先进半导体敏感材料概要

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S首先发现Si、Ge的压阻效应，世界上第一个基于压阻效应的压力传感器是用Si制作的。,压阻传感器是半导体传感器中市场额最大的传感器。,4,Si,、,Ge,、,InSb,的压敏效应参数,5,半导体力敏元件应变片可制出压力传感器、加速度传感器等器件。,SiC也可用于制备高温压力传感器。已有报道工作温度高达600 的6H-SiC高温压力传感器。,金刚石也是制作高温压力传感器的优良材料，受缺乏单晶衬底的限制，其工作温度仅为300 .,6,7.1.2,压电效应力敏材料,压电效应：晶体在外力作用下，内部会产生极化而在某两个外表产生符号相反的电荷。,利用压电效应也可制备力敏元件。与这一效应相关的材料参数主要是压电系数d和机电耦合系数K。,在平行于x轴的外应力作用下，压电元件外表产生电荷密度：,转换灵敏度用机电耦合系数K表示：,7,常见半导体压电材料,8,7.2,光敏材料,半导体光敏材料主要是利用这类材料所具有的光电导效应以制备相应的传感探测器件。,光电导效应是半导体外表受到光照时，其电导率增大的现象。,根据本征吸收限波长c与材料带隙Eg的关系，可以容易地算出半导体光敏材料的吸收限波长吸收边。,9,常见半导体材料的,值,常见半导体光敏材料的本征吸收限,c,10,7.2.1,可见光波段光敏材料,可见光波段的半导体光敏材料以CdS和CdSe研究得最为深入。在CdS中掺入某种杂质还可以提高其灵敏度。,CdSe中掺Cu会形成缺陷中心，它们有较大的俘获截面，可提高空穴寿命由10-13-10-7s提高到10-6-10-2s。从而使所制光敏元件的灵敏度得到较大幅度提高。,11,CdS、CdSe材料所制光敏电阻主要光敏特性,12,7.2.2,红外波段光敏材料,红外光敏传感器红外探测器主要利用了半导体材料的光电导本征光电导、非本征或杂质光电导效应、光伏效应、光电磁效应和光发射效应。,1917年用TlS2制出了第一只光敏电阻。20世纪30年代开场用PbS、PbSe研制红外探测器。二战期间，因军事需求的刺激红外探测器工艺研究得到快速开展，并为现代红外探测器的研制和生产奠定了良好根底。,20世纪50年代早期，研制成功第一个Ge的非本征光电导探测器，随GaAs等化合物半导体材料制备工艺的开展，陆续研制出基于InSb、HgCdTeMCT、铅盐化合物及其固溶体、-族化合物基固溶体等材料的红外探测器、量子阱红外探测器及各种红外焦平面阵列等。,13,红外探测器按其工作模式或机理可分为四类：本征、非本征、光发射、量子阱或光电导PC、光伏PV、光电磁PEM、量子阱QW探测器。,红外光探测器分类及所用主要材料,14,各类半导体红外光探测器比较,15,探测率：探测器敏感面积为1cm2，噪声等效带宽为1Hz的响应率与方均噪声电压或电流之比，单位为cmHz1/2/W.,MCT材料是1959年首先报道的，是目前应用最广泛的红外光探测器材料。,MCT材料的主要特点：材料与器件优值/G为吸收系数，G为热产生速率较大，比自由载流子探测器和AlGaAs/GaAs量子阱器件大几个数量级；探测波长范围大，可制备出红外波段内任何波长的探测器，可制面多色多波长探测器；MCT的晶格常数根本上与组分无关。在各种可变带隙固溶体半导体材料中，MCT是惟一带隙可覆盖整个红外波段而其晶格常数又保持不变的半导体材料，这是MCT相对于其他半导体材料的一个主要优点。,16,MCT红外探测器具有量子效率高、光电导增益和响应率较高、响应时间短、频率响应宽等特点，用MCT还制出了可探测微弱信号的10.6 m红外外差探测器和3-5 m、8-14 m的扫积探测器。