半導(dǎo)體材料最新PPT課件

1、半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料最新 科學數(shù)碼相機上的科學數(shù)碼相機上的CCD 半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 （1）半導(dǎo)體材料的發(fā)展及其意義半導(dǎo)體材料的發(fā)展及其意義 （2）半導(dǎo)體材料及其物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料及其物理基礎(chǔ) （3 3）元素半導(dǎo)體材料）元素半導(dǎo)體材料 （4 4）化合物半導(dǎo)體材料）化合物半導(dǎo)體材料 （5 5）微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料）微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料 （6 6）非晶態(tài)半導(dǎo)體材料）非晶態(tài)半導(dǎo)體材料 （7 7）陶瓷半導(dǎo)體材料）陶瓷半導(dǎo)體材料 （8 8）半導(dǎo)體材料的應(yīng)用）半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料的發(fā)展及其意義半導(dǎo)體材料的發(fā)展及其意義 上世紀中葉

2、，上世紀中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的的 發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致 了了電子工業(yè)革命電子工業(yè)革命； 上世紀上世紀7070年代初年代初石英光導(dǎo)纖維材料和石英光導(dǎo)纖維材料和 GaAsGaAs激光器激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技的發(fā)明，促進了光纖通信技 術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 使人類進入了使人類進入了信息時代信息時代。 半導(dǎo)體材料最新 超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱超晶格概念的提出及其半導(dǎo)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(shè)計材料的研制成功，徹底改變了光電器件

3、的設(shè)計 思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從“雜質(zhì)工雜質(zhì)工 程程”發(fā)展到發(fā)展到“能帶工程能帶工程”。 納米科學技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原納米科學技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(jīng)濟格局和軍事對抗的形式，著世界的政治、經(jīng)濟格局和軍事對抗的形式， 徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞綇氐赘淖內(nèi)藗兊纳罘绞健?半導(dǎo)體材料最新 一、半導(dǎo)體材料及其物理基礎(chǔ)一、半導(dǎo)體材料及其物理基礎(chǔ) 1、本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)、

4、本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu) 2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 3、半導(dǎo)體的分類、半導(dǎo)體的分類 半導(dǎo)體材料最新 1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 由價帶，導(dǎo) 帶，禁帶組 成。禁帶寬 度Eg比較窄， 一般在1ev1ev左 右。 半導(dǎo)體材料最新 2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 半導(dǎo)體價帶中的電子受激發(fā)后從滿價帶躍到空 導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運動，傳導(dǎo) 電子的負電荷。同時，在滿價帶中留下空穴， 空穴帶正電荷，在價帶中空穴可按電子運動相 反的方向運動而傳導(dǎo)正電荷。 因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運動， 電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。激發(fā) 既可以是熱激發(fā)，也可以是非熱激發(fā)，通過激 發(fā)，半導(dǎo)體

5、中產(chǎn)生載流子，從而導(dǎo)電。 半導(dǎo)體材料最新 3、半導(dǎo)體的分類 （1）按成分分 可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。 元素半導(dǎo)體又可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì) 半導(dǎo)體。 化合物半導(dǎo)體又可分為合金、化合物、 陶瓷和有機高分子四種半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體材料最新 （2）按摻雜原子的價電子數(shù)分 可分為施主型(又叫電子型或n型)和受主 型(又叫空穴型或P型)。 前者摻雜原子的價電子多于純元素的價 電子，后者正好相反。 半導(dǎo)體材料最新 （3）按晶態(tài)分 可分為結(jié)晶、微晶和非晶半導(dǎo)體。 此外，還有按半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和電子 躍遷狀態(tài)來分類。 半導(dǎo)體材料最新 三、元素半導(dǎo)體材料 元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于族元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于族

6、A-A族的族的 金屬與非金屬的交界處，如金屬與非金屬的交界處，如Ge，Si，Se，Te等。等。 但是其中具備實用價值的元素半導(dǎo)體材料只有但是其中具備實用價值的元素半導(dǎo)體材料只有 硅、鍺和硒。硅、鍺和硒。 硒是最早使用的硒是最早使用的， 硅和鍺是當前最重要的半導(dǎo)體材料硅和鍺是當前最重要的半導(dǎo)體材料，尤其是硅，尤其是硅 材料由于具有許多優(yōu)良持性，材料由于具有許多優(yōu)良持性， 絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是用硅材料制作的絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是用硅材料制作的。 半導(dǎo)體材料最新 1、硅和鍺性質(zhì) 硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。 兩者相比，鍺的金屬性更顯著，硅在切

