說，六方不僅確定了落實共同聲明起步階段的具體行動，還就如何落實的機制達成了共識，這是六方會談取得的一個重大突破，標志著朝鮮半島無核化進程邁入實質性階段，充分體現了各方通過和平協商實現半島無核化的政治意愿。

唐家璇說，這次會議取得積極成果的重要意義之一，就是展示了六方會談的生命力，證明六方會談是解決半島核問題的現實有效途徑，是各方通過對話增進理解與信任、通過合作構筑和諧東北亞新格局的重要平臺，也證明通過對話協商和平解決國際爭端是一條正確、可行的道路。

唐家璇指出，繼續推動實現半島無核化進程，實現有關國家關系正常化，維護東北亞地區和平與穩定，符合各方根本利益。希望各方繼續努力，顯示政治意志和智慧，體現靈活與耐心，在任何情況下都要堅持對話解決的方向，認真履行各自的承諾，不斷推動六方會談繼續取得更大的成果。唐家璇表示，中國政府堅定支持本次會議達成的文件，愿意承擔相應的義務。

朝、日、韓、俄、美5方團長高度贊賞中方為推動本輪會談取得成果所發揮的重要作用，一致表示本次會議是半島無核化進程中新的里程碑，各方愿認真履行各自承擔的責任和義務，兌現承諾，實施好起步階段的行動，在共同推動六方會談進程中不斷增進互信，加強合作，致力于實現東北亞地區持久和平、穩定與繁榮。

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中圖分類號：U448.14 文獻標識碼：A文章編號：2095-2104（2012）

由于道路和橋梁是國民經濟的大動脈，道路和橋梁的運行關聯性極強，牽一發而動全身，確保其日夜不間斷安全、正點地運行，密切關系到國家的政治、經濟、軍事、救災和人民生產生活等諸多大事，如果在一座小橋上中斷行車一天，將使數以百計的客貨列車停運，影響可波及數省，責任極其重大，所以道路和橋梁的設計、施工更加要強調穩重。

道路和橋梁的施工單位在確保安全、不中斷行車、利用行車間隙或短暫的封鎖時間進行道路和橋梁設施的修理、更換，從組織、計劃、準備和技術措施方面的考慮，都要十分細致、周密和嚴謹，要考慮如何盡可能不影響或少影響正常運行，以顧全國家、社會的大局利益，保證道路和橋梁運輸系統的總體效益。

一、目前我國道橋工程現狀

（一）隨著城鄉一體化建設和交通運輸事業的飛速發展，車輛載重量、車速和交通量已大為提高，在過去三、四十年所建造的低標準的、長期失養的農用、公路及城市的道路和橋梁能否繼續服役并安全運營，已成為公路和城市建設決策部門的一件大事。但是，有病害、甚至病害嚴重的危橋，如果有正確的檢查分析與診斷，以新技術、新材料給予加強、加固一般是能夠繼續安全運營的，并且能使其原有載重等級得到提高。此項檢查、分析、加固的費用，一般只是新建費用的10%-20%.而且在加固過程中，除少量重車短期繞行之外，勿須全部中斷交通，其經濟效益和社會效益極其了然。

（二）道路和橋梁的運營管理本來就較難，又長期失控，車輛超限、超速、尤其是嚴重超載，給道路和橋梁造成極大的損害。道路和橋梁一方面是遭到強力損害，另一方面卻未得到應有的關注、檢查、養護和救治，其壽命能長嗎？使得有的橋梁才建好十幾二十年，就因病害嚴重、承載力已大大降低而成為危橋。再加以缺少經驗豐富、理論基礎扎實的技術人員參與分析決策，加固乏術，不能保證安全，以致耗費巨資，將橋梁拆除重建。

（三）對于事關行車安全的道路和橋梁設施的管理、檢查、養護維修、大修加固、技術檢定等方面，我國的道路和橋梁交通系統就施行了一整套嚴格的制度。特別是道路和橋梁設施的管理，長期以來實行了道路和橋梁檔案管理、經常檢查、定期檢查、特別檢查和計劃預防性維修制度，配合路橋檢定、路橋試驗、洪水沖刷觀測、路橋大修和防洪工程，維護了路橋的正常完好狀態，從而大大地延長了路橋的使用壽命，使得經歷了幾十年的酷暑嚴冬、暴雨烈日、洪水淘刷、戰亂損壞和提載提速考驗，除少數做了加固、換梁或改建之外，絕大多數的蒼老舊橋至今仍保持著安全運營狀態，為國家承擔著日益繁重的運輸任務，創造了極大的經濟效益和社會效益。

