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1、半导体材料,科学数码相机上的CCD,半导体材料,（1）半导体材料的发展及其意义 （2）半导体材料及其物理基础 （3）元素半导体材料 （4）化合物半导体材料 （5）微结构半导体材料 （6）非晶态半导体材料 （7）陶瓷半导体材料 （8）半导体材料的应用,半导体材料的发展及其意义,上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命； 上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。,超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与
2、制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。 纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。,一、半导体材料及其物理基础,1、本征半导体能带结构 2、半导体的导电机理 3、半导体的分类,1、半导体的能带结构,由价带，导带，禁带组成。禁带宽度Eg比较窄，一般在1ev左右。,2、半导体的导电机理,半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而
3、传导正电荷。 因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。激发既可以是热激发，也可以是非热激发，通过激发，半导体中产生载流子，从而导电。,3、半导体的分类,（1）按成分分 可分为元素半导体和化合物半导体。 元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。 化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。,（2）按掺杂原子的价电子数分 可分为施主型(又叫电子型或n型)和受主型(又叫空穴型或P型)。 前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。,（3）按晶态分 可分为结晶、微晶和非晶半导体。 此外，还有按半导体能带结构和电子跃迁状态来分类。,三、
4、元素半导体材料,元素半导体大约有十几种处于族A-A族的金属与非金属的交界处，如Ge，Si，Se，Te等。但是其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。 硒是最早使用的， 硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优良持性， 绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。,1、硅和锗性质,硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆。两者相比，锗的金属性更显著，硅在切割时易碎裂。 锗的室温本征电阻率约为50cm，而硅的约为2.3105cm。 锗和硅都具有金刚石结构，化学键为共价键。 锗的室温电子迁移率为3800cm2/vs，硅为1800cm2/vs。 锗的禁带宽度为0.66ev，硅的禁带
5、宽度为1.12ev。,1、硅和锗性质,硅和锗在常温下化学性质是稳定的但升高温度时，很容易同氧、氯等多种物质发生化学反应，所以在自然界没有游离状态的硅和锗存在。 锗不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸、浓硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。硅不于盐酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF-HNO3混合酸所溶解。 硅比锗易与碱起反应。硅与金属作用能生成多种硅化物。,1、硅和锗性质,杂质对锗、硅电学性质的影响与杂质能级在禁带中的位置密切相关。在锗、硅中的杂质可分为两类： 一类是A族或A族元素，它们在锗、硅中只有一个能级，且电离能小，一个杂质原子只起一个受主或施主作用，A族杂质起受主作用使材料呈p型导电，A族
6、杂质起施主作用，使材料呈n型导电。 另一类是除A或A族以外的杂质。,2硅和锗晶体的制备,目前锗主要用直拉法，硅除了直拉法之外还用悬浮区熔法。 直拉法又称(Czochralski)法简称CZ法。它是生长元素和A-A族化合物半导体单晶的主要方法。该法是在盛有熔硅或锗的坩锅内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。,制备杂质含量低、结晶完美的单晶材料 特点：质量高、速度快,固液界面处结晶 等于熔点,高于熔点,低于熔点,直拉法,区熔法,由直拉法生长的单晶，由于坩锅与材料反应和电阻加热炉气氛的污染，杂质含量较大，生长高阻单晶困难。 工业上将区域
7、提纯与晶体生长结合起来，可制取高纯单晶，这就是区熔法。 在高纯石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料锭。建立熔区，将原料锭与籽晶一端熔合后，移动熔区，单晶便在舟内生长。,区熔法,3硅的主要用途,目前科学家们已经发现的半导体材料种类很多，并且正在不断开拓他们的应用领域，但在目前的电子工业中使用的半导体材料主要还是硅，它是制造大规模集成电路最关键的材料。 整流器 放大器和振荡器 集成电路 光学材料,四、化合物半导体材料,1、二元化合物半导体 2、多元化合物半导体 3、砷化镓 4、氮化镓,1、二元化合物半导体,(1) A和A族元素组成的A-A族化合物半导体。即A1，Ga，In和P，As, Sb组成的9种A
8、-A族化合物半导体，如A1P，A1AsA1Sb，GaP，GaAs，GaSb，InP，InAs，InSb等。GaN。 (2)B族和A族元素组成的B -A族化合物半导体即Zn，Cd，Hg与S，Se，Te组成的12种B -A族化合物半导体，如CdS，CdTe，CdSe等。,(3) A族元素之间组成的A-A族化合物半导体、如SiC等。 (4) A族和A族元素组成的A-A族化合物半导体，如GeS，GeSe，SnTe，PbS，PbTe等共9种。 (5)VA族和A族元素组成的VA-A族化合物半导体，如AsSe3，AsTe3，AsS3等。,2、多元化合物半导体,(1)IB-A-(A)2组成的多元化合物半导体，
