半導體材料Ca2Si的研究進展

田川

摘 要：隨著我國經濟社會的發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提升，在工業(yè)發(fā)展的過程中高新技術、電子技術和信息技術的發(fā)展水平也在不斷提升，其中半導體材料作為集成電路工業(yè)發(fā)展的重要基礎，對于國家信息化建設有著深遠的影響。集成電路在設計和制造的過程中傳統上所采用的材料不可回收和降解，對于我國的生態(tài)環(huán)境產生了不良的影響。為了適應我國環(huán)境友好型社會和環(huán)境友好型工業(yè)的發(fā)展需求，環(huán)境友好型半導體材料Ca2Si在目前集成電路設計和制作的過程中被廣泛地運用，同時相關的工業(yè)企業(yè)也在不斷加強對于Ca2Si材料的研究，旨在為提升集成電路的發(fā)展質量提供幫助。本文在開展研究的過程中旨在對環(huán)境友好型半導體材料Ca2Si的研究進展進行分析，探討其應用前景及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：半導體材料;環(huán)境友好;Ca2Si

在我國電子工業(yè)發(fā)展的過程中，Ca2Si作為環(huán)境友好型半導體材料已經被廣泛應用，這不僅達到了環(huán)境保護的目的，而且有利于促進我國信息技術和信息產業(yè)的發(fā)展。在傳統半導體制造的過程中所采用的Ga、As、Pb等元素都有著十分良好的性能，但是這些元素大部分都有毒，很多元素已經面臨著資源枯竭的情況，不能夠有效滿足我國對于半導體制作的需要。Ca元素在我國的埋藏量十分巨大，而且在制作半導體的過程中無毒無害，能夠有效發(fā)揮半導體在信息產業(yè)發(fā)展過程中的重要作用。

1 半導體材料Ca2Si的研究現狀

1.1 Ca2Si的晶體結構的研究現狀

Ca2Si的晶體結構有著自身的特性，Ca2Si的兩種晶體結構正交結構和立方結構都在半導體左右過程中發(fā)揮著重要作用。正交結構的晶格常數為a=0.7677nm，b=0.4789nm，c=0.9012nm，晶胞當中包含4個Ca2Si分析和12個原子;立方結構的晶格常數為a=0.7017nm，晶胞當中包含4個Ca2Si分析和12個原子。通過XDR進行分析和研究可以得出在兩種晶體結構當中簡單正交結構更為穩(wěn)定，在具體使用的過程中能夠達到更好的效果。

1.2 能帶結構研究現狀

Ca2Si的能帶結構對于其利用有著十分重要的影響，直接關系到Ca2Si材料能夠在光電子領域當中被廣泛地運用，但是在實際研究的過程中對于Ca2Si材料的能帶結構在理論和試驗結果上都不具有統一性，在這方面有著較大的針輪。在對能帶結構進行研究的過程中應用了全勢線性增廣平面波（FLAPW）法和廣義密度近似（GGA）計算得出的Ca2Si能帶結構，得出Ca2Si是直接帶隙半導體。這種研究結果表明Ca2Si材料能夠在光電子領域當中進行運用，并且能夠達到較為良好的效果。

1.3 光學性質研究現狀

在對Ca2Si材料的光學性質進行研究的過程中主要進行了兩方面的研究工作，一方面的研究工作針對其介電函數，另一方面的研究工作針對其吸收系數。在對介電函數進行研究的過陳中結果表明正交結構的Ca2Si化合物的介電函數是存在相當大的各向異性，對于a，b，c方向的偏振光.E∥a與E∥c譜非常相似。在對吸收系數進行研究的過程中發(fā)現在4.5eV以下能量范圍內，Ca2Si的光吸收系數大于β-FeSi2，這使Ca2Si有望成為高效率太陽能電池，同時與現有的非晶硅（a-Si）太陽能電池組合，這對于目前太陽能電池效率的提升以及制作出高轉換率的太陽能電池具有十分重要的指導意義。

2 Ca2Si晶體的生長及制備方法

2.1 熔融制備法

熔融制備法是一種傳統的Ca2Si的制備方法，在2004年之前很多材料學者都采用這種方法來制備Ca2Si塊材料，旨在對Ca2Si材料的晶體結構以及光電性質進行進一步的研究。在具體制備的過程中是在惰性氣體環(huán)境下，在坩堝內按照相應的化學計量2∶1的Ca和Si來制備Ca2Si。這種制備方法在實際運用的過程中所得到的晶粒比較粗大，不能夠對其微結構進行有效控制，但是制備方法簡單，并且成本較低。

2.2 熱蒸發(fā)制備法

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

3 Ca2Si制備及應用應注意的問題

3.1 穩(wěn)定單晶薄膜的制備

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

3.2 Ca2Si的能帶結構

Ca2Si材料制備的過程中，由于Ca2Si屬于直接帶隙，但是在具體試驗和測量相關數據的過程中有著很大的查核別，有一些研究表明Ca2Si的帶隙試驗值為1.9eV，但是有一些的研究結果相差甚遠，因此需要開展進一步的試驗和研究。

3.3 Ca2Si摻雜特性

Ca2Si具有摻雜特性，雖然在實際制備的過程中能夠制成單晶的Ca2Si塊體和薄膜，但是尤其結構較為復雜，至今沒有形成的三元硅化物的能帶結構，同時目前沒有形成電子和光學的相關報告，需要進一步研究和探索。

4 結語

本文在開展研究的過程中主要對環(huán)境友好型半導體材料Ca2Si的發(fā)展現狀和研究現狀進行了分析，目前對于Ca2Si材料的研究主要集中在晶體結構、能帶結構、光學性質等方面的研究，這些方面的研究對于Ca2Si材料更好地在半導體制作當中應用具有十分重要的價值和意義。其中對Ca2Si的研究還集中在Ca2Si材料的制備上，目前主要的制備方法有：熔融制備法、熱蒸發(fā)制備法以及其他制備方法，這些制備方法是利用Ca2Si進行半導體制作的重要基礎。因此，在開展制備工作的過程中要注意穩(wěn)定單晶薄膜的制備、Ca2Si的能帶結構以及Ca2Si摻雜特性，這樣才能夠讓Ca2Si材料更好地應用到集成電路的制作當中，更好地促進我國信息技術和信息產業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

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