二、公路橋梁的施工管理加強公路橋梁的管理并進行維修和加固，使其處于正常的工作狀態，充分發揮橋梁的作用，是公路管理部門的一項主要任務。對于橋梁的超限運輸管理工作具有工期短、要求高、工程量較小、前期工作量大等特點，公路超限運輸一般是為國家或省的重點建設工程服務。 （一）對于經常過大件的路段，應對改路段上的大小橋梁進行重點檢查和管理，收集原始檔案材料，掌握其動態，針對其技術和承受能力編制相應的加固處理方案，需要報批的及時按程序報批。（二）在施工中針對其技術嚴格按照業主已批準的加固方案進行施工，注意抓重點、制約工程。（三）重視加固工程的原始資料的收集和整理工作，為今后的加固工程積累經驗。（四）充分調動基層單位的積極性，正確處理責、權、利的關系。公路橋梁的維修加固同樣屬于橋梁工程，不能重建輕養，橋梁的加固比新建還難，因為橋梁的維修加固，沒有現成的規范，更沒有可供使用的標準圖，橋梁的病害又錯綜復雜，病害原因難以確定。因此應充分重視公路橋梁的管理工作，加大資金投入，使其保持良好的工作狀態，確保公路運輸的安全。

三、要抓好道路和橋梁工程項目經理的管理技能，順利實現項目的目標。

項目經理是企業法人代表在項目上的全權委托人。在企業內部，項目經理是項目實施全過程全部工作的總負責人，對外可以作為企業法人的代表在授權范圍內負責、處理各項事務，因此項目經理是項目實施最高責任者和組織者。由此可見，項目經理是與項目分不開的，離開了項目，也就不存在“經理”，因此，要探討道路和橋梁工程企業項目經理應具備的條件，就不能不說項目管理，有怎么樣的項目管理，就必須有怎么樣的項目經理去管理，項目管理的方式、方法變了，項目經理應具備的條件也應與之相適應，否則就無法實現預期的管理目標。道路和橋梁工程的施工過程，項目經理對項目的管理主要限于對施工項目的管理，也就是說對一個道路和橋梁工程施工過程及成果進行計劃、組織、指揮、協調和控制。施工項目管理是項目管理的一個分支，項目管理的發展與改革促進了施工項目管理的發展，以及施工項目規模的越來越龐大與復雜也對項目經理提出了更高的要求。傳統的項目經理通常只是一個技術方面的專家和任務執行者。而現代項目經理不僅要有運用各種管理工具來進行計劃和控制的專業技術能力，還要有經營管理等其他多方面能力，比如對項目部成員的激勵以及與業主、監理、設計以及當地政府等各方的策略保持一致的能力。項目經理必須通過人的因素來熟練運用技術因素，以達到其項目目標。也就是說，道路和橋梁工程的項目經理，必須使項目部成為一個配合默契、具有積極性和責任感的高效率群體。因此，在現代項目管理的大環境與普遍采用項目法施工的情況下，筆者認為，相關道路和橋梁企業的項目經理若要實現預定項目管理的各種目標，項目經理要嚴格遵守道路橋梁工程施工與管理專業實施性專業規則管理技能和技術技能。從而確保道路橋梁工程施工與管理的順利實施。

四、路橋項目管理中的方案

篇10

1引言固體能帶理論是目前研究固體中電子運動的一個主要理論基礎。固體能帶性質可以區別固體為何分為導體，半導體，絕緣體；可以了解半導體導電機理。

2 能帶論的主要結論

2.1 能帶及其一般性質

在晶體中，原來的簡并能級即自由原子中的能級分裂為許多和原來能級很接近的能級，形成能帶。

電子在單一方勢阱中運動，能級是分立的；電子在周期性勢阱中運動，每一能級變為一能帶。

1）分裂的新能級在一定能量范圍內，形成一個連續分布的能量帶，稱能帶，也稱容許帶。

2）在相鄰的容許帶之間可能出現不容許能級存在的能隙，稱為禁帶。科技論文，固體能帶性質。

3）自由原子中電子能級越高，對應能帶越寬。

2.2 金屬，半導體，絕緣體的能帶特征

在晶體周期場中運動的個電子，他們的基態可以用類似的辦法討論，這時但電子能級用表示，分成一系列能帶， 一般不具有簡單的自由電子的形式。個電子填充這些能級中最低的個，有兩類填充情況：