7、割時易碎兩者相比，鍺的金屬性更顯著，硅在切割時易碎 裂。裂。 鍺的室溫本征電阻率約為鍺的室溫本征電阻率約為50cm，而硅的約為，而硅的約為 2.3105cm。 鍺和硅都具有鍺和硅都具有金剛石金剛石結(jié)構(gòu)，化學鍵為共價鍵。結(jié)構(gòu)，化學鍵為共價鍵。 鍺的室溫電子遷移率為鍺的室溫電子遷移率為3800cm2/vs，硅為，硅為 1800cm2/vs。 鍺的禁帶寬度為鍺的禁帶寬度為0.66ev，硅的禁帶寬度為，硅的禁帶寬度為1.12ev。 半導(dǎo)體材料最新 1、硅和鍺性質(zhì) 硅和鍺在常溫下化學性質(zhì)是穩(wěn)定的但升高溫硅和鍺在常溫下化學性質(zhì)是穩(wěn)定的但升高溫 度時，很容易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生化學反度時，很容易同氧、氯等

8、多種物質(zhì)發(fā)生化學反 應(yīng)，所以在自然界沒有游離狀態(tài)的硅和鍺存在。應(yīng)，所以在自然界沒有游離狀態(tài)的硅和鍺存在。 鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、 濃硝酸、王水及濃硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。硅不于混合酸中。硅不于 鹽酸、硫酸、硝酸及王水，易被鹽酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF-HNO3混混 合酸所溶解。合酸所溶解。 硅比鍺易與堿起反應(yīng)。硅與金屬作用能生成多硅比鍺易與堿起反應(yīng)。硅與金屬作用能生成多 種硅化物。種硅化物。 半導(dǎo)體材料最新 1、硅和鍺性質(zhì) 雜質(zhì)對鍺、硅電學性質(zhì)的影響與雜質(zhì)能級在禁雜質(zhì)對鍺、硅電學性質(zhì)的影響與雜質(zhì)能級在禁 帶中的位置密

9、切相關(guān)。在鍺、硅中的雜質(zhì)可分帶中的位置密切相關(guān)。在鍺、硅中的雜質(zhì)可分 為為兩類兩類： 一類一類是是A族或族或A族元素，它們在鍺、硅中族元素，它們在鍺、硅中 只有一個能級，且電離能小，一個雜質(zhì)原子只只有一個能級，且電離能小，一個雜質(zhì)原子只 起一個受主或施主作用，起一個受主或施主作用，A族雜質(zhì)起受主作族雜質(zhì)起受主作 用使材料呈用使材料呈p型導(dǎo)電，型導(dǎo)電，A族雜質(zhì)起施主作用，族雜質(zhì)起施主作用， 使材料呈使材料呈n型導(dǎo)電。型導(dǎo)電。 另一類另一類是除是除A或或A族以外的雜質(zhì)。族以外的雜質(zhì)。 半導(dǎo)體材料最新 2硅和鍺晶體的制備 目前目前鍺主要用直拉法，硅除了直拉法之外還用鍺主要用直拉法，硅除了直拉法之外還

10、用 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法。 直拉法又稱直拉法又稱(Czochralski)法法簡稱簡稱CZ法。它是法。它是 生長元素和生長元素和A-A族化合物半導(dǎo)體單晶的主族化合物半導(dǎo)體單晶的主 要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩鍋內(nèi)，引要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩鍋內(nèi)，引 入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場，將入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場，將 籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按 籽晶的方向長大。籽晶的方向長大。 半導(dǎo)體材料最新 制備雜質(zhì)含量低、結(jié)晶制備雜質(zhì)含量低、結(jié)晶 完美的完美的單晶材料單晶材料 特點：質(zhì)量高、速度快特點：質(zhì)量高、速度快 固液界面處

11、結(jié)晶固液界面處結(jié)晶 等于熔點等于熔點 高于熔點高于熔點 低于熔點低于熔點 直拉法 半導(dǎo)體材料最新 區(qū)熔法 由直拉法生長的單晶，由于坩鍋與材料反應(yīng)和 電阻加熱爐氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長 高阻單晶困難。 工業(yè)上將區(qū)域提純與晶體生長結(jié)合起來，可制 取高純單晶，這就是區(qū)熔法。 在高純石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料錠。 建立熔區(qū)，將原料錠與籽晶一端熔合后，移動 熔區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長。 半導(dǎo)體材料最新 區(qū)熔法區(qū)熔法 半導(dǎo)體材料最新 3硅的主要用途 目前科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體材料種類很多，目前科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體材料種類很多， 并且正在不斷開拓他們的應(yīng)用領(lǐng)域，但在目前并且正在不斷開拓他們的應(yīng)

