《《宽禁带半导体发光材料》2.1氮化物材料的性质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《宽禁带半导体发光材料》2.1氮化物材料的性质（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大纲大纲 2.1.1 2.1.1 概述概述 2.1.2 2.1.2 晶体及能带结构晶体及能带结构 2.1.3 2.1.3 氮化物缺陷氮化物缺陷 2.1.4 2.1.4 氮化物极性氮化物极性 2.1.5 2.1.5 化学性质化学性质 2.1.6 2.1.6 光学性质光学性质 2.1.7 2.1.7 接触特性接触特性 2 参考书参考书 IIIIII族氮化物发光二极管技术及其应用族氮化物发光二极管技术及其应用 科学出版社科学出版社 李晋闽李晋闽 等等 氮化物宽禁带半导体材料与电子器件氮化物宽禁带半导体材料与电子器件 科学出版社科学出版社 郝跃等郝跃等 LEDLED器件与工艺技术器件与工艺技术 电子工
2、业出版社电子工业出版社 郭伟玲等郭伟玲等 WideWide bandgapbandgap semiconductors,semiconductors, fundamentalfundamental propertiesproperties andand modernmodern photonicphotonic andand electronicelectronic devices,devices, SpringerSpringer press,press, 20062006, , K K. . Takahashi,Takahashi, A A. . Yoshikawa,Yoshikawa,
3、A A. . SandhuSandhu 预修课程：半导体物理预修课程：半导体物理，刘恩科等刘恩科等，电子工业出版社电子工业出版社 3 4 半导体元素分布半导体元素分布 半导体材料的发展半导体材料的发展 第一代半导体材料第一代半导体材料（4040- -5050年代年代）：以：以SiSi、GeGe为代表为代表。19471947年年，美国贝美国贝 尔实验室尔实验室BardeenBardeen和和BrattainBrattain发明了发明了GeGe点接触晶体管点接触晶体管，19481948年年SchockleySchockley 针对点接触晶体管不稳定特点针对点接触晶体管不稳定特点，发明了面接触式晶体
4、管发明了面接触式晶体管，3 3人因此获得人因此获得 了了19561956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。19581958年第一块锗集成电路研制成功年第一块锗集成电路研制成功，开辟了开辟了 半导体科学技术的新纪元半导体科学技术的新纪元，导致了电子工业革命导致了电子工业革命。 第二代半导体材料第二代半导体材料（6060- -7070年代年代）：以：以GaAsGaAs为代表为代表。尽管硅在微电子技尽管硅在微电子技 术应用方面取得巨大成功术应用方面取得巨大成功，但受制于带隙特点但受制于带隙特点（间接间接，1 1. .1212eVeV，红外红外， ，可见光可见光1 1. .6 6- -2 2. .8
5、8eVeV），硅基发光器件进展十分缓慢硅基发光器件进展十分缓慢。2020世纪世纪6060年代发年代发 展了液相外延及气相外延等方法展了液相外延及气相外延等方法，生长出高质量生长出高质量GaAsGaAs、InPInP等单晶等单晶，促促 进了第二代半导体应用进了第二代半导体应用。人类进入人类进入光纤通讯光纤通讯、移动通信移动通信、高速宽带信息高速宽带信息 网络时代网络时代。 第三代半导体材料第三代半导体材料（8080- -9090年代年代）：以：以GaNGaN、SiCSiC为代表的宽禁带材料为代表的宽禁带材料。 2020世纪世纪9090年代年代，GaNGaN为代表为代表，主要是异质外延及主要是异质
6、外延及p p型掺杂的突破型掺杂的突破，不仅在不仅在 高频高频、高速高速、微波大功率器件的国防应用领域微波大功率器件的国防应用领域，而且在全色显示和全固而且在全色显示和全固 态白光照明等商业应用领域态白光照明等商业应用领域，都发挥了不可替代的作用都发挥了不可替代的作用，并触发了人类并触发了人类 社会照明技术革命社会照明技术革命 5 2.1.12.1.1概述概述 宽禁带半导体发光材料分类宽禁带半导体发光材料分类 6 IIIIII- -V(direct)V(direct): :AlN,GaN,AlN,GaN, InN,AlGaN,InGaN,BNInN,AlGaN,InGaN,BN( (间接间接)
7、) IIII- -VI(direct)VI(direct): : ZnO(ZnO(3 3. .3 3eV),CdO(eV),CdO(2 2. .3 3eV),eV), MgO(MgO(7 7. .9 9eV),BeO(eV),BeO(1010. .6 6eV),eV), ZnCdO(ZnCdO(2 2. .3 3- -3 3. .3 3),ZnMgO(),ZnMgO(3 3. .3 3- - 7 7. .9 9),ZnBeO(),ZnBeO(3 3. .3 3- -1010. .6 6) ) ZnS(ZnS(3 3. .7777eV),CdS(eV),CdS(2 2. .5 5eV),eV),
8、 ZnSe(ZnSe(2 2. .7 7eV),CdSe(eV),CdSe(1 1. .7474eV),eV), ZnTe(ZnTe(2 2. .2626eV),CdTe(eV),CdTe(1 1. .4545eV)eV) IV(indirect)IV(indirect): : SiC,DiamondSiC,Diamond 7 元元 素素 原原 子子 半半 径径 当前主要的宽禁带半导体发光材料当前主要的宽禁带半导体发光材料 IIIIII族氮化物（族氮化物（0.70.7- -6.2eV6.2eV） GaN (3.4eV)GaN (3.4eV) InNInN (0.7eV)(0.7eV) AlNA
