固態(tài)電子器件

固態(tài)電子與器件管飛16724154Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In與ⅤA的N、P、As、Sb形成，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15種（BSb除外）Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg與ⅥA族的O、S、Se、Te形成，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等Ⅳ-Ⅳ族：SiC

5.5.化合物半導體材料IIIA元素：B、Al、Ga、In

VA元素：N、P、As、Sb

組合形成的化合物15種（BSb除外）目前得到實用的III-V族化合物半導體

GaNGaPGaAsGaSbInPInAsInSb原子序數(shù)之和：由小→大材料熔點：由高→低帶隙寬度：由大→小

5.5.1化合物半導體材料的分類

5.5.2化合物半導體材料的基本特性1晶格結構

圖1

金剛石結構(a)和閃鋅礦結構(b)1）閃鋅礦結構(a)(b)大多數(shù)的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體與金剛石結構相似：每個原子與鄰近四個原子形成四面體結構（鍵），又稱類金剛石；由兩；與金剛石結構不同：每個原子鄰近是四個異類原子；混合鍵：共價鍵占優(yōu)。2）纖鋅礦結構

圖2(a)纖鋅礦結構，(b)四面體(a)(b)Ⅱ-Ⅵ族的ZnS、ZnSe、CdS等都可以閃鋅礦和纖鋅礦兩種方式結晶與閃鋅礦相似：正四面體結構；與閃鋅礦不同：六方對稱（閃鋅礦是立方對稱）；纖鋅礦結構更適合原子間電負性差別大、化學鍵極性強的化合物半導體，如GaN；混合鍵：離子鍵占優(yōu)。

5.5.2化合物半導體材料的基本特性

5.5.2化合物半導體材料的基本特性2晶格常數(shù)圖3

III-V族合金半導體的晶格常數(shù)隨組分比x變化的情況晶格常數(shù)與合金組分：服從Vegard關系，即aAB=aAx+aB(1-x)

--線性插值關系

5.5.2化合物半導體材料的基本特性晶格常數(shù)與禁帶寬度

元素與化合物半導體的晶格常數(shù)與禁帶寬度同類型半導體：晶格常數(shù)大的，其禁帶寬度小。

Si與GaP、AlPGe與GaAs、AlAs

晶格常數(shù)匹配

5.5.2化合物半導體材料的基本特性1）砷化鎵的能帶結構及其主要特點能量/eV能量/eV圖4

硅(a)和砷化鎵(b)的能帶結構3

能帶結構

2.2化合物半導體材料的基本特性1）砷化鎵的能帶結構及其主要特點能量/eV圖5

砷化鎵的能帶結構3能帶結構①直接躍遷型：導帶極小值在k=0處，價帶極大值近似在k=0處；②具有負阻特性：在【111】方向具有雙能谷；當外電場超過某個閾值，電子可能由遷移率大的主能谷轉移到遷移率小的次能谷，出顯電場增大而電流減小現(xiàn)象。③Eg大：1.43eV,制作高頻、大功率器件；DaiXian-ying

5.5.2化合物半導體材料的基本特性2）銻化銦的能帶結構及其主要特點

①直接躍遷型：導帶極小值在k=0處，電子有效質量?。虎趯С史菕佄锞€性：極小值處E(k)曲線的曲率很大，隨能量的增加，曲率迅速下降；③Eg小：0.23eV,制作遠紅外檢波器、高靈敏光電池、波長在2.0-7.5μm的紅外線濾光器等；DaiXian-ying

5.5.2化合物半導體材料的基本特性3）GaP的能帶結構及其主要特點①間接躍遷型：導帶極小值在【100】方向Χ處；②某些雜質在GaP中可形成發(fā)光輻射復合中心，使GaP可由間接躍遷轉化為直接躍遷；③Eg大：2.25eV,可制作綠、紅、黃光LED等；與Si相比，III-V族二元化合物半導體的獨特性質1.帶隙較大，大部分室溫時＞1.1eV，因而所制造的器件耐受較大功率，工作溫度更高2.大都為直接躍遷型能帶，因而其光電轉換效率高，適合制作光電器件，如LED、LD、太陽電池等。GaP雖為間接帶隙，但Eg

較大(2.25eV)，摻入等電子雜質所形成的束縛激子發(fā)光仍可得到較高的發(fā)光效率。是紅(Zn-O、Cd-O)、黃(Bi)、綠(N)光LED的主要材料之一3.電子遷移率高，很適合制備高頻、高速器件

5.5.2化合物半導體材料的基本特性超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設想將兩種不同組分或不同摻雜的半導體超薄層A和B交替疊合生長在襯底上，使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。當取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運動將受到超晶格附加的周期勢場的影響，而其xy平面內的運動不受影響。導帶中電子的能量可表示為:E=E(kz)+?2/2m(kx2+ky2)在xy平面內電子的動能是連續(xù)的，z方向附加周期勢場使電子的能量分裂為一系列子能帶。不連續(xù)點的kz值滿足:kz=±n/D，D為超晶格周期。AB

