宽带隙半导体材料

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,*,第五章 宽带隙半导体材料,光电子材料与器件,Optoelectronic Materials and Devices,1,宽带隙半导体材料的优势,半导体材料的带隙宽度,(Bandgap),是半导体材料自身固有的基本属性，半导体材料的带隙宽度决定了其制成器件的,工作温度区域,和,工作光学窗口,。,第一、二代半导体像,Ge,、,Si,、,GaAs,、,InP,这些对信息技术发展起了关键推动作用的半导体材料的带隙都小于,2,eV,，相应的工作温区不超过,250,度，工作光学窗口在近红外以内。,随着信息技术的迅猛发展，发展高功率、高频、高温电子器件以及短波长光电器件已经成为迫切需求，研究发展宽带隙半导体，以突破现有半导体器件的工作高温限制和短波限制。,2,什么是宽带隙半导体？,从学术角度难以对其带隙宽度范围给予界定，通常是相对于目前主流半导体材料以及半导体技术应用发展前景来界定宽带隙半导体材料的带隙界限。,早先人们把带隙宽度大于,2.2eV,的半导体材料称作“宽带隙半导体”，近来人们又把宽带隙半导体定义为超过,2.5eV,的半导体材料。,3,最受重视的宽带隙半导体,III,族氮化物， 包括,GaN,，,InN,，,AlN,，以及三元合金,AlGaN, InGaN,，四元合金,InGaAlN,，都是直接带隙半导体材料。,IV-IV,族氮化物，包括,SiC(,2.43.1eV,),和金刚石薄膜,(,5.5eV,),，都是间接带隙半导体材料。,ZnO,基氧化物 ，主要是,ZnO(,3.34.0eV,),及其三元合金,ZnMgO, ZnCdO,是直接带隙半导体材料。,II-V,族化合物，,Zn,基化合物，如,ZnSe(,2.67eV,), ZnTe, ZnS(,2.67eV,),以及其三元、四元合金,ZnMgSSe,是直接带隙半导体材料。,4,制备蓝光,LED,的宽带隙半导体,5,III,族氮化物研究发展,早期对,GaN,研究重要贡献的学者：,Isamu AKASAKI,Hiroshi AMANO,Shuji Nakamura,6,氮化物研究的几个重大突破,1986,年，日本的科学家,Amano,和,Akasasi,利用,MOCVD,技术在,AlN,缓冲层上生长得到高质量的,GaN,薄膜。,随后他们利用低能电子束辐照,(LEEBI),技术得到了,Mg,掺杂的,p,型,GaN,样品，视为,GaN,研究发展的另一重大突破。,1989,年，他们研制出第一个,p-n,结构的,LED,。,7,同一时期，日本日亚,(Nichia),公司的中村修二,(Nakamura),等人利用低温,GaN,缓冲层同样在蓝宝石衬底上得到高质量的,GaN,薄膜，并采用氮气,(N,2,),或真空气氛下退火得到,p,型,GaN,。,中村等人在随后短短三年多时间内在,GaN,基发光器件方面实现了三大跨越：,1994,年第一支,GaN,基高亮度蓝光,LED,，,1995,年第一支,GaN,基蓝光,LD,，,1998,年连续工作蓝光,LD,的寿命达到,6000,小时。日亚公司也在这个时期实现了,GaN,基蓝绿光,LED,和,LD,的商品化。由于中村在蓝光,LED,领域的出色工作，他被称为,“,蓝光之父,”,。,8,部分化合物半导体的带隙宽度,9,氮化物三元合金的,X,射线衍射谱,10,宽带隙半导体材料的特点,压电性与极化效应,高热导率,小介电常数,极高临界击穿电场,耐高温、抗辐射,大激子束缚能,巨大能带偏移,11,宽带隙半导体材料的技术应用,短波长发光器件,短波长发光二极管,LED,短波长激光器,LD,高温、高功率、高频电子器件,(HEMT),III,族氮化物电子器件,SiC,电子器件,金刚石半导体电子器件,探测器,紫外探测器、太阳盲紫外探测器、粒子探测器,12,面临的几个科学技术问题,从总体上来说，宽带隙半导体材料要达到第一代、第二代半导体技术的水平，还必须解决包括体材料、外延生长、掺杂和器件工艺的一系列基本科学问题，主要包括：,缺乏实用性的体单晶材料,晶体质量较差，缺陷密度高,化学比的偏离与掺杂的不对称性,13,III,族氮化物的晶体结构,III,族氮化物有三种通常的晶体结构：纤锌矿结构，闪锌矿结构，岩盐结构。,纤锌矿结构,是,III,族氮化物的热力学稳定结构。,密排原子面的堆垛顺序不同：,纤锌矿结构沿着,(0001),的堆垛顺序为,ABABAB,；闪锌矿结构沿着,(111),的堆垛为,ABCABC,。,14,SiC,和,ZnO,的晶体结构,ZnO,晶体结构与,GaN,晶体结构类似，同样存在纤锌矿结构与闪锌矿结构，目前研究发现稳定结构为,纤锌矿结构,。,SiC,晶体的特征是存在多达,200,多种的同质异构体，区别仅在于,Si-C,双原子层的堆垛次序不同。常见的结构有,3C,、,4H,、,6H-SiC,。