半导体光电材料基础

半导体光电材料基础,天津大学材料学院杨静2010.10,参考书目,孟庆巨等，半导体器件物理，科学出版社，2009曾谨言，量子力学导论，北京大学出版社,1998傅竹西，固体光电子学，中国科技大学出版社，1999黄昆原著，韩汝琦改编，固体物理学，高等教育出版社，1988姚建铨等，光电子技术，高等教育出版社，2006黄书万，光电材料，上海科学技术出版社，1987刘恩科等，半导体物理学，西安交通大学出版社，1998孟宪章等，半导体物理学，吉林大学出版社，1993,考核方式：,平时成绩（20%）：考勤及课堂提问期末成绩（80%）：文献综述（纸质+PPT）要求：每位同学从备选题目中选择其一，查阅相关文献，完成文献综述报告，并在课上做口头报告（1520分钟/人，并回答老师和同学提出的问题）。,文献综述备选题目：,量子点太阳能电池研究进展量子点生物荧光探针研究进展（可见光量子点、红外量子点等）量子点激光器研究进展半导体超晶格材料研究进展半导体发光二极管（LED）研究进展,课程主要内容：,第一章半导体光电材料概述第二章半导体中的电子状态第三章杂质和缺陷能级第四章非平衡载流子第五章PN结第六章半导体太阳能电池第七章发光二极管和半导体激光器第八章荧光量子点第九章超晶格（半导体物理学孟）,能带理论,周期场中运动的电子的能级形成能带是能带论最基本的结果之一。一般地，标志一个状态需要表明：（1）它属于哪一个能带；（2）它的简约波矢等于什么。,近自由电子近似,晶体中电子波函数(r)的求解，需要根据具体情况的不同采用不同的近似方法。近自由电子近似在某些晶体中，例如在金属中，正离子对价电子的束缚很弱，电子的势能V(r)的周期变化部分与平均动能比较起来要小，因此电子的运动虽受周期势场的影响，但很接近于自由电子，这样就把周期势场作为对自由电子的微扰来处理。(克勒尼希-彭尼),能带理论,近自由电子近似,它的解就是恒定场中自由电子的解：,假定周期势场的起伏比较小，作为零级近似，可以用势场的平均值代替V(r)，把周期起伏作为微扰来处理。,能带理论,近自由电子近似,因为周期起伏势场的微扰作用，E(k)将在k为处发生突变：原来较高的能量升高了，原来较低的能量下降排斥作用。,能带理论,自由电子,近自由电子近似,能带理论,近自由电子近似,能带,能带理论,紧束缚近似电子紧束缚在原子上的情形，适用于过渡金属中的3d电子，及固体中的其他内层电子。考虑将孤立原子放到布拉维格子的格点上，形成晶格时，单电子态发生的变化。电子的运动类似于孤立原子中束缚电子的情形，把其他原子场的作用看成是微扰作用。出发点是将晶体中的单电子波函数看成是N个简并的原子波函数的线性组合。,能带理论,紧束缚近似的主要结论,N个原子放到一起形成晶格时，由于最近邻原子波函数的交叠，N重简并解除，展宽成能带。由于能带从原子能级演化而来，能带常用原子能级的量子数标记，如3s,3p或3d带等。,电子在能级中的分布,能带中的电子在能级上的分布服从费米-狄拉克统计，可用费米分布函数描述。热平衡情况下，一个能量为E的量子态被电子占据的几率f(E)为,EF为费米能级。,费米能级,EF是反映电子在各个能级中分布情况的参数。对于具体的电子体系，在一定温度下，只要确定了EF，电子在能级中的分布情况也就完全确定了。对于一定的半导体，费米能级随温度以及杂质的种类和数量而变化。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。在绝对零度（T=0）时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。,导体、半导体和绝缘体的能带论解释,EF,费米能级,金属,半导体,绝缘体,T=0时,纳米材料的四大效应:小尺寸效应、量子限制（尺寸）效应、表面效应和宏观量子隧道效应。量子限制效应(QCE，QuantumConfinementEffect)，指固体材料的尺度缩小到一定值时，即在某一维度上可与电子的德布洛意波长或电子平均自由程相比拟或更小时，电子的运动受到局限，电子态呈量子化分布，连续的能带分解为分立的能级。零维量子材料：量子点、纳米团簇；一维量子材料：纳米线、纳米棒；二维量子材料：量子阱结构。在半导体发光材料中，只有当材料体系尺寸与激子玻尔半径相近时，才会出现量子限制效应。,2.3量子限制效应,相对于块体材料，半导体量子材料的吸收蓝移；带隙随量子材料尺寸的减小而展宽，发光峰蓝移。