1）電子恰好填滿最低的一系列能帶，再高的各帶全部都是空的，最高的滿帶稱為價帶，最低的空帶稱為導帶，價帶最高能級（價帶頂）與導帶最低能級（導帶底）之間的能量范圍稱為帶隙。這種情況對應絕緣體和半導體。帶隙寬度大的（例如約）為絕緣體，帶隙寬度小的（例如約）為半導體。

2） 除去完全被電子充滿的一系列能帶外，還有只是部分地被電子填充的能帶，后者常被稱為導帶。這時最高占據能級為費米能級，它位于一個或幾個能帶的能量范圍之內。在每一個部分占據的能帶中，空間都有一個占有電子與不占電子區域的分界面，所有這些表面的集合就是費米面。這種情況對應金屬導體。

2.3 能帶的周期性和反演對稱性

1） 周期性：

其中 是一維情況的倒格矢， 為一個布里淵區涉及的范圍。這里我們只作粗略的證明：在點的布洛赫函數可以寫為：

（1）

其中 ：

=（2）

注意 （1）式的方括弧內的因子具有正格子之間的平移格矢不變性

令

（3）

（4）

利用 和（2）式很容易證明

=（5）

（2）式中方括弧內因子與表示的 具有同一個布拉菲格子的平移不變性，這樣，平移對稱操作不會改變可觀察量 的大小，所以相差為倒格矢的兩個 態的全部本征函數和能量本征值的集合應是全同的，這樣，只要在各布里淵區按能連從低到高次序重新標號，有下式成立：

（6）

（7）

2） 反演對稱性 ：

（8）

證明： 態的薛定諤方程

（9）

（10）

由布洛赫定理：取上式復共軛：

（11）

態的薛定諤方程：

（12）

將（11）和（12）重新整理：

（13）

（14）

方程 （13）和（14）中的哈密頓量是完全相同的，它們唯一地確定了一組能量本征值的集合。適當選取（13）和（14）方程的能量本征值的序號，就可以確保：

（15）

（16）

可見，能帶具有反演對稱性。[2]

2.4能帶的三種表示圖式[2]

1）擴展能區圖式

對于能量最低的能帶，在第一布里淵區內變動。科技論文，固體能帶性質。對于能量次低的能帶，在第二布里淵區內。依次類推，是的單值函數，不同的能帶畫出在不同的布里淵區內。

如圖1（a）所示。

2）周期能區圖式

由于，所以圖1 （a）中的任意一條能譜曲線可以通過平移倒格矢從一個布里淵區移到其它布里淵區。在每個布里淵區內表示出所有能帶，構成空間內的完整圖象，如圖1（c）所示。

3）簡約能區圖式

把圖1（a）中所示的所有能譜曲線通過平移倒格矢移入第一布里淵區。這時是的多值函數，對于一個給定的，每個能帶都有相應的能量與其對應。限制在第一布里淵區之內。如圖1（b）所示。

圖1 三種能區圖式

3 結束語固體能帶理論是目前研究固體中電子運動的一個主要理論基礎。利用固體能帶的一些性質，可以更好地分析導體，半導體，絕緣體。

關鍵詞: 布里淵區，薛定諤方程.

1引言固體能帶理論是目前研究固體中電子運動的一個主要理論基礎。固體能帶性質可以區別固體為何分為導體，半導體，絕緣體；可以了解半導體導電機理。[1]

2 能帶論的主要結論2.1 能帶及其一般性質

在晶體中，原來的簡并能級即自由原子中的能級分裂為許多和原來能級很接近的能級，形成能帶。

電子在單一方勢阱中運動，能級是分立的；電子在周期性勢阱中運動，每一能級變為一能帶。

1）分裂的新能級在一定能量范圍內，形成一個連續分布的能量帶，稱能帶，也稱容許帶。

2）在相鄰的容許帶之間可能出現不容許能級存在的能隙，稱為禁帶。

3）自由原子中電子能級越高，對應能帶越寬。

2.2 金屬，半導體，絕緣體的能帶特征

在晶體周期場中運動的個電子，他們的基態可以用類似的辦法討論，這時但電子能級用表示，分成一系列能帶， 一般不具有簡單的自由電子的形式。個電子填充這些能級中最低的個，有兩類填充情況：

