半导体材料Ca2Si的研究进展

田川

摘 要：随着我国经济社会的发展和工业化水平的不断提升，在工业发展的过程中高新技术、电子技术和信息技术的发展水平也在不断提升，其中半导体材料作为集成电路工业发展的重要基础，对于国家信息化建设有着深远的影响。集成电路在设计和制造的过程中传统上所采用的材料不可回收和降解，对于我国的生态环境产生了不良的影响。为了适应我国环境友好型社会和环境友好型工业的发展需求，环境友好型半导体材料Ca2Si在目前集成电路设计和制作的过程中被广泛地运用，同时相关的工业企业也在不断加强对于Ca2Si材料的研究，旨在为提升集成电路的发展质量提供帮助。本文在开展研究的过程中旨在对环境友好型半导体材料Ca2Si的研究进展进行分析，探讨其应用前景及发展趋势。

关键词：半导体材料;环境友好;Ca2Si

在我国电子工业发展的过程中，Ca2Si作为环境友好型半导体材料已经被广泛应用，这不仅达到了环境保护的目的，而且有利于促进我国信息技术和信息产业的发展。在传统半导体制造的过程中所采用的Ga、As、Pb等元素都有着十分良好的性能，但是这些元素大部分都有毒，很多元素已经面临着资源枯竭的情况，不能够有效满足我国对于半导体制作的需要。Ca元素在我国的埋藏量十分巨大，而且在制作半导体的过程中无毒无害，能够有效发挥半导体在信息产业发展过程中的重要作用。

1 半导体材料Ca2Si的研究现状

1.1 Ca2Si的晶体结构的研究现状

Ca2Si的晶体结构有着自身的特性，Ca2Si的两种晶体结构正交结构和立方结构都在半导体左右过程中发挥着重要作用。正交结构的晶格常数为a=0.7677nm，b=0.4789nm，c=0.9012nm，晶胞当中包含4个Ca2Si分析和12个原子;立方结构的晶格常数为a=0.7017nm，晶胞当中包含4个Ca2Si分析和12个原子。通过XDR进行分析和研究可以得出在两种晶体结构当中简单正交结构更为稳定，在具体使用的过程中能够达到更好的效果。

1.2 能带结构研究现状

Ca2Si的能带结构对于其利用有着十分重要的影响，直接关系到Ca2Si材料能够在光电子领域当中被广泛地运用，但是在实际研究的过程中对于Ca2Si材料的能带结构在理论和试验结果上都不具有统一性，在这方面有着较大的针轮。在对能带结构进行研究的过程中应用了全势线性增广平面波（FLAPW）法和广义密度近似（GGA）计算得出的Ca2Si能带结构，得出Ca2Si是直接带隙半导体。这种研究结果表明Ca2Si材料能够在光电子领域当中进行运用，并且能够达到较为良好的效果。

1.3 光学性质研究现状

在对Ca2Si材料的光学性质进行研究的过程中主要进行了两方面的研究工作，一方面的研究工作针对其介电函数，另一方面的研究工作针对其吸收系数。在对介电函数进行研究的过陈中结果表明正交结构的Ca2Si化合物的介电函数是存在相当大的各向异性，对于a，b，c方向的偏振光.E∥a与E∥c谱非常相似。在对吸收系数进行研究的过程中发现在4.5eV以下能量范围内，Ca2Si的光吸收系数大于β-FeSi2，这使Ca2Si有望成为高效率太阳能电池，同时与现有的非晶硅（a-Si）太阳能电池组合，这对于目前太阳能电池效率的提升以及制作出高转换率的太阳能电池具有十分重要的指导意义。

2 Ca2Si晶体的生长及制备方法

2.1 熔融制备法

熔融制备法是一种传统的Ca2Si的制备方法，在2004年之前很多材料学者都采用这种方法来制备Ca2Si块材料，旨在对Ca2Si材料的晶体结构以及光电性质进行进一步的研究。在具体制备的过程中是在惰性气体环境下，在坩埚内按照相应的化学计量2∶1的Ca和Si来制备Ca2Si。这种制备方法在实际运用的过程中所得到的晶粒比较粗大，不能够对其微结构进行有效控制，但是制备方法简单，并且成本较低。

2.2 热蒸发制备法

热蒸发制备法是一种制备Ca2Si的一种全新的方法，这种方法主要可分为两个步骤因此也被称为蒸发热处理两步法。采用这样方法能够制备出单相的Ca2Si层，第一步制备是在Si衬底上生长Mg2Si层，即在真空室里，加热装有Mg源和Si（111）衬底的容器并保持370℃高温3h;第二步制备是生长Ca2Si层，在生长的过程中除了生长的温度和生长的时间和第一步不同，其余方法都相同，这样能够制备出Ca2Si层。

3 Ca2Si制备及应用应注意的问题

3.1 稳定单晶薄膜的制备

在对Ca2Si材料进行制备的过程中要尤其注意稳定单晶薄膜的制备工作，因为Ca原子有很高的蒸汽压，Ca原子很容易从硅衬底中蒸发出来，从而不利于Ca和Si的相互扩散来形成Ca的硅化物。因此在制备的过程中要选择合适的制备方法以及退火温度，同时要达到制备器件的相关要求，薄膜必须具有一定的厚度，这是现在制备方法研究所需要考虑的。

3.2 Ca2Si的能带结构

Ca2Si材料制备的过程中，由于Ca2Si属于直接带隙，但是在具体试验和测量相关数据的过程中有着很大的查核别，有一些研究表明Ca2Si的带隙试验值为1.9eV，但是有一些的研究结果相差甚远，因此需要开展进一步的试验和研究。

3.3 Ca2Si掺杂特性

Ca2Si具有掺杂特性，虽然在实际制备的过程中能够制成单晶的Ca2Si块体和薄膜，但是尤其结构较为复杂，至今没有形成的三元硅化物的能带结构，同时目前没有形成电子和光学的相关报告，需要进一步研究和探索。

4 结语

本文在开展研究的过程中主要对环境友好型半导体材料Ca2Si的发展现状和研究现状进行了分析，目前对于Ca2Si材料的研究主要集中在晶体结构、能带结构、光学性质等方面的研究，这些方面的研究对于Ca2Si材料更好地在半导体制作当中应用具有十分重要的价值和意义。其中对Ca2Si的研究还集中在Ca2Si材料的制备上，目前主要的制备方法有：熔融制备法、热蒸发制备法以及其他制备方法，这些制备方法是利用Ca2Si进行半导体制作的重要基础。因此，在开展制备工作的过程中要注意稳定单晶薄膜的制备、Ca2Si的能带结构以及Ca2Si掺杂特性，这样才能够让Ca2Si材料更好地应用到集成电路的制作当中，更好地促进我国信息技术和信息产业的发展。

參考文献：

[1]崔冬萌，任雪勇，付姗姗，周文娟.环境友好半导体Ca_2Si晶体生长及其性能研究[J].吉林大学学报（信息科学版），2008（05）：459-464.

[2]肖清泉，谢泉，杨吟野，张晋敏，任雪勇.环境友好半导体材料Ca_2Si的研究进展[J].山西科技，2007（02）：106-107+113.