20、半导体材料工程与快速重离子的应用探索

半导体材料工程与快速重离子的应用探索

1. 半导体简介

半导体是一类在常温下既非良导体也非绝缘体的元素和化合物。在绝对零度时，它们是理想的绝缘体，但在任何有限温度下，其导电性介于导体和绝缘体之间，因而得名。纯材料半导体，如锗和硅，被称为本征半导体；通过向某些物质中添加少量杂质原子制成的半导体，则称为非本征半导体。

常见的本征半导体硅（Si）和锗（Ge）属于间接带隙半导体，其导带底部和价带顶部的波矢（即动量）值不同，电子从价带顶部转移到导带底部时需要改变动量。而一些化合物半导体，如III - V族和II - VI族的GaAs、AlAs、InAs、GaN、AlN、InN、CdTe、CdSe等，属于直接带隙半导体，导带底部和价带顶部的波矢值相同。这些化合物半导体不仅具有直接带隙特性，还能通过适当掺杂或注入其他n型或p型元素来调控带隙，因此在电子器件应用中得到了广泛研究。近年来，它们在能源应用，特别是光伏材料领域的研究也取得了进展，打破了硅基太阳能电池的垄断地位。此外，化合物半导体还在超晶格和多量子阱的制备中发挥了重要作用。

2. 半导体中高电子激发的影响

2.1 离子辐照下的材料变化

在使用单原子离子束进行快速重离子（SHI）辐照时，晶体半导体GeS、InP、InAs、InSb、GaSb、Ge以及晶体SiGe合金中会形成连续和不连续的非晶轨迹，但Si和GaAs中未观察到这种现象。研究人员使用185 MeV的Au离子，通过卢瑟福背散射光谱、透射电子显微镜和小角X射线散射等方法，研究了III - V族二元半导体InP、GaP、InAs、GaAs及其相关三元合金Ga₀.₅₀In₀.₅₀P和Ga₀.₄₇In₀.₅₃As在SHI辐照下的变化。尽管这