演示文稿寬帶隙半導(dǎo)體材料

演示文稿寬帶隙半導(dǎo)體材料當(dāng)前第1頁\共有59頁\編于星期二\10點（優(yōu)選）寬帶隙半導(dǎo)體材料當(dāng)前第2頁\共有59頁\編于星期二\10點寬帶隙半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢半導(dǎo)體材料的帶隙寬度(Bandgap)是半導(dǎo)體材料自身固有的基本屬性，半導(dǎo)體材料的帶隙寬度決定了其制成器件的工作溫度區(qū)域和工作光學(xué)窗口。第一、二代半導(dǎo)體像Ge、Si、GaAs、InP這些對信息技術(shù)發(fā)展起了關(guān)鍵推動作用的半導(dǎo)體材料的帶隙都小于2eV，相應(yīng)的工作溫區(qū)不超過250度，工作光學(xué)窗口在近紅外以內(nèi)。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，發(fā)展高功率、高頻、高溫電子器件以及短波長光電器件已經(jīng)成為迫切需求，研究發(fā)展寬帶隙半導(dǎo)體，以突破現(xiàn)有半導(dǎo)體器件的工作高溫限制和短波限制。3當(dāng)前第3頁\共有59頁\編于星期二\10點什么是寬帶隙半導(dǎo)體？從學(xué)術(shù)角度難以對其帶隙寬度范圍給予界定，通常是相對于目前主流半導(dǎo)體材料以及半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用發(fā)展前景來界定寬帶隙半導(dǎo)體材料的帶隙界限。早先人們把帶隙寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料稱作“寬帶隙半導(dǎo)體”，近來人們又把寬帶隙半導(dǎo)體定義為超過2.5eV的半導(dǎo)體材料。4當(dāng)前第4頁\共有59頁\編于星期二\10點最受重視的寬帶隙半導(dǎo)體III族氮化物，包括GaN，InN，AlN，以及三元合金AlGaN,InGaN，四元合金InGaAlN，都是直接帶隙半導(dǎo)體材料。IV-IV族氮化物，包括SiC(2.4~3.1eV)和金剛石薄膜(5.5eV)，都是間接帶隙半導(dǎo)體材料。ZnO基氧化物，主要是ZnO(3.3~4.0eV)及其三元合金ZnMgO,ZnCdO,是直接帶隙半導(dǎo)體材料。II-V族化合物，Zn基化合物，如ZnSe(2.67eV),ZnTe,ZnS(2.67eV)以及其三元、四元合金ZnMgSSe,是直接帶隙半導(dǎo)體材料。5當(dāng)前第5頁\共有59頁\編于星期二\10點制備藍(lán)光LED的寬帶隙半導(dǎo)體6當(dāng)前第6頁\共有59頁\編于星期二\10點III族氮化物研究發(fā)展早期對GaN研究重要貢獻的學(xué)者：IsamuAKASAKIHiroshiAMANOShujiNakamura7當(dāng)前第7頁\共有59頁\編于星期二\10點氮化物研究的幾個重大突破1986年，日本的科學(xué)家Amano和Akasasi利用MOCVD技術(shù)在AlN緩沖層上生長得到高質(zhì)量的GaN薄膜。隨后他們利用低能電子束輻照(LEEBI)技術(shù)得到了Mg摻雜的p型GaN樣品，視為GaN研究發(fā)展的另一重大突破。1989年，他們研制出第一個p-n結(jié)構(gòu)的LED。8當(dāng)前第8頁\共有59頁\編于星期二\10點同一時期，日本日亞(Nichia)公司的中村修二(Nakamura)等人利用低溫GaN緩沖層同樣在藍(lán)寶石襯底上得到高質(zhì)量的GaN薄膜，并采用氮氣(N2)或真空氣氛下退火得到p型GaN。中村等人在隨后短短三年多時間內(nèi)在GaN基發(fā)光器件方面實現(xiàn)了三大跨越：1994年第一支GaN基高亮度藍(lán)光LED，1995年第一支GaN基藍(lán)光LD，1998年連續(xù)工作藍(lán)光LD的壽命達到6000小時。日亞公司也在這個時期實現(xiàn)了GaN基藍(lán)綠光LED和LD的商品化。由于中村在藍(lán)光LED領(lǐng)域的出色工作，他被稱為“藍(lán)光之父”。9當(dāng)前第9頁\共有59頁\編于星期二\10點部分化合物半導(dǎo)體的帶隙寬度10當(dāng)前第10頁\共有59頁\編于星期二\10點氮化物三元合金的X射線衍射譜11當(dāng)前第11頁\共有59頁\編于星期二\10點寬帶隙半導(dǎo)體材料的特點壓電性與極化效應(yīng)高熱導(dǎo)率小介電常數(shù)極高臨界擊穿電場耐高溫、抗輻射大激子束縛能巨大能帶偏移12當(dāng)前第12頁\共有59頁\編于星期二\10點寬帶隙半導(dǎo)體材料的技術(shù)應(yīng)用短波長發(fā)光器件

