功能材料(半导体材料)课件

功能材料功能材料Function Materials主讲：主讲：孙彦彬孙彦彬 副教授副教授功能材料Function Materials主讲：1 半半导导体体材材料料的的发发展展与与器器件件紧紧密密相相关关。可可以以说说，电电子子工工业业的的发发展展和和半半导导体体器器件件对对材材料料的的需需求求是是促促进进半半导导体体材材料料研研究究和和开开拓拓的的强强大大动动力力；而而材材料料质质量量的的提提高高和和新新型型半半导导体体材材料料的的出出现现，又又优优化化了了半半导导体体器器件件性性能能，产产生生新新的器件，两者相互影响，相互促进。的器件，两者相互影响，相互促进。第六章第六章 半导体材料半导体材料 半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说，电子2 20世世纪纪70年年代代以以来来，电电子子技技术术以以前前所所未未有有的的速速度度突突飞飞猛猛进进，尤尤其其是是微微电电子子技技术术的的兴兴起起，使使人人类类从从工工业业社社会会进进人人信信息息社社会会。微微电电子子技技术术是是电电子子器器件件与与设设备备微微型型化化的的技技术术，一一般般是是指指半半导导体体技技术术和和集集成成电电路路技技术术。它它集集中中反反映映出出现现代代电电子子技技术术的的发发展展特特点点，从从而而出出现现了了大大规规模模集集成成电电路路和和超超大大规规模模集集成成电电路路。这这样样就就促促使使对对半半导导体体材材料料提提出出了了愈愈来来愈愈高高的的要要求求，使使半半导导体体材材料料的的主主攻攻目目标标更更明明显显地地朝朝着着高高纯纯度度、高高均均匀匀性性、高完整性、大尺寸方向发展。高完整性、大尺寸方向发展。20世纪70年代以来，电子技术以前所未有的速3 此此外外，利利用用多多种种化化学学气气相相沉沉积积技技术术，可可制制造造一一系系列列薄薄膜膜晶晶体体，其其中中分分子子束束外外延延技技术术可可以以人人为为地地改改变变晶晶体体结结构构，异异质质结结、超超晶晶格格、量量子子阱阱的的出出现现，改改变变了了人人们们设设计计电电子子器器件件的的思思想想，半半导导体体材材料料的的发发展展，有有着光明的前景。着光明的前景。此外，利用多种化学气相沉积技术，可制造46.1 6.1 半导体材料分类半导体材料分类 6.1.1 元素半导体元素半导体 元元素素半半导导体体大大约约有有十十几几种种处处于于IIIA族族-VIIA族族的的金金属属与与非非金金属属的的交交界界处处，如如Ge，Si，Se，Te等。等。6.1.2 化合物半导体化合物半导体1二元化合物半导体二元化合物半导体 (1)IIIA族族和和VA族族元元素素组组成成的的IIIA-VA族族化化合合物物半半导导体体。即即Al，Ga，In和和P，As，Sb组组成成的的9种种IIIA-VA族族化化合合物物半半导导体体，如如AlP，AlAs，Alsb，GaP，GaAs，GaSb，InP，InAs，InSb等。等。6.1 半导体材料分类 6.1.1 元素半导体5 (2)IIB族族和和VIA族族元元家家组组成成的的IIB-VIA族族化化合合物物半半导导体体，即即Zn，Cd，Hg与与S，Se，Te成成的的12种种IIB-VIA族族化化合合物物半半导导体体，如如CdS，CdTe，CdSe等。等。(3)IVA族族元元素素之之间间组组成成的的IVA-IVA族族化化合物半导体，如合物半导体，如SiC等。等。(4)IVA和和VIA族族元元素素组组成成的的IVA-VIA族族化化合合物物半半导导体体，如如GeS，GeSe，SnTe，PbS，PbTe等共等共9种。种。(5)VA族族和和VIA族族元元素素组组成成的的VA-VIA族族化化合合物物半半导导体体，如如AsSe3，AsTe3，AsS3，SbS3等。等。(2)IIB族和VIA族元家组成的IIB-62多元化合物半导体多元化合物半导体 (1)IB-IIIA-(VIA)2组组成成的的多多元元化化合合物物半导体，如半导体，如AgGeTe2等。等。(2)IB-VA-(VIA)2组组成成的的多多元元化化合合物物半半导体，如导体，如AgAsSe2等。等。(3)(IB)2-IIB-IVA-(VIA)4组组成成的的多多元元化化合物半导体，如合物半导体，如Cu2CdSnTe4等。等。2多元化合物半导体76.1.3 固溶体半导体固溶体半导体 固固溶溶体体是是由由二二个个或或多多个个晶晶格格结结构构类类似似的的元元素素化化合合物物相相互互溶溶合合而而成成。又又有有二二元元系系和和三三元元系系之之分分，如如IVA-IVA组组成成的的Ge-Si固固溶溶体体；VA-VA组成的组成的Bi-Sb固溶体。固溶体。由由三三种种组组元元互互溶溶的的固固溶溶体体有有：(IIIA-VA)-(IIIA-VA)组组成成的的三三元元化化合合物物固固溶溶体体，如如GaAs-GaP组组成成的的镓镓砷砷磷磷(GaAs1-xPx)固固溶溶体体和和(IIB-VIA)-(IIB-VIA)组组成成的的，如如HgTe-CdTe两两个个二二元元化化合合物物组组成成的的连连续续固固溶溶体体碲碲镉镉汞汞(Hg1-xCdxTe)等。等。6.1.3 固溶体半导体86.1.4 非晶态半导体非晶态半导体 原原子子排排列列短短程程有有序序、长长程程无无序序的的半半导导体体称称为为非非晶晶态态半半导导体体，主主要要有有非非晶晶Si、非非晶晶Ge、非非晶晶Te、非非晶晶Se等等元元素素半半导导体体及及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。等非晶化合物半导体。6.1.4 非晶态半导体96.1.5 有机半导体有机半导体 有有机机半半导导体体分分为为有有机机分分子子晶晶体体、有有机机分分子子络络合合物物和和高高分分子子聚聚合合物物，一一般般指指具具有有半半导导体体性性质质的的碳碳-碳碳双双键键有有机机化化合合物物，电电导导率率为为10-10102cm。