,InSb材料制备工艺比MCT成熟，广泛用于制备3-5 m波段探测器。器件工作模式有PC、PV和PEM三种。,InSb红外光探测主要性能,17,铅盐化合物PbS、PbSe均为本征光电导红外探测器材料，PbS广泛用于制备1-3 m探测器，其器件制备工艺简单，本钱低。,铅盐红外光探测器的主要性能,18,Si和Ge是主要的非本征红外光电导探测器材料带隙大小适中。,低背景应用时某些,Si,、,Ge,红外探测器的主要性能,19,在各种量子阱红外探测器中，AlGaAs/GaAs多量子阱MQW器件工艺最为成熟，是大面积红外焦平面陈列IRFPA和长波红外成像系统的优先器件之一，已制出工作于3-5 m 、8-14 m的双色AlGaAs/GaAs MQW红外探测器。,量子阱、超晶格SL红外光探测器材料,20,其他红外探测器材料,半导体红外光探测器材料的种类繁多，除上述材料外，还有InAs1-3 m、InGaAs m、HgZnTe3-12 m、HgMnTe2-10 m、PbSnTe8-14 m、InAsPSb2-5 m、 InGaAsSb2-5 m等。,异质结材料，如MCT/Si、SiGe/Si、PbS/Si、CdS/PbS、PbSSe/PbS、PbSnTe/PbTe、CdSSe/Ge等。,在Si衬底上，以GaAs和CdTe为缓冲层制出了工作于3-10 m波段的多种MCT/Si探测器。,SiGe/Si异质结探测器可工作于3-5 m和8-14 m两个波段。,21,7.2.3 短波长紫外光敏材料,在紫外光探测传感技术方面，一些“旧的探测器，如照相膜、气体光电离探测器和光发射探测器等已被半导体光探测器所取代，因半导体探测器有更高的灵敏度、体积小、可靠性高、易于操作并能给出更多、更准确的光度学信息。,Si和GaAs材料工艺技术已非常成熟或相当成熟，采用这些材料并结合一些特殊器件构造已经制出对紫外光有良好响应的光电探测器，也易于批量生产。已制出高量子效率的利用紫外光探测的 Si光二极管。,22,采用宽带隙材料可对短波长光有较好的响应。一方面，可充分利用宽带隙材料所具有的对可见光盲或阳光盲的特性提高器件的搞干扰能力；另一方面，可利用宽带隙材料的高化学稳定性和耐高温特性制成适用于恶劣环境工作的紫外光电探测器。,宽带隙紫外光探测器材料主要有,GaN,基材料、,SiC,、金刚石等。具有良好性能的,PV,型,GaN,紫外光探测器已经商品化。,23,1992年首次制出AlGaN PC型紫外光探测器，在365 nm波长时，峰值响应率似应为电流灵敏度为1000 A/W。,1995年，用CVD工艺制出了PC型金刚石紫外光探测器，它对200 nm波长光的响应比对可见光的响应大106，暗电流小于0.1 nA。,1964年，用3C-SiC制出了PV型紫外光探测器光二极管，250 nm波长时，最大响应率72 mA/W，量子效率36%。一般SiC光二极管在250-300 nm时，响应率为150-240 mA/W，量子效率在60%以上。,24,7.2.4,光电二极管材料,在受到光照的pn结上加上反向电压，那么反向电流比不加光照时大。这种二极管可把光信号变成光电流信号，常用作光通信中的光电转换元件。它具有灵敏度高、响应速度快、暗电流小、噪声低等特点。,利用Si、Ge等材料还可制备了同雪崩光电二极管有高速响应和放大功能和光电晶体管有放大功能等光敏器件。,光电二极管用材料及其根本性能,25,7.2.5,光电导膜材料,利用半导体材料的光电导效应，可制成光电导摄像管。光电导膜是其关键元件。,照度系数 由正式给出其物理意义：,26,常见半导体光电导膜材料主要性能,27,磁敏传感元件是将磁学量信号转换为电信号或以磁场为媒介将其他非电物理量转换为电信号的元件。