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1、第五章第五章 固溶体半导体固溶体半导体材料材料李斌斌n n5.1 固溶体的概念n n5.2 SiGe固溶体n n5.3 应用5.1 固溶体固溶体n n凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“ “溶解溶解溶解溶解” ”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。固体称为固溶体。固体称为固溶体。固体称为固溶体。n n固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物固溶体
2、半导体材料是某些元素半导体或者化合物固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导体。体。体。体。5.1.1 固溶体的基本性质固溶体的基本性质n n半导体的重要参数，如晶格常数和带隙等随组分半导体的重要参数，如晶格常数和带隙等
3、随组分变化而发生连续变化。变化而发生连续变化。n n因而可以通过对其组分的控制来调节材料的基本因而可以通过对其组分的控制来调节材料的基本性质性质n n采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料，满采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料，满足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求 晶格常数晶格常数Vegard定律定律带隙带隙5.1.2 固溶体的分类固溶体的分类n n按溶质质点在溶剂晶格中的位置来划分 n n按溶质在溶剂中的溶解度分类 n n根据固溶体在相图中的位置划分 n n根据各组元分布的规律性划分1）按溶质质点在溶剂晶格中的位）按溶质质点在溶剂晶格中的位置置
4、置换型固溶体 间隙型固溶体 置换型固溶体：取代型置换型固溶体：取代型n nMgO-CoOMgO-CoO、MgO-CaOMgO-CaO、PbTiOPbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3、AlAl2 2OO3 3-Cr-Cr2 2OO3 3n nCu-ZnCu-Zn系系 和和 固溶体固溶体 间隙型固溶体：填隙型间隙型固溶体：填隙型n n材料阳离子进入阴离子材料阳离子进入阴离子所形成的间隙中并不容所形成的间隙中并不容易易n n阴离子填隙型阴离子填隙型 更加更加困难困难n n唯独萤石型物质除外唯独萤石型物质除外n nHH、B B、C C、NN等元素形等元素形成的固溶体成的固溶体 2）按溶质在溶
5、剂中的溶解度分）按溶质在溶剂中的溶解度分类类 n n 连续固溶体 n n 有限固溶体 连续固溶体连续固溶体n n溶质和溶剂可以按任溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶所生意比例相互固溶所生成的固溶体成的固溶体 有限固溶体有限固溶体n n溶质只能以一定的溶溶质只能以一定的溶解限度（固溶度）溶解限度（固溶度）溶入溶剂中，低于固溶入溶剂中，低于固溶度条件下生成的固溶度条件下生成的固溶体是单相的，一旦溶体是单相的，一旦溶质超出这一限度即出质超出这一限度即出现第二相。现第二相。 3）根据固溶体在相图中的位置）根据固溶体在相图中的位置划分划分端部固溶体：端部固溶体： 位于相图的端部，其位于相图的端部，其成分范
6、围包括纯组元，成分范围包括纯组元，亦称初级固溶体亦称初级固溶体中间固溶体：中间固溶体： 它位于相图中间，任它位于相图中间，任一组元的浓度一组元的浓度 0100%0100%，亦称二次固，亦称二次固溶体溶体4）根据各组元分布的规律性划）根据各组元分布的规律性划分分 无序固溶体：无序固溶体： 各组元质点分布是随各组元质点分布是随机的、无规则的。机的、无规则的。 有序固溶体：有序固溶体： 各组元质点分布分别各组元质点分布分别按照各自的布拉维点按照各自的布拉维点阵进行排列，整个固阵进行排列，整个固溶体就是由各组元的溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点分点阵组成的复杂点阵，称超点阵或超结阵，称超点阵或超结
7、构。构。 n n在理论的指导下，通过对实践经验的积累总结，在理论的指导下，通过对实践经验的积累总结，提出了一些重要的影响因素：提出了一些重要的影响因素： （1 1）质点尺寸因素）质点尺寸因素 （2 2）晶体结构类型）晶体结构类型 （3 3）电价因素）电价因素 1）质点尺寸因素决定性因素）质点尺寸因素决定性因素n n 从晶体结构的稳定观从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的点来看，相互替代的质点尺寸愈接近，则质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。溶量将愈大。经验证明经验证明n n当 30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶。 2）晶体结构类型）晶体结构