一一些些有有机机半半导导体体具具有有良良好好的的性性能能，如如聚聚乙乙烯烯咔咔唑唑衍衍生生物物有有良良好好的的光光电电导导特特性性，光光照照后后电电导导率率可可改改变变两两个个数量级。数量级。C60也属有机半导体。也属有机半导体。6.1.5 有机半导体106.2 硅和锗半导体材料硅和锗半导体材料6.2.1 硅和锗的性质硅和锗的性质 硅硅和和锗锗都都是是具具有有灰灰色色金金属属光光泽泽的的固固体体，硬硬而而脆脆。两两者者相相比比，锗锗的的金金属属性性更更显显著著。锗锗的的室室温温本本征征电电阻阻率率约约为为50cm，而而硅硅的的约约为为2.3105cm，硅在切割时易碎裂。，硅在切割时易碎裂。硅硅和和锗锗在在常常温温下下化化学学性性质质是是稳稳定定的的，但但升升高高温温度度时时，很很容容易易同同氧氧、氯氯等等多多种种物物质质发发生生化化学学反反应应，所所以以在在自自然然界界没没有有游游离离状状态态的的硅和锗存在。硅和锗存在。6.2 硅和锗半导体材料6.2.1 硅和锗的性质11 锗锗不不溶溶于于盐盐酸酸或或稀稀硫硫酸酸，但但能能溶溶于于热热的的浓浓硫硫酸酸、浓浓硝硝酸酸、王王水水及及HF-HNO3混混合合酸酸中。中。硅硅不不溶溶于于盐盐酸酸、硫硫酸酸、硝硝酸酸及及王王水水，易易被被HF-HNO3混混合合酸酸所所溶溶解解，因因而而半半导导体体工工业业中中常常用用此此混混合合酸酸作作为为硅硅的的腐腐蚀蚀液液。硅硅比比锗锗易易与与碱碱起起反反应应。硅硅与与金金属属作作用用能能生生成成多多种种硅硅化化物物，这这些些硅硅化化物物具具有有导导电电性性良良好好、耐耐高高温温、抗抗电电迁迁移移等等特特性性，可可以以用用于于制制备备大大规规模模和和超超大大规规模模集集成电路内部的引线、电阻等。成电路内部的引线、电阻等。锗不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸、浓12锗锗锗锗和和和和硅硅硅硅都都都都具具具具有有有有金金金金刚刚刚刚石石石石结结结结构构构构，化化化化学学学学键键键键为为为为共共共共价价价价键键键键。锗锗锗锗和和和和硅硅硅硅的的的的导导导导带带带带底底底底和和和和价价价价带带带带顶顶顶顶在在在在k k空空空空间间间间处处处处于于于于不不不不同同同同的的的的k k值值值值，为为为为间间间间接接接接带带带带隙隙隙隙半半半半导导导导体体体体，见图见图见图见图6-16-1。图图6-1 锗硅的能带结构锗硅的能带结构锗和硅都具有金刚石结构，化学键为共价键。锗和硅的导带底和价带13 锗锗的的禁禁带带宽宽度度为为0.66eV，硅硅的的禁禁带带宽宽度度为为1.12eV。锗锗的的室室温温电电子子迁迁移移率率为为3800 cm2Vs，硅为，硅为1800 cm2Vs。杂杂质质对对锗锗、硅硅电电学学性性质质的的影影响响与与杂杂质质能能级级在在禁禁带带中中的的位位置置密密切切相相关关。在在锗锗、硅硅中中的的杂杂质质可可分分为为两两类类，一一类类是是IIIA族族或或VA族族元元素素，它它们们在在锗锗、硅硅中中只只有有一一个个能能级级，且且电电离离能能小小，一一个个杂杂质质原原子子只只起起一一个个受受主主或或施施主主作作用用，IIIA族族杂杂质质起起受受主主作作用用使使材材料料呈呈p型型导导电电，VA族族杂杂质质起起施施主主作作用用，使使材材料料呈呈n型型导导电电。另一类是除另一类是除IIIA、VA族以外的杂质。族以外的杂质。锗的禁带宽度为0.66eV，硅的禁带宽度为146.2.2 硅和锗晶体的制备硅和锗晶体的制备 生生长长锗锗、硅硅单单晶晶的的方方法法很很多多，目目前前锗锗主主要要用用直直拉拉法法，硅硅除除了了直直拉拉法法之之外外还还用用悬悬浮浮区区熔熔法法。直直拉拉法法又又称称(Czochralski)法法，简简称称CZ法法。它它是是生生长长元元素素和和IIIA-VA族族化化合合物物半半导导体体单单晶晶的的主主要要方方法法。该该法法是是在在盛盛有有熔熔硅硅或或锗锗的的坩坩埚埚内内，引引入入籽籽晶晶作作为为非非均均匀匀晶晶核核，然然后后控控制制温温度度场场，将将籽籽晶晶旋旋转转并并缓缓慢慢向向上上提提拉拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。6.2.2 硅和锗晶体的制备15 由由直直拉拉法法生生长长的的单单晶晶，由由于于坩坩埚埚与与材材料料反反应应和和电电阻阻加加热热炉炉气气氛氛的的污污染染，杂杂质质含含量量较较大大，生生长长高高纯纯单单晶晶困困难难。工工业业上上将将区区域域提提纯纯与与晶晶体体生生长长结结合合起起来来，可可制制取取高高纯纯单单晶晶，这这就就是是区区熔熔法法。在在高高纯纯石石墨墨舟舟前前端端放放上上籽籽晶晶，后后面面放放上上原原料料锭锭。建建立立熔熔区区，将将原原料料锭锭与与籽籽晶晶一一端端熔熔合合后后，移移动动熔熔区区，单晶便在舟内生长。单晶便在舟内生长。由直拉法生长的单晶，由于坩埚与材料反应和电阻166.2.3 硅和锗的应用硅和锗的应用 目目前前科科学学家家们们已已经经发发现现的的半半导导体体材材料料种种类类很很多多，并并且且正正在在不不断断开开拓拓他他们们的的应应用用领领域域，但但在在目目前前的的电电子子工工业业中中使使用用的的半半导导体体材材料料主主要要还还是是硅硅，它它是是制制造造大大规规模模集集成成电电路路最最关关键键的材料。的材料。小小容容量量整整流流器器取取代代真真空空管管和和硒硒整整流流器器，用用于于收收音音机机、电电视视机机、通通讯讯设设备备及及各各种种电电子子仪仪表表的的直直流流供供电电装装置置。可可控控硅硅是是大大容容量量整整流流器器，具具有有工工作作效效率率高高、工工作作温温度度高高、反反向向电电压高等优点。压高等优点。6.2.3 硅和锗的应用17 晶晶体体二二极极管管既既能能检检波波又又能能整整流流。晶晶体体三三极极管管具具有有对对信信号号起起放放大大和和开开关关作作用用，在在各各种种无无线线电电装装置置中中作作为为放放大大器器和和振振荡荡器器。