5.5.3超晶格和量子阱的一般描述超晶格多量子阱能帶結構示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶圖EcAEvAEcBEvBEgBEgA?Ec?EvE2E1多量子阱和超晶格的本質差別在于勢壘的寬度：當勢壘很寬時電子不能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒有相互耦合，此為多量子阱的情況；當勢壘足夠薄使得電子能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格的情況。

5.5.3超晶格和量子阱的一般描述超晶格分類（1）組分調制超晶格（2）摻雜調制超晶格（3）應變超晶格（4）多維超晶格（5）非晶態(tài)半導體的超晶格（6）半磁超晶格（7）漸變能隙超晶格(鋸齒狀)超晶格能帶結構來源于兩種材料禁帶的變化，存在內界面。

5.5.3超晶格和量子阱的一般描述（1）組分調制超晶格

在超晶格結構中，如果超晶格的重復單元是由不同半導體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。

按異質結中兩種材料導帶和價帶的對準情況，江崎把異質結分為三類：Ⅰ型異質結:窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，ΔEc和ΔEv的符號相反。不論對電子還是空穴，窄帶材料都是勢阱，寬帶材料都是勢壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復合發(fā)生在窄帶材料一側。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。Ⅱ型異質結（ΔEc和ΔEv的符號相同），分兩種：*ⅡA類超晶格：材料1的導帶和價帶都比材料2的低，禁帶是錯開的。材料1是電子的勢阱，材料2是空穴的勢阱。電子和空穴分別約束在兩材料中。超晶格具有間接帶隙的特點，躍遷幾率小，如GaAs/AlAs超晶格。

ⅡB類超晶格：禁帶錯開更大，窄帶材料的導帶底和價帶頂都位于寬帶材料的價帶中，有金屬化現(xiàn)象，如InAs/GaSb超晶格。

Ⅲ類超晶格：其中一種材料具有零帶隙。組成超晶格后，由于它的電子有效質量為負，將形成界面態(tài)。典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。（1）I類紅外超晶格材料利用量子遂穿效應，形成垂直于層面的電流－－超晶格材料。AlGaAs/GaAs

5.5.4超晶格量子阱紅外探測器材料1、GaAs體系

量子紅外探測器（QWIP）是利用較寬帶材料制作的，并且采用了量子阱結構。（2）II類應變紅外超晶格材料由于InAsSb和InSb之間的晶格常數(shù)相關較大，因些屬于應變超晶格結構。InAsSb/InSb

用MBE或MOCVD工藝在襯底上生長緩沖層。這種材料應用如下特點：鍵強度好，結構穩(wěn)定；均勻性好；波長易控制；有效質量大；隧道電流?。唬?）III類紅外超晶格材料以Hg為基礎的超晶格材料。交替生長HgTe和CdTe薄層。特點如下：禁帶寬度和響應截止波長由HgTe層厚度控制；有效質量比較大；p型HgTe-CdTe超晶格有極高的遷移率。InSb是一種直接躍遷型窄帶寬化合物半導體，具有電子遷移率高和電子有效質量小的特點。它適于制備光伏型、光導型和光磁電型三種工作方式的探測器，各自有不同的特點優(yōu)勢。提純工藝和單晶制備工藝的發(fā)展，到上個世紀中期，用優(yōu)質InSb單晶制備單元光電探測器已達到背景限。紅外光電技術的發(fā)展使其經歷了從單元向多元、從多元線列向紅外焦平面陣列

IRFPA發(fā)展的過程。

InSb薄膜有同質外延與異質外延之分，前者已經有人用磁控濺射法和MBE法進行了生長。二、InSb光電材料特性

GaN基III-V族氮化物寬帶隙半導體通常是GaN、AlN和InN等材料。禁帶寬度一般在2eV以上。其結構上具有多型性，上面三種通常都表現(xiàn)為纖鋅礦2H型結構，也可以形成亞穩(wěn)態(tài)的3C結構。氮化物材料的外延生長主要是基于金屬有機物氣相外延和MBE方法。

GaN是直接帶隙材料，在禁帶寬度以上材料的光吸收系數(shù)增加很快，因此表面效應影響較大，設計和制造時要注意。

III-V族氮化物用于紫外光電探測器的另一個特點是：此材料可以用外延生長方法形成三元合金體系，并改變三族元素的組分比例。三、GaN光電薄膜特性及其在紫外探測中的應用

1.III-V族氮化物材料的特性

為了獲得高質量的薄膜，需要有一種理想的襯底材料，它應該與GaN有著完美的晶格匹配和熱匹配。SiC、MgO和ZnO等是與氮化物匹配性較好的材料。藍寶石，具有六角對稱性，容易加工，雖然與GaN之間的晶格失配較大，但適當?shù)木彌_層的藍寶石襯底可以有效地改善薄膜質量。緩沖層有GaN和AlN兩種，外延生長用AlN作為緩沖層可以提高薄膜質量。采用低溫GaN緩沖層生長GaN薄膜同樣可以提高質量。2.III-V族氮化物襯底材料的選擇

對于半導體材料而言，Si材料及相關工藝技術已經極其成熟，GaA