1）電子恰好填滿最低的一系列能帶，再高的各帶全部都是空的，最高的滿帶稱為價帶，最低的空帶稱為導帶，價帶最高能級（價帶頂）與導帶最低能級（導帶底）之間的能量范圍稱為帶隙。科技論文，固體能帶性質。這種情況對應絕緣體和半導體。帶隙寬度大的（例如約）為絕緣體，帶隙寬度小的（例如約）為半導體。

2） 除去完全被電子充滿的一系列能帶外，還有只是部分地被電子填充的能帶，后者常被稱為導帶。這時最高占據能級為費米能級，它位于一個或幾個能帶的能量范圍之內。在每一個部分占據的能帶中，空間都有一個占有電子與不占電子區域的分界面，所有這些表面的集合就是費米面。這種情況對應金屬導體。

2.3 能帶的周期性和反演對稱性

1） 周期性：

其中 是一維情況的倒格矢， 為一個布里淵區涉及的范圍。這里我們只作粗略的證明：在點的布洛赫函數可以寫為：

（1）

其中 ：

=（2）

注意 （1）式的方括弧內的因子具有正格子之間的平移格矢不變性

令

（3）

（4）

利用 和（2）式很容易證明

=（5）

（2）式中方括弧內因子與表示的 具有同一個布拉菲格子的平移不變性，這樣，平移對稱操作不會改變可觀察量 的大小，所以相差為倒格矢的兩個 態的全部本征函數和能量本征值的集合應是全同的，這樣，只要在各布里淵區按能連從低到高次序重新標號，有下式成立：

（6）

（7）

2） 反演對稱性 ：

（8）

證明： 態的薛定諤方程

（9）

（10）

由布洛赫定理：取上式復共軛：

（11）

態的薛定諤方程：

（12）

將（11）和（12）重新整理：

（13）

（14）

方程 （13）和（14）中的哈密頓量是完全相同的，它們唯一地確定了一組能量本征值的集合。適當選取（13）和（14）方程的能量本征值的序號，就可以確保：

（15）

（16）

可見，能帶具有反演對稱性。[2]

2.4能帶的三種表示圖式[2]

1）擴展能區圖式

對于能量最低的能帶，在第一布里淵區內變動。對于能量次低的能帶，在第二布里淵區內。科技論文，固體能帶性質。依次類推，是的單值函數，不同的能帶畫出在不同的布里淵區內。

如圖1（a）所示。

2）周期能區圖式

由于，所以圖1 （a）中的任意一條能譜曲線可以通過平移倒格矢從一個布里淵區移到其它布里淵區。在每個布里淵區內表示出所有能帶，構成空間內的完整圖象，如圖1（c）所示。

3）簡約能區圖式

把圖1（a）中所示的所有能譜曲線通過平移倒格矢移入第一布里淵區。這時是的多值函數，對于一個給定的，每個能帶都有相應的能量與其對應。限制在第一布里淵區之內。科技論文，固體能帶性質。如圖1（b）所示。科技論文，固體能帶性質。

圖1 三種能區圖式

3 結束語固體能帶理論是目前研究固體中電子運動的一個主要理論基礎。利用固體能帶的一些性質，可以更好地分析導體，半導體，絕緣體。

參考文獻

[1]黃昆,韓汝琦.固體物理學[M].北京：高等教育出版社,1988.

篇11

它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料，將引領光電產業的新一輪革命。

它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導體材料，如今世界各國爭相布局的戰略高地。

在世界范圍內，第三代半導體材料在各個領域的產業成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實驗室研發階段。盡管我國起步較晚，發展較緩，無論基礎研究還是產業化推進都仍有很長的路要走，但這并未影響該領域內科研人員潛心攻關、奮起直追的決心。

哈爾濱工業大學基礎與交叉科學研究院宋波教授，就是奮戰在我國第三代半導體材料研究最前沿的優秀科研人員之一。

他L期從事第三代寬禁帶半導體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質量輸運動態平衡控制及溫場調控等關鍵科學問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學優化、關鍵工藝參數控制與物理性質調控等相互關聯的科學問題開展了系統研究，成果頗豐。

雛鳳新聲，結緣寬禁帶半導體

一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導體產業已經得到印證。

以硅（Si）為代表的第一代半導體材料，引發了電子工業大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料，則拓展了半導體在高頻、光電子等方面的應用，使人類進入光纖通信、移動通信的新時代。而如今，正是第三代半導體材料“大展身手”的時代。

