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第八章 iii-v多元化合物半导体

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第8章半导体物理基础第2讲

第8章半导体物理基础第2讲

dn = g( E ) f ( E )dE
•
h2k 2 导带具有球形等能面， 导带具有球形等能面，E = EC + 2m * n
* 2m n 2 ( E − EC )1 / 2 g ( E ) = 4π h
• 类似 节三维自由电子能态密度的推导 类似7.6节三维自由电子能态密度的推导
8.2.2 平衡态下的导带电子浓度和 价带空穴浓度
导带电子浓度 n = N c f B ( E c ) = N c e 导带有效能级密度 价带空穴浓度
* n
− ( E c − E F ) / k BT
N c = 2( 2πm k BT / h )
− ( E F − EV ) / k BT
* p
2 3/ 2
掺施主
掺受主
n> p
n型半导体 型半导体
p>n
p型半导体 型半导体
8.2 半导体中的载流子浓度
• 热平衡下能量为 的状态被电子占据的 热平衡下能量为E的状态被电子占据的 几率为 —— 费米分布函数
EF
费米能量，温度 的函数 的函数， 费米能量，温度T的函数，与掺杂有关
−23
玻尔兹曼常数： 玻尔兹曼常数：
k B = 1.38 × 10 J/K
室温： 室温： k BT ≈ 0.026eV
不同温度下的费米分布函数
当T≠0时，在 时 E = EF能级， 能级， f (EF ) = 0.5
等于不被 在费米能级，被电子填充的几率等于 在费米能级，被电子填充的几率等于不被 电子填充的几率。 电子填充的几率。
玻尔兹曼函数
p = NV e
价带有效能级密度
N V = 2( 2πm k BT / h )

