第6章-电子与微电子材料-63-半导体材料.ppt

1、1,6.3.5 重要的化合物半导体,6.3.6 半导体的应用,6.3 半导体材料,2,什么是半导体？,从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体。电阻率介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数半导体。,电阻率： 导体： 10-4cm 如：Cu=10-6cm 半导体：10-3cm108cm 如：Ge=0.2cm 绝缘体：108cm,6.3.1 半导体材料概述,电阻温度系数图,3,定义,半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mcm1Gcm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

2、,4,凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。,5,2.负电阻温度系数 Si：T=300K =2 x 105 cm T=320K =2 x 104cm 3.具有整流效应,电学性质, 电阻率:电阻率可在很大范围内变化,半导体的主要特征,6,6.3.2 半导体分类及特点,7,一、 无机半导体

3、晶体材料(组分),无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体。,1. 元素半导体晶体,Ge,Se,Si,C,B,Te,P,Sb,As,元素 半导体,S,I,Sn,熔点太高、 不易制成单晶,不稳定,易挥发,低温某种固相,稀少,8,9,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,（1）本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,10,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增

4、高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,11,完全纯净、具有一定晶体结构的半导体,本征半导体,最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。,Si,Ge,12,提纯的硅材料可形成单晶单晶硅,相邻原子由外层电子形成共价键,共价键,13,硅原子,价电子受到激发，形成自由电子并留下空穴。,半导体中的自由电子和空穴都能参与导电半导体具有两种载流子。,载流子的产生与复合：,共价键,价电子,自由电子和空穴同时产生,14,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又

5、不断进行复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好温度对半导体器件的性能影响很大。 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多，产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。故半导体器件对光照很敏感。 杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。,15,（2） 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1) N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。,如果在半导体

6、晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。,由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类N型半导体和 P型半导体。,16,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,17,掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或N型半导体。,在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。,室温情况下，本征硅中n0=p01.51010/cm3，当磷掺杂量在106量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。,18,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。

7、,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2) P型半导体,19,掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。,一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。,不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。,20,(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。 (2)本征半导体中加入

8、三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。 (3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。 常用的杂质元素 三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑,总结,21,多子和少子 在n型半导体中，np,电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 在p型半导体中，pn,空穴是多数载流子，电子是少数载流子。,22,化合物 半导体,-族,-族,金 属氧化物,-族,-族,-族,InP、GaN、GaAs、InSb、InAs,CdS、CdTe、CdSe、 ZnS,SiC,GeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTe,AsSe3

9、、AsTe3、AsS3、SbS3,CuO2、ZnO、SnO2,2. 化合物半导体及固溶体半导体,23,化合物半导体 -族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光电器件的主要材料，InSb/InAs禁带窄，电子迁移率高，主要用于制作红外器件和霍耳器件。 -族，Zn0，主要用于光电器件，场致发光 -族，PbS/PbTe,窄禁带，光敏器件 氧化物半导体，SnO2 硫化物半导体，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te) 稀土化合物半导体,EuO,TmS,24,二元化合物半导体： IIIA族的Al, Ga, In和 VA族的P, As, Sb可组成九种化合物，如 InP, GaP, InAs,

10、GaAs等，它们在制做发光器件、半导体激光器、高速晶体管和微波功率管等方面很有前途。 由IIB族的Zn, Cd, Hg 和VIA族的S, Se, Te组成的ZnS, CdS, CdSe, HgS等，主要用在制做光敏电阻、光探测器等方面。,25, Pb的S族化合物PbS, PbTe和 PbSe也是重要的半导体材料，它们由于禁带宽度较窄，具有显著的红外光电导，可以制做红外探测器，是一类人们感兴趣的红外光电导材料。 Bi的S族化合物也是半导体材料，如Bi2Te3可作为一种热电材料。 IVA族的C, Si, Ge, Sn, Pb元素间组成的化合物半导体，如SiC。,26,除了二元化合物半导体外，还存在

