化合物半導體材料

化合物半導體材料第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日1考試題請畫出Si(100)、(110)、(111)面原子排列圖，并計算原子面密度。第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2化合物半導體材料4.2II－VI族化合物半導體材料4.1III－V族化合物半導體材料第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日34.1常見的III-V化合物半導體化合物晶體結(jié)構(gòu)帶隙（eV）ni（cm-3）μn（cm2/Vs）μp（cm2/Vs）GaAs閃鋅礦1.421.3×1068500320GaP閃鋅礦2.27150120GaN纖鋅礦3.490010InAs閃鋅礦0.358.1×10143300450InP閃鋅礦1.356.9×1075400150InN纖鋅礦0.74400AlN纖鋅礦6.2430014第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日4III-V族化合物半導體性質(zhì)（1）帶隙較大－－帶隙大于1.1eV（2）直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)－－光電轉(zhuǎn)換效率高（3）電子遷移率高－－高頻、高速器件

（4）帶隙隨溫度變化III-V族化合物半導體性質(zhì)第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日5帶隙和溫度的關系計算：GaAs300K和400K下的帶隙?查表α=5.405*10-4eV/K

，β=204，Eg(0)=1.519eV.第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日6晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日7化學鍵共價鍵－－沒有極性離子鍵－－有極性兩者電負性相差越大，離子鍵成分越大，極性越強。組成元素的原子序數(shù)之和越大，材料熔點越低，帶隙越小III-V族化合物的化學鍵：共價鍵和離子鍵共存第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日8III-V族化合物半導體4.1.1GaAs4.1.2InP4.1.3GaN第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日94.1.1GaAS晶體結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)雜質(zhì)和缺陷物理性質(zhì)化學性質(zhì)電學性質(zhì)光學性質(zhì)第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日10GaAs晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)，由Ga原子組成的面心立方結(jié)構(gòu)和由As原子組成的面心立方結(jié)構(gòu)沿對角線方向移動1/4間距套構(gòu)而成。第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日11[111]為極化軸，(111)面是Ga面，(111)面是As面，兩個面的物理化學性質(zhì)大不相同。第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日12極性的影響（1）解理面－－原子面密度最高、面間距最大不是{111}而是{110}；Si(111)是自然解理面（2）腐蝕速度－－B面（V族）易腐蝕

V族原子面由于負電性大，化學活性強（3）外延層質(zhì)量－－B面質(zhì)量好

V族原子面由于負電性大，價鍵畸變?。?）晶片加工－－不對稱性損傷層厚度，表面完整性等方面存在不對稱性第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日13GaAs能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)雙能谷轉(zhuǎn)移電子效應雙重簡并帶隙為1.42eV1.42eV0.31eV0.48eV0.34eV第二自旋軌道第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日14GaAs單晶中的雜質(zhì)GaAs晶體純度比Si低，含有多種雜質(zhì)。雜質(zhì)對GaAs性能的影響取決于其性質(zhì)和在晶體中的位置。B、Al、In等III族元素取代Ga，P、Sb等V族元素取代As，不影響電學性能。若過量會產(chǎn)生沉淀形成位錯，惡化器件性能。S、Se、Te等VI族元素通常取代As，淺施主。Zn、Be、Mg、Cd、Hg等II族元素，通常取代Ga，淺受主。C、Si、Ge、Sn、Pb等IV族元素，可取代Ga、As或同時取代，兩性雜質(zhì)。Cu、Au、Fe、Cr等過渡金屬雜質(zhì)，深能級。第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日15第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日16GaAs單晶中的缺陷點缺陷：空位、間隙、反位，及復合缺陷。位錯：非輻射復合中心，降低少子壽命。位錯密度104-105cm-2.基本性質(zhì)決定難以生長無位錯單晶。來源：籽晶位錯、晶體生長中的熱應力、晶體加工過程的機械應力等。缺陷的H鈍化：鈍化位錯和雜質(zhì)的懸掛鍵。在250-400oC的H等離子體氣氛中進行，但鈍化過程中容易引起表面損傷和粗糙，甚至導致As的外擴散，形成As的表面損耗層，也會使材料性能降低。第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日17GaAs物理性質(zhì)GaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤晶格參數(shù)與化學計量比有關第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日18GaAs化學性質(zhì)GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應，易溶于王水室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定加熱到6000C開始氧化，加熱到800oC以上開始離解化學性質(zhì)第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日19GaAs電學性質(zhì)電子的速度有效質(zhì)量越低，電子速度越快GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3用GaAs制備的晶體管開關速度比硅的快3-4倍高頻器件，軍事上應用第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日20本征載流子濃度電阻率？第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日21第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日22第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日23GaAs光學性質(zhì)直接帶隙結(jié)構(gòu)折射率與溫度、波長有關：