12、用領(lǐng)域，但在目前 的電子工業(yè)中使用的半導(dǎo)體材料主要還是硅，的電子工業(yè)中使用的半導(dǎo)體材料主要還是硅， 它是它是制造大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料制造大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料。 整流器整流器 放大器和振蕩器放大器和振蕩器 集成電路集成電路 光學材料光學材料 半導(dǎo)體材料最新 四、化合物半導(dǎo)體材料 1、二元化合物半導(dǎo)體、二元化合物半導(dǎo)體 2、多元化合物半導(dǎo)體、多元化合物半導(dǎo)體 3、砷化鎵、砷化鎵 4、氮化鎵、氮化鎵 半導(dǎo)體材料最新 1、二元化合物半導(dǎo)體 (1)A和A族元素組成的A-A族化合物 半導(dǎo)體。即A1，Ga，In和P，As,Sb組成的9種 A - A 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 ， 如 A 1 P

13、 ， A1AsA1Sb，GaP，GaAs，GaSb，InP，InAs， InSb等。GaN。 (2)B族和A族元素組成的B-A族化合 物半導(dǎo)體即Zn，Cd，Hg與S，Se，Te組成的 12種B-A族化合物半導(dǎo)體，如CdS，CdTe， CdSe等。 半導(dǎo)體材料最新 (3)A族元素之間組成的A-A族化 合物半導(dǎo)體、如SiC等。 (4)A族和A族元素組成的A-A族 化合物半導(dǎo)體，如GeS，GeSe，SnTe， PbS，PbTe等共9種。 (5)VA族和A族元素組成的VA-A族化 合物半導(dǎo)體，如AsSe3，AsTe3，AsS3等。 半導(dǎo)體材料最新 2、多元化合物半導(dǎo)體 (1)IB-A-(A)2組成的多

14、元化合物半導(dǎo) 體，如AgGaTe2等。 (2)IB-A-(A)2組成的多元化合物半導(dǎo) 體，如AgAsSe2等。 (3)(IB)2-B-IVA-(A)4組成的多元化合 物半導(dǎo)體如Cu2CdSnTe4等。 半導(dǎo)體材料最新 3、砷化鎵 1）砷化鎵性質(zhì)）砷化鎵性質(zhì) 砷化鎵的晶體結(jié)構(gòu)是砷化鎵的晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦型閃鋅礦型，每個原子和周圍，每個原子和周圍 最近鄰的四個其它原子發(fā)生鍵合。最近鄰的四個其它原子發(fā)生鍵合。 砷化鎵的化學鍵和能帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺不同，其砷化鎵的化學鍵和能帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺不同，其禁禁 帶寬度比硅、鍺都大帶寬度比硅、鍺都大。 砷化鎵具有雙能谷導(dǎo)帶，在外電場下電子在能谷砷化鎵具有雙能谷導(dǎo)帶，在外

15、電場下電子在能谷 中躍遷遷移率變化，電子轉(zhuǎn)移后電流隨電場增中躍遷遷移率變化，電子轉(zhuǎn)移后電流隨電場增 大而減小，產(chǎn)生大而減小，產(chǎn)生“負阻效應(yīng)負阻效應(yīng)”。 砷化鎵的介電常數(shù)和電子有效質(zhì)量均小，電子遷砷化鎵的介電常數(shù)和電子有效質(zhì)量均小，電子遷 移率高，移率高，是一種特性比較全面兼有多方面優(yōu)點的是一種特性比較全面兼有多方面優(yōu)點的 材料。材料。 半導(dǎo)體材料最新 2）砷化鎵材料的制備 砷化鎵材料的制備主要有從熔體中生長砷化鎵材料的制備主要有從熔體中生長體單晶體單晶 和外延生長和外延生長薄層單晶薄層單晶等方法。等方法。 砷化鎵單晶的制備砷化鎵單晶的制備主要采用水平區(qū)熔法和液封主要采用水平區(qū)熔法和液封 直拉法