,利用半导体的霍尔效应和磁阻效应可制出霍尔器件、磁阻器件、磁敏二极管和磁敏三极管等传感器件。,7.3,磁敏材料,28,霍尔器件是利用半导体的霍尔效应制作的。20世纪50年代就制出了霍尔器件并很快实现商品化。20世纪70年代初期就制成了单片Si集成霍尔板是一种最根本的半导体磁敏器件。,Si、GaAs是良好的霍尔板材料。这两种材料所制霍尔板最大电压相对灵敏度分别为和，实测值分别为和。,半导体霍尔器件具有构造简单、无触点、频带宽、动态特性好等特点，在磁场测量、功率测量、电能测量、自动控制与保护、微位移测量、压力测量等方面得到广泛应用。,7.3.1,霍尔器件材料,29,半导体霍尔器件用材料及所制器件性能,30,7.3.2,磁阻器件材料,磁阻器件是利用半导体的磁阻效应，是一种电阻随磁场的变化而变化的效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应。,磁阻定义为有磁场时与无磁场时材料的电阻或电阻率的比值：,磁阻器件的性能主要取决于材料的迁移率和元件的形状，为了得到较好的磁阻性能，常选择纯度和迁移率较高的半导体材料主要是InSb和InAs，以利用其物理磁阻效应。,31,有磁场与无磁场时材料的电阻率比与迁移率和磁感应强度,B,之间的关系为：,1988,年，,Baibich,等人在由,Fe,、,Cr,交替沉积而形成的纳米多层膜中，发现了超过,50,的,MR,，且为各向同性、负效应，这种现象被称为巨磁电阻,(Giant Magntoresistance,，,GMR),效应。,1992,年，,Berkowitz,等人在,Cu-Co,等颗粒膜中也观察到,GMR,效应。,32,1993年，Helmolt等人在类钙铁矿构造的稀土Mn氧化物中观察到R/R可达103106的超巨磁阻效应，又称庞磁阻效应(Colossal Magnetoresistance，CMR)。,1995年，Moodera等人观察到磁性隧道结在室温下大于10的隧道巨磁电阻效应(Tunnel Magnetoresistance，TMR)效应。,1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。,33,7.3.3,磁敏二极管和磁敏三极管材料,半导体磁敏二极管和磁敏三极管是继霍尔器件、磁阻器件之后开展起来的磁电转换器件。,磁敏二极管的磁灵敏度可达1000 mV(mAT)，比霍尔器件高出数百倍甚至数千倍、体积小、电路构造简单、可识别磁场的极性等特点。,磁敏二极管和磁敏三极管广泛用于无触点电位器、无触点开关、无刷直流电机、漏磁探测仪、地磁探测仪等领域。,34,npn型Ge磁敏三极管的磁电特性曲线，ic为基极恒流Ib=3 mA,条件下集电极电流的变化。,35,7.4,热敏材料,热敏器件主要是利用半导体陶瓷材料制成的热敏电阻。这些热敏器件具有灵敏度高、体积小、本钱低等优点，广泛用于温度自动控制电路、家用电器、汽车等方面。,利用半导体材料制成的pn结型热敏器件得到迅速开展，主要有热敏二极管、热敏晶体管温敏管及集成温度传感器，还有红外温度传感器等。,36,这种热敏电阻材料大都为金属氧化物基半导体陶瓷，按热敏电阻率与温度的关系大体上分为三种类型：正温度系数PTC型、负温度系数NTC型和临界温度电阻器CTR型。,三类半导体陶瓷材料的电阻充与温度的关系,7.4.1,半导体陶瓷热敏电阻材料,37,7.4.2,硅温敏电阻,Si温敏电阻具有体积小、使用温度范围宽-55-175 、准确度高、可靠性高等特点，大量用于温度计电子电路的温度补偿、过热保护电路及微机设备等方面。