9、lN (6.2eV)(6.2eV) InGaNInGaN (0.7(0.7- -3.4eV)3.4eV) AlGaNAlGaN (3.4(3.4- -6.2eV)6.2eV) IIII- -VIVI族化合物族化合物 （2.32.3- -10.6eV10.6eV） ZnOZnO，ZnMgOZnMgO, , ZnCdO,ZnBeOZnCdO,ZnBeO IVIV族化合物族化合物 SiCSiC （2.42.4- -3.1eV3.1eV） Diamond (5.5eV)Diamond (5.5eV)，C C60 60（ （0D0D）,CNT,CNT（1D1D）, ,graphenegraphene（2
10、D2D） 8 红色：红色：622622- -770nm770nm 橙色：橙色：597597- -622nm622nm 黄色：黄色：577577- -597nm597nm 绿色：绿色：492492- -577nm577nm 青色青色+ +蓝色：蓝色：455455- -492nm492nm 紫色：紫色：350350- -455nm455nm 9 10 可见光波段位置可见光波段位置 光通讯 声音 移动通信 （800-2KMHZ） Wi-Fi （2.4GHZ/5GHZ） 11 半导体材料对应的发光波长范围半导体材料对应的发光波长范围 12 人眼敏感区域人眼敏感区域 几种白光方式几种白光方式 13 CI
11、ECIE InternationalInternational commissioncommission onon illuminationillumination (CIE)(CIE)，国际发光照明委国际发光照明委 员会员会，颜色数字化颜色数字化 14 15 x, y 色品图 发光半导体发光半导体 16 斜体斜体 常见半导体带隙常见半导体带隙/ /晶格常数晶格常数/ /发光波长发光波长/ /晶体结构晶体结构 620nm, 2eV Visible light region E(eV)=1240/(nm) 17 diamond 620nm, 2eV 不同材料不同材料LEDLED对应的波长范围对应
12、的波长范围 红光及红外：红光及红外：InGaAlP, AlGaAsInGaAlP, AlGaAs, GaAs, InP, GaAs, InP 橙色：橙色：AlGaAs, InGaAlPAlGaAs, InGaAlP，（InGaNInGaN） 黄色：黄色：GaPGaP，InGaAlPInGaAlP, , InGaNInGaN 绿色：绿色：AlPAlP，InGaNInGaN 蓝色：蓝色：InGaNInGaN 紫色：紫色：InGaNInGaN 18 620nm, 2eV 红光红光/ /黄光黄光/ /绿光发光材料绿光发光材料 AlGaAs materials systemAlGaAs material
13、s system 0.50.5- -2.5eV2.5eV Red, yellow, green, infrared Red, yellow, green, infrared 19 AlGaInPAlGaInP materials systemmaterials system 1.41.4- -2.5eV2.5eV Red, yellow, green, infrared Red, yellow, green, infrared 氮化物半导体主要特点氮化物半导体主要特点 GaN,GaN, AlN,AlN, InNInN 及其及其三元三元/ /四元四元合合 金体系金体系，均均为为直接带隙直接带隙，
14、辐射复辐射复 合效率高合效率高，适用于发光材料及发适用于发光材料及发 光器件光器件 二元二元/ /三元三元/ /四元化合物之间形成四元化合物之间形成 多层异质结构多层异质结构，如：如：MQWsMQWs和和2 2DEGDEG 等等，进一步提高辐射复合效率进一步提高辐射复合效率， 以及提高电子迁移率以及提高电子迁移率 带隙范围覆盖带隙范围覆盖整个可见光到远紫整个可见光到远紫 外波段外波段，特别是在特别是在短波长短波长方面方面， 目前是唯一最佳选择目前是唯一最佳选择 结构稳定结构稳定，耐腐蚀耐腐蚀，长寿命长寿命（与与 ZnOZnO，ZnSeZnSe，SiCSiC发光器件比较而发光器件比较而 言言）
15、20 光学性质光学性质 带隙范围：带隙范围：0.7eV0.7eV- -6.2eV6.2eV 全组份直接带隙，发光效全组份直接带隙，发光效 率高率高 光学窗口：光学窗口：1.771.77m（对应（对应 InN带隙）带隙）-0.20.2m（对应（对应 AlN带隙）带隙） III-N 材料是一种具有宽光材料是一种具有宽光 学窗口、耐高温、性能优学窗口、耐高温、性能优 越的半导体光电子材料，越的半导体光电子材料， 可用于研制发光器件、激可用于研制发光器件、激 光器件、电力电子器件，光器件、电力电子器件， 特别是短波紫外发光器件特别是短波紫外发光器件 21 电学性质电学性质 高饱和电子漂移速度高饱和电子漂移速度( (比比GaAsGaAs高高1.51.5倍倍) ) 高的击穿电场高的击穿电场( (比比GaAs,InPGaAs,InP高高8 8倍倍) ) 高热导率高热导率( (比比GaAsGaAs高高3 3倍倍) ) 22 很小的介电常数很小的介电常数 适合于发展高温、高频、高功率电适合于发展高温、高频、高功率电 子器件子器件 异质结阶跃及二维电子气（异质结阶跃及二维电子气（2DEG2DEG） 电子浓度达到电子浓度达到101013 13cm cm- -2 2，不掺杂的情形，不掺杂的情形 AlGaNAlG