9、如AgGaTe2等。 (2)IB-A-(A)2组成的多元化合物半导体，如AgAsSe2等。 (3)(IB)2-B-IVA-(A)4组成的多元化合物半导体如Cu2CdSnTe4等。,3、砷化镓,1）砷化镓性质 砷化镓的晶体结构是闪锌矿型，每个原子和周围最近邻的四个其它原子发生键合。 砷化镓的化学键和能带结构与硅、锗不同，其禁带宽度比硅、锗都大。 砷化镓具有双能谷导带，在外电场下电子在能谷中跃迁迁移率变化，电子转移后电流随电场增大而减小，产生“负阻效应”。 砷化镓的介电常数和电子有效质量均小，电子迁移率高，是一种特性比较全面兼有多方面优点的材料。,2）砷化镓材料的制备,砷化镓材料的制备主要有从熔体
10、中生长体单晶和外延生长薄层单晶等方法。 砷化镓单晶的制备主要采用水平区熔法和液封直拉法两种方法。 水平区熔法，在石英管密封系统中装有砷源。通过调节砷源温度来控制系统中的砷压。 液体封闭直拉法，是将熔体用某种液体覆盖，并在压力大于砷化镓离解压的气氛中合成拉晶。,2）砷化镓材料的制备,砷化镓膜材料主要通过外延技术制备。包括气相外延、液相外延和气束外延。砷化镓外延工艺具有生长温度低、原料能得到有效提纯、杂质污染少、可控掺杂等特点，可以得到任意厚度、完整性好和均匀性好的外延片。,3）砷化镓的主要用途,发光二极管：具有发光效率高、低电压、小电流、低功耗、高速响应和高亮度等特性，易与晶体管和集成电路相匹配
11、，用作固体显示器、讯号显示、文字数字显示等器件。 隧道二极管：具有高迁移率和短寿命等特性，用于计算机开关时，速度快、时间短。 场效应晶体管：振荡频率目前已达数百干兆赫以上主要用于微波及毫米波放大、振荡、调制和高速逻辑电路等方面。,4、氮化镓,以氮化镓(GaN)为代表的-V族宽带隙化合物半导体材料，具有高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是目前世界上先进的半导体材料之一。 GaN是优良的光电子材料，可以实现从红外到紫外全可见光范围的光发射和红、黄、蓝三原色具备的全光固体显示，可用来制备蓝波段的激光器(LD)、大功率器件和高温器件，紫外光可用于大气层外空间的探测，短
12、波长可使激光打印，光盘存储更细微化、高密度化，GaN基材料将会带来IT行业存储技术的革命。,1） CaN的性质,A） 结构特性：GaN为无色透明晶体，一般呈纤锌矿结构，晶格常数为a=0.3189 nm，c=0.518nm ，有的GaN具有闪锌矿结构，a=0.452nm ,B）化学特性：GaN具有强硬度、抗常规湿法腐蚀的特点在室温下，它不溶于水、酸和碱，但能缓慢地溶于热的碱性溶液虽然经过许多研究者的努力，但是目前尚未确立一种合适的湿法刻蚀工艺，现在主要用等离子体工艺进行刻蚀,C）光学特性：GaN室温禁带宽度为3.4 eV，是优良的短波光电子材料，其发光特性一般是在低温(2 K、l2 K、15 K
13、或77 K)下获得。,2) GaN薄膜的制备,早在20世纪30年代Johnson等人就采用金属镓和氨气反应，得到了GaN小晶粒和粉末此后人们尝试多种方法来制备氮化镓薄膜 目前，金属有机气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)已经成为制备GaN薄膜的主流工艺，其中MOCVD使用的最为广泛，这种方法已经用来制备商用高亮度蓝光二极管 研究者们一直在探索新的工艺方法来制备更高质量的CaN薄膜。,3）氮化镓的用途,目前GaN主要用来制造高速微波器件，电荷耦合器件(CCD)，动态存储器(DRAM)，高亮度蓝色和绿色发光管和紫外光电探测器。,五、微结构半导体材料,半导体异质结
14、、超晶格和量子阱材料统称为半导体微结构材料。 由两种不同半导体材料所组成的结，称为异质结。 两种或两种以上不同材料的薄层周期性地交替生长，构成超晶格。 当两个同样的异质结背对背接起来，构成一个量子阱。,1963年，为了改进当时GaAs结型激光器的高阈值电流问题，Kroemer建议把一个窄带隙半导体夹在两个宽带隙之间，从而提高注人效率和增加载流子限制，首次明确提出异质结概念。 1968年，约飞技术物理所和贝尔实验室相继研制出异质结构激光器。 1970年，使AlGaAs/GaAs DH激光器实现室温受激发射，从而拉开由均匀材料向半导体微结构材料变革的序幕。,1969年，江崎和朱兆样提出由两种不同带
15、隙的超薄层构成的一维周期性结构，即人工半导体超晶格，并设想了两种不同类型的结构：掺杂超晶格和组分超晶格。 半导体超晶格概念促进了刚刚出现的MBE和MOCVD薄膜生长新技术的不断改进和提高，这也是自p-n结、晶体管发明以来，半导体科学的一次重大突破。,1、异质薄层材料,p-n结是在一块半导体单晶中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般p-n结的两边是用同一种材料做成(如Si,Ge，GaAs)称为同质结。如把两种不同的半导体材料做成一块单晶，称异质结。,1、异质薄层材料,两种材料禁带宽度的不同以及其它特性的差异，使异质结具有一系列同质结所没有的特性，在器件设计上将得到某些同质结不能实现的功能
16、，,异质外延生长是指不相同材料相互之间的外延生长，A1xGa1-xAsGaAs表示外延薄膜/衬底；x，(1-x)分别代表A1，Ga的相对含量。,超晶格结构就是这些外延层在生长方向上的周期排列，如在GaAs衬底上有一个由100nm的Al0.5Ga0.5As层和10nm的GaAs层组成的重复结构，用符号表示就是Al0.5Ga0.5As (100nm)/GaAs (10nm)/Al0.5Ga0.5As (100nm)/GaAs (10nm)/GaAs，因A1GaAs组成在生长方向具有用期性，所以该结构称为超晶格结构。,称其为超晶格是因为它的晶格周期并不是取决于材料的晶格常数(a5nm)，而是取决于交替子层的重复周期(10nm)，与电子平均自由程相关的超晶格周期对于能否产生量子效应是一个重要参量。,2、超晶格的类型,组分超晶格 掺杂超晶格 多维超晶格,3、超晶格中的电子状态,图8-4为半导体能带结构。其中为电子亲和势，Eg为禁带宽度，E
