宽禁带半导体.ppt

1、宽带隙半导体的研究现状与展望,西安交通大学 应用物理系 陈光德,1,以前商务人士总是在抱怨，公司使用的投影机体积太大，跑业务时，投影机是最让他们头痛的地方。最近三菱公司推出一款可以放在手掌上的DLP口袋式投影机，它不仅适合个人娱乐，更符合移动商务人士讲求便利、行动自如。 这款口袋式投影机的体积为121X 47 X 97（毫米），重400克，可以轻松放入用户口袋中. ?,2, 每日经济新闻 目前我国能源日益紧缺，LEDs照明可大大达到节电目的，预计2010年我国用电量将达2.7万亿度，照明用电量超过3000亿度。只要有1/3的白炽灯被LEDs灯取代，每年就能为国家节省用电近1000亿度，相当于一

2、个三峡工程的年发电量。 LEDs ?,3, 东方网-文汇报 2005年1月11日，日本东京高等法院做出判决，要求日亚化学工业公司向蓝色发光二极管发明人中村修二教授支付职务发明报酬8.43亿日元。 ?,4,What s the third generation semiconductors (TGS) ? Whats the third luminescence reverlution (TLR) ? The relationship between TGS and TLR 国家半导体照明工程 ZnO AlN,5,什么是第三代半导体(TGS)?,第一代半导体: 以 Si 为代表( 以Si, Ge

3、等元素半导体为主）； 第二代半导体：以 GaAs 为代表（以GaAs ，InGaAs等合金化合物半导体为主）； 第三代半导体: 以 GaN 为代表（以GaN, InGaN, ZnO, SiC等合金化合物为主）；,6,7,8,-V族GaN基系列半导体材料，主要包括GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN和AlGaInN等。室温直接带隙宽度分别为InN（0.7eV）、GaN（3.4eV）、AlN（6.2eV），三元合金的带隙变化0.7eV - 6.2eV所对应的光谱变化范围从紫外光延伸到红外光波区域，称之为全光谱材料。,9,GaN室温电子迁移率可达1000m2/(VS)。 GaN基系列半导体

4、材料具有强的原子键、化学稳定性好，在室温下不溶于水、酸和碱； GaN基半导体也是坚硬的高熔点材料，熔点高达约1770。 GaN具有高的电离度，在III-V族化合物中是最高的（0.5或0.43）。,10,GaN 基材料的器件应用 1、发光器件（LEDs, LDs); 2、场效应晶体管; 3、紫外光探测器; 4、微波波导 5、光存储器件 .,11,Whats the third luminescence reverlution(TLR)?,火的产生 照明领域的第一次革命，标志着人类从那时起有了可控的光源； 1879年，爱迪生发明了第一只白炽灯（碳丝），开始了照明领域的第二次革命，同时也拉开了人类现

5、代文明的序幕； （先天性缺陷：钨丝加热耗电大，灯泡易碎，高压不安全等）,12,1962年，第一只半导体发光二极管（LEDs Luminesence Electron Diode) 问世，孕育着照明领域将发生第三次革命（气体发光 固体发光）；,13,发光二极管（LEDs）,属于固体冷光源。是由半导体材料做成的p-n结，在正向偏压下以自发辐射的形式进行发光的发光器件; 它象一块汉堡包，中间层是一种将电能转换为可见光的半导体材料，上下两层是电极，光的颜色根据材料的不同而有变化。,14,At the junction, free electrons from the N-type material f

6、ill holes from the P-type material. This creates an insulating layer in the middle of the diode called the depletion zone.,发光二极管的基本原理（1）,15,When the negative end of the circuit is hooked up to the N-type layer and the positive end is hooked up to P-type layer, electrons and holes start moving and th

7、e depletion zone disappears,发光二极管的基本原理（2）,16,When the positive end of the circuit is hooked up to the N-type layer and the negative end is hooked up to the P-type layer, free electrons collect on one end of the diode and holes collect on the other. The depletion zone gets bigger,发光二极管的基本原理（3）,17,LED

8、s have several advantages over conventional incandescent lamps. For one thing, they dont have a filament that will burn out, so they last much longer. Additionally, their small plastic bulb makes them a lot more durable. They also fit more easily into modern electronic circuits.,18,发光二极管的优点： 节 能 耗电量

9、为普通白炽灯的 （白炽灯发光利用率低，红外、 紫外光部分被白白浪费掉了） 寿 命 长 10万小时 =使用50年（按5 小时/天计） 应用灵活 可以做成点、线、面各种形 式的轻、薄、短、小各种产品；,19,环 保 由于光谱中没有紫外线和红外线，既没 有热量，也没有辐射，属于典型的绿色照 明光源，而且废弃物可回收，没有污染； 控制方便 只要调整电流，就可以随意调光，不同光 色的组合变化多端，利用时序控制电路， 更能达到丰富多彩的动态变化效果。,20,The relationship between TGS and TLR?,1962年1991年，只有发红光的LEDs， 多被用在一些装饰等领域，充当

10、辅助光源的角色，未被用于日常照明。（ ？） 无蓝光、绿光LEDs 更无白光LEDs ( ? ) 原子发光 半导体发光,E = hv,E = hv,上能级,下能级,导带,价带,21,22,GaN-based semiconductors,InN,GaN,AlN and their alloys ( InGaN, AlGaN, AlGaInN ); Energy band gap（能带）: InN-0.7 eV, GaN-3.4 eV, AlN-6.2 eV Their alloys: from 0.7 eV to 6.2 eV - cover the wavelength from 200 nm

