4-化合物半导体材料解析

1物理与电子学院第四章化合物半导体材料贾彩虹22013.11.09考试题请画出Si(100)、(110)、(111)面原子排列图，并计算原子面密度。3化合物半导体材料4.2II－VI族化合物半导体材料4.1III－V族化合物半导体材料44.1常见的III-V化合物半导体化合物晶体结构带隙（eV）ni（cm-3）μn（cm2/Vs）μp（cm2/Vs）GaAs闪锌矿1.421.3×1068500320GaP闪锌矿2.27150120GaN纤锌矿3.490010InAs闪锌矿0.358.1×10143300450InP闪锌矿1.356.9×1075400150InN纤锌矿0.74400AlN纤锌矿6.24300145III-V族化合物半导体性质（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV（2）直接跃迁能带结构－－光电转换效率高（3）电子迁移率高－－高频、高速器件（4）带隙随温度变化III-V族化合物半导体性质6带隙和温度的关系2()(0)ggTETET计算：GaAs300K和400K下的带隙?查表α=5.405*10-4eV/K，β=204，Eg(0)=1.519eV.7晶体结构金刚石结构闪锌矿结构纤锌矿结构8化学键共价键－－没有极性离子键－－有极性两者电负性相差越大，离子键成分越大，极性越强。组成元素的原子序数之和越大，材料熔点越低，带隙越小III-V族化合物的化学键：共价键和离子键共存9III-V族化合物半导体4.1.1GaAs4.1.2InP4.1.3GaN104.1.1GaAS晶体结构能带结构杂质和缺陷物理性质化学性质电学性质光学性质11GaAs晶体结构闪锌矿结构，由Ga原子组成的面心立方结构和由As原子组成的面心立方结构沿对角线方向移动1/4间距套构而成。12[111]为极化轴，(111)面是Ga面，(111)面是As面，两个面的物理化学性质大不相同。13极性的影响（1）解理面－－原子面密度最高、面间距最大不是{111}而是{110}；Si(111)是自然解理面（2）腐蚀速度－－B面（V族）易腐蚀V族原子面由于负电性大，化学活性强（3）外延层质量－－B面质量好V族原子面由于负电性大，价键畸变小（4）晶片加工－－不对称性损伤层厚度，表面完整性等方面存在不对称性14GaAs能带结构直接带隙结构双能谷转移电子效应双重简并带隙为1.42eV1.42eV0.31eV0.48eV0.34eV第二自旋轨道15GaAs单晶中的杂质GaAs晶体纯度比Si低，含有多种杂质。杂质对GaAs性能的影响取决于其性质和在晶体中的位置。B、Al、In等III族元素取代Ga，P、Sb等V族元素取代As，不影响电学性能。若过量会产生沉淀形成位错，恶化器件性能。S、Se、Te等VI族元素通常取代As，浅施主。Zn、Be、Mg、Cd、Hg等II族元素，通常取代Ga，浅受主。C、Si、Ge、Sn、Pb等IV族元素，可取代Ga、As或同时取代，两性杂质。Cu、Au、Fe、Cr等过渡金属杂质，深能级。1617GaAs单晶中的缺陷点缺陷：空位、间隙、反位，及复合缺陷。位错：非辐射复合中心，降低少子寿命。位错密度104-105cm-2.基本性质决定难以生长无位错单晶。来源：籽晶位错、晶体生长中的热应力、晶体加工过程的机械应力等。缺陷的H钝化：钝化位错和杂质的悬挂键。在250-400oC的H等离子体气氛中进行，但钝化过程中容易引起表面损伤和粗糙，甚至导致As的外扩散，形成As的表面损耗层，也会使材料性能降低。18GaAs物理性质GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽晶格参数与化学计量比有关19GaAs化学性质GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定加热到6000C开始氧化，加热到800oC以上开始离解化学性质20GaAs电学性质电子的速度有效质量越低，电子速度越快GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快3-4倍高频器件，军事上应用*nhkm21本征载流子浓度163/21.604()1.0510exp()2iBnTTkT633001.310/iTKncm电阻率？222324GaAs光学性质直接带隙结构折射率与温度、波长有关：nT、λ发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光电器件和半导体激光器等25GaAs优缺点2627GaAs的应用2829304.1.2InP1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V族化合物；InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽室温下与空气中稳定，360oC下开始离解溶于王水、溴甲醇、室温可与盐酸反应，与碱反应非常缓慢。31InP特性高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAsInP的直接跃迁带隙为1.35eV，正好对应于光纤通信中传输损耗最小的波段；InP的热导率比GaAs好，散热效能好InP是重要的衬底材料：制备半绝缘体单晶324.1.3GaN1928年被合成。化学性质稳定。稳定结构为纤锌矿结构，键能大，熔点较高，晶格常数较小GaN禁带宽度为3.4eV非掺杂是n型半导体；Mg掺杂是p型半导体33GaN性质高频特性，可以达到300GHz高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）高压特性（耐冲击，可靠性高）大功率（对通讯设备是非常渴望的）34发光二极管LED发光二极管Light-EmittingDiode是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的空间电荷区与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。