ⅲ-ⅴ族半导体 -回复

ⅲ-ⅴ族半导体 -回复

ⅲ-ⅴ族半导体-回复ⅲⅴ族半导体，也被称为ⅲⅴ族化合物半导体，其中的“ⅲ”代表元素周期表中的第三周期，而“ⅴ”代表第五周期。

这一族的半导体材料在电子学和光电学领域中具有重要的应用。

它们通常由一种金属元素和一种非金属元素构成，如镓砷化物（GaAs），镓磷化物（GaP）和铟砷化物（InAs）。

本文将详细介绍ⅲⅴ族半导体的性质、制备方法以及应用领域。

首先，ⅲⅴ族半导体具有许多独特的性质。

由于其晶格结构的特殊性，它们通常具有较高的电子迁移率和较好的导电性能。

此外，ⅲⅴ族半导体还具有较大的载流子浓度、较低的缺陷密度和较宽的能带隙。

这些特性赋予了ⅲⅴ族半导体在高频电子器件、光电子器件和太阳能电池等领域的广泛应用。

其次，ⅲⅴ族半导体的制备方法各不相同，具体取决于所选的化合物。

最常使用的制备方法之一是金属有机气相沉积法（MOCVD），它可以在较低的温度下将金属有机化合物和非金属源混合并在衬底上生长出薄膜。

这种方法具有较高的生长速率和较好的均匀性，常用于制备ⅲⅴ族半导体外延膜。

此外，还可使用分子束外延法（MBE）和金属有机化学气相沉积法（MOCVD）等方法进行制备。

在应用领域方面，ⅲⅴ族半导体具有广泛的用途。

在高频电子器件领域，ⅲⅴ族半导体材料被广泛应用于射频功率放大器、微波器件和高速开关之中。

由于其高电子迁移率和较大的载流子浓度，ⅲⅴ族半导体可以提供更高的工作频率和更低的功耗，进而提高器件的性能。

光电子器件是另一个重要的应用领域，ⅲⅴ族半导体材料具有较高的光吸收系数和较大的光致发光量子效率。

因此，它们常被用于制备激光器、光电探测器和光导纤维等器件。

特别是在光通信领域，ⅲⅴ族半导体激光器已经成为主流技术，并广泛应用于光纤通信系统中。

此外，ⅲⅴ族半导体在太阳能电池领域也具有巨大的潜力。

由于其较宽的能带隙和较高的光吸收系数，它们可以实现高效的光电转换。

磷化镓太阳能电池是一种具有高电子迁移率和较高的太阳能转换效率的太阳能电池。

第三章化合物半导体

第三章化合物半导体
Ge、Si元素半导体{111}面是最密排面而且有最大面间
距，面与面间结合力较弱，因而比较容易沿这些晶面裂开。
第49页，本讲稿共207页
然而，对闪锌矿结构的Ⅲ-V族化合物晶体，虽 然{111}面间距大于{110 }面间距，但晶体沿着
（110 )面最容易发生解理，这是因为闪锌矿结构除 共价键外还有离子键成分。
体的解理有重要影响。
第33页，本讲稿共207页
对于负电性相差不大的两种原子相结合时，则 可看成是共价键和离子键之间的过渡，称之为极
性健。在极性健中既存在共价键的成分又有离子键 的成分，各自所占比例与负电性差有关，其关系如 表6-4所示。
第34页，本讲稿共207页
第35页，本讲稿共207页
表 6-5 给出了Ⅲ-V 族化合物半导体的负 电性差与离子键成分的对应关系。
asgagaas可逆如果设法将上述的as减少譬如把容器中的砷蒸气抽走即砷蒸气压小于0936个大气压则gaas将不断分解产生砷蒸气于是反应式自右向左进行反之若设法在gaas熔点附近继续不断地维持足够的砷蒸气并让砷蒸气压保持在0936大气压则反应式就不断地从左向右进行直到全部镓和砷蒸气合成砷化镓为止
第三章化合物半导体
第31页，本讲稿共207页
由于极化现象，电子云有向 B 处移动的趋向。这又 导致在B处出现负有效电荷，A处出现正有效电荷。 混合键的两种效应迭加的结果，一般在A和B处将出 现正负有效电荷。
第32页，本讲稿共207页
上述这种除共价键以外，还有附加的离子键的 特点，被称为Ⅲ-V族化合物的 “极性” 。他对晶
上述只是对闪锌矿型晶体结构而言，此外，有些 Ⅲ-V 族化合物如 GaN、InN 等为纤维锌矿结构，还有的因其 生长条件不同，有时具有闪锌矿结构，有时具有纤维锌 矿型结构（如BN ）。

8 iii-v多元化合物半导体

8 iii-v多元化合物半导体

本章介绍一些Ⅲ-Ⅴ族多元化合物、多层异质结 构、超晶格、应变超晶格等的制备及其特性。
6
§8-1 异质结与晶格匹配 一、异质结及其分类 异质结是由两种基本物理参数（Eg、功函数、电子亲 和势和介电常数等）不同的半导体单晶材料联结起来 构成的。 按 其 导 电 类 型 ， 分 为 同 型 （ NN+ ， PP+ ） 和 异 型 （PN）两种。 理想的异质结的交界面应该是突变的，但实际上用一 般的外延生长方法制备的异质结，常常是有一定厚度 的缓变区（过渡区），它会影响异质结的某些特性。
第八章 Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半导体材料
Ⅲ-Ⅴ族二元化合物的晶格常数和禁带宽度等都是一定的， 在应用时常受到限制。 如：光电器件的发射波长由材料的禁带宽度限定。 由两种Ⅲ-Ⅴ族化合物合成的三元或四元化合物，除与能 量有关的参数（Eg、）考虑能带弯曲外，其它参数（a、 me*、 mhh*、 mhl * mhs * ）基本上用维戈（Vergard）公 式线性插值得到。
8
N-Ga1-xAlxAs
P-GaAs
P-Ga1-xAlxAs h
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
I
9
（3）异质结对载流子的限制。由于异质结界面存在 △Ec和△Ev ，所以能够在一定程度上限制电子和空 穴从有源区泄出。异质结结构中从N-AlGaAs限制层 注入P-GaAs有源区的电子受到P-P同型异质结造成 的势垒的限制，大大提高了注入电子的利用率。 如果取有源区厚度小于扩散长度，则注入到有源区 势阱中的电子分布是均匀的，这使同样电流密度下 得到的过剩载流子浓度大大增加。 有源区与N区界面处的价带势垒又阻碍空穴的扩散， 阈值电流密度进一步降低，这是双异质结LD实现室 温连续激射的重要前提。