,一个原子,大小不同的量子点,块体材料,带隙,2.3量子限制效应,第三章杂质和缺陷能级,3.1半导体中的杂质能级3.2III-V族化合物半导体中的杂质3.3深能级3.4缺陷能级,实际半导体材料中，存在各种类型的缺陷和杂质，其会在半导体中引起附加的势场，产生局域化的电子态，使电子和空穴束缚在杂质或缺陷周围，在禁带中引入杂质能级和缺陷能级。,杂质和缺陷能级的形成,本征半导体：完全没有杂质和缺陷的半导体。,3.1半导体中的杂质能级,施主杂质和施主能级、N型半导体,施主杂质：杂质在带隙中提供带有电子的能级。V族元素在硅和锗中起施主杂质的作用。含施主杂质的半导体主要依靠电子导电，称为N型半导体。,施主电离能,能带中央的能量,3.1半导体中的杂质能级,受主杂质和受主能级、P型半导体,受主：杂质在带隙中提供空的能级。III族元素在硅和锗中起受主杂质的作用。含施主杂质的半导体主要依靠空穴导电，称为P型半导体。,受主电离能,3.1半导体中的杂质能级,如果半导体中同时含有施主和受主杂质，施主杂质上的电子首先要填充受主能级，剩余的才能激发到导带。施主和受主杂质之间的互相抵消作用称为杂质补偿，此时，半导体的导电类型由浓度大的杂质决定。,3.2III-V族化合物半导体中的杂质,杂质原子的价电子数与晶格原子的价电子数之间的关系是决定杂质行为的一个重要因素。在III-V族化合物半导体（如GaAs）中，取代晶格中V族原子的VI族原子（硒、碲）是施主杂质；取代III族原子的II族原子（锌、镉）是受主杂质。IV族原子可以既取代III族原子，也取代V族原子。哪种原子被取代得多，与IV族原子的浓度和外部条件（温度）有关。,3.3深能级,Si或Ge中的III族和V族杂质、III-V族化合物中II族或VI族杂质，其电离能都在0.01eV左右，该杂质能级称为浅能级。在半导体中还存在另一类杂质，它们引入的能级在禁带中心附近，这样的杂质能级称为深能级。由于电离能比较大，深能级对热平衡中的载流子浓度没有直接的贡献，但其可以作为电子和空穴的复合中心，从而缩短非平衡载流子的寿命。,3.3深能级,有的深能级杂质可存在几种不同的电离态，对应不同的能级，在禁带中引入多重杂质能级。既能成为施主，又能成为受主的杂质，称为两性杂质。,金原子最外层有一个价电子。锗中的金原子可分别接受1,2,3个电子而成为Au-,Au2-,Au3-,引入三个受主能级Ea1,Ea2,Ea3.金原子也可给出最外层的电子，成为Au+，引入一个施主能级Ed.,3.4缺陷能级（点缺陷）,对于离子晶体（氧化物、硫化物、硒化物等）,正电中心：正离子为间隙原子、负离子空位负电中心：负离子为间隙原子、正离子空位,正电中心具有提供电子的作用，是施主。负电中心是受主。利用成分偏离化学比的方法来控制半导体的导电类型。,在S分压大的气氛中处理PbS，产生Pb空位而获得P型PbS。在真空中对ZnO进行脱氧处理，产生O空位而获得N型ZnO。,3.4缺陷能级（点缺陷）,对于共价晶体（GaAs、InP等）,另一种点缺陷替位原子,A取代B的称为AB，B取代A的称为BA。一般认为，AB是受主，BA是施主。如GaAs起受主作用，AsGa其施主作用。这类缺陷在离子性强的化合物中存在的概率很小，可忽略。,二元化合物AB中，替位原子有两种。,第四章非平衡载流子,4.1非平衡载流子的产生与复合4.2准费米能级4.3复合机制,4.1非平衡载流子的产生与复合,热平衡：一定温度下没有外力和激发作用的稳定态。非平衡：自由载流子浓度偏离热平衡的情况。非平衡载流子：在外界作用下，能带中的载流子数目发生明显的改变，比平衡态多出来的这部分载流子成为过量载流子，或非平衡载流子。在半导体中，非平衡载流子具有极其重要的意义，许多效应都是由它们引起的。,4.1非平衡载流子的产生与复合,一定温度下，当没有光照时，N型半导体中电子和空穴的浓度满足:n0p0，若用光子能量大于禁带宽度的光照射，则可将价带的电子激发到导带。导带和价带分别比平衡时多出一部分电子n和空穴p，称为非平衡载流子浓度。,导带电子浓度：,价带空穴浓度：,ni:一定温度下，本征半导体中平衡载流子的浓度。,4.1非平衡载流子的产生与复合,非平衡载流子的注入,光注入：用光照射半导体产生非平衡载流子的方法。（光-电器件，光-光器件）电注入：给PN结加正向偏压，PN结在接触面附近产生非平衡载流子。当金属和半导体接触时，加上适当的偏压，也可以注入非平衡载流子。