16、兩種方法。直拉法兩種方法。 水平區(qū)熔法，在石英管密封系統(tǒng)中裝有砷源。水平區(qū)熔法，在石英管密封系統(tǒng)中裝有砷源。 通過調(diào)節(jié)砷源溫度來控制系統(tǒng)中的砷壓。通過調(diào)節(jié)砷源溫度來控制系統(tǒng)中的砷壓。 液體封閉直拉法，是將熔體用某種液體覆蓋，液體封閉直拉法，是將熔體用某種液體覆蓋， 并在壓力大于砷化鎵離解壓的氣氛中合成拉晶。并在壓力大于砷化鎵離解壓的氣氛中合成拉晶。 半導(dǎo)體材料最新 2）砷化鎵材料的制備 砷化鎵膜材料主要通過砷化鎵膜材料主要通過外延技術(shù)制備外延技術(shù)制備。 包括氣相外延、液相外延和氣束外延。包括氣相外延、液相外延和氣束外延。 砷化鎵外延工藝具有生長溫度低、原料砷化鎵外延工藝具有生長溫度低、原料 能

17、得到有效提純、雜質(zhì)污染少、可控摻能得到有效提純、雜質(zhì)污染少、可控摻 雜等特點，可以得到任意厚度、完整性雜等特點，可以得到任意厚度、完整性 好和均勻性好的外延片。好和均勻性好的外延片。 半導(dǎo)體材料最新 3）砷化鎵的主要用途 發(fā)光二極管發(fā)光二極管：具有發(fā)光效率高、低電壓、小電：具有發(fā)光效率高、低電壓、小電 流、低功耗、高速響應(yīng)和高亮度等流、低功耗、高速響應(yīng)和高亮度等特性，易與，易與 晶體管和集成電路相匹配，用作固體顯示器、晶體管和集成電路相匹配，用作固體顯示器、 訊號顯示、文字數(shù)字顯示等器件。訊號顯示、文字數(shù)字顯示等器件。 隧道二極管隧道二極管：具有高遷移率和短壽命等特性，：具有高遷移率和短壽命等

18、特性， 用于計算機開關(guān)時，速度快、時間短。用于計算機開關(guān)時，速度快、時間短。 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管：振蕩頻率目前已達數(shù)百干兆赫：振蕩頻率目前已達數(shù)百干兆赫 以上主要用于微波及毫米波放大、振蕩、調(diào)以上主要用于微波及毫米波放大、振蕩、調(diào) 制和高速邏輯電路等方面。制和高速邏輯電路等方面。 半導(dǎo)體材料最新 4、氮化鎵 以氮化鎵(GaN)為代表的-V族寬帶隙化合物 半導(dǎo)體材料，具有高發(fā)光效率、高熱導(dǎo)率、耐 高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特 性，是目前世界上先進的半導(dǎo)體材料之一。 GaN是優(yōu)良的光電子材料，可以實現(xiàn)從紅外到 紫外全可見光范圍的光發(fā)射和紅、黃、藍三原 色具備的全光固體顯示，可用來

19、制備藍波段的 激光器(LD)、大功率器件和高溫器件，紫外光 可用于大氣層外空間的探測，短波長可使激光 打印，光盤存儲更細微化、高密度化，GaN基 材料將會帶來IT行業(yè)存儲技術(shù)的革命。 半導(dǎo)體材料最新 1）CaN的性質(zhì) A）結(jié)構(gòu)特性：GaN為無色透明晶體， 一般呈纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=0.3189 nm，c=0.518nm，有的GaN具有閃鋅礦 結(jié)構(gòu)，a=0.452nm 半導(dǎo)體材料最新 B）化學特性：GaN具有強硬度、抗常規(guī) 濕法腐蝕的特點在室溫下，它不溶于 水、酸和堿，但能緩慢地溶于熱的堿性 溶液雖然經(jīng)過許多研究者的努力，但 是目前尚未確立一種合適的濕法刻蝕工 藝，現(xiàn)在主要用等離子體工藝進

20、行刻 蝕 半導(dǎo)體材料最新 C）光學特性：GaN室溫禁帶寬度為3.4 eV，是優(yōu)良的短波光電子材料，其發(fā)光 特性一般是在低溫(2 K、l2 K、15 K或 77 K)下獲得。 半導(dǎo)體材料最新 2)GaN薄膜的制備 早在20世紀30年代Johnson等人就采用金屬鎵和 氨氣反應(yīng)，得到了GaN小晶粒和粉末此后人 們嘗試多種方法來制備氮化鎵薄膜 目前，金屬有機氣相沉積(MOCVD)、分子束 外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)已經(jīng)成為 制備GaN薄膜的主流工藝，其中MOCVD使用 的最為廣泛，這種方法已經(jīng)用來制備商用高亮 度藍光二極管 研究者們一直在探索新的工藝方法來制備更高 質(zhì)量的CaN薄膜。