ⅲ-ⅴ族半导体 -回复

ⅲ-ⅴ族半导体 -回复

ⅲ-ⅴ族半导体-回复ⅲⅴ族半导体ⅲⅴ族半导体，是指通过共享价电子或空穴形成共价键结构的晶体，其原子由一个ⅲ型元素和一个ⅴ型元素组成。

在其中，ⅲ型元素的外层电子数比其原子序数小2，而ⅴ型元素的外层电子数比其原子序数特别是通过将ⅲ型元素与ⅴ型元素结合而形成的化合物-ⅲⅴ族半导体的性质。

本文将逐步解析ⅲⅴ族半导体的结构、性质和应用。

第一部分：ⅲⅴ族半导体的结构ⅲⅴ族半导体的结构由两种元素组成。

以最典型的半导体材料-磷化镓（GaP）为例，其中ⅲ型元素为镓，ⅴ型元素为磷。

镓的原子序数为31，而磷的原子序数为15。

由于磷的外层电子数比其原子序数小2，镓原子以磷原子为共价键的一部分，通过共用电子形成晶体结构。

这种结构导致了ⅲⅴ族半导体具有较高的热稳定性和可调控性，使其成为半导体行业中最重要的材料之一。

第二部分：ⅲⅴ族半导体的性质ⅲⅴ族半导体在电子和空穴的运动方面具有一些特殊性质。

根据它们在晶体中的排列方式，ⅲⅴ族半导体可以分为两类：锗和镓族的ⅲⅴ族半导体（如GeAs和GaAs）和砷和锑族的ⅲⅴ族半导体（如InAs和InSb）。

这些材料的晶格结构决定了它们的电子能带结构。

对于锗和镓族的ⅲⅴ族半导体，它们的能带结构类似于硅，具有直接带隙。

而对于砷和锑族的ⅲⅴ族半导体，它们的带隙较小，呈现间接带隙结构。

由于ⅲⅴ族半导体的能带结构，电子和空穴具有不同的特性。

在锗和镓族的ⅲⅴ族半导体中，由于直接带隙，电子和空穴可以通过吸收或发射光子等方式进行能量转移。

这使得这些材料在光电子器件中具有广泛应用。

而在砷和锑族的ⅲⅴ族半导体中，由于间接带隙，电子和空穴的能量转移过程相对困难。

因此，这些材料更适合用于高效率的热电子转换器件和量子点器件。

除了电子特性外，ⅲⅴ族半导体还具有良好的热稳定性和机械强度。

这使得它们能够在广泛的温度范围内工作，并在恶劣环境中保持较好的性能。

此外，ⅲⅴ族半导体的可调控性使其成为设计和制造先进半导体器件的理想材料。

半导体材料第10讲-超晶格

半导体材料第10讲-超晶格

量子阱的应用
量子阱红外探测器 阱材料的子带中有两个子能带，即基态E1和第一激发态E2 ，在 材料生长过程中利用掺杂型半导体．使子带阱中基态上具有一定的二 维电子密度， 当入射辐射光子能量为hω照射到器件接收面上时，E1 上的电子将被光子激发到E2态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成 与入射光强度成正比的电信号。 这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、 量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性 好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种 新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、 红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及 其应用领域带来了革命性的发展。
半导体材料
第八章 III－V族多元合物半导体
四探针法原理 请参考 陈治明，王建农，《半导体器件的材料 物理学基础》，科学出版社，1999年5月第 一版，p: 249-268
8-1 异质结
异质结：两种不同晶体接触处所形成的结。由两种半导体单晶联
结起来构成。可分为同型(NN+，PP +)和异型(PN)两种
超晶格量子阱的一些重要现象和性质即可用二维电子气的态密度 来描述。 通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的态 密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格带来了许多方面的应用。
可参考：阎明，”半导体超晶格及其量子阱的原理”，上海海运 学院学报，V0l_21 No．1 Mar．2000，p=102-107

度，从而减少了复合区宽度。

异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空 穴的注入效率。


同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面

半导体材料第7 8讲化合物半导体 ppt课件

半导体材料第7 8讲化合物半导体 ppt课件

比Ge、Si等困难。到50年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法
(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生长出了GaAs、InP单晶，但
由于晶体太小不适于大规模的研究。
•
1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半导
体晶体，1965~1968年Mullin等人第一次用三氧化二硼(B2O3)做液封剂， 用LEC法生长了GaAs、InP等单晶材料，为以后生长大直径、高质量
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
4
• III一V族化合物半导体是由周期表中IIIA和VA族元素化合而成。
• 几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学 工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。
半导体材料
2020/12/27
1
第六章 III－V族化合物半导体
• 一、重要 III－V族化合物半导体介绍 • 二、 III－V族化合物半导体的晶体结构 • 三、III－V族化合物半导体的能带结构
2020/12/27
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
一统天下，砷化镓集成电路己占集成电路市场份额的2%强。
• 已获应用的砷化镓器件有:
1. 微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等;
2. 微波晶体管:场效应晶体管(FET).高电子迁移率晶体管(HEMT) ，异 质结双极型晶体管(HBT)等;
3. 集成电路:微波单片集成电路(MMIC )、超高速集成电路(VHSIC)等;