,硅温敏电阻的阻,-,温特性,二极管正向电压与温度的关系,38,7.4.3,温敏二极管,半导体pn结的工作特性与温度密切相关，其正向压降与温度变化呈线性关系。温敏二极管就是利用这一特性制成的。,一般用Si、Ge、GaAs、SiC等材料制作温敏二极管。GaAs温敏二极管主要用于低温测量，SiC那么主要用于高温测量；Si温敏二极管那么用于常温测量。,温敏二极管具有线性度好、自热特性好、本钱低等优点，广泛用于温度传感器、换能器、温度补偿、自动控制、报警器等方面。,39,7.5,气敏材料,自20世纪60年代初利用金属氧化物半导体材料SnO2等研制成功可检测可燃性气体的气敏传感器以来，在实际应用中得到迅速开展。,这类气敏传感器具有灵敏度高、体积小、使用方便等优点，广泛用于气体检漏、报警、防灾、测量分析等方面。,40,7.5.1,金属氧化物半导体气敏材料,金属氧化物半导体材料所制气敏元件的根本传感原理是当半导体外表吸附被检测气体后，引起电学性质如电导率发生变化而到达检测目的，因而也称为电导控制型气敏元件。,电导控制型气敏元件又可分为外表电导控制型和体电导控制型两种。前者主要有SnO2、ZnO等气敏元件，与被测气体接触后，其外表电导率发生变化；后者如-Fe2O3气敏元件，与被测气体接触后使材料的晶体构造发生变化从而使其体电导发生变化。,41,金属氧化物半导体气敏材料及其应用,42,7.5.2 MOS,型气敏元件材料,MOS型气敏元件主要是单晶Si半导体材料所制MOS场效应器件和所制隧道效应制成的金属/半导体气敏二极管，它利用催化金属吸附和分解气体分子，形成极性分子或原子的偶极层，使金属/半导体间的功函数发生变化而使所制气敏元件的电压-电流特性发生变化。,催化金属栅-氧化物-半导体气敏元件的灵敏度和选择性主要取决于金属栅的成分、微观构造和器件的工作温度等。这类气敏元件属于电压控制型器件。,利用Si单晶所制元件有Pd-MOS电容、Pt-MOS电容等几种类型，可分别用于H2、H2S、CH4、CO、乙醇、乙烯、丙烯、乙炔、NH3等气体的检测；,43,利用InP材料可制出Pd-Si3N4-InP电容器，Pd-InP型气敏元件，可分别用于不同浓度H2的检测。,将纳米技术用于氧化物半导体气敏材料，由于纳米粉体所具有的高活性外表效应和量子尺寸效应，会进一步提高其气敏特性，即提高其探测灵敏度和选择性。,44,7.6,射线敏材料,放射线，如射线、射线和射线入射到半导体外表上，会在半导体中产生电子-空穴对，从而可将放射线能量转换成电信号。,当被测的初始根本粒子进入半导体时，它可在10-11s 极短时间内损失其能量，这能量传递给半导体中的电子使其电离产生电子-空穴对，电子也可获得足够的能量去诱发次级电离间接产生电子-空穴对。,射线、射线可产生直接电离，x射线、 射线和中子射线大都产生“间接电离。,45,材料,N,D,-N,A,/ cm,-3,Eg,/eV,Eg,/eV,e,/cm,2,/(Vs),h,/cm,2,/(Vs),n,/s,h,/s,Z,Si,310,10,1.12,3.61,1350,480,510,-3,510,-3,14,Ge,510,9,0.67,2.98,3900,1900,210,-5,210,-5,32,CdTe,10,12,-10,13,1.56,4.43,1050,100,110,-6,110,-6,50,HgI,半绝缘,2.13,4.20,100,-,110,-6,210,-6,66.5,GaAs,10,12,-10,13,1.42,4.70,8500,450,110,-8,510,-8,32,CdSe,一,1.75,5.80,722,75,-,-,41,常见半导体射线敏材料的有关性质,46,1949年麦凯Mckay K G首次利用射线照射pn结二极管时观察到输出信号，从此陆续开发了一些pn结型探测器，如Au-Si面垒型探测器、Li-漂移Si: Li, Ge:Li型探测器，平面p-i-n型探测器等。