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第4章化合物半导体材料基础20页PPT

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第04章 化合物半导体材料--2015.04.22资料

第04章 化合物半导体材料--2015.04.22资料
原理：用惰性液体 （覆盖剂）覆盖被拉 直材料的熔体，生长 室内充入惰性气体， 使其压力大于熔体的 离解压力，抑制熔体 中挥发性组元（As, P） 的蒸发损失，可按通 常的CZ技术进行单晶 拉制。
• 液封直拉法（LEC） • 覆盖剂要求： • （1）密度低于拉制材料， 能浮于熔体表面 • （2）对熔体和坩埚是惰性 的 • （3）不与熔体混合 • （4）浸润晶体及坩埚 • （5）熔点低于拉制材料的 熔点，蒸气压低 • （6）纯度高，熔融状态下 透明 • 常用覆盖剂：三氧化二硼
4.1.3 GaN
• III族氮化物InN(0.7eV), GaN(3.4eV), AlN(6.2eV), 多元合金化合物禁带宽度（2.3～6.2eV)，直接带 隙，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范 围 ，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达 到的。 • 光电子器件，特别是短波长光电子器件的优选材 料
• 分子量为144.64 • 原子密度4.42×1022/cm3
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6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离 解 • 熔点12380C • 熔点下离解压1atm
• GaAs单晶分为半绝缘型和半导体型 • 半绝缘型GaAs通常采用掺碳的方法获得， 电阻率在107欧姆厘米以上 • N型掺杂的半导体型GaAs通过掺Si和Te （VIA族）获得 • P型掺杂的半导体型Gulluoglu A N, Acta Materialia, 1999, 47(8): 2313-2322 • (2) Aashi T, Jpn. J. Appl. Phys., 1999, 38(2B): 977-980 • (3)Matsumoto F, J. Cryst. Growth, 1993, 132(1-2): 348-350 • (4)Hosokawa Y, Sumitomo Electric Technical Review, 1993, 35: 69-73

半导体光电材料基础-4PPT课件

半导体光电材料基础-4PPT课件

：电子的亲和能
W：电子的功函数 Eg：禁带宽度
两种半导体紧密
接触时，电子
（空穴）将从
n(p)型半导体流
向p(n)型半导体，
直至费米能级相
P型
N. 型
等为止。
5
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）
交界面两边形成空间电 荷区(x1-x2)，产生内建电 场。
EcEv0.76eV
交界面两侧半导体中的 内建电势差VD1,VD2由掺 杂浓度、空间电荷区 （势垒区）宽度和相对 . 介电常数共同决定。 8
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(np) 异质结能带图
N型
P型
形成异质结前
.
N型
P型
形成异质结后 9
5.1 异质结及其能带图
异质结具有许多同质结所所不具有的特性，往往具 有更高的注入效率。
反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge与n型GaAs）
同型异质结：由导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）
异质结的能带图对其特性起着重要作用。在不考虑
导带阶 Ec 12
价带阶
E v E g 2 E g 1 1 2
E c E vE g2E g1
以上式子对所有突变异
P型
N型.
质结普适 7
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变p-nGe-GaAs异质结能带图
n-GaAs
Ec 0.07eV
Ev 0.69eV

半导体器件的基础知识幻灯片PPT

半导体器件的基础知识幻灯片PPT
将而要施主出杂现质电因子失数去一大个于价空电穴子数成为或正空离穴子数。大而在于这电种子半数导。体 把 数中目载多流的子载主流要子是称自多数由 载电流子子，，自数由目电少子的带载负流子电 称荷少 数〔载Ne流ga子tiv。e〕是，自故由命电名为子N为型多半数导体还。是于空是穴用为这样多的数示，意取图 决 于表掺示。杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。