半导体材料第10讲-超晶格

半导体材料第10讲-超晶格
要想使两种晶格常数不同的材料在原子尺寸范围内达到相互近似匹 配，只有在晶格处于弹性应变状态，即在两种晶格交界面附件的每个 原子偏离其正常位置时才能实现。当这种应变较大时，即存储在晶体 中的应变能量足够大时，将通过在界面处形成位错而释放，所形成的 位错称为失配位错。实验表明，在异质结外延层中，晶格失配引起的 位错密度可达107-108/cm2，甚至达到1010/cm2。如果发光器件的有源 区中有如此高密度的位错，其发光效率将大大降低。
➢
异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空
穴的注入效率。
➢
同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面
➢
同型异质结还可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小
的称作“盖层”的材料层。
4
异质的能带突变
异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带不同，从面在 异质结处就存在导带的突变量△Ec和价带的突变量△Ev。 这些能带突变量是表征异质结的重要物理量对异质结处的 应用有很重要的影响。 一、典型的能带突变形式 1、禁带交叉式 2、禁带错开式 3、禁带不交接
z
图2
Eg Ev1 Ev2 Ec2 Ec1
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对电子和空穴的运动来说，GaAs和AlAs材料构成超晶格最重要的特点 是能带在a、b界面的突变。图中a代表宽禁带隙的材料，a层中的电子 和空穴将进入两边的b层，能量将处于b材料的禁带隙内，只要b层不 是十分薄．它们将基本被反射回去。换言之，电子和空穴将被限制在 b层内，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象 地称为“量子阱”。 超晶格则是包含了许多个这样的量子阱，且阱之间能够相互作用，形 成小能带。
17
用两种禁带宽度不同的材料A和B构成两个距离很近的背靠 背的异质结，A/B/A，若材料B是窄禁带半导体，且其导带 底低于材料A的导带底，则当其厚度，亦即这两个背靠背 的异质结的距离小于电子的平均自由程（约100nm），电 子即被约束在材料B中，形成以材料A为电子势垒，B为电 子势阱的量子阱。

半导体材料第8章III--VV族多元化合物半导体

半导体材料第8章III--VV族多元化合物半导体

吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
超晶格 ： 由两种（或两种以上）组分（或导电类 型)不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起 而得到的一种多周期结构材料。
厚度d远大于材料的晶格常数a，但相近与或小于 电子的平均自由程
衬底
这是在原来“自然”晶体晶格的周期性结构上又叠 加了一个很大的“人工”周期的新型人造材料。
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半导体材料
c) 电价因素
连续固溶体必要条件：原子价（或离子价）相同 多组元复合取代总价数相等，电中性。 （ 不是充 分条件） ¾ 电负性相近，有利于固溶体的生成 ¾ 电负性差别大，倾向于生成化合物 如果价态不同，则最多只能生成有限固溶体（满 足尺寸条件前提下）
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使用四元固溶体可增加一个对其主要性能进行调 整和裁剪的自由度，即可通过两种组元的组分改 变来调整其带隙和晶格常数。
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半导体材料
从 图 上 可 知 ： 与 InP 晶 格 (0.5869nm) 相 匹 配 的 该固溶体的带隙可在 0.74~1.35eV之间调整
吉林大学电子科学与工程学院
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半导体材料
三元固溶体：
Vegard定律
晶格常数
aAB=xaA+（1-x）aB aA和aB分别为互溶材料A和B的晶格常数 带隙宽度
Eg,AB= a+bx+cx2 其中，a,b,c为特定固溶体材料的特征常数
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半导体材料
固溶体晶格常数随组分变化
晶格常数 a （nm）
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半导体材料
E(k)
3.0

L10-化合物半导体材料精讲

L10-化合物半导体材料精讲

eij
Eg Eex αB n me* μe mh*
e31=-0.61，e33=1.14，e13=-0.59
3.37 60 2.03 ＜106 0.24 200 0.59
μh
5～50
30
§10 化合物半导体材料
10.2 II-VI族化合物半导体
(2). ZnO材料的优点
ZnO与GaN有相同的晶体结构，相近的晶格常 数和禁带宽度。与之相比，ZnO还具有以下优 点：
压电常数（C/m2）
300K时的禁带宽度（eV） 激子结合能（meV） 激子Bohr半径（nm） 本征载流子浓度（cm-3） 电子有效质量（×m0） 300K下n型底阻ZnO的电子 Hall迁移率（cm2V-1s-1） 空穴有效质量（×m0） 2018/10/10 300K下p型底阻ZnO的电子 Hall迁移率（cm2V-1s-1）
38
§10 化合物半导体材料
10.2 II-VI族化合物半导体
研究人员均认为375nm附近的紫外峰其来源 于近带边的激子跃迁，其发光强度与薄膜的结晶 质量、化学配比有关。结晶质量好的薄膜发射紫 外光的强度高。 对于ZnO薄膜在可见光区的发光机理至今还 没有统一的说法，有的认为可见光来源于与结构 缺陷和杂质相关的深能级发射，其中所有的结构 缺陷都是来自薄膜生长过程中氧供给量不足，即 锌和氧的化学计量比失衡。
许多III-V族化合物半导体具有直接能带结构
2018/10/10 2
§10 化合物半导体材料
10.1 III-V族化合物半导体
2018/10/10
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§10 化合物半导体材料
10.1 III-V族化合物半导体
2018/10/10
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§10 化合物半导体材料