11、 (ultraviolet) to 868 nm ( infrared); (波长=1.23967x103 eV.nm),23,GaN基本物理特性,24,25,随着半导体材料生长技术的突破和P型GaN的成功制备 1991年世界上第一个蓝光GaN LEDs 在日本日亚工业公司问世 标志着新一代LEDs 的研制、开发和应用进入了一个新的时期；,26,国家半导体照明工程,2003年6月17日科技部联合六部委和十四个地方政府，从国家层面上启动了半导体照明工程，以抢时间、赶速度、和大力度为三个原则打造具有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业； 2003年10月，“十五”国家科技攻关计划“半导体照明产业化技

12、术开发 ”重大项目开始启动； 已启动上海、大连、北京、南昌四大示范基地；,27,国家半导体照明工程,总体目标：抓住照明革命的历史机遇，瞄准成熟的产业技术（低成本技术），以近期解决市场应用和产品的性价比，中远期培育新兴的大功率通用照明（白光）产业为目标，以应用促发展、解决产业化的关键技术和原创性核心技术，形成一批专利、培育一批企业、建设一批基地，形成有自主知识产权的标准体系，最终发展成为具有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业 。,28,国家半导体照明工程,具体目标： 解决功率型半导体芯片设计、功率型LED封装技术及荧光粉等封装材料制备等产业化关键技术，开发出市场急需的特殊照明应用产品，形成原创性

13、核心技术和一批专利。建立具有自主知识产权的半导体照明评价标准和知识产权联盟。建设半导体照明特色产业与应用示范基地，培养一批掌握核心技术的高技术产业。,29,30,景观照明市场 建筑装饰、室内装饰、旅 游景点装饰等； 汽车市场 是LED应用发展最快的市场 仪表盘、空调、音响等指示 灯、车灯等； 交通信号灯市场 上海市已明文规定：新安装 的交通信号灯一律采用LEDs；,31,户外大屏幕显示 上海东方明珠塔、北京 广外大街三公里长的景观装饰 特殊工作照明和军事应用 野外作业、防 爆、矿山、军事行动等； 其他应用 玩具、礼品、手电筒、装饰灯 等；,32,Fundamental Research on

14、GaN-Based Materials and Related Devices,History Material Growth Physics Properties Device Physics Theoretical Research Device Design and manufactory,33,AlN,34,AlN纤锌矿结构,AlN闪锌矿结构,AlN熔岩结构,35,AlN具有三种晶体结构：密排六方纤维锌矿结构（hexagonal wurtzite）、闪锌矿结构（zincblende）和熔岩结构（rocksalt）。密排六方纤维锌矿结构为AlN的稳定相，其晶格常数a的值在3.1103.1

15、13之间，而c的值在4.9784.982之间；静态介电常数为8.5，高频介电常数在4.844.86之间；光学声子的能量为113meV；其带结构为直接带隙结构，带宽为6.2eV。 闪锌矿结构为亚稳定结构，其晶格常数a4.38。熔岩结构为高压相（在高压的条件下才出现），其晶格常数a的室温值在4.0434.045之间。,36,AlN的热学和化学性能 AlN属于陶瓷，具有极高的硬度，非常高的熔点，其熔点高于2000，可以用来作为熔化铝，锡、镓等金属的坩埚，电解槽衬里及马弗管、喷嘴用的耐火材料；AlN的热导率非常高，其理论值为3.2Wcm-1K-1 41，在室温时的测量值为2.84 Wcm-1K-1；,

16、37,在室温时，AlN的各向热膨胀系数非常接近，其各向热膨胀系数分别为 = 4.2 x 10-6 K-1 和 = 5.3 x 10-6 K-1 6，其值与硅和GaAs的热膨胀系数非常接近。由于其优良的导热和绝缘性能以及与硅非常相近的热膨胀系数，使得AlN非常适合做集成电路的基片，这有利于集成电路的散热，尤其对现在集成电路的集成程度越来越高和越来越微型化的电子芯片来说，就更是非它莫属。,38,AlN其他的一些热学性能参数如下：其德拜温度为980K；热扩散系数为1.47 cm2s-1；300K时的比热为0.73Jg-1-1，在300K到1800K的温度范围，其比热的温度系数为1.097+7.991

17、0-5T0.358105T-2，在1800K到2700K的温度范围内，其比热的温度系数为0.892+0.18810-3T。,39,AlN的应用 A1N具有多方面的综合优异性能，在许多领域均有广阔的应用前景。目前，A1N主要用作大规模集成电路和半导体电子器件的基片、封装材料以及制作紫外探测器（日盲探测器）。 基片和封装材料除了要求具有良好的绝缘性和足够的强度外，还要求材料具有以下的特性：(1)导热性能好，以便迅速带走电路运作时产生的热量。(2)热膨胀系数与硅接近，以避免产生大的热应力。(3)介电常数和介电损耗低，以降低信号传递的延迟时间。,40,ZnO,41,ZnO 直接带隙 3.37eV(30

18、0K)与GaN和SiC相比，来源丰富，价格低廉,ZnO带隙宽度可通过二价离子（如Mg2+等）取代Zn2+而连续可调，如带隙可随Mg组分的变化在3.37eV(ZnO)到7.8eV(MgO)只见连续可调！,42,97年ZnO薄膜光泵浦紫外激光的获得和多晶ZnO薄膜自形成谐振腔激光的出现，极大地鼓舞了人们的研究热情，使得ZnO材料成为继GaN之后，宽禁带半导体光电材料领域研究的热点之一。,43,一透明导电ZnO薄膜 透明导电氧化物（transparent condactive oxide简称TCO）薄膜主要包括In、Sb、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电 特性，广泛地应用于太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。透明导电薄膜以掺锡氧化铟（tin-dopedindium oxide简称ITO）为代表，研究与应用较为广泛、成熟，在美日等国已产业化生产。近年来ZnO薄膜的研究不断深入，掺铝的Zn