21、 半導(dǎo)體材料最新 3）氮化鎵的用途）氮化鎵的用途 目前GaN主要用來制造高速微波器件， 電荷耦合器件(CCD)，動態(tài)存儲器 (DRAM)，高亮度藍色和綠色發(fā)光管和紫 外光電探測器。 半導(dǎo)體材料最新 五、微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料五、微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、超晶格和量子阱材料統(tǒng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、超晶格和量子阱材料統(tǒng) 稱為稱為半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料。 由兩種不同半導(dǎo)體材料所組成的結(jié)，稱由兩種不同半導(dǎo)體材料所組成的結(jié)，稱 為為異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)。 兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性 地交替生長，構(gòu)成地交替生長，構(gòu)成超晶格超晶格。 當兩個同樣的異質(zhì)結(jié)背對背接起來，構(gòu)當兩

22、個同樣的異質(zhì)結(jié)背對背接起來，構(gòu) 成一個成一個量子阱量子阱。 半導(dǎo)體材料最新 1963年年，為了改進當時，為了改進當時GaAs結(jié)型激光器的高結(jié)型激光器的高 閾值電流問題，閾值電流問題，Kroemer建議把一個窄帶隙半建議把一個窄帶隙半 導(dǎo)體夾在兩個寬帶隙之間，從而提高注人效率導(dǎo)體夾在兩個寬帶隙之間，從而提高注人效率 和增加載流子限制，首次明確和增加載流子限制，首次明確提出異質(zhì)結(jié)概念提出異質(zhì)結(jié)概念。 1968年，約飛技術(shù)物理所和貝爾實驗室相繼研年，約飛技術(shù)物理所和貝爾實驗室相繼研 制出異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器。制出異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器。 1970年年，使，使AlGaAs/GaAs DH激光器實現(xiàn)室溫激光器實現(xiàn)室溫

23、 受激發(fā)射，從而受激發(fā)射，從而拉開由均勻材料向半導(dǎo)體微結(jié)拉開由均勻材料向半導(dǎo)體微結(jié) 構(gòu)材料變革的序幕。構(gòu)材料變革的序幕。 半導(dǎo)體材料最新 1969年，江崎和朱兆樣提出由兩種不同年，江崎和朱兆樣提出由兩種不同 帶隙的超薄層構(gòu)成的一維周期性結(jié)構(gòu)，帶隙的超薄層構(gòu)成的一維周期性結(jié)構(gòu)， 即人工半導(dǎo)體超晶格，并設(shè)想了兩種不即人工半導(dǎo)體超晶格，并設(shè)想了兩種不 同類型的結(jié)構(gòu)：同類型的結(jié)構(gòu)：摻雜超晶格和組分超晶摻雜超晶格和組分超晶 格。格。 半導(dǎo)體超晶格概念促進了剛剛出現(xiàn)的半導(dǎo)體超晶格概念促進了剛剛出現(xiàn)的 MBE和和MOCVD薄膜生長新技術(shù)的不斷薄膜生長新技術(shù)的不斷 改進和提高，這也是自改進和提高，這也是自p-

24、n結(jié)、晶體管發(fā)結(jié)、晶體管發(fā) 明以來，半導(dǎo)體科學的一次重大突破。明以來，半導(dǎo)體科學的一次重大突破。 半導(dǎo)體材料最新 1、異質(zhì)薄層材料 p-n結(jié)是在一塊半導(dǎo)體單晶中用摻雜的辦法做結(jié)是在一塊半導(dǎo)體單晶中用摻雜的辦法做 成兩個導(dǎo)電類型不同的部分。一般成兩個導(dǎo)電類型不同的部分。一般p-n結(jié)的兩結(jié)的兩 邊是用同一種材料做成邊是用同一種材料做成(如如Si,Ge，GaAs)稱為稱為 同質(zhì)結(jié)。如把兩種不同的半導(dǎo)體材料做成一塊同質(zhì)結(jié)。如把兩種不同的半導(dǎo)體材料做成一塊 單晶，稱異質(zhì)結(jié)。單晶，稱異質(zhì)結(jié)。 半導(dǎo)體材料最新 1、異質(zhì)薄層材料 兩種材料禁帶寬度的不同以及其它特性 的差異，使異質(zhì)結(jié)具有一系列同質(zhì)結(jié)所 沒有的特