35LED应用半导体白光照明车内照明交通信号灯装饰灯大屏幕全彩色显示系统太阳能照明系统其他照明领域紫外、蓝光激光器高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等36LED照明的优点发光效率高，节省能源低电压、小电流耗电量为同等亮度白炽灯的10%-20%，荧光灯的1/2。绿色环保冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少寿命长，可达10万小时固体光源、体积小、重量轻、方向性好单个单元尺寸只有3-5mm响应速度快，并可以耐各种恶劣条件37半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一地区＼条件·效益条件能源节约降低二氧化碳排放美国5％白炽灯及55％日光灯被白光LED取代每年节省350亿美元电费。每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100％白炽灯被白光LED取代可少建1-2座核电厂。每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾25％白炽灯及100％日光灯被白光LED取代节省110亿度电，约合1座核电厂发电量。38美国半导体照明计划从2000年起国家投资5亿美元到2010年55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代每年节电达350亿美元2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场日本21世纪照明计划投入资金50亿日元到2007年30%的白炽灯被置换为半导体照明灯39高亮度白光LED的实现基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光40Ge：Eg＝0.67eV红光GaP：Eg＝2.25eV绿光GaN：Eg＝3.4eV紫光ghEhc41日亚公司1994年首创用MOCVD制备了GaNLED中村修二，蓝色LED42市场分布分析2003年全球GaN基LED芯片产量按全球LED市场划分，目前市场主要集中在日本、美国、欧洲等发达国家和地区，仅日本、美国市场就占到全球的60％以上。按应用领域划分，目前，高亮度LED主要用途及市场有显示器背光源（如手机、PDA）、标志（如户外显示）、景观照明、汽车、电子设备、交通信号灯及照明等。43氮化镓与其它半导体材料的比较特性半导体材料硅Si砷化镓GaAs磷化铟InP碳化硅SiC氮化镓GaN带隙（eV）1.11.421.352.33.44300K电子迁移（cm2/Vs）1500850054007001000~2000电子饱和速度（107cm/s）1.01.31.02.01.3击穿场强（MV/cm）0.30.40.53.03.0热导率（W/cm*K）1.50.50.74.51.5介电常数ε11.812.812.510.09.044GaN的应用1.实现半导体照明。新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。2.提高光存储密度.DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高4－5倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。3.改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300℃，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。454.2II-VI族化合物半导体材料II-VI族化合物离子键成分更多，极性更强，具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难。II-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带隙比III-V族要大；II-VI族化合物半导体均为直接跃迁，随平均原子序数增加，带隙逐渐减小。本征载流子浓度较低，其电导主要由缺陷引起。46II-VI族化合物基本参数化合物晶体结构带隙μnμpZnO纤锌矿3.371000180ZnS闪锌矿3.6660040ZnS纤锌矿3.74280100ZnSe闪锌矿2.7262530ZnSe纤锌矿2.72560110ZnTe闪锌矿2.2340100ZnTe纤锌矿2.8047自补偿自补偿：掺入的杂质被同时引入的具有相反电荷的缺陷中心所补偿，使掺杂失效。补偿中心：金属空位和硫属元素空位“两性”杂质：根据不同的位置显示不同的类型48Marfaring模型实验中并没有观察到“单独”的金属离子空位，而只有金属离子空位与施主杂质的复合体高温下，材料中存在着中性的和电离的点缺陷冷却过程中，空位和杂质相互作用形成复合体和沉淀，其他点缺陷消失在表面或位错处，电学性质只与沉淀之外的杂质有关。Marfaring模型49定量描述自补偿度的方法不易制成n型或者p型材料容易制成n型或者p型材料11gVgVEHEHEg，ΔHv是材料带隙和空位形成焓。50II－VI化合物的应用重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都是直接带隙，发光效率高制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等ZnS，薄膜场致发光显示器CdTe高能辐射，高能粒子探测器太阳电池，CdS/CdTe理论转换效率30%，大面积10％热、远红外探测：可以制备一些大气窗口的探测器51II-VI族化合物半导体量子点TiO2particlesTiO2nanotube52作业题请计算ZnO的费米能级位置并画出其能带图。