第三代半導體材料又叫寬禁帶半導體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現出的高溫下的穩定性、高效的光電轉化能力、更低的能量損耗等絕對優勢，吸引了業界的普遍關注，有望全面取代傳統半導體材料，開啟半導體新時代。

宋波進入這一領域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學院物理研究所，師從我國著名晶體結構專家陳小龍研究員開展研究。當時國內寬禁帶半導體研究起步不久，各項研究都非常薄弱。

2008年，宋波回到家鄉哈爾濱，并在哈爾濱工業大學韓杰才院士引薦下加入該校基礎與交叉科學研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎研究領域著手，改善我國關鍵性、基礎性戰略材料依賴進口的局面，促進寬禁帶半導體材料和器件產業的發展，提升產業核心競爭力，縮小與西方國家的差距。

在近十年的研究過程中，宋波作為課題負責人承擔了包括國家自然科學基金項目、總裝“十二五”預先研究重點項目、科技部國際科技合作項目等在內的20多項科研項目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國際著名SCI學術雜志上100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權發明專利13項。特別是在SiC基稀磁半導體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創新性成果，引領了國內外相關研究的進步，在行業內形成了一定的影響力。

層層深入，攻關SiC基稀磁半導體

稀磁半導體是自旋電子學的材料基礎，能夠同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導體和磁性的性質，新穎而獨特，是第三代半導體材料的熱點研究之一。

現階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導體的研究已經取得了突破性進展，但仍無法滿足人們對自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現恰逢其時。宋波在這一前沿方向進行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進展。

他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導體，在200 K觀察到了玻璃態的鐵磁有序，同時實現了4H-SiC晶型的穩定可控。首次提出了非磁性元素摻雜AlN基稀磁半導體的研究思路，有效地避免磁性雜質的引入，為探討稀磁半導體的磁性來源提供了理想的實驗體系。

論文在2009年發表后，至今已被他引50余次，得到不少業內專業人士的直接認可，認為其啟迪了思考。中國科學院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來自磁性雜質而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉變的過程中所導致。

隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境――

同樣在2009年，他利用在h-BN中的實驗結果證實了美國布法羅州立大學Peihong Zhang教授等人的理論預言，即在帶隙寬度達5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導的內稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學院物理研究院O. Volnianska教授在內的業界專家的正面引用和廣泛認可。

2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復合摻雜SiC基稀磁半導體的研究思路。在Al摻雜穩定4H-SiC晶型的基礎之上，同時摻雜磁性過渡金屬元素，來獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導體。

2011年，他提出了采用缺陷工程調控半導體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實驗上給出了硅-碳雙空位導致鐵磁性的證據，并從理論上揭示了雙空位產生磁性的物理機制，證實了磁性元素并非半導體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導體的磁性起源提供了新的科學認識。在此之后，國內外有超過18個研究小組開展了缺陷誘導半導體磁性的研究工作，并在相關論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導致磁性的典型例子。

把握前沿，初探AIN晶體生長

AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等現代化軍事和航天裝備等領域急需的電子器件。

宋波介紹，與其它的半導體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導致對其新性質和新應用的探索受到了較大的制約。

因此，深入開展生長動力學研究，探究生長過程中質量輸運-溫場分布-成核動力學的內在關聯，從微觀機理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應，成為制約寬禁帶半導體發展的關鍵科學問題，同時也是一項亟待開展的基礎性研究工作。

在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績――

（一）在AlN機理生長方面，首次發現本征的六重螺旋生長機制。

他@得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結構、AlN平面六邊形環等新穎納米結構，系統性研究首次發現AlN納米/微米結構和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉生長機制。

這一發現極大地豐富了人們對于AlN晶生長機理的認識，對調控AlN生長形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價值。

（二）在AlN新物理性質探索方面，他首次在AlN微米螺旋結構中發現了時間長達300秒的長余輝效應。

研究中，他分別從理論和實驗上對AlN螺旋結構中氮空位和鋁間隙耦合效應進行了研究。首次發現氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導出新的能級，進而導致長余輝效應的顯現。這一發現，豐富了人們對于AlN基本物理性質的認識，為設計和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導。

在AlN納米線螺旋結構的力學測試中首次發現了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發現為制備AlN基納米器件提供了進一步的認識。

（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項關鍵技術，包括形核溫度控制技術、晶粒長大過程控制技術、形核控制技術等。