25、性，在器件設(shè)計上將得到某些 同質(zhì)結(jié)不能實現(xiàn)的功能， 半導(dǎo)體材料最新 異質(zhì)外延生長是指不相同材料相互之間 的外延生長，A1xGa1-xAsGaAs表示外 延薄膜/襯底；x，(1-x)分別代表A1，Ga 的相對含量。 半導(dǎo)體材料最新 超晶格結(jié)構(gòu)就是這些外延層在生長方向 上的周期排列，如在GaAs襯底上有一個 由100nm的Al0.5Ga0.5As層和10nm的GaAs 層組成的重復(fù)結(jié)構(gòu)，用符號表示就是 Al0.5Ga0.5As(100nm)/GaAs (10nm)/Al0.5Ga0.5As(100nm)/GaAs (10nm)/GaAs，因A1GaAs組成在生長方 向具有用期性，所以該結(jié)構(gòu)稱為超晶

26、格 結(jié)構(gòu)。 半導(dǎo)體材料最新 稱其為超晶格是因為它的晶格周期并不 是取決于材料的晶格常數(shù)(a5nm)，而是 取決于交替子層的重復(fù)周期(10nm)，與 電子平均自由程相關(guān)的超晶格周期對于 能否產(chǎn)生量子效應(yīng)是一個重要參量。 半導(dǎo)體材料最新 2、超晶格的類型、超晶格的類型 組分超晶格 摻雜超晶格 多維超晶格 半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料最新 3、超晶格中的電子狀態(tài) 圖8-4為半導(dǎo)體 能帶結(jié)構(gòu)。其中 為電子親和勢， Eg為禁帶寬度， Ev為價帶頂， Ec為導(dǎo)帶底， Eo為真空能級， k為波矢。E(k) 為電子能量。 半導(dǎo)體材料最新 在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的 材料具有

27、不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界 面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)，能帶結(jié)構(gòu) 變?yōu)閳D8-5。 半導(dǎo)體材料最新 GaAs導(dǎo)帶底能量導(dǎo)帶底能量 較低，價帶頂能較低，價帶頂能 量較高，成為勢量較高，成為勢 阱，阱，A1GaAs導(dǎo)帶導(dǎo)帶 底能量較高，價底能量較高，價 帶頂能量較低，帶頂能量較低， 變成勢壘。勢阱變成勢壘。勢阱 寬寬LW，勢壘寬，勢壘寬LB。 半導(dǎo)體材料最新 當當A1GaAs層厚度層厚度 LB逐漸變薄時，逐漸變薄時， 由于隧道效應(yīng)，由于隧道效應(yīng)， 在它兩側(cè)的在它兩側(cè)的GaAs 中的電子波函數(shù)中的電子波函數(shù) 將重疊而原來的將重疊而原來的 能級變成能帶，能級變成能帶， 這種能帶成為子這種能帶成為子 能帶、見圖

28、能帶、見圖8-6。 半導(dǎo)體材料最新 從能帶角度可以區(qū)分量子阱和超晶格。 當勢壘足夠厚，足夠高時，相鄰阱中的電 子波函數(shù)不發(fā)生交疊，這種結(jié)構(gòu)材料中的 電子行為如同單個阱中電子行為的簡單總 和，這種材料稱為多量子阱材料多量子阱材料。 當勢壘比較薄，比較低時，由于隧道共振 效應(yīng)，使阱中的電子隧道穿越勢壘，勢阱 中的分立電子能級形成具有一定寬度的子 能帶，這種材料稱為超晶格超晶格。 半導(dǎo)體材料最新 六、非晶態(tài)半導(dǎo)體材料 晶體的特征是晶格具有周期對稱性，即 長程有序長程有序。不具有長程有序的物質(zhì)(包括 液體)稱為非晶體非晶體。 對非晶半導(dǎo)體的研究始于1950年，先后 在硫系玻璃、Ge、Si等元素非晶半導(dǎo)

29、體 應(yīng)用研究取得進展，并對非晶半導(dǎo)體電 子理論也進行了深人研究。 半導(dǎo)體材料最新 目前被研究最多的是以下兩類非晶半導(dǎo) 體： 1）四面體結(jié)構(gòu)非晶半導(dǎo)體。）四面體結(jié)構(gòu)非晶半導(dǎo)體。其中主要有 族元素非晶半導(dǎo)體如非晶硅(-Si)和非 晶鍺(-Ge)及A-VA族化合物非晶半導(dǎo) 體如-GaAs，-GaP，-InP及-GaSb等。 這類非晶半導(dǎo)體的特點是它們的最近鄰 原子配位數(shù)為4即每個原于周圍有4個 最近鄰原子。 半導(dǎo)體材料最新 2)硫系非晶半導(dǎo)體硫系非晶半導(dǎo)體。這類非晶半導(dǎo)體中含 有很大比例的硫系元素如S，Se，Te等， 它們往往是以玻璃態(tài)形式出現(xiàn)。 例如S，SeTe，As2S3，As2Te3及三元系