11、一些三元甚至四元化合物半导体。如属于黄铜矿的CuFeS2, CuInTe2, CuInSe2和CuAlTe2都具有明显的整流特性。 但是，目前对多元化合物的研究进展并不大，主要是由于制备和提纯这些化合物非常困难，有些材料甚至连单晶的生长都很难控制。,27,固熔体半导体,固熔体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相互溶合而成。可分为二元系和三元系，二元系有IVA-IVA组成的Ge-Si固熔体；VA-VA组成的Bi-Sb固熔体。三元系有GaAs-GaP组成的GaAs1-xPx和HgTe-CdTe组成的Hg1-xCdxTe。 这些混合晶体材料可以通过选取不同的配比x，来调节并达到需要的物理参量（如

12、禁带宽度、折射率），这样人们就可能根据需要设计具有某些电学和光学特性的材料来满足器件的需要。,28,(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半导体； (2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半导体,3. 非晶态半导体（结构）,有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物。,酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大键结构。,4.有机半导体（组分）,29,1874年 F.Braun 金属半导体接触,氧化铜、硒 整流器、曝光计,1879年Hall效应 K.Beadeker半导 体中有两种不同 类型的

13、电荷,1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain 锗晶体管 (transistor) 点接触式的,硅 检波器,萌芽期,硅 晶体管,二、半导体的发展,30,1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法 制得高纯硅,1950年G.K.Teel 直拉法 较大的锗单晶,1952年G.K.Teel 直拉法 第一根硅单晶,1957年 第一颗砷化镓 单晶诞生,进入成长期,1952年H.Welker 发现-族化 合物,1958年W.C.Dash无位错硅单晶,31,1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层， 半导体激光器,1963年砷化镓 微波振荡效应,硅外延技术,1965年J.B.Mull

14、in发明氧化硼液封直拉法砷化镓单晶,And then?,成熟期,32,分子束外延MBE,金属有机化学汽相沉积MOCVD,半导体超晶格、量子阱材料,杂质工程,能带工程,电学特性和光学特性可裁剪,33,34,35,PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,6.3.3 PN结及半导体二极管,36,PN结的形成由于P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；N区多数载流子是电子，少数载流子是空穴，这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此，N区的电子必然越过界面向P区扩散，并与P区界面附近的空穴复合而消失，在N区的

15、一侧留下了一层不能移动的施主正离子；同样，P区的空穴也越过界面向N区扩散，与N区界面附近的电子复合而消失，在P区的一侧，留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结。,37,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,38,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间

16、电荷区变薄。,39,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,40,空间电荷区及内建电场的形成过程示意图,达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流, 势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消。 整个pn结具有统一的费米能级。 能带弯曲势垒高度。,41,PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N区加正电压。,42,当电源正极接P区，负极接N区时，称为给p-n结加正向电压或正向偏置。结果在电路中形成了较大的正向电流。,当电源正极接N区、负极接P区时，

17、称为给p-n结加反向电压或反向偏置。结果在电路中形成了很小的反向电流。,p-n结的电压、电流关系单向导电性,43,PN结正向偏置,内电场减弱，使扩散加强， 扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,44,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流 很小，A级,45,综上所述: PN结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的正向电流， PN结呈导通状态；PN结反向偏置时，结电阻很大， 回路中的反向电流很小，几乎接近于零，PN结呈截止状态。 所以，PN结具有单向导电性。,46,伏安特性,PN结伏安特性曲线,47,PN结的击穿特性 当PN结外加反

18、向电压超过某一电压值时， 反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压 。,PN结的击穿特性,48,PN结的温度特性 实验证明，在室温下，温度每升高1，在同一正向电流下， PN结正向压降VF减小22.5 mV；温度每升高10，反向饱和电流Is大约增加 1 倍。所以当温度升高时，PN结的正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。 此外, PN结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明， 雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。,49,光生伏特效应-Photovoltaic