,半导体辐射探测器主要是Si、Ge、HgI2、CdTe等。可能制出在室温下使用的辐射探测器材料还有AlSb、Bi2S3、GaSe、PbI2、ZnSe、ZnTe和CdZnTe等。这些材料大都生长困难，成品率低、产品少、价格高，限制了它们的应用。,47,7.7,其他半导体敏感材料,湿敏传感器,生物敏传感器,声外表波传感器,光纤传感器,智能传感器,48,4外延层转移,1. 将硅片进展阳极氧化形成多孔硅层,2. 外延和热氧化，在多孔硅上外延生长单晶硅层，再在其上形成氧化层,3. 键合，将器件片与支撑片键合，然后进展减薄和在氢气气氛中退火提高键合强度,外延生长SOI层，层厚度易于控制，厚度均匀性较好，并减少晶体中的原生缺陷，有利于提高器件的成品率。,49,外延层转移示意图,阳极氧化,多孔硅,外延,单晶硅,热氧化,SiO2,键合,减薄,腐蚀,氢气退火,50,5.3.3 GaAs/Si,异质外延材料,微电子电路与光电器件的单片集成使人们注意开发“混合半导体材料工艺。其典型材料就是GaAs/Si异质外延材料。,GaAs/Si异质外延材料具有如下优点：把最先进、最成熟的Si微电子学工艺与GaAs的优良光电性能结合起来；可使用高质量、大面积、低价格的Si片及成熟的加工工艺和设备；兼具GaAs抗辐射性强、Si片密度小的优点，对空间、宇航应用很有吸引力。,51,GaAs/Si异质外延属于极性半导体在非极性半导体衬底上生长，工艺上遇到的主要问题是：反相边界问题；晶格失配两者晶格失配率达4%；热失配两者热胀系数相差倍。,52,5.4,化合物半导体材料,化合物,晶体结构,带隙,n,i,u,n,u,p,GaAs,闪锌矿,1.42,1.310,6,8500,320,GaP,闪锌矿,2.27,150,120,GaN,纤锌矿,3.4,900,10,InAs,闪锌矿,0.35,8.110,14,3300,450,InP,闪锌矿,1.35,6.910,7,5400,150,InN,纤锌矿,2.05,4400,AlN,纤锌矿,6.24,300,14,53,5.5,金刚石,金刚石也是一种重要的宽带隙半导体材料，与SiC、GaN一样，作为大功率半导体材料日益受到重视。已经采用金刚石薄膜研制成功肖特基势垒二极管和MESFET ，其主要性能为：,最小欧姆接触电阻10-7/CM2;,最大整流比肖特基二极管为107;,最大击穿场强3106 V/cm/,MESFET 最大跨导0.22mS/mm, 漏电流nA级；,最大工作温度350，最高工作电压100V。,54,天然金刚石稀少而昂贵，人工合成金刚石晶体颗粒小，一般制作金刚石器件是采用CVD金刚石薄膜。,金刚石器件研制需解决以下问题：,难以制出pn结，因为不易进展有效的n型掺杂，而难以制得n型低阴材料，这就限制了它的应用；,目前惟一可用的p型掺杂剂B，受主离化能较大370 meV，即使在高温下也不能完全激活室温激活率仅10%；因此，所制MESFET跨导低，漏极电流小，因而限制了器件的性能。,55,外表并入氢的p型金刚石薄膜可提高肖特基二极管及MESFEF的性能；如MESFET的功率密度可达20 W/mm,目前，金刚石有源器件主要是肖特基整流二极管和MESFET,金刚石还可用于电阻器和电容器等无源器件，所制电阻器的优点是：焦耳热可快速耗散热导率高；抗热冲击和抗机械冲击性强，耐化学腐蚀；失效功率大，为一般氧化钌电阻的10倍,还制出了金刚石薄膜电 容器，其厚度1m, 击穿电压20MV/cm3,56,谢谢！,