晶晶体体管管较较真真空空管管具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、寿寿命命长长、坚坚固固耐耐振振、耐耐冲冲击击、启启动动快快、效效率率高高、可可靠靠性性好等优点。好等优点。将将成成千千上上万万个个分分立立的的晶晶体体管管、电电阻阻、电电容容等等元元件件、采采用用掩掩蔽蔽、光光刻刻、扩扩散散等等工工艺艺，把把它它们们“雕雕刻刻”在在一一个个或或几几个个尺尺寸寸很很小小的的晶晶片片上上集集结结成成完完整整的的电电路路，为为各各种种测测试试仪仪器器、通通信信遥遥控控、遥遥测测等等设设备备的的可可靠靠性性、稳稳定定性性和和超超小小型型化化开开辟辟了了广广阔阔前前景景。集集成成电电路路的的出出现现是半导体技术发展中的一个飞跃。是半导体技术发展中的一个飞跃。晶体二极管既能检波又能整流。晶体三极管具有对18 利利用用超超纯纯硅硅对对17m红红外外光光透透过过率率高高达达9095这这一一特特性性，制制作作红红外外聚聚焦焦透透镜镜，用用以对红外辐射目标进行夜视跟踪，照相等。以对红外辐射目标进行夜视跟踪，照相等。由由于于锗锗的的载载流流子子迁迁移移率率比比硅硅高高，在在相相同同条条件件下下，锗锗具具有有较较高高的的工工作作频频率率、较较低低的的饱饱和和压压降降、较较高高的的开开关关速速度度和和较较好好的的低低温温特特性性，主主要要用用于于制制作作雪雪崩崩二二极极管管、开开关关二二极极管管、混混频频二二极极管管、变变容容二二极极管管、高高频频小小功功率率三三极极管管等。等。利用超纯硅对17m红外光透过率高达9019 锗锗单单晶晶具具有有高高折折射射率率和和低低吸吸收收率率等等特特性性，适适于于制制造造红红外外透透镜镜、光光学学窗窗口口和和滤滤光光片片等等红红外外光光学学仪仪器器，主主要要用用于于热热成成像像仪仪。锗锗可可用用作作光光纤纤的的掺掺杂杂剂剂，提提高高光光纤纤纤纤芯芯的的折折射射率率，减减少色散和传输损耗。少色散和传输损耗。锗单晶具有高折射率和低吸收率等特性，适于制造206.3 化合物半导体材料化合物半导体材料 由由两两种种或或两两种种以以上上元元素素以以确确定定的的原原子子配配比比形形成成的的化化合合物物并并具具有有确确定定的的禁禁带带宽宽度度和和能能带带结结构构等等半半导导体体性性质质的的化化合合物物称称为为化化合合物物半半导体材料。导体材料。6.3.1 砷化镓砷化镓1砷化镓性质砷化镓性质 砷砷化化镓镓的的晶晶体体结结构构是是闪闪锌锌矿矿型型，每每个个原原子和周围最近邻的四个其它原子发生键合。子和周围最近邻的四个其它原子发生键合。6.3 化合物半导体材料21 砷砷砷砷化化化化镓镓镓镓的的的的化化化化学学学学键键键键和和和和能能能能带带带带结结结结构构构构与与与与硅硅硅硅、锗锗锗锗不不不不同同同同，为为为为直直直直接接接接带带带带隙隙隙隙结结结结构构构构，见见见见图图图图6-26-2。禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度比比比比硅硅硅硅、锗锗锗锗都都都都大大大大，为为为为1.43eV1.43eV。砷砷砷砷化化化化镓镓镓镓具具具具有有有有双双双双能能能能谷谷谷谷导导导导带带带带，在在在在外外外外电电电电场场场场下下下下电电电电子子子子在在在在能能能能谷谷谷谷中中中中跃跃跃跃迁迁迁迁，迁迁迁迁移移移移率率率率变变变变化化化化，电电电电子子子子转转转转移移移移后后后后电电电电流流流流随随随随电电电电场场场场增增增增大大大大而而而而减减减减小小小小，产产产产生生生生“负负负负阻阻阻阻效效效效应应应应”。砷砷砷砷化化化化镓镓镓镓的的的的介介介介电电电电常常常常数数数数和和和和电电电电子子子子有有有有效效效效质质质质量量量量均均均均小小小小，电电电电子子子子迁迁迁迁移移移移率率率率高高高高，是是是是一一一一种种种种特特特特性性性性比比比比较较较较全全全全面面面面兼兼兼兼有有有有多多多多方方方方面优点的材料。面优点的材料。面优点的材料。面优点的材料。图图6-2 砷化镓的能带结构砷化镓的能带结构 砷化镓的化学键和能带结构与硅、锗不同，为直接222砷化镓材料的制备砷化镓材料的制备 砷砷化化镓镓材材料料的的制制备备主主要要有有从从熔熔体体中中生生长长体单晶和外延生长薄层单晶等方法。体单晶和外延生长薄层单晶等方法。砷砷化化镓镓单单晶晶的的制制备备主主要要采采用用两两种种方方法法。一一种种是是在在石石英英管管密密封封系系统统中中装装有有砷砷源源，通通过过调调节节砷砷源源温温度度来来控控制制系系统统中中的的砷砷压压。这这种种方方法法包包括括水水平平舟舟区区熔熔法法、定定向向结结晶晶法法、温温度度梯梯度法、磁拉法和浮区熔炼法等。度法、磁拉法和浮区熔炼法等。2砷化镓材料的制备23 另另一一种种是是将将熔熔体体用用某某种种液液体体覆覆盖盖，并并在在压压力力大大于于砷砷化化镓镓离离解解压压的的气气氛氛中中合合成成拉拉晶晶，称称为为液液体体封封闭闭直直拉拉法法。目目前前国国内内外外在在工工业业生生产产中中主主要要采采用用水水平平区区熔熔法法和和液液封封直直拉拉法法制制备备砷化镓体单晶。砷化镓体单晶。砷砷化化镓镓膜膜材材料料主主要要通通过过外外延延技技术术制制备备。主主要要外外延延方方法法有有气气相相外外延延、液液相相外外延延和和气气束束外外延延。其其中中，砷砷化化镓镓外外延延工工艺艺具具有有生生长长温温度度低低、原原料料能能得得到到有有效效提提纯纯、杂杂质质污污染染少少、可可控控掺掺杂杂等等特特点点，可可以以得得到到任任意意厚厚度度、完完整整性性好和均匀性好的外延片。好和均匀性好的外延片。另一种是将熔体用某种液体覆盖，并在压力大于砷243砷化镓的主要用途砷化镓的主要用途 由由砷砷化化镓镓制制备备的的发发光光二二极极管管具具有有发发光光效效率率高高、低低电电压压、小小电电流流、低低功功耗耗、高高速速响响应应和和高高亮亮度度等等特特性性，易易与与晶晶体体管管和和集集成成电电路路相相匹匹配配，用用作作固固体体显显示示器器、讯讯号号显显示示、文文字字数数字显示等器件。字显示等器件。