19、,用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为自建电场）的作用，电子和空穴被分开，产生光生电流或者光生电压。 这种由内建电场引起的光-电效应，称为光生伏特效应。 利用光电效应可以制成太阳能电池，直接把光能转换成电能，这是它最重要的实际应用。另外，光生伏特效应也广泛应用于光电探测器。下面以P-N结为例介绍这种效应。,50,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。,51,p-n 结和晶体管,p-n 结是构成各种半导体器件的基础，其最重要的特性是单向导电性,P-n结的构造：,P型半导体与n型半

20、导型接触形成的偶电层结构 这种结构称为P-n结。,扩散,52,晶体管：二极管和三极管,二极管单向导电，三极管放大,P - n 结整流特性,53,硒 结晶炭 灰锡 锗 硅,6.3.4 元素半导体,54,周期表中半导体相关元素,55,1、硒,实际应用的最早半导体材料 禁带较宽，大于1.7ev 分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体（红硒、灰硒） 主要用来制作光电池、摄像靶、整流器； 硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载能力强等优点,56,2、结晶炭,1）金刚石 金刚石薄膜具有禁带很宽、高热导率、高临界击穿电场、高电子饱和速度、低介电常数，适合制造高性能电力电子器件和高温电子学器件 电阻率很高，但掺杂

21、可使电阻率降低 高热导率 ，可作切割工具燃料 对光的折射率高，吸收系数低，在光电子学领域存在潜在的应用价值,金刚石,57,2）C60,C60 分子由五原环和六元环构成的炭笼分子结构 常温常压下发生向金刚石转变的结构变相，为金刚石的人工合成提供了潜在的新途径 金刚石薄膜CVD淀积前在衬底上涂一层C60对成核起明显促进作用。,炭笼分子结构,58,3）碳纳米管（CNT）,碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米的中间空闭合管状物。 螺旋矢量参数（n,m）,只有n-m=3k(k为非零整数)的碳纳米管为半导体，其余为导体 替代硅进一步缩小高集成电路尺寸，提高电路运算速度有了希望,双壁碳纳米管纳

22、机电系统用,59,3、灰锡,锡有两种同素异形体，灰锡和白锡 灰锡：不稳定；具有金刚石结构，立方晶系 白锡：四方晶系 窄禁带特征有可能用于远红外探测器方面,60,4、 锗,1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之间存在着一个“类硅”的元素。 1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中分离出Ge，并将其命名为Ge（Germanium）以纪念他的祖国。 Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50年代，Ge是主要的半导体电子材料,61,锗的分布,锗在地壳中含量约为百万分之一，分布极为分散，常归于稀有元素； 1. 在煤和烟灰中； 2. 与金属硫化物共生； 3. 锗矿石,锗,62

23、,锗的应用,属金刚石结构 由于Ge的禁带较窄，器件稳定工作温度远不如硅器件高，加之资源有限，目前，Ge电子器件不到总量的10%，主要转向红外光学等方面。,63,硅的分布 氧化硅 化学性质 晶体结构 能带结构 电学性质 硅中的杂质 硅的优点 硅的用途,5、 硅,64,硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识，古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。 由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们把它看成是不能再分的简单物质。 大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸作用发现氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石复杂组成的大门。,65,尤其在电池发明以后，化学家们利用电

24、池获得了活泼的金属钾、钠，初步找到了把硅从它的化合物中分离出来的途径。 1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius J.J.)用金属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热，首次制得较纯的粉状单质硅。 1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物氯化物熔盐电解法制得晶体硅。,66,地壳中各元素的含量,67,硅在自然界分布极广，地壳中约含26.3， 在自然界中是没有游离态的硅 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。,硅的分布,68,硅的化学性质,原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。,14Si,32Ge,69,

25、晶体硅,晶体硅为钢灰色，密度2.4 gcm3，熔点1420，沸点2355，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。,硅,70,化学性质稳定,常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应 高温下，较活泼,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4 +2H2,Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2,Si + O2 SiO2,71,氧化硅,水晶,玛瑙,石英坩埚,光导纤维,72,表面易纯化，形成本征二氧化硅层,二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用： 1. 对杂质扩散起掩蔽作用； 2. 对器件的表面保护和钝化作用 3. 用于器件的绝缘隔离层 4. 用作MOS器件的绝缘栅材料等,73