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体输运性质的蒙特卡罗模拟的开题报告

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体输运性质的蒙特卡罗模拟的开题报告

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体输运性质的蒙特卡罗模拟的开题报告当前，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体在电子学、光电子学和能源等领域得到了广泛的应用。

由于其良好的物理、机械和光学性质，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体在高速电子传输、高灵敏探测器、红外激光等领域中显示出明显的优势，同时也能够用于太阳能电池和硫酸盐电池等电源和能源转换技术。

因此，对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体输运性质的研究具有重要的意义。

传统的实验方法需要耗费大量人力和物力，而且实验结果还受到许多参数的干扰，容易出现误差。

而蒙特卡罗模拟方法可以模拟出各种参数的组合，减少实验误差，更好地预测半导体输运性质。

因此，本研究计划采用蒙特卡罗模拟方法，研究Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的输运性质。

具体而言，本研究拟采用经典的蒙特卡罗方法，并在此基础上构建不同的输运模型，包括能带结构模型、电荷输运模型和电子热输运模型。

采用不同的模型和方法，可以更全面地理解Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的输运性质，优化其性能，并为其应用提供技术支持。

本研究计划首先搜集和整理有关Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体输运性质的数据和文献，深入了解其物理和化学本质。

然后，建立蒙特卡罗模拟的计算平台，包括编写相关的计算程序、搭建合适的计算环境、建立合适的计算模型以及组织数据及结果的存储和分析等工作。

最后，在蒙特卡罗模拟的基础上，分析Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的输运性质，包括电导率、电子迁移率、电子扩散率和电子寿命等因素。

同时也可以预测半导体输运性质如何受到不同温度、光照、应变等因素的影响，为半导体性能优化和应用提供技术支持。

本研究的研究结果对于理解Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的输运性质，优化其性能，开拓其应用具有重要的意义。

