III-V族多元化合物半导体

吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料第第88章章IIIIII--VV族多元化合物半导体族多元化合物半导体吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料杂质工程和能带工程杂质工程：通过对杂质及其浓度在半导体中空间分布的有效控制来实现半导体的实用价值。原位掺杂：在制备材料中掺入杂质后掺杂：已制成的晶锭、晶片、薄层中引入杂质常规掺杂：采用合金、扩散、离子注入嬗变掺杂：将半导体中的同位素嬗变为杂质掺杂吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料扩散和离子注入是两种最常用的常规掺杂方法适用于对半导体晶片或薄层进行局部电阻率控制或载流子寿命控制是器件制造的核心工艺吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料基本的工艺过程扩散吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料离子注入注意：在注入过程中硅片保持在室温，然而注入后需要进行激活（大于900度）以减少缺陷吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料能带工程：对材料的能带结构进行合理的“裁剪”（包括带隙、带结构），实现半导体更加丰富多彩的实用价值。主要内容包括：¾固溶体半导体材料¾超晶格、量子结构材料杂质工程和能带工程吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料带隙窄化固溶体半导体概念固溶体基本特征带隙展宽1、固溶体半导体材料吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料固溶体半导体是由两种或两种以上同一类型的半导体材料组成的合金主要有：Ge-Si固溶体、各种Ⅲ-V族化合物固溶体、和II-VI族化合物固溶体等GaAs1-xPx可看成是GaP和GaAs的连续固溶体In1-xGaxAsyP1-y可看成是InAs、InP、GaAs、GaP这四种化合物中的任意3种组成的固溶体，只有当x=y时，才可看成是其中的两种组成吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料按溶质在溶剂中的溶解度分类①连续固溶体:溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶所生成的固溶体x值可在0≤x≤1范围内连续变化②有限固溶体:溶质只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶剂中，低于固溶度条件下生成的固溶体是单相的，一旦溶质超出这一限度即出现第二相。吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料影响固溶度的因素a)质点尺寸因素－决定性因素从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。121rrr−=Δ¾当Δ15%时，溶质和溶剂之间有可能形成连续固溶体¾当Δ=15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以形成有限固溶体；¾当Δ30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料b)晶体结构类型连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结构（不是充分条件）大多数Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族及Ge-Si固溶体都是连续固溶体晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体（满足尺寸条件前提下）例如GaP与GaN吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料c)电价因素连续固溶体必要条件：原子价（或离子价）相同多组元复合取代总价数相等，电中性。（不是充分条件）¾电负性相近，有利于固溶体的生成¾电负性差别大，倾向于生成化合物如果价态不同，则最多只能生成有限固溶体（满足尺寸条件前提下）吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料固溶体的基本特征基本特征：重要性能参数如晶格常数、带隙会连续地随组分比的变化而变化(Vegard定律)¾可通过对其组分的控制来调制材料的基本性质，如可以“裁剪”它的带隙、带结构、晶格常数等，为器件的设计者对材料的选择提供了很大自由度——能带工程的一种固溶体组分的改变不仅仅是改变其能带结构，同时还会改变其他物理参数，如折射率、载流子迁移率等，这些参数的人为调整也是优化器件特性的需要吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料Vegard定律三元固溶体：晶格常数aAB=xaA+（1-x）aBaA和aB分别为互溶材料A和B的晶格常数带隙宽度Eg,AB=a+bx+cx2其中，a,b,c为特定固溶体材料的特征常数吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.540.560.580.600.620.64组份比x晶格常数a（nm）AlPGaAsGaAs1-xPxAlxGa1-xPGaPAlxGa1-xAsAlAsAlAsxSb1-xAlxIn1-xAsInAsAlSbGaSbGaxIn1-xSbInSbGaAs1-xSbxInAsxSb1-xInAsGa1-xInxAsAlxIn1-xPInPAlP一些III-V族固溶体的晶格常数随组份比x变化的情况¾AlxGa1-xAs和AlxGa1-xP互溶材料晶格失配小，可十分匹配的生成无缺陷体材料¾有些固溶体的互溶材料之间晶格失配比较严重，这样的材料只能以薄膜形式存在。