L9-硅鍺和硅基光電材料

§9硅、鍺和硅基光電材料

9.1硅和鍺元素半導(dǎo)體9.2硅鍺合金9.3相二硅化鐵9.4碳化硅2/4/20231硅和鍺元素半導(dǎo)體2.硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)3.硅和鍺的雜質(zhì)和缺陷I.雜質(zhì)能級(jí)II.晶體缺陷4.硅、鍺的電輸運(yùn)性質(zhì)I.熱平衡載流子濃度II.載流子遷移率§9硅、鍺和硅基光電材料

9.1硅和鍺元素半導(dǎo)體1.硅和鍺的基本參數(shù)2/4/20232§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵2/4/202332/4/202342/4/202352/4/202362/4/202372/4/202382/4/202392/4/2023102/4/2023112/4/2023122/4/2023132/4/2023142/4/2023152/4/202316硅鍺合金§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金

SiGe合金是近年來興起的新型半導(dǎo)體材料，它有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)和重要的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值，并與硅的微電子技術(shù)兼容，被認(rèn)為是第二代硅材料。它使硅材料進(jìn)入到人工設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)材料的時(shí)代，使硅器件進(jìn)入到異質(zhì)結(jié)構(gòu)、能帶工程時(shí)代，其工作領(lǐng)域已擴(kuò)展到毫米波、超快速領(lǐng)域，光學(xué)探測(cè)已進(jìn)入到1.3-1.55μm遠(yuǎn)紅外波段。2/4/202317§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金Ge的晶格常數(shù)a=0.5658nmSi的晶格常數(shù)a=0.5431nmGe與Si能夠以任意比例互溶生長，所以在室溫且Ge摩爾分?jǐn)?shù)x不是很高的情況下，體SiGe合金的晶格常數(shù)隨組分比x呈線性變化。Ge與Si的晶格失配率4.2%，Si1-xGex合金與Si之間的晶格失配率可以通過合金組分x來人為調(diào)節(jié)，從而得到人們所期望的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。2/4/202318§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金SiGe合金的帶隙寬度和晶格常數(shù)可以根據(jù)組分含量的不同線性調(diào)節(jié)SiGe的工藝可以和現(xiàn)有的Si材料工藝兼容超晶格技術(shù)使SiGe材料具有了許多特殊的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景2/4/202319§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金GecontentdependenceofenergybandgapofstrainedSiGegrownonSisubstrates.HHandLHrepresentbandgapsforheavyandlightholebands.ThatofunstrainedSiGeisalsoshownasreference.2/4/202320§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金B(yǎng)andmodificationoftensilelystrainedSiandcompressivelystrainedSiGe.SOrepresentsthespin-orbitsplittingband(afterHinckleyandSingh).2/4/202321§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金ValencebandsofbulkSiandcompressivelystrainedSi0.6Ge0.4.

2/4/202322§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金B(yǎng)andalignmentofSi/Gehetero-structuresundervariousstrains:(a)compressivelystrainedSiGeonSisubstrate(type-I)and(b)tensilelystrainedSiandcompressivelystrainedGeonunstrainedSiGe(type-II).2/4/202323§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金應(yīng)變SiGe薄膜的應(yīng)用

在SiGe合金中,電子遷移率幾乎是純Si的兩倍(Ge中電子遷移率是3900cm2/V·s，Si中電子遷移率是1500cm2/V·s，Ge中空穴遷移率是1900cm2/V·s，Si中空穴遷移率是475cm2/V·s)。而且由于應(yīng)力引起能帶結(jié)構(gòu)的變化，使應(yīng)變SiGe薄膜中電子和空穴載流子遷移率增大。2/4/202324§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金SiGe/SiHBT：電流增益顯著提高；基區(qū)摻雜濃度可以做得很高；工作頻率得到很大提高(截至頻率最高達(dá)到375GHz)。用于WLAN、藍(lán)牙、移動(dòng)終端設(shè)備、衛(wèi)星廣播、光纖通信、雷達(dá)等。SiGeMODFET和CMOSFET：張應(yīng)變的Si中的電子和壓應(yīng)變SiGe中的空穴的遷移率比無應(yīng)變Si層中的電子和空穴遷移率提高3～5倍，用于高速設(shè)備。2/4/202325§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金Si-Ge在光電轉(zhuǎn)換、熱電轉(zhuǎn)換、紅外器件等領(lǐng)域，具有極優(yōu)良的特點(diǎn)。SiGe在半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域特別是光電集成領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用潛力。2/4/202326§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金2/4/202327§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法主要有MBE和CVD。SiGe應(yīng)變層材料的生長技術(shù)主要是分子束外延(MBE)和化學(xué)氣相淀積(CVD)。