半导体制造技术导论萧宏台译本

半导体制造技术导论萧宏台译本

半导体制造技术导论萧宏台译本《半导体制造技术导论》是一本关于半导体制造技术的经典著作，本书由Stephen A. Campbell所著，是目前该领域的权威之作。

该书详细介绍了半导体材料、制造工艺、设备和技术在半导体工业中的应用。

以下是萧宏台老师在2000年所翻译的内容。

第一章半导体引论半导体材料是介于导体和绝缘体之间的一类材料。

常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。

半导体的电学特性可以通过掺杂和施加外场的方式来控制，因此被广泛应用在电子器件中。

本章将介绍半导体的基本概念和性质，为后续内容打下基础。

第二章固态材料半导体材料属于固态材料的范畴，因此理解固态物理、结构和性质对于研究半导体材料至关重要。

本章将详细介绍固态材料的结构、晶体学、缺陷和杂质等内容，并探讨这些因素对半导体材料性能的影响。

第三章半导体材料在这一章中，我们将深入研究半导体材料的种类、特性和制备方法。

着重介绍了硅和III-V族化合物半导体材料的性质和应用，分析了它们在半导体器件中的作用和地位。

第四章掺杂掺杂是操控半导体材料电学性质的重要手段，本章将阐述掺杂技术的原理和方法，包括n型掺杂、p型掺杂以及掺杂剂的选择和特性。

第五章半导体器件本章将介绍半导体器件的种类、结构和工作原理，包括二极管、场效应管、晶体管等常见器件。

深入分析了器件制造工艺和性能优化的关键技术。

第六章半导体器件制造工艺半导体器件的制造过程是非常复杂且精细的，本章将详细介绍半导体器件的制造工艺，包括光刻、沉积、腐蚀、离子注入等关键工艺步骤。

第七章半导体器件测试与可靠性制造出的半导体器件需要进行测试和可靠性评估，以确保其性能符合要求并具有良好的稳定性。

本章将介绍半导体器件测试方法和可靠性评估技术。

第八章半导体制造工厂半导体制造工厂是半导体产业链中的核心环节，本章将介绍半导体制造工厂的结构、设备和流程，以及工厂管理和自动化技术的发展。

第九章其他半导体材料和器件除了硅和III-V族化合物半导体材料，本章还将介绍其他新型半导体材料的研究进展及其在器件中的应用，如碳化硅、氮化镓等。

III—V族化合物半导体的能带结构

III—V族化合物半导体的能带结构

4、混合晶体的能带结构 III-V族化合物之间也都能形成连续固溶体，构成混合晶体. 它们的能带结构随合金成分的变化而连续变化，这一重要的 性质在半导体技术上已获得广泛的应用。 砷化镓和磷化镓合成后可以制成磷砷化镓混合晶体，形成三 元化合物半导体，其化学分子式可写成x称为混晶比。 能带结构随组分x的不同而不同: 实验发现，当0≤x≤0.53时，其能带结构与砷化镓类似; 当 0.53≤x≤1时，其能带结构成磷化镓。
室温下禁带宽度为0.18eV，0K时0.2355eV。 可以看出，锑化铟的能带结构和最简单的能 带模型很相似，能带极值都位于布里渊区中心。
2、砷化镓的能带结构
砷化镓的导带极小值也位于k=0处，等能面是球面，导带底 电子有效质量是各向同性的，其值为0.067mo。在 [111]和[100]方 向布里渊区边界L 和X还各存在另一个极小值，电子有效质量： 0.55mo和0.85mo。
L能量比布里渊区中心极小值高出0.29eV。
砷化镓价带也具有一个重空穴带 V1，一个轻空穴带V2和由于自旋-轨道 耦合分裂出来的第三个能带V3，重空 穴带极大值也稍许偏离布里渊区中心。 重空穴有效质量为0.45m0，轻空穴 有效质量为0.082m0，第三个能带裂距 为0.34eV。 室温下禁带宽度为1.424eV，0K时 为1.519eV，室温附近禁带宽度随温度 线性变化， Eg(T)= Eg(0)-αT2/(T+β)
间接带隙半导体:导带和价带的极值处于不同的k空间，跳跃是间 接的。 间接跳跃过程除了发射光子还有声子。 问题：硅，锗，砷化镓是什么类型的半导体？
人们已利用混合晶体的禁带宽度随组分变化的特性制备发光 或激光器件。 光二极管(LED)，当x=0.38~0.40时，室温下禁带宽度在 1.84~1.94eV范围，其能带结构类似砷化镓，当导带电子与价带空 穴复合时可以发出波长在6400~6800A范围内的红光。 调节的x、y部分，以研制1.3~1.6μm红外光的所谓长波长激光 器是当前很活跃的研究领域。
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二、异质结的特性 （1）高注入比。注入比指P-N结加正向电压时，N区 向P区注入的电子流Jn1与P区向N区注入的空穴流Jp2之 比。 对 P-GaAs 和 N-AlGaAs 异 质 结 ， 它 们 的 注 入 比 约 7.4105 ，这是半导体激光器可提高注入效率，降低阈 值电流密度，提高量子效率的重要原因之一。 （2）超注入现象。N区内的电子处在势能比P区导带 底高的N区导带内。在漂移场和扩散场的驱使下，很容 易使注入到窄带隙P区的电子（P区少子）比宽带隙N 区本身的电子（多子）数还多。； P区界面附近造成载流子的堆积。甚至可达到简并化的 程度，这一现象称超注入现象