（电-光器件）,4.1非平衡载流子的产生与复合,非平衡载流子的复合,非平衡载流子的复合：非平衡载流子是在外界作用下产生的，当外界作用撤除以后，由于半导体的内部作用，导带中的非平衡电子将落入到价带的空状态中，使电子和空穴成对地消失。非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种弛豫过程，属于统计性的过程。,4.1非平衡载流子的产生与复合,统计性的过程,热平衡情况下，载流子的产生率=载流子复合率，使载流子浓度维持一定。当有外界作用时（如光照），产生率复合率，半导体中载流子数目增多，即产生非平衡载流子。随着非平衡载流子数目的增多，复合率增大，当产生率=复合率时，非平衡载流子数目不再增多。外界作用撤除后，产生率复合率，非平衡载流子数目逐渐减少，最后恢复到热平衡情况。,4.1非平衡载流子的产生与复合,非平衡载流子的寿命,实验证明，在只存在体内复合的情况下，t时刻非平衡载流子的浓度为,p为t=0时的非平衡载流子浓度。标志着非平衡载流子在复合前的平均存在时间，称为非平衡载流子的寿命，可以在10-210-9s的范围内变化。1/是单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的概率。,4.2准费米能级,热平衡时，可以用一个统一的费米能级EF来描述半导体中的电子和空穴的浓度。非平衡时，由于非平衡载流子的注入，费米能级变得没有意义。但可以定义EFn和EFp来代替上式中的EF，EFn和EFp分别为电子和空穴的准费米能级。,EFn,EFp,4.3复合机制,根据复合过程的微观机制，分为直接复合和间接复合。根据复合过程发生的位置，分为体内复合和表面复合。载流子复合时释放能量的方式：1）发射光子；2）发射声子；3）俄歇复合（将能量给予其他载流子，增加它们的动能）。,4.3复合机制,直接复合：电子由导带直接跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对消失。也称为带间复合。如果直接复合过程中同时发射光子，则称为直接辐射复合或带间辐射复合。,一般地，禁带宽度越小，直接复合的概率越大。锑化铟（带隙0.18eV）等小带隙的半导体中，直接复合占优势。,间接复合：最主要的是通过复合中心的复合。复合中心：晶体中的一些杂质或缺陷，它们在禁带中引入离导带底和价带顶都比较远的局域化能级，即复合中心能级。间接复合过程：电子跃迁到复合中心能级，然后再跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对地消失。复合中心从导带俘获一个电子，再从价带俘获一个空穴，完成电子和空穴对的复合。多数情况下，间接复合不产生光子，称为非辐射复合。,4.3复合机制,4.3复合机制,电子的俘获：概率与电子的浓度和空的复合中心密度成正比。电子的产生：概率与复合中心上的电子浓度成正比。空穴的俘获：概率与复合中心上的电子浓度及价带的空穴浓度成正比。空心的产生：概率与复合中心上的空心浓度成正比。,4.3复合机制,表面复合,载流子的间接复合也可以发生在半导体的表面。表面复合中心：晶格结构在表面表现的不连续性在禁带中引入了大量的表面态。表面吸附离子、分子或机械损伤等造成的其他缺陷。表面处的复合率与表面处的非平衡载流子浓度成正比。如果半导体器件表面复合速率较高，则会使更多的注入的载流子在表面复合消失，以致严重影响器件的性能。因此在大多数器件生产中，总希望获得良好稳定的表面，尽量降低表面复合速率。,第五章PN结,5.1PN结的形成和杂质分布,结（junction）：任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触（原子级接触），有时也称为接触（contact）。PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触所形成的结构。它是几乎所有半导体器件的基本单元。半导体结有同型同质结（如P-硅和P-硅）、同型异质结（P-硅和P-锗）、异型同质结（如P-硅和N-硅）、异型异质结（如P-硅和N-锗）。制备PN结的主要技术是硅平面工艺，主要包括：离子注入工艺、扩散工艺、外延工艺、光刻工艺、真空镀膜技术、氧化技术以及测试、封装工艺。,5.1PN结的形成和杂质分布,形成PN结最普遍的方法是杂质扩散。在实际问题中，扩散结通常用突变结和线性缓变结来近似地描述。突变结：P区和N区杂质过渡陡峭。线性缓变结：两区之间杂质过渡是渐变的。单边突变结：一侧的杂质浓度远远大于另一侧杂质浓度的