砷砷化化镓镓隧隧道道二二极极管管具具有有高高迁迁移移率率和和短短寿寿命命等等特特性性，用用于于计计算算机机开开关关时时，速速度度快快、时时间间短短。砷砷化化镓镓是是制制备备场场效效应应晶晶体体管管最最合合适适的的材材料料，振振荡荡频频率率目目前前已已达达数数百百千千兆兆赫赫以以上上，主主要要用用于于微微波波及及毫毫米米波波放放大大、振振荡荡、调调制制和和高速逻辑电路等方面。高速逻辑电路等方面。3砷化镓的主要用途256.3.2 磷化铟磷化铟 磷磷化化铟铟(InP)晶晶体体呈呈银银灰灰色色，质质地地软软脆脆。磷磷化化铟铟具具有有载载流流子子速速度度高高、工工作作区区长长、热热导导率大等特点，可以制作低噪声和大功率器件。率大等特点，可以制作低噪声和大功率器件。磷磷化化铟铟材材料料主主要要用用于于制制作作光光电电器器件件、光光电电集集成成电电路路和和高高频频高高速速电电子子器器件件。在在光光电电器器件件 的的 应应 用用 方方 面面，主主 要要 制制 作作 长长 波波 长长(1.31.6m)激激光光器器、激激光光二二极极管管、光光电电集集成电路等，用于长距离通信。成电路等，用于长距离通信。6.3.2 磷化铟26 磷磷化化铟铟的的抗抗辐辐射射性性能能优优于于砷砷化化镓镓，作作为为空空间间应应用用太太阳阳能能电电池池的的材材料料更更理理想想，其其转转换换效效率率可可达达20。在在高高频频高高速速电电子子器器件件应应用用方方面面，工工作作在在毫毫米米波波范范围围内内显显示示出出它它的的优优势势。InP的的异异质质结结双双极极晶晶体体管管(简简称称HBT)fT(特特征征频频率率)已已超超过过160GHz，InP的的高高电电子子移移动动率率晶晶体体管管(简简称称HEMT)最最高高fT已已达达到到320GHz，W波波 段段(波波 长长 范范 围围 0.3750.3cm，频频 率率 范范 围围80100GHz)振振荡荡功功率率达达到到10mW，这这些些器器件件可用于毫米波雷达、卫星通信。可用于毫米波雷达、卫星通信。磷化铟的抗辐射性能优于砷化镓，作为空间应用太276.3.3 磷化镓磷化镓 非非掺掺杂杂GaP晶晶体体在在室室温温下下呈呈红红色色，在在普普通通照照明明光光源源照照射射下下透透明明。在在GaP中中掺掺入入铬铬、铁铁、氧氧等等杂杂质质元元素素，成成为为半半绝绝缘缘材材料料。目目前前还未得到非掺杂半绝缘材料。还未得到非掺杂半绝缘材料。GaP是是间间接接带带隙隙材材料料，它它的的禁禁带带宽宽度度为为2.25eV，带带间间跃跃迁迁可可发发射射550nm的的绿绿光光，掺掺入入适适当当的的施施主主、受受主主杂杂质质，使使之之跃跃迁迁能能量量变变化减小，可发出黄、红光，但发光效率低。化减小，可发出黄、红光，但发光效率低。6.3.3 磷化镓28 若若在在GaP中中掺掺入入杂杂质质元元素素，将将间间接接跃跃迁迁转转化化为为直直接接跃跃迁迁，可可提提高高发发光光效效率率。在在GaP中中掺掺N可可提提高高绿绿光光发发光光效效率率，掺掺ZnO络络合合物物可提高红光发光效率。可提高红光发光效率。GaP单单晶晶是是化化合合物物半半导导体体材材料料中中生生产产量量仅仅次次于于GaAs单单晶晶的的材材料料，它它主主要要用用于于制制作作能能发发出出红红色色、纯纯绿绿色色、黄黄绿绿色色、黄黄色色光光的的发发光光二二极极管管，广广泛泛用用于于交交通通、广广告告等等数数字字和和图图象象显示。显示。若在GaP中掺入杂质元素，将间接跃迁转化为直296.3.4 碳化硅碳化硅 SiC是是一一种种重重要要的的宽宽禁禁带带半半导导体体材材料料。纯纯净净的的SiC无无色色透透明明，晶晶体体结结构构复复杂杂，有有近近百百种种。常常见见的的典典型型结结构构有有3C(也也称称-SiC)、4H、6H、15R-SiC。后后三三种种统统称称为为-SiC，其其中中6H-SiC是是稳稳定定的的结结构构，制制备备工工艺艺成成熟熟。C代代表表立立方方晶晶格格(闪闪锌锌矿矿)结结构构；H代代表表六六方方晶晶格格(纤纤锌锌矿矿结结构构)；R代代表表菱菱型型结结构构；-SiC代代表表所所有有具具有立方结构的有立方结构的SiC多型体。多型体。6.3.4 碳化硅30 SiC的的硬硬度度高高，莫莫氏氏硬硬度度为为9，低低于于金金刚刚石石(10)而而高高于于刚刚玉玉(8)。由由于于SiC单单晶晶具具有有较较大大的的热热导导率率、宽宽禁禁带带、高高电电子子饱饱和和速速度度和和高高击击穿穿电电压压等等特特性性，是是制制作作高高功功率率、高高频频率率、高高温温“三三高高”器器件件的的优优良良衬衬底底材材料料，并并可可用用于制作发蓝光的发光二极管。于制作发蓝光的发光二极管。SiC的硬度高，莫氏硬度为9，低于金刚石(1316.3.5 锗硅合金锗硅合金 锗锗硅硅合合金金是是由由硅硅和和锗锗形形成成的的溶溶解解度度无无限限的的替替位位固固溶溶体体，GexSi1-x合合金金的的晶晶格格常常数数遵遵从从以下规律：以下规律：a=aSi+x(aGe aSi)式式中中aSi和和aGe分分别别是是Si与与Ge的的晶晶格格常常数数。在在室室温温下下，aSi=0.543nm，aGe=0.565nm，晶晶格格失失配配约约为为4.17。合合金金的的a要要比比aSi大大，所所以以GexSi1-x合金的禁带宽度比合金的禁带宽度比Si的小。的小。6.3.5 锗硅合金32 在在通通常常压压力力下下，锗锗硅硅合合金金为为立立方方晶晶系系的的金金刚刚石石结结构构。锗锗硅硅合合金金有有无无定定形形、结结晶晶形形和和超超晶晶格格三三种种。无无定定形形主主要要有有-SiGeH，结结晶晶形形分分单单晶晶和和多多晶晶两两种种；超超晶晶格格主主要要有有应应变变和组分超晶格材料。和组分超晶格材料。结结晶晶形形锗锗硅硅合合金金的的制制备备方方法法有有直直拉拉法法、水水平平法法、热热分分解解法法和和热热压压法法。超超晶晶格格SiGe采采用用分分子子束束外外延延、金金属属有有机机化化学学气气相相沉沉积积等等方方法法 制制 备备，交交 替替 外外 延延 1100原原 子子 层层 厚厚 度度 的的GexSi1-x/Si周期结构材料。