8、类型n n 连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结构（不是充分条件）n n 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）3）电价因素）电价因素n n 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。n n 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）n n电负性相近，有利于固溶体的生成n n电负性差别大，倾向于生成化合物5.2 为什么研究为什么研究SiGen n在微电子领域Si几乎有完全取代Ge的趋势n nGe固有优势：载流子的迁移率比硅高SiGe固溶体固溶体n n连续固溶体晶格常数晶格常数晶格失配率晶格失配率例子：例子
9、：n n假设有一种半导体材料，晶格常数a0.5555 nm，如果以SiGe固溶体为衬底，请问SiGe的最佳组分是多少？赝晶生长共度生长赝晶生长共度生长n n临界厚度应力没有释放n n产生位错和形成表面起伏是释放SiGe失配应力的两种方式。n n当当GeGe组分较低时（组分较低时（. .），通过产生位），通过产生位错来释放失配引起的应力；错来释放失配引起的应力；n n当当GeGe组分介于组分介于. . .之间时将会导致形之间时将会导致形成台阶，诱导生成均匀的岛；成台阶，诱导生成均匀的岛；n n当当GeGe组分大于组分大于. .时，遵循时，遵循SKSK模式三维生长，模式三维生长，利于形成表面起伏来
10、释放失配引起的应力。利于形成表面起伏来释放失配引起的应力。n n可以用来生长高组分表面起伏的多量子阱可以用来生长高组分表面起伏的多量子阱 电学性质禁带宽度电学性质禁带宽度带隙和温度的关系带隙和温度的关系本征载流子浓度本征载流子浓度5.3 SiGe固溶体的应用固溶体的应用n n新型硅基太阳能电池n n热电材料光的基本性质光的基本性质光色光色 中心波长中心波长 (nm) (nm) 中心频率中心频率(Hz) (Hz) EgEg（eVeV） 红红 660 660 1.61.6 橙橙 610 610 黄黄 570 570 绿绿 540 540 2.32.3 青青 480 480 兰兰 460 460 2
11、.72.7 紫紫 430 430 新型硅基太阳能电池新型硅基太阳能电池n n太阳能电池所利用的太阳光光谱太阳能电池所利用的太阳光光谱, ,它在可见光部分的能量它在可见光部分的能量不到不到50%50%。n n要想提高电池的效率要想提高电池的效率, ,把其光谱响应延伸到把其光谱响应延伸到1.1 1.1 eVeV以下是以下是非常重要的，因为这包括了太阳光非常重要的，因为这包括了太阳光90%90%以上的能量。以上的能量。n nSiGeSiGe 构成的薄膜合金材料通过控制构成的薄膜合金材料通过控制GeGe 含量能调制材料的含量能调制材料的带隙，带隙，0.670.671.1 1.1 eVeV，从而可以大大
12、扩展对红外谱域太阳，从而可以大大扩展对红外谱域太阳能光谱的吸收。能光谱的吸收。n n因此，因此，SiGeSiGe 材料在太阳电池中的应用研究受到了重视材料在太阳电池中的应用研究受到了重视, ,尤尤其是非晶其是非晶SiGeSiGe材料在材料在a- a-Si Si/ a-/ a-SiGeSiGe 叠层太阳电池上的应用叠层太阳电池上的应用已经非常成熟。已经非常成熟。热电材料热电材料n nSiGeSiGe合金具有较大的合金具有较大的a a值，值，x x0.150.15时，达到极大值。时，达到极大值。n n实际常用实际常用Si Si含量高的合金来得到较高的优值，含量高的合金来得到较高的优值，Si Si含
13、含量高有以下好处：量高有以下好处： 降低了晶格热导率；降低了晶格热导率； 增加了掺杂原子的固溶度；增加了掺杂原子的固溶度； 使使SiGeSiGe合金有较大的禁带宽度和较高的熔点，适合金有较大的禁带宽度和较高的熔点，适合于高温下工作；合于高温下工作； 比重小，抗氧化性好，适应于空间应用；比重小，抗氧化性好，适应于空间应用； 同时降低了造价。同时降低了造价。n nSiGeSiGe合金是目前较为成熟的一种高温热电材料，合金是目前较为成熟的一种高温热电材料，适用于制造由放射线同位素供热的温差发电器，适用于制造由放射线同位素供热的温差发电器，并已得到实际应用。并已得到实际应用。n n19771977年旅行者号太空探测器首次采用年旅行者号太空探测器首次采用SiGeSiGe合金作合金作为温差发电材料；为温差发电材料；n n在此后美国在此后美国NASANASA的空间计划中，的空间计划中，SiGeSiGe差不多完全差不多完全取代取代PbTePbTe材料。材料。其它内容其它内容n n见教材