MBE技術(shù)不適合工業(yè)化大生產(chǎn)，工業(yè)界采用的SiGe層外延設(shè)備主要有UHVCVD(Ultrahighvacuumchemicalvapordeposition)，RPCVD(Reduced-pressurechemicalvapordeposition)，APCVD(Atmospheric-pressurechemicalvapordeposition)，VLPCVD(Verylowpressurechemicalvapordeposition)以及PHOTOCVD2/4/202328§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金ThegrowthrateRSiGeofGSMBESi1-xGex(001)layerswithx=0,0.07,and0.18asafunctionoftemperatureTs.Thesolidlinesarecalculated2/4/202329§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金

用兩種禁帶寬度不同的材料A和B構(gòu)成兩個(gè)距離很近的背靠背異質(zhì)結(jié)B/A/B…，若材料A是窄帶半導(dǎo)體，且其導(dǎo)帶底低于材料B的導(dǎo)帶底，當(dāng)其厚度小于電子平均自由程時(shí)，電子被約束在材料A中，形成以材料B為電子勢(shì)壘、材料A為電子勢(shì)阱的量子阱。

量子阱2/4/202330§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金多量子阱如果以各自不變的厚度將上述A、B兩種薄層材料周期性的疊加在一起，即連續(xù)地重復(fù)生長多個(gè)阱，形成B/A/B/A…結(jié)構(gòu)，且A層的厚度dA遠(yuǎn)小于B層厚度dB，則該結(jié)構(gòu)稱為多量子阱。在多量子阱結(jié)構(gòu)中，必須保證勢(shì)壘的厚度dB必須足夠大，以保證一個(gè)勢(shì)阱中的電子不能穿透勢(shì)壘層進(jìn)入另一個(gè)勢(shì)阱。2/4/202331§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金什么是超晶格?

江崎等在1970年第一次提出超晶格的概念。超晶格材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的薄膜相互交替生長而形成的多層結(jié)構(gòu)的晶體。在這種超晶格材料中，人們可以任意改變薄膜的厚度，控制它的周期長度。一般來說，它的周期長度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長，因而取得“超晶格”的名稱。2/4/202332§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金半導(dǎo)體的超晶格結(jié)構(gòu)與多量子阱結(jié)構(gòu)有些相似，也是由A、B兩種材料以各自不變的厚度周期性的疊加在一起而形成的。不同的是超晶格結(jié)構(gòu)中相鄰勢(shì)壘層較薄。2/4/202333§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金組分超晶格：超晶格材料中的一個(gè)重復(fù)單元是由不同材料的薄膜所構(gòu)成摻雜超晶格：同一半導(dǎo)體材料中，用交替改變摻雜類型的方法構(gòu)成的半導(dǎo)體超晶格2/4/202334§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金按照組成材料的晶格匹配程度，可分為晶格匹配量子阱與超晶格和應(yīng)變量子阱和應(yīng)變超晶格。按照組成材料的成分，可分為固定組分的量子阱與超晶格、組分漸變量子阱與超晶格以及調(diào)制摻雜的組分的量子阱與超晶格。半導(dǎo)體超晶格、量子阱的分類2/4/202335§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金

半導(dǎo)體超晶格、量子阱的能帶結(jié)構(gòu)取決于組成材料的物理化學(xué)性能以及界面附近的晶體結(jié)構(gòu)。在異質(zhì)結(jié)物理中，一般將組成材料的晶格常數(shù)失配度小于0.5%時(shí)的搭配稱為晶格匹配，大于0.5%時(shí)則視為晶格失配。半導(dǎo)體超晶格、量子阱的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶格匹配的半導(dǎo)體超晶格和量子阱應(yīng)變量子阱和應(yīng)變超晶格2/4/202336§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金應(yīng)變超晶格