26、,硅的晶体结构,10928,74,硅原子,SiO2四面体,氧原子,75,硅的能带结构,间接带隙结构,76,电学性质,本征载流子浓度 1. 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。 2. 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。 3. 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。,77,硅中的杂质,1. n型掺杂剂：P，As，Sb 2. p型掺杂剂：B 3. 轻元素杂质：O，C，N，H 4. 过渡族金属杂质：F

27、e，Cu，Ni,78,O的危害,热处理过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚，沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等； 氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷；,79,C的危害,C会降低击穿电压，增加漏电流； C会促进氧沉淀和新施主的形成； C会抑制热施主的形成,80,H的作用,H在硅中处于间隙位置，可以正负离子两种形态出现； H在硅中形成H-O复合体 H能促进氧的扩散和热施主的形成； H会钝化杂质和缺陷的电活性； H能钝化晶体的表面或界面，提高器件的性能,81,过渡金属的危害,在硅中形成深能级中心或沉淀而影响器件的电学性能； 减少少子扩散长度从而降低寿命； 形成金属复合体，影响器件和材料的性能,

28、82,硅材料的优点,资源丰富、易于提高到极纯的纯度 较易生长出大直径无位错单晶 易于对进行可控n型和p型掺杂 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料,83,易于进行腐蚀加工 带隙大小适中 硅有相当好的力学性能 硅本身是一种稳定的绿色材料,84,可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触 容易截断或者解理硅晶体 硅表面上很容易制备高质量的介电层SiO2,85,多晶硅的优点,多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备的优点 重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮栅、电极等 轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负载电阻和其他电阻器,86,多晶硅薄膜由

29、于具有比非晶硅TFT(薄膜场效应晶体管)更高的载流子迁移率、更快的开关速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工艺兼容等特点,87,非晶硅的优点,非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化膜材料之一 对活性半导体表面进行钝化对提高器件性能、增强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其封装成品率等有重要作用,88,硅的用途,高纯的单晶硅是重要的半导体材料； 金属陶瓷、宇宙航行的重要材料； 光导纤维通信，最新的现代通信手段； 性能优异的硅有机化合物等,89,1）重要的半导体材料,硅可用来制造集成电路、晶体管等半导体器件,太阳能电池,90,2）高温材料,金属陶瓷的重要材料： 将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复

30、合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。,宇宙航行的重要材料 耐高温隔热层，航天飞机能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。,91,3）光导纤维通信,用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。 光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。,92,化合物半导体,所有完全由IV元素组成的元素半导体和化合物半导体的能带结构均为间接跃迁型； 晶体结构为闪锌矿结构的IIIV族化合物

31、以GaAs为界，平均原子序数比GaAs小的是间接跃迁型，其余均为直接跃迁型； IIVI族化合物全为直接跃迁型。,93,IIIV族化合物半导体材料 IIVI族化合物半导体材料 IV VI族化合物半导体材料 IV IV族化合物半导体材料 其它化合物半导体材料,94,常见的III-V化合物半导体,95,一、GaAS,能带结构 物理性质 化学性质 电学性质 光学性质,96,GaAs能带结构,直接带隙结构 双能谷：强电场下电子从高迁移率能谷向低迁移率能谷转移，引起电子漂移速度随电场的升高而下降的负微分迁移率效应 存在子能谷；子能谷与主能谷能量差小于禁带宽度而大于Kt；电子在子能谷的有效质量大于在主能谷的

32、有效质量。 带隙为1.42 eV,97,GaAs物理性质,GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽 分子量为144.64 原子密度4.421022/cm3,98,GaAs化学性质,GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离解,99,GaAs电学性质,电子迁移率高达 8000 GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3 用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快34倍 高频器件，军事上应用,100,GaAs光学性质,直接带隙结构 发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光电器