周期结构材料。在通常压力下，锗硅合金为立方晶系的金刚石结构33 锗锗硅硅材材料料具具有有载载流流子子迁迁移移率率高高、能能带带可可调调、禁禁带带宽宽度度易易于于通通过过改改变变组组分分进进行行精精确确调调节节等等特特点点，使使其其具具有有许许多多独独特特的的物物理理性性质质和和重重要要的的应应用用价价值值。在在器器件件的的制制造造工工艺艺方方面面，如如隔隔离离、光光刻刻、扩扩散散、离离子子注注入入等等，可可以以采采用用非非常常成成熟熟的的硅硅工工艺艺，SiGe工工艺艺与与Si工工艺艺相相兼兼容容，可可采采用用大大尺尺寸寸硅硅衬衬底底制制造造集集成成电电路路，从从而而提提高高材材料料的的利利用用率率，降降低低集集成成电电路路成成本本，是是一一种种很很有有发发展展前前途途材材料料，引引起起微微电电子子产产业业重视，被称为重视，被称为“第二代微电子技术第二代微电子技术”。锗硅材料具有载流子迁移率高、能带可调、禁带宽34 硅硅器器件件在在微微电电子子技技术术发发展展中中至至今今保保持持着着统统治治地地位位，其其集集成成度度越越来来越越高高，在在高高频频、高高速速领领域域也也提提供供了了优优越越的的性性能能。但但要要进进一一步步提提高高硅硅器器件件和和集集成成电电路路的的工工作作频频率率和和速速率率是是困困难难的的，而而且且晶晶体体管管的的频频率率和和速速率率的的提提高高与与放放大大系系数数的的提提高高是是矛矛盾盾的的。GaAs的的电电子子迁迁移移率率高高，漂漂移移速速度度快快，适适于于制制作作高高速速和和高高频频器器件件。但但GaAs单单晶晶片片制制备备工工艺艺比比硅硅复复杂杂，且且成成本本高高，单单晶晶尺尺寸寸不不如如硅硅单单晶晶大大，机机械械强强度度不不高高，易易破破碎碎，热热导导率率低低，散热不好且与硅的平面制造工艺不兼容。散热不好且与硅的平面制造工艺不兼容。硅器件在微电子技术发展中至今保持着统治地位，35 SiGe材材料料兼兼具具有有Si和和GaAs两两种种材材料料的的优优点点：高高的的载载流流子子迁迁移移率率，在在高高速速领领域域可可与与GaAs相相媲媲美美，在在制制造造工工艺艺上上又又与与硅硅平平面面工工艺相兼容，其各种应用前景甚好。艺相兼容，其各种应用前景甚好。SiGe材材料料主主要要用用作作太太阳阳能能电电池池，转转换换效效率率达达到到14.4，它它是是一一种种优优良良的的温温差差电电材材料料，热热端端温温度度达达到到10001100，具具有有效效率率高高、强强度度大大、热热稳稳定定性性好好、抗抗辐辐射射、重重量量轻轻等等优优点，用于航天系统的温差发电器。点，用于航天系统的温差发电器。SiGe材料兼具有Si和GaAs两种材料的优366.3.6 氮化镓氮化镓 硅硅和和锗锗被被称称为为第第一一代代电电子子材材料料，III-V族族化化合合物物半半导导体体包包括括GaAs、GaP、InP及及其其合合金金，被被称称为为第第二二代代电电子子材材料料，SiC、c-BN、GaN、AlN、ZnSe和和金金刚刚石石等等宽宽禁禁带带半半导导体体材材料料被被称称为为第第三三代代电电子子材材料料。这这些些材材料料制制作作的的器器件件在在大大功功率率、高高温温、高高频频和和短短波波长长应应用用方方面面的的工工作作特特性性远远远远优优于于Si和和GaAs制制作作的的器器件。表件。表6-1为各种半导体材料的物理特性。为各种半导体材料的物理特性。6.3.6 氮化镓37表表6-1 各种半导体材料的物理特性各种半导体材料的物理特性表6-1 各种半导体材料的物理特性38 正正如如As基基和和P基基化化合合物物半半导导体体成成功功地地应应用用于于红红外外、红红光光和和绿绿光光波波长长一一样样，III-V族族氮氮化化物物长长期期以以来来一一直直被被认认为为是是在在蓝蓝光光和和紫紫外外波波长长半导体器件应用方面有希望的材料系。半导体器件应用方面有希望的材料系。蓝蓝光光和和紫紫外外波波长长是是电电磁磁频频谱谱中中的的一一个个重重要要领领域域。目目前前，半半导导体体光光学学器器件件通通常常应应用用于于从从红红外外到到绿绿光光波波长长，如如果果这这一一范范围围可可以以扩扩展展到到蓝蓝光光波波长长，半半导导体体器器件件就就可可以以发发射射和和检检测测可可见见光光谱谱的的三三种种主主要要颜颜色色，蓝蓝光光激激光光器器可可用用于于新新一一代代光光学学数数据据储储存存系系统统，将将对对成成像像和和图图象应用产生巨大影响。象应用产生巨大影响。正如As基和P基化合物半导体成功地应用于红外39 GaN是是一一种种坚坚硬硬稳稳定定的的高高熔熔点点材材料料，GaN的的晶晶体体结结构构主主要要为为纤纤锌锌矿矿结结构构，其其晶晶格格常常数数随随生生长长条条件件、杂杂质质浓浓度度和和化化学学配配比比的的变变化化而而变变化化。由由GaN与与InP、AlN组组成成的的混混晶晶，形形成成三三元元化化合合物物AlGaN、GaInN、AlInN。InN的的禁禁带带宽宽度度为为2eV，GaN的的禁禁带带宽宽度度为为3.4eV，AlN的的禁禁带带宽宽度度为为6.3eV。三三者者构构成成的的化化合合物物半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度可可在在26.3eV之之间间变变化化，从从而而覆覆盖盖了了红红、黄黄、绿、紫及紫外的光谱范围。绿、紫及紫外的光谱范围。GaN是一种坚硬稳定的高熔点材料，GaN的晶40 GaN晶晶体体生生长长困困难难，目目前前主主要要制制备备薄薄膜膜材材料料。通通过过金金属属有有机机气气相相沉沉积积、分分子子束束外外延延、氢氢化化物物气气相相外外延延制制备备GaN及及其其异异质质结构外延材料。结构外延材料。制制备备GaN薄薄膜膜的的衬衬底底种种类类和和质质量量对对其其影影响响很很大大，在在选选择择衬衬底底时时要要考考虑虑下下列列因因素素，尽尽量量采采用用同同一一系系统统的的材材料料作作为为衬衬底底，失失配配度度越越小小越越好好，材材料料的的热热膨膨胀胀系系数数相相近近。