•
• ALE的基本特点是交替供应两种源气体，使反应物 在衬底表面形成化学吸附的单层，再通过化学反 应使另一种反应物源也单层覆盖。如此交替。 • 当每一步表面覆盖层精确为一层时，生长厚度 才等于单层厚度乘上循环数。在GaAs(100)方向上 一次循环所得到的生长厚度为0．283 nm。经过 多年的研究，ALE的实验装置有水平的，也有垂直 的，有衬底旋转的，也有气流中断方式的，有的 还有光照或激光诱导等装置。
7-4-2、MBE生长原理
• 1．源的蒸发
• MBE使用的分子束是将固态源装在发射炉中靠加热蒸发 而得到的。
•
•
用GaAs做As源提供合适的分子束流；
Ga及掺杂元素一般用其本身做源。
MBE生长过程
• 入射到衬底表面的分子(或原子)与衬底表面相互作用，有一部分分 子生长在衬底上 生长在衬底上的分子数与入射的分子数之比称为黏附系数。 • 不同种类的分子与衬底表面作用是不同的，例如Ⅲ族(Ga)原子与GaAs 衬底表面发生化学吸附作用，因此，在一般的生长温度，其粘附系数 为1。而V族(As)分(原)子则先是物理吸附，经过一系列物理化学过程 后一部分转为化学吸附，因此，它的粘附系数与衬底表面的分子(原 子)状态及温度等密切相关。 • 以As为源形成分子束时，一般得到的是As4分子束，而以GaAs为源 或在高温下分解As4时可得到As2分子束。这两种分子束在GaAs衬底上 的行为好像相同，先被物理吸附形成弱束缚状况，然后再进行化学吸 附结合到晶格格点上。但这两者的具体过程上却是不同的，所生长的
CBE的生长机理
• 固态源MBE，如前面所介绍，Ⅲ族元素是以原子或分子束的形式射 向衬底表面，并在其上面移动，占据适当的格点位置，在一般生长温 度下，Ⅲ族元素的吸附系数看作是1，因此，生长速度取决于Ⅲ族供 给量，即受限制于固态源形成分子束流的速度。 • 在MOVPE外延生长中，金属有机化合物在反应管中到达衬底之前已 经部分热分解，有一定程度热分解的金属有机化合物及分解产物通过 扩散穿过衬底表面上的边界层，再在被加热的衬底上完成全部分解成 III族元素原子。 • 一般说来， MOVPE法外延生长时，金属有机化合物的热分解是在气 流中和衬底表面两处进行的。因此，在通常的生长温度下，通过控制 边界层的扩散速度来控制生长速度。
本章介绍一些Ⅲ-Ⅴ族多元化合物、多层异质结 构、超晶格、应变超晶格等的制备及其特性。
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§8-1 异质结与晶格匹配 一、异质结及其分类 异质结是由两种基本物理参数（Eg、功函数、电子亲 和势和介电常数等）不同的半导体单晶材料联结起来 构成的。 按 其 导 电 类 型 ， 分 为 同 型 （ NN+ ， PP+ ） 和 异 型 （PN）两种。 理想的异质结的交界面应该是突变的，但实际上用一 般的外延生长方法制备的异质结，常常是有一定厚度 的缓变区（过渡区），它会影响异质结的某些特性。
•
CBE生长设备
• CBE所用的设备从结构上看，多数是把固态源MBE设备的源炉加以改 造而成。气态源输入生长室的管路中使用了MOVPE系统的控制系统。 • • CBE的生长机理 虽然都统称为CBE或气态源MBE，但由于有几种源的结合(如课本表 7.4所列)，因此，它们的生长机理是不一样的。 • 其中(1)是以固态金属为Ⅲ族源，以V族氢化物经预先热分解成AS2或P2 等V族气态源通入生长室，在衬底上进行生长，其生长机理固态源 MBE几乎没有什么差别。 • 但是，在(2)、(3)、(4)的情况下则不同，它们的Ⅲ族组分是以该Ⅲ 族元素的有机化合物为源，在通入生长室前，金属有机物不经热解， 而是以化合物的分子束直接射向加热的衬底表面，进行外延生长的。
7-4-3、MBE生长GaAs
• 1．一般生长过程 • 抛光好的GaAs的衬底，常规清洁处理后装入衬底取放室 中。抽真空以避免空气进入生长室，在衬底取放室、存储 传送室、生长室都处于高真空的条件下，将衬底分步送入 生长室中。 • 对所有的源进行加热排气处理。待真空达到要求后，对 衬底进行处理。 • 因为经常规清洁处理后的衬底表面，用俄歇谱仪分析 时，发现有氧和碳沾污。氧在高真空下加热很容易被除去， 但除碳比较困难。因此，在外延生长前用Ar+溅射处理以 除去碳等沾污。但要注意防止Ar+溅射带来的新的沾污， 同时溅射后还要进行热处理以消除由溅射引起的损伤。
• 利用GaAs作为As2源，虽然较元素As便于控制束流，其缺 点是As很快耗尽。
2、GaAs的掺杂
