半导体材料11

1、1 Semiconductor materials Lecturer: Aimin Liu & Weifeng Liu刘爱民 刘维峰 2 课程学习最终需要达到的效果n课程属于交叉学科（物理、化学、材料、器件等）n半导体材料课程基本内容（基本概念、原理和涉及相关器件制备应用）n产业项目及科研项目的开展过程中如何规划和设计n如何进行自己的科研报告3课程内容及安排n(一)、半导体材料特性(3学时)n(二)、半导体材料（5学时）n(三)、半导体工艺技术及测试分析（8学时）4(一)、半导体材料特性n1.半导体材料的发展趋势n2.半导体材料的分类n3.半导体材料的基本性质及应用n4.实例说明如何运

2、用半导体材料知识开展实验设计51. 半导体材料的发展趋势n禁带宽度的变化趋势n维度的变化趋势67发展趋势之一n第一代半导体材料，元素半导体材料，以Si和Ge为代表; Si：Eg=1.12 eVn第二代半导体材料，化合物半导体材料，以GaAs，InP等材料为代表; GaAs：Eg=1.46eVn第三代半导体材料，化合物半导体材料，以GaN，SiC，ZnO等材料为代表; GaN: Eg=3.3 eV8发展趋势之二n半导体材料另一发展趋势是：由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。n维度是一个空间的概念，长、高和宽是三个空间的维度。9n三维体材料：电子在其中可以自由

3、运动而不受限制的材料。n二维超晶格、量子阱材料：电子在X、Y平面里可以自由运动，在Z方向，由于它很薄，电子运动受到了限制。n一维量子线：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向X和Y都不能自由运动。它的能量在X和Y两个方向上都是量子化的。n量子点：电子在三个方向，X、Y、Z三个方向上都不能进行自由运动，即三个维度上的尺寸都比电子的平均自由程相比或更小，这时电子像被困在一个笼子中，它的运动在三个方向都被受限。102. 半导体材料的分类n1. 禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlNn2. 化学组分和结构的不同，又可分为：

4、 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等n3. 使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等 11按功能和应用按功能和应用微电子半导体微电子半导体光电半导体光电半导体热电半导体热电半导体微波半导体微波半导体气敏半导体气敏半导体 12按组成按组成无机半导体无机半导体有机半导体有机半导体按结构按结构晶体晶体非晶、无定形半导体非晶、无定形半导体多晶半导体多晶半导体单晶半导体单晶半导体元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体133.半导体材料的基本性质及应用n(1)半导体的晶体结构n(2)半导体的能带结构n(3) 半导体

5、的杂质和缺陷n(4) 半导体的电学性质n(5) 半导体的光学性质14晶体：晶体： 有有规则对称的几何外形；规则对称的几何外形； 物理性质物理性质(力、热、电、光力、热、电、光)各向异性各向异性； 有确定的熔点；有确定的熔点； 微观微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成排列，形成空间点阵空间点阵(晶格晶格)。简单立方晶格简单立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al 体心立方晶格体心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶格六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 15立方晶体立方晶体n半导体材料：多数是立方晶体和六角晶体。半导体材料

6、：多数是立方晶体和六角晶体。n立方晶体（等轴晶系），三边等长，相互正交。立方晶体（等轴晶系），三边等长，相互正交。n（a）简单立方晶系）简单立方晶系n原子在顶角，每个原子为原子在顶角，每个原子为8个晶胞共有，每个晶胞有个晶胞共有，每个晶胞有8个个原子在顶点上，晶胞体积就是一个原子占有体积。原子在顶点上，晶胞体积就是一个原子占有体积。16n（b）体心立方晶体）体心立方晶体n每个晶胞有每个晶胞有8个原子在顶点上，一个在体心，晶胞有个原子在顶点上，一个在体心，晶胞有2个原个原子。体心立方可看成简单立方体套构而成。子。体心立方可看成简单立方体套构而成。体心原子的划分，体心原子的划分，属于每个晶胞属于每

7、个晶胞 117n（c）面心立方晶体）面心立方晶体n6个面中心各有个面中心各有1个原子，个原子， 6*1/2=3原子；原子；n8个顶角各有个顶角各有1个原子，个原子，8*1/8=1个原子。个原子。n每个面心立方晶胞有每个面心立方晶胞有4个原子。个原子。面心原子的划分，面心原子的划分，属于每个晶胞属于每个晶胞 1/218（2）半导体材料的能带结构间接带隙结构（以硅为例）19能带的形成 当当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成作用，对应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条条靠得很近的能级。使原来处于相同能级上

8、的电子，不再靠得很近的能级。使原来处于相同能级上的电子，不再有相同的能量，而处于有相同的能量，而处于N个很接近的新能级上。个很接近的新能级上。 N条条能级能级能带能带能隙，禁带能隙，禁带 E能带宽度：能带宽度： EeV N1023时，则能带中时，则能带中两能级间距：两能级间距：10- -23eV20轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3中度掺杂 掺杂浓度为10171019 cm-3重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3杂质离子100%电离载流子浓度低于掺杂浓度n(3) 半导体的杂质和缺陷21硅中的杂质n1. n型掺杂剂：P，As，Sbn2. p型掺杂剂：Bn3. 轻元素杂质：O，C，N，Hn4.