短波長發(fā)光二極管LED

短波長激光器LD高溫、高功率、高頻電子器件(HEMT)

III族氮化物電子器件SiC電子器件

金剛石半導(dǎo)體電子器件探測器

紫外探測器、太陽盲紫外探測器、粒子探測器13當(dāng)前第13頁\共有59頁\編于星期二\10點面臨的幾個科學(xué)技術(shù)問題從總體上來說，寬帶隙半導(dǎo)體材料要達到第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)的水平，還必須解決包括體材料、外延生長、摻雜和器件工藝的一系列基本科學(xué)問題，主要包括：缺乏實用性的體單晶材料晶體質(zhì)量較差，缺陷密度高化學(xué)比的偏離與摻雜的不對稱性14當(dāng)前第14頁\共有59頁\編于星期二\10點III族氮化物的晶體結(jié)構(gòu)III族氮化物有三種通常的晶體結(jié)構(gòu)：纖鋅礦結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)，巖鹽結(jié)構(gòu)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)是III族氮化物的熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。密排原子面的堆垛順序不同：纖鋅礦結(jié)構(gòu)沿著(0001)的堆垛順序為ABABAB；閃鋅礦結(jié)構(gòu)沿著(111)的堆垛為ABCABC。15當(dāng)前第15頁\共有59頁\編于星期二\10點SiC和ZnO的晶體結(jié)構(gòu)ZnO晶體結(jié)構(gòu)與GaN晶體結(jié)構(gòu)類似，同樣存在纖鋅礦結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)，目前研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。SiC晶體的特征是存在多達200多種的同質(zhì)異構(gòu)體，區(qū)別僅在于Si-C雙原子層的堆垛次序不同。常見的結(jié)構(gòu)有3C、4H、6H-SiC。16當(dāng)前第16頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN的極性(polarity)17當(dāng)前第17頁\共有59頁\編于星期二\10點自發(fā)極化和壓電極化18當(dāng)前第18頁\共有59頁\編于星期二\10點纖鋅礦GaN中自發(fā)極化的來源19當(dāng)前第19頁\共有59頁\編于星期二\10點極化誘導(dǎo)界面電荷積累20當(dāng)前第20頁\共有59頁\編于星期二\10點AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣21當(dāng)前第21頁\共有59頁\編于星期二\10點外延GaN的襯底材料222當(dāng)前第22頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN異質(zhì)外延生長23當(dāng)前第23頁\共有59頁\編于星期二\10點III族氮化物與藍(lán)寶石襯底的失配24當(dāng)前第24頁\共有59頁\編于星期二\10點異質(zhì)外延GaN層的臨界厚度25當(dāng)前第25頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN外延技術(shù)：MOCVD和MBE26Compact21當(dāng)前第26頁\共有59頁\編于星期二\10點陰極熒光譜(CL)用于缺陷表征27當(dāng)前第27頁\共有59頁\編于星期二\10點橫向外延GaN—降低位錯密度28當(dāng)前第28頁\共有59頁\編于星期二\10點ELO-GaN制備長壽命激光器29當(dāng)前第29頁\共有59頁\編于星期二\10點HVPE用于GaN厚膜外延30當(dāng)前第30頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN體材料在高亮LED應(yīng)用中優(yōu)勢31當(dāng)前第31頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN的電學(xué)性質(zhì)32當(dāng)前第32頁\共有59頁\編于星期二\10點III族氮化物的N型摻雜33當(dāng)前第33頁\共有59頁\編于星期二\10點III族氮化物的P型摻雜34當(dāng)前第34頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN在高電場下的輸運性質(zhì)35當(dāng)前第35頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN是制備微波功率器件的理想材料36當(dāng)前第36頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN的光學(xué)性質(zhì)37當(dāng)前第37頁\共有59頁\編于星期二\10點時間分辨PL譜表征GaN質(zhì)量38當(dāng)前第38頁\共有59頁\編于星期二\10點GaN基LED結(jié)構(gòu)39當(dāng)前第39頁\共有59頁\編于星期二\10點40當(dāng)前第40頁\共有59頁\編于星期二\10點III族氮化物紫外探測器41當(dāng)前第41頁\共有59頁\編于星期二\10點AlGaN光導(dǎo)型探測器42當(dāng)前第42頁\共有59頁\編于星期二\10點氮化物PIN型探測器43當(dāng)前第43頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO基寬帶隙半導(dǎo)體材料1997年ZnO室溫受激發(fā)射現(xiàn)象的報道引發(fā)了ZnO基短波長激子型光電器件應(yīng)用的研究熱潮；2001年藍(lán)寶石基ZnO自組裝納米線陣列紫外受激發(fā)射的實現(xiàn)，引起了人們對ZnO納米材料與器件研究的極大興趣；2005年MBE制備的ZnO基p-i-n同質(zhì)結(jié)LED和MOCVD制備的ZnO基p-n同質(zhì)結(jié)LED的初步實現(xiàn)，讓人們看到了ZnO固體照明和激光工程應(yīng)用的曙光。44ZnO作為寬帶隙半導(dǎo)體、是繼GaN之后近年才引人注目的又一新型寬帶隙半導(dǎo)體材料,也被列入第三代半導(dǎo)體的行列。當(dāng)前第44頁\共有59頁\編于星期二\10點目前ZnO半導(dǎo)體研究熱點