研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術、多型缺陷濃度控制技術以及晶體質量穩定性控制技術等在內的多項關鍵技術，獲得了高質量的晶體材料。

他所獲得的直徑達35mm的雙面拋光片，位錯密度小于107個/cm2，申報了國家發明專利7項，研究水平居于國內領先地位。

他重新設計和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補充系統和垂直梯度坩堝。試驗結果表明，采用新的生長組合系統大大提高了AlN的晶體質量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個數量級，電阻率提高了約2個數量級，為進一步獲得高質量的AlN晶體提供了技術支撐。

多年來，宋波非常在意與國際學者的交流與合作，不僅承擔了科技部國際科技合作項目，還在多年的研究中與美國威斯康星大學麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關系。特別值得一提的，是在對俄對烏合作方面，宋波與俄羅斯科學院固體物理研究所國際知名晶體學家Vladimir Kurlov教授、國際SiC晶體生長專家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學院西伯利亞分院半導體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關科研機構，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻。

篇12

(一) 引言

從慢速光的發展起，關于光的相關研究日益涌現，隨后我們探索了很多不同的物理計劃和媒介，并通過對光和物質相互作用的基本特性的更進一步的理解，以及利用這些相互作用應用到各個方面的可能性的增加，從而激發人們研究光速控制問題的興趣。畢業論文，相干群振蕩。更為特別的是，已經有人建議將慢速光效應應用到光的緩沖上來[2]，但也有人指出，在可以實現的延遲時間和可以容納的帶寬之間的反映問題上，基本物理極限是有折衷的[3]。有兩個例子可以說明，一個是對光饋相控天線陣的控制及合成，另一個是對微波濾波器的控制。對實際應用來說，我們特別感興趣的是，通過使用這種媒介，實現對廉價和小型設備的認識，并允許這些設備其他功能的集成。因此，那些以半導體為基礎的設備尤其受到人們的關注。并且，在這些設備結構里慢速和快速光效應的研究上，人們已經做了很多工作。但不幸的是，半導體材料中的電磁感應透明現象是很難被人們所認識的[1]。因此，移相的時間很短，而離散層次結構（它對于實施電磁感應透明的計劃是必要的）可以通過利用半導體量子點來被人們所認識。利用現如今的技術所獲得的大小波動，將導致這種不均勻的擴大，從而減弱其影響[2]。畢業論文，相干群振蕩。相反，人紅寶石晶體所表現出的振蕩效果（CPO），已經被不同的組數利用，以實現在半導體波導光中的光速控制[6-15]。從最近的評論來看，本文重新認識了CPO的物理效應，并強調了提高相移和頻率范圍的不同計劃。

(二) 慢速光的基本原理

連續波（CW）光束在折射率為n的介質中傳播時，其傳播速度v =c / n，其中C是真空中的光速。折射率n與該介質中的相對介電常數通過等式相互聯系起來。如果信號強度隨時間而變化，即信號的頻譜具有有限的寬度，那么強度調制的傳播速度由群速度所給定，有如下等式:

（1）

其中，Ng表示的是群折射率而w是光的頻率。

因此，可以看出，群速度隨媒質和頻率中相速度的不同而不同，其中的折射率與頻率方面存在一階非零的的導數。如果光的強度被調制了（例如正弦調制），那么群速度由通過設備傳輸強度模式的速度所描述。在討論光的放緩問題的時候，我們感興趣的是由媒質分散所導出的方程組（1）式，既然群折射率的這一部分可能因此而被改變，它就使我們能夠控制光的速度。

(三) 相干群振蕩（CPO）

CPO所產生的效應依賴于能夠激發半導體的外部激光束，它導致了在半導體中載波分配的調制以及隨后折射率的分散和改變。畢業論文，相干群振蕩。在一般情況下，該效應可以通過建立在四波混頻（FWM）理論的頻率域來分析。然而，在實際情況下，重要的外部信號是由調制激光束的強度產生的，在動態折射率可以忽略的情況下，該效應可以由時域中的飽和作用來解釋[9]。畢業論文，相干群振蕩。在波導吸收的理論下（也就是說，存在一個電子吸收（EA）），CPO效應導致了慢速光的產生，對應于相位的延遲，波導的放大，而半導體光放大器（SOA）導致快速光的產生，對應于相位的超前。在這兩種情況下，飽和功率和有效載體的周期就分別是功率分配和頻率獨立性的重要特征。根據激光束和調制頻率之間的頻率的不同，載波分配的不同動態效應就顯得尤為重要。活性層的內部結構（即散裝或低維度）會因此成為影響快速和慢速光行為特征的因素。

