第四章：化合物半导体材料半导体材料-ppt课件

,*,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,第四章 化合物半导体材料,李斌斌,第四章 化合物半导体材料李斌斌,1,化合物半导体材料,IIIV族化合物半导体材料,IIVI族化合物半导体材料,化合物半导体材料IIIV族化合物半导体材料,2,4.1 常见的III-V化合物半导体,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,6.24,300,14,4.1 常见的III-V化合物半导体化合物晶体结构带隙niu,3,III-V族化合物半导体性质,（1）带隙较大带隙大于1.1eV,（2）直接跃迁能带结构 光电转换效率高,（3）电子迁移率高高频、高速器件,III-V族化合物半导体性质（1）带隙较大带隙大于1.1,4,带隙和温度的关系,计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙,带隙和温度的关系计算：GaAs 300 K和400 K下的带,5,晶体结构,金刚石结构,闪锌矿结构,纤锌矿结构,晶体结构金刚石结构闪锌矿结构纤锌矿结构,6,离子键和极性,共价键没有极性,离子键有极性,两者负电性相差越到，离子键成分越大，极性越强。,离子键和极性共价键没有极性,7,极性的影响,（1）解理面密排面,（2）腐蚀速度B面易腐蚀,（3）外延层质量B面质量好,（4）晶片加工不对称性,极性的影响（1）解理面密排面,8,4.1.1 GaAS,能带结构,物理性质,化学性质,电学性质,光学性质,4.1.1 GaAS能带结构,9,GaAs能带结构,直接带隙结构,双能谷,轻空穴和重空穴,带隙为1.42 eV,GaAs能带结构直接带隙结构,10,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4.4210,22,/cm,3,GaAs物理性质GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽,11,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600,0,C开始氧化，加热到800,0,C以上开始离解,GaAs化学性质GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易,12,GaAs电学性质,电子的速度,有效质量越低，电子速度越快,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,GaAs电学性质电子的速度有效质量越低，电子速度越快,13,本征载流子浓度,本征载流子浓度,14,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，光电器件和半导体激光器等,GaAs光学性质直接带隙结构,15,4.1.2 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,4.1.2 GaAs的应用GaAs在无线通讯方面具有众多优势,16,1）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暴露在太空中所产生的辐射问题。,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,17,砷化镓与硅元件特性比较,砷化镓,硅,最大频率范围,2300GHz,1GHz,最大操作温度,200,o,C,120,o,C,电子迁移速率,高,低,抗辐射性,高,低,具光能,是,否,高频下使用,杂讯少,杂讯多，不易克服,功率耗损,小,高,元件大小,小,大,材料成本,高,低,产品良率,低,高,砷化镓与硅元件特性比较砷化镓硅最大频率范围2300GHz1.5,介电常数,11.8,12.8,12.5,10.0,9.0,氮化镓与其它半导体材料的比较特性单位半导体材料硅砷化镓磷化铟,37,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。,GaN的应用1.实现半导体照明。,38,2.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将成为光存储和处理的主流技术。,2.提高光存储密度.,39,3.改善军事系统与装备性能。,高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。,3.改善军事系统与装备性能。,40,4.2 II-VI族化合物半导体材料,II-VI族化合物离子键成分更多，极性更强，具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难。,II-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带隙比III-V族要大,4.2 II-VI族化合物半导体材料II-VI族化合物离子键,41,化合物,晶体结构,带隙,u,n,u,p,ZnO,纤锌矿,3.37,1000,180,ZnS,闪锌矿,3.66,600,40,ZnS,纤锌矿,3.74,280,100,ZnSe,闪锌矿,2.72,625,30,ZnSe,纤锌矿,2.72,560,110,ZnTe,闪锌矿,2.2,340,100,ZnTe,纤锌矿,2.80,化合物晶体结构带隙unupZnO纤锌矿3.371000180,42,带隙和温度的关系,带隙和温度的关系,43,自补偿,自补偿概念,补偿中心：金属空位和硫属元素空位,“两性”杂质,自补偿自补偿概念,44,Marfaring模型,实验中并没有观察到“单独”的金属离子空位，而只有金属离子空位与施主杂质的复合体,高温下，材料中存在着中性的和电离的点缺陷,冷却过程中，空位和杂质相互作用形成复合体,Marfaring模型实验中并没有观察到“单独”的金属离子空,45,不易制成n型或者p型材料,容易制成n型或者p型材料,不易制成n型或者p型材料容易制成n型或者p型材料,46,应用,重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都是直接带隙，发光效率高,制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等,ZnS，薄膜场致发光显示器,CdTe高能辐射，高能粒子探测器,太阳电池，CdS/CdTe 理论转换效率30%,应用重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都是直接带隙，发光,47,其它材料,见教材,其它材料见教材,48,