第四章半导体材料-PPT课件

第四章半导体材料-PPT课件
0 0
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）

半导体器件基础最新课件

半导体器件基础最新课件

半导体器件基础最新课件
2、三极管的开关特性 截止工作状态
c b
e
调节偏流电阻RP的阻 值，使基极的电流为零 或很小时，三极管的两 个PN结都处于反向偏置， 集电极中没有电流通过， 三极管处于截止状态， 集电极与发射极之间电 阻很大，相当开关断开。
半导体器件基础最新课件
饱和工作状态
调节偏流电阻RP的阻值， 使基极电流充分大时，集电 极电流也随之变得非常大， 三极管的两个PN结则都处于 正向偏置。集电极与发射极 之间的电压很小，小到一定 程度会削弱集电极收集电子 的能力，这时Ｉb再增大， Ｉc也不能相应地增大了， 三极管处于饱和状态，集电 极和发射极之间电阻很小， 相当开关接通。
放大、截止和饱和三种工作状态。
1、三极管的放大作用
三极管的放大作用是在一定的外部条件控 制下，通过内部载流子的传输体现出来。
外部条件：发射结正偏，集电结反偏。
半导体器件基础最新课件
三极管内部载流子的传输过程
▪发射区：发射载流子 ▪集电区：收集载流子 ▪基区：传送和控制载流子
发射区的多数载流子自 由电子不断通过发射结扩 散到基区，形成发射极电
半导体器件基础最新课件
2、反向截止特性：
给二极管加反向电压，则处于截止状态，二极管 两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关 断开。
当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小 基本保持不变，所以通常把反向电流又称为反向饱和 电流，但反向电流会随温度的升高而增长很快。
硅二极管的反向电流只有锗二极管的几十分之一 或几百分之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。
半导体器件基础最新课件
3、二极管反向击穿：
当所加的反向电压增大到一定数值时， 反向电流迅速增大，这种现象称为反向击穿， 二极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电 压叫反向击穿电压。此时如果没有适当的限流 措施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。

6 第4章 半导体的激发与发光——半导体照明课件PPT

6 第4章 半导体的激发与发光——半导体照明课件PPT
注：声子就是晶格振动的简正模能量量子。
第二节 注入载流子的复合
直接带隙半导体 间接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 价带的极大值和导带的极
值都位于k空间的原点上；
小值不位于k空间的原点上
价带电子跃迁到导带时，只 要求能量的改变，而电子的 准动量不发生变化，称为直 接跃迁；
价带的电子跃迁到导带时 ，不仅要求电子的能量要 改变，电子的准动量也要 改变，称为间接跃迁
（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
3、PN结的电容效应 在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压
能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有 的电容效应。
在突变结的情况下：
Cj
C0
(1
V
)
1 2
在缓变结的情况1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
（２） 反向偏压
在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
E
p型
n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动，
I 也不利于电子向P区运动，
没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。
但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体， GaAs，GaN，ZnO。
间接跃迁对应的半导体材 料称为间接禁带半导体， 例子：Si，Ge，GaP。
表4-2 直接和间接带隙半导体的理论复合概率（300K）
化合物 GaAs GaSb InP

半导体材料 ppt课件


1.2.3 固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质， 就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导 体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体， 但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比 所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及 有关性质也随之变化。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也 可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取 代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体 等（见表1.1 ）。
表1.1 半导体材料分类及其开发情况 * 此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。

半导体的基础知识与PN结(ppt 24页)


2、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导 体）。
空穴浓度多于自由电子浓度 空穴为多数载流子(简称多子）， 电子为少数载流子(简称少子)。
+3
(本征半导体掺入 3 价元素后，原来 晶体中的某些硅原子将被杂质原子 代替。杂质原子最外层有 3 个价电 子，3与硅构成共价键，多余一个空 穴。)
扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；
随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；
当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零， 空间电荷区的宽度达到稳定。
即扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。
P
PN结
N
二、 PN 结的单向导电性 空间电荷区变窄，有利
1. PN结 外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有
外电场使空间电荷区变宽；
不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；
由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。
P
耗尽层
N
IS
内电场方向
外电场方向
V
R
图 1.1.7 PN 结加反向电压时截止
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，
随着温度升高， IS 将急剧增大。
P
空间电荷区
N
—— PN 结，耗 尽层。
（动画1-3）
3. 空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 内电场； 内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动—漂 移。
少子的运动 与多子运动方向 相反
阻挡层

