中国科学院半导体研究所 梁骏吾
同济大学 电子信息学院 闻瑞梅
陶瓷科学在发展中与半导体科学相遇而相互渗透。当半导体科学发展到宽带隙半导体之时，这种渗透特别明显。宽带隙半导体包括氧化物半导体、Ⅲ族氮化物半导体、碳化硅等第三代半导体材料。这些半导体材料正好是光敏、气敏、电压敏、热敏等功能陶瓷的核心。也是光电材料本身以及其外延生长的衬底。
以用于陶瓷工业的SnO2为例。SnO2 和In2O3, ZnO等缺陷半导体一样，含有较多氧空位(V0),，其能级为EC-114 meV, 而Sn间隙（ISn） 的能级为EC + 0.203。这样，SnO2呈n型电导。由于吸附氧化或还原性气体分子引起表面能带弯曲，结果使材料的电导增大或减少。所以SnO2用为制造陶瓷气敏传感器。利用的是表面性质。SnO2, In2O3, ZnO等在太阳电池，TFT等器件中用为透明导电电极。这是利用它们的体半导体性质，例如；由于SnO2带隙为3.6eV，所以在0.4-1.5um波段透明，又含有V0和 ISn，所以同时又具有低到5×10-5Ω-cm的导电率。
In2O3 掺SnO2后称为ITO膜。广泛用于光电子器件。其制备方法有: 反应溅射沉积，磁控溅射，电子束沉积，氧等离子体辅助MBE，脉冲激光沉积 等。特别值得一提的 是ITO膜也可用丝网印刷方法制备。以上都是非传统的生产工艺。
SnO2，ZnO和In2O3膜能制造反射红外光的窗玻璃。这是由于红外光的频率低，而低于“plasma edge”频率的光被反射，所以这些窗玻璃能保温、节约能量。
宽带隙半导体（Al, Ga, In）N作为兰光、绿光、紫外LED，探测器和激光器取得了极大的发展，这些材料用MOCVD或MBE方法生长。大量使用蓝宝石（α-Al2O3）衬底，它在170nm(紫外)—5.3um(红外)波段透明，是极好的窗口。随后用SiC单晶衬底，以后GaN和AlN单晶衬底材料也得到发展。
α-Al2O3生长方法很多。半导体工业用直拉法生和Kyropoulos法生长。单晶工艺成熟，价格低，工业上大量应用，生长的晶体直径300mm 重量已达100Kg。高质量的蓝宝石单晶也是Si 上生长SOS 外延材料的衬底。α-Al2O3还可以直接生长成带状，例如用String ribbon法生长Al2O3 带状晶体，可以省去切割晶锭工艺，节约材料，但完整性较差。α-Al2O3 虽然与GaN有高达13.8%的失配，但通过外延工艺改进，例如生长低温缓冲层，能提高GaN基材料外延层质量。
进一步提高GaN基材料外延层质量，最好使用SiC，AlN或GaN单晶衬底，因为晶格匹配更好。 AlN比Al2O3的熔点高，蒸气压大，所以不能采取熔体生长。成功的方法有“升华—再结晶”法。生长温度在2273℃附近，即将AlN粉放在坩埚底，坩埚顶放籽晶，维持适当温度差，在氮气气氛下生长单晶。
h-SiC也采取“升华—再结晶”方法(Lely法)生长: 多晶SiC源温为2400℃，生长区SiC籽晶温度为2200℃，在Ar气氛中，压力为0.013-13Pa。可以生长p型和n型和半绝缘SiC，也可生长6H，4H和2H-SiC结构材料。但目前价格高。
SiC和AlN都有很好的导热性，是各种微电子、光电子器件的优良衬底。
GaN与GaN外延层完全配合，所以生长GaN单晶是困难而又重要的课题。波兰科学家在1600oC, 15-20kbar气压下，直接用Ga和N2合成GaN。但是这个条件太苛刻。要寻找更方便的方法。HVPE方法是成功的方法。即用HCl ， NH3， Ga在N2气氛中外延，生长速率十分高（高达100um/h），可以生长低缺陷的单晶锭，这样省却了高压生长设备的投资。HVPE已经形成工业生产。
总之，学科间的渗透和交融已经形成许多新的学科生长点，并且将更快地促进材料和其它学科的发展。