(四) 級聯裝置

既然電子吸收（EA）結構顯示出的壽命要比半導體光放大器（SOA）結構顯示出的壽命短得多（因為SOA存在多載波掃頻），那么電子吸收（EA）就成為高頻率應用的最佳選擇。但另一方面，這種吸收限制了傳播力度。解決該問題的一個辦法是將上述兩種結構結合，這是因為，不同的反應能夠受益于EA部分的慢速光效應，而從SOA部分獲得增益，并且沒有快速光在該部分的抵消作用[11]。此外，通過連接幾個這樣的結構，可以增加總微波的相位延遲[12]。畢業論文，相干群振蕩。圖1顯示出了照片，并編制了一個多部分的設備原理圖和相對應相位變化的測量。

在等高線圖中，它作為輸入光的強度和反向偏置的功能圖。根據圖中所顯示的，要控制光放緩的程度是可能的，要么通過反向電偏移，要么通過光纖輸入光信號強度。對于固定反向偏置，我們觀察到一個最佳的強度，這是由于誘導輸入信號的飽和度和觀察固定光學輸入強度

的最佳反向偏置[5]，這也反映了增加電壓有源區跌幅的載波掃出時間[9]。在這種特殊情況下，對于SOA部分的固定電流和EA部分的反向電壓來說，我們能夠獲得大約140度的最高相位變化。如果電氣偏移允許我們改變反向偏置，絕對相位的變化可能獲得進一步增加，最近，這一結論被一個獨立部分的波導所論證[13]。

Figure 1.

(五) 光學濾波

人們已經證明，對于強度調制來說，比如雙邊帶，輸入信號的相移只取決于動態增益[9，10]。然而，折射率的調制可以通過演示光學過濾前檢測來增加相移（即調制一個非零線寬增強因子）[14]。該實驗裝置如圖1所示，波長為1539.46nm的激光被網絡分析儀所調制，它通過一個推拉式的Mach-Zehnder強度調制器（MZM）生成了兩個邊帶（紅移邊帶，藍移邊帶），并伴隨有強大的載體,其中ares=-0.2。經過了大量的SOA檢測（這里四波混頻效應將導致相位的變化和兩個邊帶的增強），兩個邊帶其中之一（紅移邊帶或藍移邊帶）將會在檢測前被具有0.1nm帶寬的光纖光柵陷波器所阻止。當調制頻率大于4GHz時，一個邊帶可以很容易地被清除，而不破壞或其他邊帶或載波，通過采用光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），輸入光功率可以調整在-10.3dBm和13.6dBm之間。畢業論文，相干群振蕩。實驗結果顯示，如圖所標記的三種不同的情況，即無過濾（黑），阻塞藍邊帶和通過紅邊帶（紅色），阻塞紅邊帶而通過藍邊帶（藍色）。該結果與以波混合模型為基礎的數值模擬相比較，顯示出了良好的吻合度。結果表明，絕對相移以及工作頻率可以通過阻塞紅移邊帶而大大加強。另一方面，阻斷藍移邊帶只會導致相移發生微小的變化。這種現象可以通過如下原因解釋，即當我們考慮經過波混頻后，它導致了兩個邊帶的有效增益和相位變化，因為它不同組成部分之間相位的變化在這里發揮了重要作用。

Figure 2.

(六) 偏振旋轉的利用

最后，我們可以展示一個完全不同的方法，該方法通過利用極化效應來實現對微波相移控制，該實驗裝置如圖3所示，波長為1550nm的激光束被網絡分析儀正弦調制，它是通過一個 Mach-Zehnder強度調制器（MZM）來確保相反符號轉移曲線的TE和TM組件正常運行。利用這種方法，被調制的TE和TM組件之間的相位φ實現了180 °的相移。通過利用SOA（半導體光放大器）中依賴強度的偏振旋轉，并在光電檢測之前引進偏振選擇性的組成部分，我們因此可以控制相移。在實驗中，通過引入一種摻鉺光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），SOA的輸入光功率可以在- 7dBm的和13dBm之間調節，這將促使SOA信號的偏振旋轉[14]。在經過SOA以后，通過網絡分析儀，我們用一個偏振控制器（PC3）和偏振分光鏡（PBS）來選擇需要被檢測的偏振性。SOA的源電流固定在160毫安，調制的射頻功率為0dBm。測量結果表明，該相位可以通過輸入光功率和大約150 °的相移控制而不斷的調整，它所獲得的高調制頻率高達19 GHz。

Figure 3.