表表6-2是是GaN各种衬底材料的性质。各种衬底材料的性质。GaN晶体生长困难，目前主要制备薄膜材料。通41表表6-2 GaN各种衬底材料的性质各种衬底材料的性质 表6-2 GaN各种衬底材料的性质 426.3.7 碲镉汞碲镉汞 碲碲镉镉汞汞材材料料是是目目前前最最重重要要的的红红外外探探测测器器材材料料，它它具具有有可可调调节节的的能能带带结结构构，探探测测器器可可覆覆盖盖125m的的红红外外波波段段，且且光光吸吸收收系系数大。数大。碲碲镉镉汞汞是是由由碲碲、镉镉和和汞汞三三元元素素构构成成的的一一种种化化合合物物材材料料，它它们们分分属属于于IIB族族和和VIA族族元元素素。该该材材料料的的物物理理性性质质随随组组分分x的的变变化化可可连连续续地地从从金金属属性性变变到到半半导导体体，即即随随着着x的的增增大大，其其禁禁带带宽宽度度从从HgTe的的负负值值过过渡渡到到CdTe的正值。的正值。6.3.7 碲镉汞43 由由此此可可见见Hg1-xCdxTe晶晶体体材材料料通通过过HgTe和和CdTe所所含含的的克克分分子子比比，可可随随意意改改变变材材料料的的能能隙隙宽宽度度。例例如如，可可从从x=0.17时时的的零零电电子子伏伏特特变变到到x=1时时的的1.60 eV。Hg1-xCdxTe是是一一种种直直接接跃跃迁迁型型半半导导体体，其其本本征征载载流流子子浓浓度度低低，电电子子有有效效质质量量小小，电电子子迁迁移移率率高高，电电子子与与空空穴穴迁迁移移率率比比大大，导导电电类类型型可可以以由由本本身身组组分分的的偏偏离离来来调调节节，也也可可以以用用掺掺杂杂办办法法来来控控制制，它它便于制成光导或光伏型的探测器件。便于制成光导或光伏型的探测器件。由此可见Hg1-xCdxTe晶体材料通过Hg44 HgCdTe作作为为本本征征半半导导体体，一一般般吸吸收收系系数数大大于于103cm-1，这这样样，在在工工作作波波段段内内，就就可可以以全全部部吸吸收收几几个个微微米米到到几几十十微微米米以以内内的的光光。Hg1-xCdxTe的的静静电电介介电电常常数数为为1417，高高频频介介电电常常数数为为1012.5，且且随随组组分分不不同同而而有有所所差差别别，因因此此可可制制成成高高速速响响应应器器件件，满满足足高高频频调调制制、外差探测和光通迅要求。外差探测和光通迅要求。HgCdTe作为本征半导体，一般吸收系数大于45另另外外，Hg1-xCdxTe的的固固有有氧氧化化表表面面态态密密度度低低于于109，适适于于制制作作金金属属-绝绝缘缘体体-半半导导体体(MIS)或或金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体(MOS)结结构构型型的的器器件件。从从上上述述优优越越的的光光电电特特性性看看出出，HgCdTe是是继继硅硅、砷砷化化镓镓等等材材料料之之后后的的第第三三代代应应用用最最广广泛的电子材料。泛的电子材料。另外，Hg1-xCdxTe的固有氧化表面态密度低于109，适46 Hg1-xCdxTe块块晶晶生生长长方方法法主主要要有有：布布里里奇奇曼曼法法、淬淬火火退退火火法法，碲碲溶溶剂剂法法和和移移动动加加热器法。热器法。焦焦平平面面器器件件对对HgCdTe材材料料提提出出大大尺尺寸寸、均均匀匀性性好好、低低位位错错密密度度和和信信息息处处理理电电路路集集成成等等要要求求，体体晶晶生生长长法法制制备备的的材材料料是是达达不不到到的的，而而薄薄膜膜材材料料可可以以满满足足这这些些要要求求。采采用用液液相相外外延延、气气相相外外延延等等方方法法可可以以制制备备HgCdTe薄薄膜膜材材料料，衬衬底底的的选选取取、晶晶向向及及表表面面清清洁洁过过程程对对HgCdTe外外延延膜膜的的成成核核与与生生长长起关键作用。起关键作用。Hg1-xCdxTe块晶生长方法主要有：布里47 化化合合物物半半导导体体材材料料经经过过几几十十年年的的研研究究，已已成成为为信信息息领领域域中中的的一一个个重重要要方方面面，在在微微波波、超超高高速速器器件件、光光电电器器件件等等方方面面有有广广泛泛的的应应用用。化化合合物物半半导导体体单单晶晶材材料料的的发发展展趋趋势是高纯度、大尺寸、高均匀性。势是高纯度、大尺寸、高均匀性。化合物半导体材料经过几十年的研究，已成为信息486.4 半导体微结构材料半导体微结构材料 半半导导体体异异质质结结、超超晶晶格格和和量量子子阱阱材材料料统统称称为为半半导导体体微微结结构构材材料料。由由两两种种不不同同半半导导体体材材料料所所组组成成的的结结，称称为为异异质质结结。两两种种或或两两种种以以上上不不同同材材料料的的薄薄层层周周期期性性地地交交替替生生长长，构构成成超超晶晶格格。当当两两个个同同样样的的异异质质结结背背对对背背接接起起来，构成一个量子阱。来，构成一个量子阱。6.4 半导体微结构材料49 在在过过去去的的十十几几年年中中，半半导导体体微微结结构构材材料料的的研研制制领领域域里里呈呈现现出出一一派派热热火火朝朝天天的的景景象象。材材料料科科学学家家借借助助于于分分子子束束外外延延(MBE)、金金属属有有机机化化学学气气相相沉沉积积(MOCVD)及及其其他他工工艺艺，在在GaAs，InP及及Si衬衬底底上上制制备备出出形形形形色色色色的的天天然晶体中所不存在的半导体微结构材料。然晶体中所不存在的半导体微结构材料。在过去的十几年中，半导体微结构材料的研制领50 固固体体物物理理学学家家在在对对超超晶晶格格的的超超周周期期性性和和量量子子限限制制效效应应的的研研究究中中，发发现现了了不不同同寻寻常常的的输输运运性性质质及及光光学学性性质质；应应用用物物理理学学家家改改变变了了电电子子器器件件的的设设计计思思想想，使使半半导导体体器器件件设设计计由由“掺掺杂杂工工程程”走走向向“能能带带工工程程”，进进而而制制造造了了许许多多新新型型器器件件，从从而而将将微微电电子和光电子领域推向一个引人入胜的境界。