30、As2Se3-As2Te3和四元系Tl2Se3-As2Te3等都 屬于此類。 另外還有氧化物非晶半導(dǎo)體GeO2，BaO， TiO2，SnO2及Ta2O5等， A族元素和VA族元素非晶半導(dǎo)體如-B 和-As等。 半導(dǎo)體材料最新 1、非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型 能帶理論雖然是一個近似理論，它對晶 態(tài)半導(dǎo)體是比較好的近似。由于非晶態(tài) 半導(dǎo)體不存在周期性，因而電子的運動 呈現(xiàn)一些新的特點。主要有以下幾個方 面： 半導(dǎo)體材料最新 A)非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài)分為兩類電子態(tài)分為兩類： 一類稱為擴展態(tài)一類稱為擴展態(tài)，它與晶態(tài)中的共有化 運動狀態(tài)相類似，波函數(shù)延伸在整個晶 體之中； 另一類稱為定域態(tài)另一類稱為定域態(tài)

31、，波函數(shù)局限在一些 中心附近，隨著與中心點的距離增大而 指數(shù)衰減。 半導(dǎo)體材料最新 B)非晶態(tài)半導(dǎo)體中，能帶的存在不依賴 于晶體的周期性。研究表明，能帶的基 本情況主要取決于近程的性質(zhì)。差別在 于非晶態(tài)半導(dǎo)體的能態(tài)密度存在著尾部， 如圖8-8(a)。 在導(dǎo)帶中，EEc是擴展態(tài)，EAEEc為 定域態(tài)；在價帶中，EE V是擴展態(tài)， EvE104cm-1；B指數(shù)區(qū)，吸 收系數(shù)a變化為4至5個數(shù)量級；c，弱吸 收區(qū)，a變化為10-110-2。 半導(dǎo)體材料最新 3）光電導(dǎo)）光電導(dǎo) 光照可以產(chǎn)生非平衡載流子，引起電導(dǎo)率的改 變，這個現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)光電導(dǎo)，光電導(dǎo)的大小與光 照強度有關(guān)。 光電導(dǎo)效應(yīng)是非晶態(tài)半

32、導(dǎo)體的一個基本性質(zhì)， 特別是非晶硅。它的光電效應(yīng)密切依賴于制備 的工藝方法和工藝條件，其光電導(dǎo)效應(yīng)是衡量 非晶硅材料性質(zhì)的基本參數(shù)。 非晶態(tài)半導(dǎo)體是高阻材料，存在著大量的缺陷 定域態(tài)，具有顯著的陷阱效應(yīng)，即在光照產(chǎn)生 非平衡載流子的同時，缺陷態(tài)上的電子濃度也 要發(fā)生變化。 半導(dǎo)體材料最新 七、半導(dǎo)體陶瓷 半導(dǎo)體陶瓷是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)電陶瓷 和絕緣介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，其電 阻率介于10-4-10-7之間。 一般是由一種或數(shù)種金屬氧化物，采用 陶瓷制備工藝制成的多晶半導(dǎo)體材料。 這種半導(dǎo)體的特性與通常單晶(如硅、鍺) 半導(dǎo)體相比有很大差別，因而研究方法研究方法 及理論也不盡相同。主要有以下幾點

33、：及理論也不盡相同。主要有以下幾點： 半導(dǎo)體材料最新 (1)半導(dǎo)體陶瓷的化學性質(zhì)比較復(fù)雜，易 產(chǎn)生化學計量比的偏移化學計量比的偏移，在晶格中形成 固有點缺陷，這種點缺陷濃度不僅與溫 度及環(huán)境氧分壓有關(guān)，而且與外來雜質(zhì) 濃度緊密相連； 半導(dǎo)體材料最新 (2)構(gòu)成半導(dǎo)體陶瓷的氧化物分子多數(shù)是 離子鍵離子鍵，這類材料中載流子的遷移機理 較鍺、硅等半導(dǎo)體更為復(fù)雜。 3)半導(dǎo)體陶瓷材料是多晶材料多晶材料，存在晶 界是其重要特征。由于晶界的化學、物 理特性十分復(fù)雜，許多物理效應(yīng)都是晶 粒界引起。 半導(dǎo)體材料最新 1、PTC半導(dǎo)體陶瓷 PTCPTC（Positive Temperature Coeffici