這種量子阱或超晶格是通過結(jié)構(gòu)薄層雙方或其中之一的晶格常數(shù)的有限改變來補(bǔ)償晶格失配的。它是由晶格常數(shù)差別很大的兩種超薄層材料交替組成的超晶格結(jié)構(gòu)，兩種組成材料的晶格失配度高達(dá)7%，但是只要各層的厚度不超出一定的臨界值，則層間晶格的失配可由晶格的彈性形變來調(diào)節(jié)，而不會(huì)在界面產(chǎn)生失配位錯(cuò)，Si/GeSi量子阱和超晶格是其中的典型。應(yīng)變超晶格擴(kuò)大了可選擇材料的范圍，其能帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)的光、電性能又可通過應(yīng)力，層厚和合金組分改變來調(diào)節(jié)。2/4/202337§9硅、鍺和硅基光電材料

9.2硅鍺合金2/4/202338§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵

β-FeSi2是少數(shù)半導(dǎo)體型金屬硅化物之一，20世紀(jì)50年代，β-FeSi2作為耐高溫的高熱電轉(zhuǎn)換效率材料而備受關(guān)注，具有半導(dǎo)體性質(zhì)的β-FeSi2薄膜的研究始于20世紀(jì)80年代中期。近年來人們發(fā)現(xiàn)它還是一種很有應(yīng)用前景的光電材料，并開始廣泛研究基于β-FeSi2薄膜的微電子器件。相二硅化鐵(β-FeSi2)2/4/202339§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵

β—FeSi2的晶體結(jié)構(gòu)FeSia=7.791?b=7.833?c=9.863?zxy7層Fe原子5層Si原子(1)β-FeSi2的基本性質(zhì)2/4/202340§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵

Fe—Si系平衡相圖2/4/202341§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵Si,GaAs,β-FeSi2三代半導(dǎo)體材料比較表材料β-FeSi2GaAsSi晶格結(jié)構(gòu)正交晶系閃鋅礦型金剛石型能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙直接帶隙間接帶隙禁帶寬度0.87eV1.43eV1.12eVSi襯底外延可以困難同質(zhì)光吸收率>105cm-1～104cm-1～103cm-1折射率5.63.73.5熱穩(wěn)定性～9300C～6000C14000C以上化學(xué)穩(wěn)定性高低高對(duì)環(huán)境影響小大小資源豐富缺乏豐富價(jià)格低高低2/4/202342§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵(2)β-FeSi2的物理性質(zhì)

作為熱電材料，β-FeSi2具有在200℃～900℃溫度范圍內(nèi)的高溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換功能，其還有抗氧化、無毒、來源豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。作為光電材料，β-FeSi2具有0.85eV～0.89eV的直接帶隙，對(duì)于紅外波長有很高的吸收率，理論的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)16％～23％，僅次于晶體硅，尤其是β-FeSi2所對(duì)應(yīng)的特征區(qū)正是硅的全透明區(qū)，它也是光纖通信中的最重要波段，有利于同新型光電器件和光纖的結(jié)合。2/4/202343§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵

β-FeSi2薄膜光吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系2/4/202344§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵(3)β-FeSi2的摻雜一般未摻雜的β-FeSi2是p型半導(dǎo)體，而摻雜可以使載流子的濃度增大，降低材料的電阻率。用元素周期表中Fe右邊的元素如Co、Ni、Pt等取代部分Fe原子，可制成n型半導(dǎo)體，F(xiàn)e左邊的元素如Mn、Cr、V、Ti等取代部分Fe原子，可制成p型半導(dǎo)體，用Ⅲ主族的元素取代Si也可以制成p型材料。2/4/202345§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵

1.直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)2.自然資源豐富3.環(huán)境友好材料4.禁帶寬度與光線通信低損耗窗口對(duì)應(yīng)5.可以在Si襯底上外延生長，能利用Si器件的成熟工藝6.光吸収係數(shù)大，塞貝克系數(shù)大

7.用途：發(fā)光器件，光探測(cè)器，太陽能電池，熱電轉(zhuǎn)換器件等為何要研究β-FeSi2？2/4/202346§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵0.000000010.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.11HLiBNFNaAlPClKScVMnCoCuGaAsBrRbYNbTcRhAgInSbICsLaPrHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiiCaFeKTiMnPSClArScVCrGeCoNiCuZnSrAsBrSeRbYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaCePrNdKr

地殼中的元素存在比存在比（對(duì)數(shù)）元素Ga2/4/202347§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵SchematicoftheLEDstructureD.Leong,M.Harry,K.J.Reeson&K.P.HomewoodNATURE,VOL387,12JUNE1997,p686ByIBS2/4/202348§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵Spectrumofelectroluminescenceintensityagainstwavelength,measuredat80K.Theforwardcurrentthroughthedevicewas15mA.D.Leong,M.Harry,K.J.Reeson&K.P.HomewoodNATURE,VOL387,12JUNE1997,p6862/4/202349§9硅、鍺和硅基光電材料