子和光电子领域推向一个引人入胜的境界。固体物理学家在对超晶格的超周期性和量子限制效51 1963年年，为为了了改改进进当当时时GaAs结结型型激激光光器器的的高高阈阈值值电电流流问问题题，Kroemer建建议议把把一一个个窄窄带带隙隙半半导导体体夹夹在在两两个个宽宽带带隙隙之之间间，从从而而提提高高注注入入效效率率和和增增加加载载流流子子限限制制，首首次次明明确确提提出出异异质质结结概概念念。1968年年，约约飞飞技技术术物物理理所所和和贝贝尔尔实实验验室室相相继继研研制制出出异异质质结结构构激激光光器器。1970年年，使使AlGaAs/GaAs DH激激光光器器实实现现室室温温受受激激发发射射，从从而而拉拉开开由由均均匀匀材料向半导体微结构材料变革的序幕。材料向半导体微结构材料变革的序幕。1963年，为了改进当时GaAs结型激光器的52 1969年年，江江崎崎和和朱朱兆兆祥祥提提出出由由两两种种不不同同带带隙隙的的超超薄薄层层构构成成的的一一维维周周性性结结构构，即即人人工工半半导导体体超超晶晶格格，并并设设想想了了两两种种不不同同类类型型的的结结构构：掺掺杂杂超超晶晶格格和和组组分分超超晶晶格格。半半导导体体超超晶晶格格概概念念促促进进了了刚刚刚刚出出现现的的MBE和和MOCVD薄薄膜膜生生长长新新技技术术的的不不断断改改进进和和提提高高，这这也也是是自自p-n结结、晶晶体体管管发发明明以以来来，半半导导体体科科学学的的一一次次重重大大突突破破。由由半半导导体体微微结结构构制制成成的的电电子子器器件件，对对光光通通讯讯、光光计计算算机机、智能计算机有着极其重要的作用。智能计算机有着极其重要的作用。1969年，江崎和朱兆祥提出由两种不同带隙的53 6.4.1 异质薄层材料异质薄层材料 p-n结结是是在在一一块块半半导导体体单单晶晶中中用用掺掺杂杂的的办办法法做做成成两两个个导导电电类类型型不不同同的的部部分分。一一般般p-n结结的的两两边边是是用用同同一一种种材材料料做做成成(如如Si，Ge，GaAs)称称为为同同质质结结。如如把把两两种种不不同同的的半导体材料做成一块单晶，称异质结。半导体材料做成一块单晶，称异质结。6.4.1 异质薄层材料54 两两种种材材料料禁禁带带宽宽度度的的不不同同以以及及其其它它特特性性的的差差异异，使使异异质质结结具具有有一一系系列列同同质质结结所所没没有有的的特特性性，在在器器件件设设计计上上将将得得到到某某些些同同质质结结不不能能实实现现的的功功能能，如如在在异异质质晶晶体体管管中中用用宽宽带带一一侧侧做做发发射射极极会会得得到到很很高高的的注注入入比比，获得较高的放大倍数。获得较高的放大倍数。异异质质外外延延生生长长是是指指不不相相同同材材料料相相互互之之间间的的外外延延生生长长，AlxGa1-xAs/GaAs表表示示外外延延薄薄膜膜/衬衬底底；x，(1x)分分别别代代表表Al，Ga的的相对含量。相对含量。两种材料禁带宽度的不同以及其它特性的差异，使55 超超晶晶格格结结构构就就是是这这些些外外延延层层在在生生长长方方向向上上的的周周期期排排列列，如如在在GaAs衬衬底底上上有有一一个个由由100nm的的Al0.5Ga0.5As层层和和10nm的的GaAs层层组组成成的的重重复复结结构构，用用符符号号表表示示就就是是Al0.5Ga0.5As(100nm)/GaAs(10nm)/Al0.5Ga0.5As(100nm)/GaAs(10nm)/GaAs，因因AlGaAs组组成成在在生生长长方方向向具具有有周周期期性性，所所以以该该结结构构称称为超晶格结构。为超晶格结构。超超晶晶格格的的晶晶格格周周期期并并不不是是取取决决于于材材料料的的晶晶格格常常数数(a0.5nm)，而而是是取取决决于于交交替替子子层层的的重重复复周周期期，如如上上述述例例子子中中的的100nm，10nm。与与电电子子平平均均自自由由程程相相关关的的超超晶晶格格周周期对于能否产生量子效应是一个重要参量。期对于能否产生量子效应是一个重要参量。超晶格结构就是这些外延层在生长方向上的周期排566.4.2 超晶格种类超晶格种类 从从超超晶晶格格诞诞生生以以来来，随随着着理理论论和和制制备备技技术术的的发发展展，到到目目前前已已提提出出和和制制备备了了很很多多种超晶格。种超晶格。1组分超晶格组分超晶格 在在超超晶晶格格结结构构中中，如如果果超超晶晶格格的的重重复复单单元元是是由由不不同同半半导导体体材材料料的的薄薄膜膜堆堆垛垛而而成成，则称为组分超晶格，见图则称为组分超晶格，见图6-3。6.4.2 超晶格种类57图图6-3 组分超晶格示意图组分超晶格示意图 在在在在组组组组分分分分超超超超晶晶晶晶格格格格中中中中，由由由由于于于于构构构构成成成成超超超超晶晶晶晶格格格格的的的的材材材材料料料料具具具具有有有有不不不不同同同同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。图6-3 组分超晶格示意图 在组分超晶格中，由于构成58 在在组组分分超超晶晶格格中中，由由于于两两种种材材料料的的能能带带在在异异质质结结界界面面处处“对对接接”情情况况不不同同，又又分分为为I，II，III型型 超超 晶晶 格格。I型型 超超 晶晶 格格：以以GaAs/AlGaAs为为代代表表，小小带带隙隙材材料料GaAs的的禁禁带带完完全全“落落”在在大大带带隙隙材材料料AlGaAs的的禁禁带带中中。电电子子和和空空穴穴都都限限制制在在同同一一材材料料中中，电电子子跃跃迁迁几几率率较较大大。II型型超超晶晶格格：又又分分为为错错开开型型和和倒倒转转型型，两两种种材材料料的的禁禁带带部部分分交交叠叠称称为为错错开开型型，两两种种载载流流子子的的势势阱阱分分别别在在两两种种材材料料中中；两两种种材材料料的的禁禁带带部部分分没没有有交交叠叠称称为为倒倒转转型。型。III型超晶格：以型超晶格：以InAs/GaSb为代表。为代表。