33、件和半导体激光器等,101,GaAs的应用,GaAs在无线通讯方面具有众多优势 GaAs是功率放大器的主流技术,102,1）GaAs在无线通讯方面,砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频”传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合传输影音内容，符合现代远程通讯要求。 一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号”的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不佳的障碍。 砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于避免卫星通讯时

34、暴露在太空中所产生的辐射问题。,103,砷化镓与硅元件特性比较,104,GaAs非常适合高频无线通讯,105,2）GaAs是功率放大器的主流技术,砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主，内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。 手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA），由于对放大功率的严格要求，因此使用GaAs制造将是最佳方式。 GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路，特别是功率放大器的主流制

35、程技术。,106,手机是促进GaAs IC市场增长的主要动力,根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。 2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008年达37亿美元 GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是主要增长动力，2003年无线市场占GaAs器件总体需求的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增长，但2008年手机仍至少占GaAs市场的33% 随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为双频和三频，仅手机这项需求，2008年GaAs芯片达到约30亿颗,107,国内外现状对比,目前我国在研制通信用砷化镓器件

36、方面尚处于起步阶段。 手机用砷化镓电路基本靠进口。随着我国通信产业迅速发展，对砷化镓器件需求越来越大。 砷化镓电路用于手机的功放和开关部分，还可用于移动通信基站、光通信、卫星通信、CATV、军事通信等重要用途，应用领域非常广泛。,108,3）GaAs还有更多的应用领域,光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。 随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求，还有GaAs基高

37、效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。 我国数十亿只LED管芯，所有的可见光激光器、高亮度发光管、近红外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高质量的低阻GaAs单晶，促进LED管芯、可见光激光器、高亮度发光管和高效率高效太阳能电池的商品化生产，将有力地发展我国民族的光电子产业。,109,GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。 它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导

38、率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力 在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。是很优越的微波材料,二、GaN,110,室温下GaN禁带宽度为3.4 Ev 在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构 其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料,111,氮化镓与其它半导体材料的比较,112,材料的特性 化学性质 结构特征 电学性质 光学性质 材料的应用,113,1）GaN材料的特性,高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G） 高温特性，在300正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境） 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好 耐

39、酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） 高压特性（耐冲击，可靠性高） 大功率（对通讯设备是非常渴望的）,114,2）GaN的化学特性,在室温下，GaN不溶于水、酸和碱； 在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解； NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测； GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性； 而在N2气下最为稳定。,115,3）结构特征,立方系闪锌矿结构和六方纤锌矿结构； 在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。,116,4）GaN的电学特性,GaN的电学特性是影响器件的主要因素。 未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最

40、好的样品的电子浓度约为 一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。,117,5）GaN的光学特性,宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.36.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的 主要在蓝光和紫光发射器件上应用,118,GaN的应用,1. 实现半导体照明。 国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。,119,半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一,120,日亚公司1

41、994年首创用MOCVD制备了GaN LED,121,发光二极管 LED,发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。 当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。,发蓝光的二极管,122,LED应用,半导体白光照明 车内照明 交通信号灯 装饰灯 大屏幕全彩色显示系统 太阳能照明系统 其他照明领域 紫外、蓝光激光器 高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等,123,LED照明的优点,发光效率高，节省能源 耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的1/2。 绿色环保 冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，

42、产生废物少 寿命长 寿命可达10万小时 固体光源、体积小、重量轻、方向性好 单个单元尺寸只有35mm 响应速度快，并可以耐各种恶劣条件 低电压、小电流,124,Ge： Eg0.67 eV 红光 GaP：Eg2.25 eV 绿光 GaN：Eg3.4 eV 蓝光,波长h/Eg; 其中，h是普朗克常数，Eg是禁带宽度,125,高亮度白光LED的实现,基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光,通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光,基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光,126,2. 提高光存储密度 DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高45倍，因此，宽禁带半导体技术还