• 1、自掺杂 在半绝缘的衬底上生长非掺杂的GaAs外延层，本底杂质浓 度取决于外延系统的清洁度、生长室残余杂质及源的纯度等，一般杂 质浓度在l×1015／cm3，并且常常是高阻。 • 2、掺杂 • N型掺杂剂有Si、Ge、Sn。它们的粘附系数都接近于1。
21
2.8
2.6
2.4
光子能量 E/eV
直接(Γ ) 2.2 Ec=1.99eV xc=0.46 2.0 间接(Χ ) 直接(Γ ) 1.8 间接(Χ )
图 示 出 了 GaAs1-xPx 的能带结构随组分x的 变化，间接跃迁与直 接跃迁转换点的组分 xc=0.46，其对应的 禁带宽度Ec=1.99eV。
1.6
类似材料的xc和Ec分别如下： 材料 xc Ec(eV) Ga1-xAlxAs 0.31 1.90 In1-xGaxP 0.70 2.18 In1-xAlxP 0.40 2.23
0.8 1.0 GaP
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1.4 0 GaAs 0.2 0.4 0.6 组分 x 6
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多元化合物的这些特性对于半导体器件，特别 是光电器件的设计及制做是十分有利的。 如根据器件的发光波长可确定材料的组分。 目前还不能制备多元化合物的体单晶，制做器 件主要是利用其外延材料，因此还要注意它与 衬底晶格匹配的情况等。
原子)时，As2的粘附系 数将接近1。
入射的是As4束时，如衬底温度为 450～600K，并且没有Ga束入射， As4的粘附系数为零
入射Ga束时， 入射的As4主要 处于物理吸附状态并在表面上进 行迁移。 一部分As4进入化学吸附，另 一部分移动的As4与被化学吸附 的As4结合，分解成As原子，有 的生成新的As4而脱附，As4的 附着系数不会超过0.5的原因。
GaAs的性质也有一些差别。
当As2束入射到GaAs上 时，先形成物理吸附， 并以As2的形式在表面移 动， 遇到As空位时(有Ga原 子时)，As2便分解成As， 变为化学吸附，形成GaAs键，生长在晶格点上。
如果没有As空位(没有 Ga原子)时，As2不分解 并且脱附或在600K的温 度下形成As的主要缺点是生长速率慢，循 环时间长。
• 有很多人采用很多办法来降低循环时间， 提高生长速度，比如进行光照，但比起目 前通常的外延方式，尤其是与MOCVD 比起 来，其生长速度是非常慢的。
作业
• • • • • • • 1.MBE生长原理 2.气相外延液相外延 3.金属有机物气相沉积 4.分子束外延 5.化学束外延 6.蒸发 7.溅射
• 常使用Sn，Sn比Ge容易获得高的迁移率，Sn也比Si容易处理。缺点是 在表面有一定程度的分凝。但Si和Ge具有较强的两性特性，既可做施 主又可以做受主。除Sn之外，Si也常用来做施主掺杂剂。
• P型掺杂剂有Zn和Cd，但它们的粘附系数太小，在MBE生长GaAs时不 易掺入。所以一般采用Ge和Mg，Ge只能在Ga稳定条件下，被强制掺 入，因此很难保证表面平滑，Mg掺杂效率很低。 • 为了寻找更好的P型掺杂剂，人们试用离化的Zn，可把粘附系数提高 到10-2。Be的粘附系数接近于l，而且掺Be可获得光滑生长表面，因此， 目前用Be做P型掺杂剂的较多。
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三元系AxB1-xC的晶格常数可由与其相关的两个二元 合金（AB、BC）的晶格常数线性插值获得
a0 a AC x a BC (1 x)
对In1-xGaxAs材料来说，它的晶格常数随组分x的 变化为
a0 aGaAs x a InAs (1 x)
即可从GaAs的5.653 Å 变化到InAs的6.059 Å。
1、MBE生长GaAs
• 如果使用Ga和As为源，在Ga： As为束流比为1：10，生 长速率为0.1～0.2nm／s的条件下生长GaAs，则Ga炉温为 约950℃，而As炉温约300 ℃ ，Ga炉温度必须精确控制， 衬底温度一般为500℃，以Ga和As为源其束流可单独控制， 并可保证As源能在较长的时间内使用。
7-5化学束外延生长(CBE)
• 分子束外延生长，使用的是固体源，在生长过程中存在着源补充的问 题。此外，由于含磷Ⅲ一v族化合物及其固溶体和II一Ⅵ族化合物的固 态源在形成射束时难以控制，给这类化合物的MBE生长带来困难。 • • 为了解决这些问题，提出了用气态源代替固态源进行MBE生长，即 所谓的气态源MBE(Gas Source MBE．GSMBE)。 气态源MBE是一个通称，根据使用源的组合不同，其命名也不同， 当然它们的生长机制也不相同。尽管如此，人们习惯上常把这类气态 源MBE称为化学束外延生长(Chemical Beam Epitaxy．CBE)。 近年来，特别是1986年以来，以InGaAs／InP为中心，用CBE生长材 料制做器件的也多起来了。CBE兼有MBE和MOVPE的优点。