,15,GaN,的极性,(polarity),16,自发极化和压电极化,17,纤锌矿,GaN,中自发极化的来源,18,极化诱导界面电荷积累,19,AlGaN/GaN,异质结中的二维电子气,20,外延,GaN,的衬底材料,21,2,GaN,异质外延生长,22,III,族氮化物与蓝宝石衬底的失配,23,异质外延,GaN,层的临界厚度,24,GaN,外延技术：,MOCVD,和,MBE,25,Compact 21,阴极荧光谱,(CL),用于缺陷表征,26,横向外延,GaN,降低位错密度,27,ELO-GaN,制备长寿命激光器,28,HVPE,用于,GaN,厚膜外延,29,GaN,体材料在高亮,LED,应用中优势,30,GaN,的电学性质,31,III,族氮化物的,N,型掺杂,32,III,族氮化物的,P,型掺杂,33,GaN,在高电场下的输运性质,34,GaN,是制备微波功率器件的理想材料,35,GaN,的光学性质,36,时间分辨,PL,谱表征,GaN,质量,37,GaN,基,LED,结构,38,39,III,族氮化物紫外探测器,40,AlGaN,光导型探测器,41,氮化物,PIN,型探测器,42,ZnO,基宽带隙半导体材料,1997,年,ZnO,室温受激发射现象的报道引发了,ZnO,基短波长激子型光电器件应用的研究热潮；,2001,年,蓝宝石基,ZnO,自组装纳米线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们对,ZnO,纳米材料与器件研究的极大兴趣；,2005,年,MBE,制备的,ZnO,基,p-i-n,同质结,LED,和,MOCVD,制备的,ZnO,基,p-n,同质结,LED,的初步实现，让人们看到了,ZnO,固体照明和激光工程应用的曙光。,43,ZnO,作为,宽带隙半导体,、,是,继,GaN,之后近年才引人注目的,又一,新型宽带隙半导体材料,也被列入第三代半导体的行列,。,目前,ZnO,半导体研究热点,初步进展,:,通过,N,单掺或共掺方法可获得空穴浓度达,10,19,cm,-3,；,P,、,As,和,Sb,的掺杂可获得,10,18,cm,-3,的空穴浓度；初步实现,ZnO,同质,LED,。,诸多挑战,:,p,型,ZnO,重复性和稳定性较差，空穴迁移率较低,;,同质,ZnO LED,电致发光效率很低；制备技术主要为,MBE,、,PLD,和磁控溅射等方法，不宜制备大面积均匀薄膜,44,ZnO p,型掺杂,ZnO,合金及能带工程,45,MgZnO,合金,纤锌矿结构,Mg 49%,能带调节,4.6eV-3.3eV ZnMgO/ZnO,量子阱,2DEG,CdZnO,合金,Cd 70%,能带调节,3.3eV-1.85eV ZnO/ZnCdO/ZnO,单量子阱,(MOCVD),BeZnO,合金,BeO,直接带隙,(10.6eV) Be 68%,能带调节,ZnOSe/ZnOS,能隙弯曲因子大,和,Si,晶格匹配的,ZnOSSe,带隙覆盖红外至紫外波段,ZnO,基纳米结构,2001,年,蓝宝石衬底上实现,ZnO,自组装纳米线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们对,ZnO,纳米材料与器件研究的极大兴趣。,46,ZnO,的能带结构,47,ZnO,的,PL,光谱,48,ZnO,的制备技术,49,ZnO,的器件应用,50,ZnO,基,PIN,发光二极管,LED,51,SiC,单晶的能带结构,52,间接带隙，,Eg=,2.43.1eV,与多形体结构有关,SiC,晶体制备,升华法,1995,年，飞利浦实验室的,Lely,提出用升华法制备,SiC,单晶，随后通过改进,Lely,法，称为籽晶升华法或物理气相传输法,(PVT),是目前主流,SiC,晶体制备方法。,53,SiC,薄膜的制备,化学气相外延,(CVD),54,SiC,的晶体质量和器件进展,55,SiC,制备,LED,器件,56,SiC,基紫外探测器,57,SiC,基场效应晶体管,58,总结,宽带隙半导体,GaN,、,ZnO,、,SiC,等作为第三代半导体是发展高功率、高频、高温电子器件以及短波长光电器件的理想材料。,宽带隙半导体材料要必须解决包括体材料、外延生长、掺杂和器件工艺的一系列基本科学问题。,研究和发展宽带隙半导体材料与器件被公认是占领光电信息技术领域的战略制高点。,目前已经涌现了一批商业化实用器件，在军民应用领域起到重要作用。,59,接下来课程安排,下周一，,11,月,15,日停课一次,(,参加在南大举行的会议,),。大家利用时间查阅文献和收集资料完成课程论文，形式不限，可为课程总结，文献综述，研究计划等，论文格式、体量可参考学术期刊论文，期末考试前交给学习委员。,11,月,22,日至,12,月,27,日，由陈鹏教授讲授光电子器件相关内容。,2011,年,1,月进行期末考试。,60,