34、entPositive Temperature Coefficient） 熱敏半導(dǎo)體陶瓷，是指一類具有正溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體陶瓷，是指一類具有正溫度系數(shù)的 半導(dǎo)體陶瓷材料。半導(dǎo)體陶瓷材料。 典型的典型的PTCPTC半導(dǎo)體陶瓷材料系列有半導(dǎo)體陶瓷材料系列有BaTiOBaTiO3 3或以或以 BaTiOBaTiO3 3為基的為基的(Ba(Ba，SrSr，Pb) TiOPb) TiO3 3固溶半導(dǎo)體陶固溶半導(dǎo)體陶 瓷材料，氧化釩等材料及以氧化鎳為基的多元瓷材料，氧化釩等材料及以氧化鎳為基的多元 半導(dǎo)體陶瓷材料等。半導(dǎo)體陶瓷材料等。 其中其中以以BaTiOBaTiO3 3半導(dǎo)體陶瓷最具代表性，半導(dǎo)體陶

35、瓷最具代表性，也是當也是當 前研究得最成熟，實用范圍最寬的前研究得最成熟，實用范圍最寬的PTCPTC熱敏半熱敏半 導(dǎo)體陶瓷材料。導(dǎo)體陶瓷材料。 半導(dǎo)體材料最新 半導(dǎo)體材料最新 BaTiOBaTiO3 3晶格為典型的晶格為典型的ABOABO3 3型型 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，鋇離子處在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，鋇離子處在A A 位，鋇離子處在位，鋇離子處在B B位。在純位。在純 凈的凈的BaTiOBaTiO3 3材料中材料中引人微量引人微量 稀土元素作為施主雜質(zhì)稀土元素作為施主雜質(zhì)可使可使 材料半導(dǎo)化。材料半導(dǎo)化。 施主雜質(zhì)取代方式大致有三施主雜質(zhì)取代方式大致有三 種一是種一是A A位取代，即與位取代，即與 BaBa2+

36、 2+半徑相近，化合價高于 半徑相近，化合價高于 2 2價的元素取代價的元素取代BaBa2+ 2+；二是 ；二是B B 位取代，即與位取代，即與TiTi4+ 4+半徑相當， 半徑相當， 化合價高于化合價高于4 4價的元素取代價的元素取代 TiTi4+ 4+；三是雙位取代，即加 ；三是雙位取代，即加 人多種離子同時取代人多種離子同時取代BaBa2+ 2+ 和和TiTi4+ 4+。 。 半導(dǎo)體材料最新 無論采用哪種取代方式，無論采用哪種取代方式，雜質(zhì)的總引入量雜質(zhì)的總引入量 一般都應(yīng)控制在一般都應(yīng)控制在0.50.5molmol內(nèi)。內(nèi)。 PTC效應(yīng)也效應(yīng)也與燒成氣氛有明顯的依賴關(guān)系，與燒成氣氛有明顯

37、的依賴關(guān)系， 即只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于即只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于900 的氧化氣氛中熱處理，樣品才呈現(xiàn)的氧化氣氛中熱處理，樣品才呈現(xiàn)PTC效效 應(yīng)，在還原氣氛中燒成，則沒有應(yīng)，在還原氣氛中燒成，則沒有PTC效應(yīng)。效應(yīng)。 PTC效應(yīng)主要在降溫過程中形成效應(yīng)主要在降溫過程中形成。高溫燒。高溫燒 成的樣品，直接淬火至室溫，不呈現(xiàn)成的樣品，直接淬火至室溫，不呈現(xiàn)PTC 效應(yīng)；降溫速率越饅，效應(yīng)；降溫速率越饅，PTC效應(yīng)越大。效應(yīng)越大。 半導(dǎo)體材料最新 BaTiO3單晶半導(dǎo)體不呈現(xiàn)單晶半導(dǎo)體不呈現(xiàn)PTC效應(yīng)，而把效應(yīng)，而把 BaTiO3單晶半導(dǎo)體粉碎后燒成陶瓷，則呈現(xiàn)很單晶半導(dǎo)體粉碎后燒成陶瓷，則呈現(xiàn)很 大的大的PTC效應(yīng)，因而證明效應(yīng)，因而證明PTC效應(yīng)來源于多晶效應(yīng)來源于多晶 半導(dǎo)體晶界。半導(dǎo)體晶界。 BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