9、 过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni22（4）电学性质 本征载流子浓度 a. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。 b. 温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。 c. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。23本征载流子浓度（Si）n温度T=300 K，Eg=1.12 eV1031.07 10incm24电导率和电阻率n电导率n电阻率npnqpq125（5）光学性质n晶体半导体晶体半导体n直接跃迁和

10、间接跃迁n满足能量守恒和动量守恒n间接跃迁时需要声子的参与n非晶半导体非晶半导体n电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别n电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则n非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波失26n吸收系数n透射率n折射率n自发辐射、受激辐射27元素的电负性与原子的结合(化学特性) 电负性：原子吸引其在化合键中与另一个原子之共有电子偶的能力。n其值为：原子的电离能与电子亲和能之和。n其一般规律为：价电子数相同的原子，电子壳层越多，电负性越弱，电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。28n同种元素结合：电负性小者倾向于按金属键结合（铜、银、金），电负性大者倾向

11、于按共价键结合（金刚石、硅、锗）n化合物结合：电负性差别较大的两种元素倾向于按离子键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于按共价键结合电负性决定原子结合性质29太阳能电池材料nSi电池材料n化合物半导体材料30Si电池材料n单晶Si电池n多晶硅电池n带状硅电池n薄膜硅电池材料31化合物半导体材料nCuInSe2电池nCdTe电池；nGaAs电池nGaSb电池323334装片去损伤层扩散去边装片去氧化层制SiN膜印背电极烘干银铝背场烘干印前电极干燥烧结测试分类包装n太阳电池生产线工艺流程35半导体发光材料-导体激光器n1962年，GaAs激光二极管的问世，作为半导体光电子学的开端。n激光的激射波长

12、取决于材料的带隙，且只有具有直接带隙的材料才能产生光辐射，它使注入的电子空穴自己发生辐射复合以得到较高的电光转化效率36产生激光的条件n(1). 形成粒子数反转，使受激辐射占优势n(2). 具有共振腔以实现光量子放大n(3). 外界输入能量至少要达到阈值，使激光管的增益至少等于损耗37LD材料nGaAs基发光器件nInP基发光器件nGaN基发光器件nGaSb基发光器件38阵列激光器封装结构阵列激光器封装结构394041 PLD方法制备p-ZnO/n+-GaAs异质结发光器件 4.4.实例说明实例说明-如何运用半导体材料知识开展实验设计如何运用半导体材料知识开展实验设计42 氧化锌氧化锌光电光电

13、材料关键科学问题材料关键科学问题( (bottleneck) )：ZnO: Al透明导电薄膜透明导电薄膜As扩散扩散AsZn-2VZn复合结构复合结构N-In共掺杂共掺杂提高受主固溶度提高受主固溶度ZnO发光器件发光器件光电器件核心光电器件核心: :p-n结构结构43n根据Anderson模型计算p-ZnO/n+-GaAs异质结导带和价带的能量差：nEC =ZnOGaAs = 4.2 - 4.07 = 0.13 eVnEV =Eg,ZnOEg, GaAs + EC = 3.37-1.42+0.13 = 2.08 eV.n其中ZnO和GaAs的电子亲和势分别为4. 2 eV和4. 07 eVp-

14、ZnO/n+-GaAs异质结理想能带图44p-ZnO/n+-GaAs异质结异质结的电流-电压特性PLD方法制备p-ZnO/n+-GaAs异质结发光器件 按照p型ZnO薄膜的制备条件完成p-ZnO/n+-GaAs异质结发光器件的制备，（001）取向的n+-GaAs衬底上生长厚度约600 nm 的ZnO层，生长室内400 C退火90分钟nI-V特性曲线在正向偏压时，开启电压约为3 V，施加反向偏压时，呈现较低的反向击穿电压，击穿电压只有2 Vnn+-GaAs层带系很窄且为重掺杂n型，在反向偏压时，p-ZnO层中的少子容易隧穿到n+-GaAs层中-6-4-20246-0.040.000.040.08

15、0.12p-ZnO, 600 nmn+-GaAsAu Ge NiAu Znp-ZnO, 600 nmn+-GaAsAu Ge NiAu Zn Voltage (V)Current (A)45Dalian University of Technology6005004004080120160bPhoton energy (eV)Wavelength (nm)PL Intensity (a.u.)EL Intensity (a.u.)1.82.02.22.42.62.83.03.23.43.650100150200250 ap-ZnO层室温PL谱 ， p-ZnO/n+-GaAs异质结器件室温电致发

16、光谱n没有观察到近禁带宽度发光峰，较宽的蓝绿光发光带，其中心位于 2.5 eV，与Toru Aoki 2000年第一次报道的在110 K温度下p-n ZnO同质结电致发光谱中蓝绿光发光带相类似np-ZnO层PL谱中有较强的位于3.25 eV处的紫外发光峰和一个很宽的中心位于2.45 eV左右处的可见光发射带46Dalian University of Technologyp-ZnO/n+-GaAs异质结器件红外电致发光谱80010001200140016001800 n+-GaAs semi-insulated GaAs900nm Wavelength (nm)Intensity (a.u)1340 nmGaAs衬底PL光致发光谱n理论上GaAs材料禁带宽度为1.42 eV，PL谱测试