固溶体晶格常数随组分变化吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料Ⅲ-Ⅴ族化合物带隙特点GaN(3.4)GaP(2.26)GaAs(1.43)GaSb(0.73)InP(1.35)InAs(0.45)InSb(0.18)¾原子序数之和：由小→大¾带隙宽度：由大→小¾对应发光波长为可见光范围的：GaP而GaP为间接带隙，利用的是杂质发光其他虽为直接带隙，但除GaN外都在红外光范围可见光LED(390-750nm)：直接带隙1.65Eg3.18eV吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料禁带展宽与跃迁类型转变最典型且应用最广的一个例子：GaP和GaAs形成的连续固溶体GaAs1-xPx带隙较窄的直接跃迁型材料带隙较宽的间接跃迁型材料借助于固溶体技术控制组分比宽带隙的直接跃迁型新材料吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料¾在0.3x0.46范围，GaAs1-xPx的能带结构仍保持着GaAs直接跃迁型的特点¾禁带却宽到1.8eV以上，成为具有较高量子效率的可见光发光材料。00.20.40.60.81.01.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0间接禁带禁带宽度Eg组分比xΓΧT=300KGaAs1-xPxΓΓΧΧGaAsGaP直接禁带E(k)E(k)kkGaP导带GaAs导带Eg(GaP)Eg(GaAs)2.26eV2.75eV1.424eV1.9eV0.46GaAs1-xPx能带结构GaP摩尔比x的变化吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料其它重要三元化合物半导体¾Al1-xGaxAs，当0.41x0.45时，也可以得到Eg1.8eV的直接带隙，其电子迁移率远大于GaAs，更因为GaAs和AlAs的晶格十分匹配，在高速电子器件、光电子器件以及超晶格结构等方面应用广泛，成为最成熟的半导体固溶体之一。¾Ga1-xInxP在x0.7范围内，获得禁带宽度2.3eV的直接带隙材料，对应的直接辐射发射绿光在x=0.51~0.56范围内，它是与GaAs晶格相匹配的。Eg=1.424+1.247xEg=1.351+0.643x+0.786x2吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料三元固溶体与衬底晶格的匹配问题三元固溶体通过调整组分可以调整材料的带隙；对于发光器件来说可以调整发光波长。但组分确定之后，固溶体的晶格常数也随之确定，这就会遇到其外延生长材料与晶格不匹配的问题。使用四元固溶体可增加一个对其主要性能进行调整和裁剪的自由度，即可通过两种组元的组分改变来调整其带隙和晶格常数。吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料从图上可知：与InP晶格(0.5869nm)相匹配的该固溶体的带隙可在0.74~1.35eV之间调整吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料0.5869nm1.35eV0.74eVGaxIn1-xAsyP1-y四元固溶体的带隙与晶格常数实线：等带隙线；虚线：等晶格常数线0.5653nm0.5576nm0.5960nm晶格常数禁带宽度GaAsGaAsInPInPGaPInAs从图上可知：与InP晶格(0.5869nm)相匹配的该固溶体的带隙可在0.74~1.35eV之间调整吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料禁带的窄化（固溶体从半金属到半导体的转变）对于在军事上重要的中、远红外的检测，希望获得禁带很窄（Eg0.1ev）窄禁带半导体，无论是元素半导体还是化合物半导体中都找不到这样的材料。InSb室温下Eg=0.18ev采取制备固溶体的办法¾II-VI族化合物半导体的禁带一般较宽，但有的如HgTe和HgSe其禁带宽度却为零或小于零（半金属）¾利用固溶体技术将两者互溶，则可得到一种禁带很窄的半导体吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Γ6Eg,(CdTe)=1.5eVCdxHg1-xTe能带结构随CdTe组份比的变化及其从半金属到半导体的转变Γ6Γ6Γ6Γ8Γ8Γ8Γ8Eg,(CdxHg1-xTe)=0Eg,(HgTe)=0eVHgTeCdTeCdxHg1-xTe组份比x-0.3eV吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料CdxHg1-xTe300K禁带宽度(eV)组分比xCdxHg1-xTe禁带宽度随组分比的变化CdxHg1-xTe0.15x1范围，对应禁带宽度在0~1.5eV吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料微结构半导体材料超晶格能带结构超晶格分类2、超晶格、多量子阱材料吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料微结构材料：是指材料的尺寸在1～3个维度上降低到纳米量级（相近与或小于电子的平均自由程）而具有量子效应的材料，也称作纳米半导体材料。超晶格：载流子在一个方向上运动受到约束量子线材料：载流子在两个方向上运动受到约束量子点材料：载流子在三个方向上运动受到约束吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料超晶格：由两种（或两种以上）组分（或导电类型)不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。厚度d远大于材料的晶格常数a，但相近与或小于电子的平均自由程这是在原来“自然”晶体晶格的周期性结构上又叠加了一个很大的“人工”周期的新型人造材料。超晶格中的电子(或空穴)能量将出现新的量子化现象，以致产生许多新的物理性质。衬底吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料超晶格、多量子阱能带结构示意图E2E1超晶格能带图多量子阱能带图EcAEvAEcBEvBEgBEgA∆Ec∆EvE2E1多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：¾当势垒很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；¾当势垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半导体材料半导体材料超晶格的微小布里渊区和子能带超晶格的微小布里渊区和子能带原来体材料的抛物线型能带分裂成许多由一系列子禁带隔开的子能带能带工程的又一个方面吉林大学电子科学与工程学院吉林大学电子科学与工程学院半