固溶體半導(dǎo)體材料

固溶體半導(dǎo)體材料第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四5.1固溶體凡在固體條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)“溶解”了其它組分（溶質(zhì)）而形成的單一、均勻的晶態(tài)固體稱為固溶體。固溶體半導(dǎo)體材料是某些元素半導(dǎo)體或者化合物半導(dǎo)體相互溶解而形成的一種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固態(tài)溶液材料，又稱為混晶半導(dǎo)體或者合金半導(dǎo)體。第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四5.1.1固溶體的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的重要參數(shù)，如晶格常數(shù)和帶隙等隨組分變化而發(fā)生連續(xù)變化。因而可以通過對其組分的控制來調(diào)節(jié)材料的基本性質(zhì)采用固溶體原理來制備或開發(fā)各種新的材料，滿足科技的發(fā)展對材料性能提出的特殊性要求第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四晶格常數(shù)－－Vegard定律第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四帶隙第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四5.1.2固溶體的分類按溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在溶劑晶格中的位置來劃分按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四1）按溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在溶劑晶格中的位置①置換型固溶體②間隙型固溶體

第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四①置換型固溶體：取代型MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3Cu-Zn系和固溶體第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四②間隙型固溶體：填隙型材料陽離子進(jìn)入陰離子所形成的間隙中并不容易陰離子填隙型——

更加困難H、B、C、N等元素形成的固溶體第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四2）按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類

①連續(xù)固溶體②有限固溶體第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四①連續(xù)固溶體溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例相互固溶所生成的固溶體第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四②有限固溶體溶質(zhì)只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶劑中，低于固溶度條件下生成的固溶體是單相的，一旦溶質(zhì)超出這一限度即出現(xiàn)第二相。

第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四3）根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分端部固溶體：位于相圖的端部，其成分范圍包括純組元，亦稱初級固溶體中間固溶體：它位于相圖中間，任一組元的濃度0~100%，亦稱二次固溶體第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四4）根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分①無序固溶體：各組元質(zhì)點(diǎn)分布是隨機(jī)的、無規(guī)則的。②有序固溶體：各組元質(zhì)點(diǎn)分布分別按照各自的布拉維點(diǎn)陣進(jìn)行排列，整個(gè)固溶體就是由各組元的分點(diǎn)陣組成的復(fù)雜點(diǎn)陣，稱超點(diǎn)陣或超結(jié)構(gòu)。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四在理論的指導(dǎo)下，通過對實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)，提出了一些重要的影響因素：（1）質(zhì)點(diǎn)尺寸因素（2）晶體結(jié)構(gòu)類型（3）電價(jià)因素第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四1）質(zhì)點(diǎn)尺寸因素－－決定性因素

從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點(diǎn)來看，相互替代的質(zhì)點(diǎn)尺寸愈接近，則固溶體愈穩(wěn)定，其固溶量將愈大。第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四經(jīng)驗(yàn)證明當(dāng)

<15%時(shí)，溶質(zhì)和溶劑之間有可能形成連續(xù)固溶體；當(dāng)

=15~30%之間時(shí)，溶質(zhì)和溶劑之間可以形成有限固溶體；當(dāng)

>30%時(shí)，溶質(zhì)和溶劑之間不生成固溶體，僅在高溫下有少量固溶。

第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四2）晶體結(jié)構(gòu)類型

連續(xù)固溶體必要條件：具有相同的晶體結(jié)構(gòu)（不是充分條件）晶體結(jié)構(gòu)不同，最多只能形成有限型固溶體（滿足尺寸條件前提下）第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四3）電價(jià)因素

連續(xù)固溶體必要條件：原子價(jià)（或離子價(jià)）相同；多組元復(fù)合取代總價(jià)數(shù)相等，電中性。不是充分條件。如果價(jià)態(tài)不同，則最多只能生成有限固溶體（滿足尺寸條件前提下）第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成電負(fù)性差別大，傾向于生成化合物第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四5.2SiGe固溶體晶體結(jié)構(gòu)第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四晶格常數(shù)第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四晶格失配率第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四例子：假設(shè)有一種半導(dǎo)體材料，晶格常數(shù)a＝0.5555nm，如果以SiGe固溶體為襯底，請問SiGe的最佳組分是多少？第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四贗晶生長－－共度生長臨界厚度－－－應(yīng)力沒有釋放產(chǎn)生位錯(cuò)和形成表面起伏是釋放SiGe失配應(yīng)力的兩種方式。第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)Ge組分較低時(shí)（ｘ＜０.２），通過產(chǎn)生位錯(cuò)來釋放失配引起的應(yīng)力；當(dāng)Ge組分介于０.２～０.６之間時(shí)將會導(dǎo)致形成臺階，誘導(dǎo)生成均勻的３Ｄ島；當(dāng)Ge組分大于０.６時(shí)，遵循SK模式三維生長，利于形成表面起伏來釋放失配引起的應(yīng)力?？梢杂脕砩L高組分表面起伏的多量子阱第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四電學(xué)性質(zhì)－－禁帶寬度第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四帶隙和溫度的關(guān)系第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四本征載流子濃度第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四5.3為什么研究SiGe在微電子領(lǐng)域Si幾乎有完全取代Ge的趨勢Ge固有優(yōu)勢：載流子的遷移率比硅高載流子遷移率是決定半導(dǎo)體器件性能的一個(gè)重要參數(shù)第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四雙極型晶體管高的遷移率可以縮短載流子渡躍基區(qū)的時(shí)間，提高工作的頻率、速度和放大性能第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四場效應(yīng)晶體管高的遷移率可以增大器件的驅(qū)動能力，提高工作的頻率、速度和跨導(dǎo)。第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四載流子遷移率的影響因素載流子的遷移率主要取決于載流子的有效質(zhì)量和散射幾率的大小第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四思考如何改變有效質(zhì)量？？如何改變散射幾率？？第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四5.4SiGe固溶體的應(yīng)用新型硅基太陽能電池?zé)犭姴牧系?5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四光的基本性質(zhì)光色中心波長(nm)

中心頻率(Hz)Eg（eV）

紅6601.6

橙610

黃570

綠5402.3

青480

蘭4602.7

紫430第36頁，共38頁，2023年，2月20日，星期四新型硅基太陽能電池太陽能電池所利用的太陽光光譜,它在可見光部分的能量不到50%。要想提高電池的效率,把其光譜響應(yīng)延伸到1.1eV以下是非常重要的，因?yàn)檫@包括了太陽光90%以上的能量。SiGe構(gòu)成的薄膜合金材料通過控制Ge含量能調(diào)制材料的帶隙，0.67～1.1eV，從而可以大大擴(kuò)展對紅外譜域太陽能光譜的吸收。因此，SiGe材料在太陽電池中的應(yīng)用研究受到了重視,尤其是非晶SiGe材料在a-Si/a