初步進展:通過N單摻或共摻方法可獲得空穴濃度達1019cm-3；P、As和Sb的摻雜可獲得1018cm-3的空穴濃度；初步實現(xiàn)ZnO同質(zhì)LED。諸多挑戰(zhàn):p型ZnO重復(fù)性和穩(wěn)定性較差，空穴遷移率較低;同質(zhì)ZnOLED電致發(fā)光效率很低；制備技術(shù)主要為MBE、PLD和磁控濺射等方法，不宜制備大面積均勻薄膜45ZnOp型摻雜當(dāng)前第45頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO合金及能帶工程

46MgZnO合金纖鋅礦結(jié)構(gòu)Mg49%能帶調(diào)節(jié)4.6eV-3.3eVZnMgO/ZnO量子阱2DEGCdZnO合金Cd70%能帶調(diào)節(jié)3.3eV-1.85eVZnO/ZnCdO/ZnO單量子阱(MOCVD)BeZnO合金B(yǎng)eO直接帶隙(10.6eV)Be68%能帶調(diào)節(jié)ZnOSe/ZnOS

能隙彎曲因子大

和Si晶格匹配的ZnOSSe帶隙覆蓋紅外至紫外波段當(dāng)前第46頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO基納米結(jié)構(gòu)2001年藍(lán)寶石襯底上實現(xiàn)ZnO自組裝納米線陣列紫外受激發(fā)射的實現(xiàn)，引起了人們對ZnO納米材料與器件研究的極大興趣。47當(dāng)前第47頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO的能帶結(jié)構(gòu)48當(dāng)前第48頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO的PL光譜49當(dāng)前第49頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO的制備技術(shù)50當(dāng)前第50頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO的器件應(yīng)用51當(dāng)前第51頁\共有59頁\編于星期二\10點ZnO基PIN發(fā)光二極管LED52當(dāng)前第52頁\共有59頁\編于星期二\10點SiC單晶的能帶結(jié)構(gòu)53間接帶隙，Eg=2.4~3.1eV與多形體結(jié)構(gòu)有關(guān)當(dāng)前第53頁\共有59頁\編于星期二\10點SiC晶體制備—升華法1995年，飛利浦實驗室的Lely提出用升華法制備SiC單晶，隨后通過改進Lely法，稱為籽晶升華法或物理氣相傳輸法(P