9.3相二硅化鐵EL

spectrameasuredat

roomtemperature

underseveralforwardbiascurrents.T.Suemasu,Jpn.J.Appl.Phys.,39,L1013(2000)byMBE2/4/202350§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅SiC抗輻射、低散射，熱導(dǎo)率較高密度較低，強(qiáng)度、硬度較高具有較寬的禁帶和較高的電子飽和漂移速度環(huán)境友好，地球儲(chǔ)藏量大熱膨脹系數(shù)低抗熱震和抗氧化性能非常好作為極端電子學(xué)材料的SiC器件廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光學(xué)、信息儲(chǔ)存等領(lǐng)域。碳化硅(SiC)2/4/202351§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅

SiC具有250種同型異構(gòu)體，每種同型異構(gòu)體的C/Si雙原子層的堆垛次序不同。最常見的同型異構(gòu)體為立方密排的3C-SiC和六方密排的4H、6H-SiC，其中數(shù)字代表堆垛周期中的雙原子層數(shù)。立方結(jié)構(gòu)SiC通常稱β-SiC，六方結(jié)構(gòu)SiC通稱為α-SiC。2/4/202352§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅其中，β-SiC是唯一具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體，其電子遷移率是SiC中最高的，其熱導(dǎo)率和高臨界擊穿電場(chǎng)可以提高器件的集成度，因此，β-SiC是高溫、大功率和高速器件中的首選材料。2/4/202353§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅晶型βα3C6H4H15R原子排列ABCABCACBABCBABCACBC晶格常數(shù)(?)a=4.3596a=3.0807c=15.1174a=3.076c=10.048a=3.037c=37.30禁帶寬度(eV)

300K6K2.202.4022.863.0903.2803.020電子遷移率300K(cm2/V?s)>1000460700500折射率(hν~2eV)2.642.65介電常數(shù)ε∞

ε06.529.726.529.662/4/202354§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅幾種半導(dǎo)體材料有關(guān)參數(shù)比較SiGaAs3C-SiC6H-SiC4H-SiC金剛石GaN禁帶寬度(eV)300K1.111.432.393.023.265.63.3最高工作溫度(K)60076012001580172028001930熔點(diǎn)(C)14201240>2100升華33001800擊穿場(chǎng)強(qiáng)(106/cm)0.250.262.122.22.5107.5熱導(dǎo)率(W/cm)1.50.4554.94.9201.3飽和電子漂移速度(107cm/s)122.5222.72.0介電常數(shù)11.912.89.89.89.85.79.52/4/202355§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅特性應(yīng)用寬帶隙●異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中高的注入功率●LED中發(fā)射高能量光（藍(lán)光）●高溫工作的電子器件，飛機(jī)中的機(jī)電致動(dòng)器，深層鉆井的傳感器?！窦す舛O管和HEMT中的載流子限制高擊穿電場(chǎng)●高壓大功率開關(guān)二極管、晶體管可控Si、電涌抑制器●空間應(yīng)用的大功率MOSEFET高的熱導(dǎo)率●良好熱好散的大功率器件●高的器件集成度●作為Si/C襯底材料提供高的熱耗散高的飽和電子●雷達(dá)應(yīng)用的微波功率晶體管●快速開關(guān)二極管●超精度微細(xì)加工2/4/202356§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅化學(xué)氣相沉積法(CVD)濺射法(spurting)液相外延法(LPE)分子束外延(MBE)法激光剝離法(laserablation)升華法(sublimationepitaxy)2/4/202357§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅1.廉價(jià)的襯底：采用的襯底大致分為透明導(dǎo)電襯底和不透明導(dǎo)電襯底兩大類。薄膜制備方法的發(fā)展方向2.低溫襯底生長：在較低溫的襯底上實(shí)現(xiàn)SiC的低溫生長，提高SiC薄膜器件的生長質(zhì)量成為當(dāng)前該領(lǐng)域人們極為關(guān)注的方向。2/4/202358§9硅、鍺和硅基光電材料

9.4碳化硅HFCVD法制備SiC薄膜HFCVD沉積SiC薄膜的模型

HFCVD設(shè)備裝置簡圖HFCVD法：利用熱鎢絲的高溫對(duì)氣源進(jìn)