(七) 結論

我們已經介紹并展示了控制強度調制光信號相移的不同計劃，它建立在半導體光波導中慢速和快速光效應的基礎之上。我們發現，通過級聯設備或利用光學過濾設備可以進一步增強活動區域中混合波的基本作用。此外，我們可以實現移相器，方法是在兩個光場偏振元件上引入不同的相移，并通過利用非線性偏振旋轉效應不斷交換它們之間的相移。在這個時候，最大的相移達到了我們所要求的180 °并且能夠獲得高達20 GHz頻率。為了足夠靈活的實施相控天線陣和微波濾波器，相移的控制應該被進一步增加到360°，并且可根據實際應用增加額外的要求。

【參考文獻】

[1]L. V. Hau, S. E. Harris, Z.Dutton and C. H. Behroozi, “Light speed

reduction to 17 meters per second in anultracold atomic gas.” Nature

篇13

【Key words】Semiconductor laser； simulate； temperature； power

0 引言

半導體激光器以其壽命長、體積小、效率高、價格低廉等優點，在軍事、醫療、通信、精密加工等領域得到廣泛的應用。它是高效率的電子―光子轉換器件，但由于存在非輻射復合損耗、自由載流子吸收等損耗機制， 使其外微分量子效率只能達到20%―30%[1]；同時又是一種比較敏感的器件，每毫安電流的變化會引起約0.01nm 輸出波長的漂移，每攝氏度溫度的變化會引起約0.1nm 輸出波長的改變[2]；其本身還存在著較多的外部失效因素，包括暗線缺陷、腔面損傷、電極退化、浪涌沖擊、靜電擊穿等，這些失效原因主要與激光器的制造過程、工藝、材料相關，用戶無法控制，與之相比浪涌沖擊、靜電擊穿是用戶應該加以關注的問題，應用中應設法加以保護[3]。

3 實驗與結果討論

搭建了實驗平臺并對半導體激光器實際輸出功率大小受溫度的影響進行了實驗，將半導體激光器放置在密閉的封閉空間內，并將密閉容器放置在加熱片上。加熱片給密閉容器加熱并通過溫度監視器顯示密閉容器的溫度，半導體激光器的功率可以通過電源可調開關進行調節。

實驗步驟：首先搭建好實驗裝置，帶完成后打開加熱片控制開關對密閉空間進行加熱升溫，并通過溫度監視器（其探頭是溫敏傳感器）實時反應密閉空間內的溫度。當密閉空間內的溫度上升為25℃時，通過功率表記錄下激光器的功率參數。在對加熱片進行升溫，使密閉空間內的溫度升高到35℃時記錄下第二組數據，并以10℃為一個梯度對密閉空間進行加熱和數據記錄，直到溫度達60℃后得到四組不同溫度梯度下激光器輸出功率的實驗數據。在此基礎上，從復十次這樣的實驗得出從復實驗數據。

由實驗數據可得半導體激光器的輸出功率受環境溫度的影響非常明顯，隨著溫度的升高激光器的輸出功率在明顯的下降。當溫度上升到60℃時激光器的輸出功率就在4.5mw附近波動。處于室溫環境條件下，激光器正常工作時的輸出功率在4.75mw左右。

4 總結

本文首先通過matblab模擬了激光器輸出功率與環境溫度間的數值關系，得到環境溫度超過32℃后激光器的輸出功率呈線性減小。在數值模擬的基礎上搭建了實驗平臺驗證了激光器輸出功率隨環境溫度變化的關系。實驗結果表明激光器所處的環境溫度在45℃到60℃的范圍內，溫度越高激光器的輸出功率越小，這給半導體激光器在一定溫度范圍內的選型提供一定的參考價值。

【參考文獻】

[1]單成玉.溫度對半導體激光器性能參數的影響[J].吉林師范大學學報（自然科學版）.

[2]任雷.半導體激光器驅動級溫控系統研究[D].學位論文.2013，28（6）.

[3]叢夢龍，李黎，崔艷松，等.控制半導體激光器的高穩定度數字化驅動電源的設計[J].光學精密工程，2010， 18（7）：1629-1636.