nT、λ發(fā)光效率比其它半導體材料要高得多，可以制備發(fā)光二極管，光電器件和半導體激光器等第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日24GaAs優(yōu)缺點第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日25第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日26GaAs的應用第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日27第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日28第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日294.1.2InP1910年，蒂爾合成出InP，是最早制備出來的III-V族化合物；InP單晶體呈暗灰色，有金屬光澤室溫下與空氣中穩(wěn)定，360oC下開始離解溶于王水、溴甲醇、室溫可與鹽酸反應，與堿反應非常緩慢。第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日30InP特性高電場下，電子峰值漂移速度高于GaAs中的電子，是制備超高速、超高頻器件的良好材料；InP作為轉(zhuǎn)移電子效應器件材料，某些性能優(yōu)于GaAsInP的直接躍遷帶隙為1.35eV，正好對應于光纖通信中傳輸損耗最小的波段；InP的熱導率比GaAs好，散熱效能好InP是重要的襯底材料：制備半絕緣體單晶第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日314.1.3GaN1928年被合成?；瘜W性質(zhì)穩(wěn)定。穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，鍵能大，熔點較高，晶格常數(shù)較小GaN禁帶寬度為3.4eV非摻雜是n型半導體；Mg摻雜是p型半導體第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日32GaN性質(zhì)高頻特性，可以達到300GHz高溫特性，在300℃正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境）電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）高壓特性（耐沖擊，可靠性高）大功率（對通訊設備是非?？释模┑谌?，共四十九頁，2022年，8月28日33發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管Light-EmittingDiode是由數(shù)層很薄的摻雜半導體材料制成。當通過正向電流時，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的空間電荷區(qū)與p區(qū)的空穴復合以光的形式釋放出能量。第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日34LED應用半導體白光照明車內(nèi)照明交通信號燈裝飾燈大屏幕全彩色顯示系統(tǒng)太陽能照明系統(tǒng)其他照明領域紫外、藍光激光器高容量藍光DVD、激光打印和顯示、軍事領域等第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日35LED照明的優(yōu)點發(fā)光效率高，節(jié)省能源低電壓、小電流耗電量為同等亮度白熾燈的10%-20%，熒光燈的1/2。綠色環(huán)保冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，產(chǎn)生廢物少壽命長，可達10萬小時固體光源、體積小、重量輕、方向性好單個單元尺寸只有3-5mm響應速度快，并可以耐各種惡劣條件第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日36半導體照明是21世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一地區(qū)＼條件·效益條件能源節(jié)約降低二氧化碳排放美國5％白熾燈及55％日光燈被白光LED取代每年節(jié)省350億美元電費。每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100％白熾燈被白光LED取代可少建1-2座核電廠。每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。臺灣25％白熾燈及100％日光燈被白光LED取代節(jié)省110億度電，約合1座核電廠發(fā)電量。第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日37美國半導體照明計劃從2000年起國家投資5億美元到2010年55%的白熾燈和熒光燈被半導體燈取代每年節(jié)電達350億美元2015年形成每年500億美元的半導體照明產(chǎn)業(yè)市場日本21世紀照明計劃投入資金50億日元到2007年30%的白熾燈被置換為半導體照明燈第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日38高亮度白光LED的實現(xiàn)基于藍光LED，通過黃色熒光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日39Ge：Eg＝0.67eV紅光GaP：Eg＝2.25eV綠光GaN：Eg＝3.4eV紫光c第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日40日亞公司1994年首創(chuàng)用MOCVD制備了GaNLED中村修二，藍色LED第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日41市場分布分析2003年全球GaN基LED芯片產(chǎn)量按全球LED市場劃分，目前市場主要集中在日本、美國、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)，僅日本、美國市場就占到全球的60％以上。按應用領域劃分，目前，高亮度LED主要用途及市場有顯示器背光源（如手機、PDA）、標志（如戶外顯示）、景觀照明、汽車、電子設備、交通信號燈及照明等。

第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日42氮化鎵與其它半導體材料的比較特性半導體材料硅Si砷化鎵GaAs磷化銦InP碳化硅SiC氮化鎵GaN帶隙（eV）1.11.421.352.33.44300K電子遷移（cm2/Vs）1500850054007001000~2000電子飽和速度（107cm/s）1.01.31.02.01.3擊穿場強（MV/cm）0.30.40.53.03.0熱導率（W/cm*K）1.50.50.74.5>1.5介電常數(shù)ε11.812.812.510.09.0第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日43GaN的應用1.實現(xiàn)半導體照明。新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度發(fā)光二極管的研制是實現(xiàn)半導體照明的核心技術和基礎。2.提高光存儲密度.DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導體激光器的波長平方成反比，如果DVD使用GaN基短波長半導體激光器，則其光存儲密度將比當前使用GaAs基半導體激光器的同類產(chǎn)品提高4－5倍，因此，寬禁帶半導體技術還將成為光存儲和處理的主流技術。3.改善軍事系統(tǒng)與裝備性能。高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等軍事領域急需的電子器件，如果目前使用的微波功率管輸出功率密度提高一個數(shù)量級，微波器件的工作溫度將提高到300℃，不僅將大大提高雷達（尤其是相控陣雷達）、通信、電子對抗以及智能武器等軍事系統(tǒng)與裝備的性能，而且將解決航天與航空用電子裝備以及民用移動通信系統(tǒng)的一系列難題。第四十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日444.2II-VI族化合物半導體材料II-VI族化合物離子鍵成分更多，極性更強，具有更高的蒸氣壓，生長單晶更為困難。II-VI族化合物均為直接躍遷帶隙結(jié)構(gòu)，帶隙比III-V族要大；II-VI族化合物半導體均為直接躍遷，隨平均