第五章-寬帶隙半導(dǎo)體材料課件

第五章

寬帶隙半導(dǎo)體材料ppt課件1光電子材料與器件Optoelectronic

Materials

andDevices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(duì)信息技術(shù)發(fā)展起了關(guān)鍵推動(dòng)作用的半導(dǎo)體材料的帶隙都小于2

eV，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)。ppt課件2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。什么是寬帶隙半導(dǎo)體？從學(xué)術(shù)角度難以對(duì)其帶隙寬度范圍給予界定，通常是相對(duì)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。ppt課件3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。視的寬隙導(dǎo)體最受重

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。SiC(2.4~3.1eV)IV-IV族氮化物，包括 和金剛石薄膜(5.5eV)，都是間接帶隙半導(dǎo)體材料。帶

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。半

II-V族化合物，Zn基化合物，如ZnSe(2.67eV),4ZnTe,ZnS(2.67eV)以及其三元、四元合金

ZnMgSSe,是直接帶隙半導(dǎo)體材料。ppt課件制備藍(lán)光LED的寬帶隙5ppt課件III族氮化物研究發(fā)展早期對(duì)GaN研究重要貢獻(xiàn)的學(xué)者：Isamu

AKASAKIHiroshi

AMANOShuji

Nakamura6ppt課件氮化物研究的幾個(gè)重大突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(gè)p-n結(jié)構(gòu)的LED。7ppt課件同一時(shí)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?dú)?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(shí)間內(nèi)在GaN基發(fā)光器件方面實(shí)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(dá)到

6000小時(shí)。日亞公司也在這個(gè)時(shí)期實(shí)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”。8ppt課件部分化合物半導(dǎo)體的帶隙9ppt課件氮化物三元合金的X射線衍射譜10ppt課件寬帶隙半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)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11ppt課件寬帶隙半導(dǎo)體材料的技術(shù)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ppt課件12面臨的幾個(gè)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(dá)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(shí)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(duì)稱性ppt課件13III族氮化物的晶體結(jié)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?yàn)锳BABAB；閃鋅礦結(jié)構(gòu)沿著(111)的堆垛為ABCABC。14ppt課件SinO的晶體結(jié)C

ZnO晶體結(jié)構(gòu)與GaN晶體結(jié)構(gòu)類似，同樣存和

在纖鋅礦結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)，目前研究發(fā)Z

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(dá)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。15ppt課件GaN的極性(pola16ppt課件自發(fā)極化和壓電極化17ppt課件纖鋅礦GaN中自發(fā)極化18ppt課件極化誘導(dǎo)界面電荷積累19ppt課件AlGaN/GaN異質(zhì)20ppt課件外延GaN的襯底材料2ppt課件21GaN異質(zhì)外延生長ppt課件22III族氮化物與藍(lán)寶石23ppt課件異質(zhì)外延GaN層的臨界24ppt課件GaN外延技術(shù)：MOCCompact

2125ppt課件陰極熒光譜(CL)用于26ppt課件橫向外延GaN—降低位27ppt課件ELO-GaN制備長壽28ppt課件HVPE用于GaN厚膜29ppt課件GaN體材料在高亮LE30ppt課件GaN的電學(xué)性質(zhì)31ppt課件III族氮化物的N型摻32ppt課件IIIP族氮化物的型摻33ppt課件GaN在高電場下的輸運(yùn)34ppt課件GaN是制備微波功率器件的理想材料ppt課件35GaN的光學(xué)性質(zhì)ppt課件36時(shí)間PL分辨譜表征Ga37ppt課件GaN基LED結(jié)構(gòu)ppt課件38ppt課件39III族氮化物紫外探測40ppt課件AlGaN光導(dǎo)型探測器41ppt課件氮化物PIN型探測器42ppt課件ZnO基帶半體材寬

1997年ZnO室溫受激發(fā)射現(xiàn)象的報(bào)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；隙

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(shí)現(xiàn)，引起了人們對(duì)ZnO納米材料與器件研究的極大興趣；導(dǎo)

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(shí)現(xiàn)，讓人們看到了ZnO固體照明和激光工程應(yīng)用的曙光。ZnO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。43ppt課件目前ZnO半導(dǎo)體研究熱初步進(jìn)展

:

通過

N

單摻或共摻方法可獲得空穴濃度達(dá)1019cm-3；P、As和Sb的摻雜可獲得1018cm-3的空穴濃度；初步實(shí)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，空移率較低;

同質(zhì)ZnO LED

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ZnO

p型摻雜44ppt課件Znppt課件45工程O

MgZnO合金

纖鋅礦結(jié)構(gòu)

Mg

49%

能帶調(diào)節(jié)合

4.6eV-3.3eV

ZnMgO/ZnO量子阱

2DEG金

CdZnO合金

Cd

70%

能帶調(diào)節(jié)3.3eV-及

1.85eV

ZnO/ZnCdO/ZnO單量子阱(MOCVD)能

BeZnO合金

BeO直接帶隙(10.6eV)

Be帶

68%

能帶調(diào)節(jié)6.0eV-3.3eVZnOSe/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ZnO基納米結(jié)構(gòu)2001年

藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)ZnO自組裝納米線陣列紫外受激發(fā)射的實(shí)現(xiàn)，引起了人們對(duì)ZnO納米材料與器件研究的極大興趣。ppt課件46ZnO的能帶結(jié)構(gòu)ppt課件47ZnO的PL光譜ppt課件48ZnO的制備技術(shù)ppt課件49ZnO的器件應(yīng)用ppt課件50ZnO基PIN發(fā)光二極51ppt課件SiC單晶的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙，Eg=2.4~3.1eV與多形體結(jié)構(gòu)有關(guān)52ppt課件SiC晶體制備—升華法1995年，飛利浦實(shí)驗(yàn)室的Lely提出用升華法制備SiC單晶，隨后通過改進(jìn)Lely法，稱為籽晶升華法或物理氣相傳輸法(PVT),是目前主流SiC晶體制備方法。53ppt課件SiC薄膜的制備化學(xué)氣相外延(CVD)54ppt課件SiC的晶體質(zhì)量和器件55ppt課件SiC制備LED器件ppt課件56SiC基紫外探測器ppt課件57SiC基場效應(yīng)晶體管ppt課件58總結(jié)寬帶隙半導(dǎo)體GaN、ZnO、SiC等作為第三代半導(dǎo)體是發(fā)展高功率、高頻、高溫電子器件以及短波長光電器件的理想材料。寬帶隙半導(dǎo)體材料要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。研究和發(fā)展寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件被公認(rèn)是占領(lǐng)光電信息技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略