在组分超晶格中，由于两种材料的能带在异质结界59I型超晶格型超晶格（能隙差（能隙差Eg=Eg2 Eg1=Ec+Ev）(Eg2=Ec+Ev+Eg1 Eg2 Eg1=Ec+Ev)I型超晶格（能隙差Eg=Eg2 Eg1=Ec60II型超晶格型超晶格(a)错开型错开型 (b)倒转型倒转型（能隙差（能隙差Eg=Eg2 Eg1=Ec Ev）(Eg2+Ev=Ec+Eg1 Eg2 Eg1=EcEv)II型超晶格(a)错开型 (b)倒转型612掺杂超晶格掺杂超晶格 掺掺杂杂超超晶晶格格是是在在同同一一种种半半导导体体中中，用用交交替替地地改改变变掺掺杂杂类类型型的的方方法法做做成成的的新新型型人人造造周周期性半导体结构的材料，见图期性半导体结构的材料，见图6-4。在在n型型掺掺杂杂层层，施施主主原原子子提提供供电电子子，在在p型型掺掺杂杂层层，受受主主原原子子束束缚缚电电子子，这这种种电电子子电电荷分布的结果，产生系列的抛物线形势阱。荷分布的结果，产生系列的抛物线形势阱。2掺杂超晶格62图图6-4 掺杂超晶格半导体能带结构掺杂超晶格半导体能带结构 图6-4 掺杂超晶格半导体能带结构 63 掺掺杂杂超超晶晶格格的的一一个个优优点点是是，任任何何一一种种半半导导体体材材料料只只要要很很好好控控制制掺掺杂杂类类型型都都可可以以做做成成超超晶晶格格。第第二二个个优优点点是是，多多层层结结构构的的完完整整性性非非 常常 好好，由由 于于 掺掺 杂杂 量量 一一 般般 较较 小小(1071019/cm3)，所所以以杂杂质质引引起起的的晶晶格格畸畸变变也也较较小小。因因此此，掺掺杂杂超超晶晶格格中中没没有有像像组组分分超超晶晶格格那那样样明明显显的的异异质质界界面面。第第三三个个优优点点，掺掺杂杂超超晶晶格格的的有有效效能能量量隙隙可可以以具具有有从从零零到到未未调调制制的的基基体体材材料料能能量量隙隙之之间间的的任任何何值值，取取决决于于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。对各分层厚度和掺杂浓度的选择。掺杂超晶格的一个优点是，任何一种半导体材料只643多维超晶格多维超晶格 一一维维超超晶晶格格与与体体单单晶晶比比较较具具有有许许多多不不同同的的性性质质，这这些些特特点点来来源源于于它它把把电电子子和和空空穴穴限限制制在在二二维维平平面面内内而而产产生生量量子子力力学学效效应应，进进一一步步发发展展这这种种思思想想，把把载载流流子子再再限限制制在在低低维维空空间间中中，可可能能会会出出现现更更多多的的新新的的光光电电特特性性。图图6-5为低维超晶格。为低维超晶格。用用MBE法法生生长长多多量量子子阱阱结结构构或或单单量量子子阱阱结结构构，通通过过光光刻刻技技术术和和化化学学腐腐蚀蚀制制成成量量子子线、量子点。线、量子点。3多维超晶格65图图6-5 一维、二维、三维超晶格及状态密度一维、二维、三维超晶格及状态密度图6-5 一维、二维、三维超晶格及状态密度664应变超晶格应变超晶格 初初 期期 研研 究究 超超 晶晶 格格 材材 料料 时时，除除 了了AlGaAs/GaAs体体系系以以外外，对对其其他他物物质质形形成成的的超超晶晶格格的的研研究究工工作作不不多多。原原因因是是它它们们之之间间的的晶晶格格常常数数相相差差很很大大，会会引引起起薄薄膜膜之之间间产产生生失失配配位位错错而而得得不不到到良良好好质质量量的的超超晶晶格格材材料料。但但如如果果多多层层薄薄膜膜的的厚厚度度十十分分薄薄时时，在在晶晶体体生生长长时时反反而而不不容容易易产产生生位位错错。也也就就是是在在弹弹性性形形变变限限度度之之内内的的超超薄薄膜膜中中，晶晶格格本本身身发发生生应应变变而而阻阻止止缺缺陷陷的的产产生生。因因此此，巧巧妙妙地地利利用用这这种种性性质质，制制备备出出晶晶格格常常数数相相差差较较大大的的两两种种材材料料所形成的应变超晶格。所形成的应变超晶格。4应变超晶格67 SiGe/Si是是典典型型IVA族族元元素素半半导导体体应应变变超超晶晶格格材材料料，随随着着能能带带结结构构的的变变化化，载载流流子子的的有有效效质质量量可可能能变变小小，可可提提高高载载流流子子的的迁迁移移率率，可做出比一般可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件。器件更高速工作的电子器件。6.4.3 超晶格中的电子状态超晶格中的电子状态 图图6-6为为半半导导体体GaAs的的能能带带结结构构，其其中中为为电电子子亲亲和和势势，Eg为为禁禁带带宽宽度度，Ev为为价价带带顶顶，Ec为为导导带带底底，E0为为真真空空能能级级，k为为波波矢矢。E(k)为电子能量。为电子能量。SiGe/Si是典型IVA族元素半导体应变超68图图6-6 GaAs的能带结构的能带结构 图6-6 GaAs的能带结构 69 在在在在组组组组分分分分超超超超晶晶晶晶格格格格中中中中，由由由由于于于于构构构构成成成成超超超超晶晶晶晶格格格格的的的的材材材材料料料料具具具具有有有有不不不不同同同同的的的的禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度，在在在在异异异异质质质质界界界界面面面面处处处处将将将将发发发发生生生生能能能能带带带带的的的的不连续，能带结构变为图不连续，能带结构变为图不连续，能带结构变为图不连续，能带结构变为图6-76-7。图图6-7 组分超晶格能带结构组分超晶格能带结构(a)第第I类组分超晶格；类组分超晶格；(b)第第II类组分超晶格类组分超晶格 在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同70 GaAs导导带带底底能能量量较较低低(价价带带顶顶能能量量较较高高)，成成为为势势阱阱，即即势势阱阱由由窄窄带带隙隙材材料料构构成成；AlGaAs导导带带底底能能量量较较高高，价价带带顶顶能能量量较较低低，变变成成势势垒垒，即即势势垒垒由由宽宽带带隙隙材材料料构构成成。势势阱宽阱宽LW，势垒宽，势垒宽LB。当当LB