第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件共49页文档

GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、 低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高 等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路， 特别是功率放大器的主流制程技术。
手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力
根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。
化物半导体材料
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构
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。
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
光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑 “信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信 传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。
随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、 测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见 光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有 极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十 分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。
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2.溅射 溅射过程可定义为因受到高能投射粒子的撞击而引起的 靶粒子喷射。溅射是物理过程而不是化学过程。因此该技术 极适于生长熔点和蒸汽压大不相同的元素组分所构成的化合 物与合金。 主要溅射方法包括：1.辉光放电溅射 2.离子束溅射
4.4 化合物半导体的应用 4.4.1 发光二极管的显示和照明方面的应用
化合物半导体相关元素
化合物及其固溶体的品种繁多，性能各异，给应用扩大 了选择。在光电子方面，所有的发光二极管、激光二极管都 是用化合物半导体制成的，已获工业应用的有GaAs、GaN、 GaP、GaAlAs、GaAsP、InGaAsP等；用作光敏元件、光探测器、 光调制器的有InAsP、CdS、CdSe、CdTe、GaAs等；一些宽禁 带半导体（SiC、ZnSe等）、三元化合物具有光电子应用的潜 力；GaAs是制作超高速集成电路的最主要的材料；微波器件 的制作是使用GaAs、InP、GaAlAs等；红外器件则用GaAs、 GaAlAs、CdTe、HgCdTe、PbSnTe等；太阳电池是使用CdS、 CdTe、CulnSe2、GaAs、GaAlAs等。
2.CuIn（Ga）Se2（CIGS）太阳能电池 CuIn（Ga）Se2 （CIGS） 或CuInSe2（CIS） 是最重要 的多元半导体光伏材料系统， 由于具有优良的光电性能而受 到光伏产业界的高度重视。 3.CdTe电池
4.4.3 太阳能电池方面的应用 1.CaAs太阳能电池 GaAs为直接跃迁型化合物半导体，是非常理想的半导体
太阳能电池材料，在GaAs单晶衬底上生长的单结电池效率已 超过25%，大都采用液相外延工艺。GaAs又可与其它Ⅲ-Ⅴ族 元素形成三元或四元固溶体半导体，能续改变其带隙和晶格 参数，从而易于制备多结、高效电池。
导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带 负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不 同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。
垂直布里奇曼炉及炉温分布
升华法制备Ⅱ-Ⅵ族 化合物单晶材料的
装置及温度分布图
移动加热法示意图
4.3 化合物半导体外延生长技术
4.3.1 气相外延生长
2）外延生长步骤 （1）开炉 （2）烧杯和量桶清洗。 （3）称Ga和装Ga。 （4）抽真空和通氢气。 （5）脱氧。 （6）装源。 （7）熔源。 （8）外延生长。 （9）关炉取片。
4.3.3 其他外延生长技术 1.分子束外延（MBE） 分子束外延技术主要是一种可在原子尺度上精确控制外
延层厚度、掺杂和界面平整度的半导体超薄层单晶薄膜制备 技术，可用以直接生长制备出二维、一维、零维的纳米结构。
MOVPE技术是于1968年提出来的生长化合物半导体薄层晶 体的方法，又称为MOCVD，它是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化 合物和Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长的原材料， 以热分解方式在衬底上进行外延生长Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合 物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶。
例如用TMG与AsH3反应生长GaAs。 Ga（CH3）3 + AsH3 GaAs + CH4
2.磷化铟（InP） InP是一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光 纤通信用的激光器、探测器、网络光通信用的集成电路以及 高频微波，毫未波器件等。 3.氮化镓（GaN） GaN作为第三代宽带半导体的典型代表，具有禁宽度大、 击穿电场高、电子饱和漂移速度高，抗辐射能力强和良好的 化学稳定性等优异特性。
发光二极管简称LED，是在半导体p-n结或与其类似的结 构加正向电流时以高效率发出可见光、近红外光或近紫外光 的器件。按照不同半导体基本材料的物理特性，发光二极管 所产生的光的波长是不同的。
商品化LED的材料、颜色和生长技术
4.4.2 集成电路方面的应用
1.砷化镓（GaAs）
GaAs是继Si之后发展最快的第二化化合物半导体材料。 是一种性能优异的窄禁带半导体材料，被广泛的用于各种光 电子器件中。
4.2 化合物半导体单晶的制备 4.2.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体单晶的制备
1.水平布里奇曼法 2.液态密封法
水平4.2.2 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体单晶的制备 Ⅱ-Ⅵ族化合物单晶的生长方法有垂直布里奇曼法、升华
法、移动加热法等。 1.垂直布里奇曼法 2.升华法 3.移动加热法
液相外延系统配置
1.液相外延生长原理和生长方法 1）生长原理 液相外延生长的基础是溶质在液态溶剂内的溶解度随温
度降低而减少。因此一个饱和溶液，在它与单晶衬底接触后 被冷却时，如条件适宜，就会有溶质析出，析出的溶质就外 延生长在衬底上。
GaAs液相外延生长原理
2.液相外延工艺过程 1）外延生长前的准备工作 （1）石墨舟处理。 （2）反应管处理。 （3）炉温设定。 （4）衬底制备。 （5）生长源称量。 （6）生长源腐蚀清洗。
MOVPE技术主要特点有： （1） 生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入 反应器。可精确控制各种气体的流量，控制外延层的成分、 导电类型、载流子浓度、厚度等特性。可以生长纳米级的薄 层和多层结构。 （2）反应器中气体流速快，气体改变迅速，改变多元化 合物组分和杂质浓度时，杂质分布陡峭，过渡层薄，利于生 长异质和多层结构。 （3）晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长， 需要控制的参数少，设备简单。便于多片和大片外延生长， 有利于批量生长。 （4）晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因 此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。 （5）源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物， 因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。
MOVPE工艺流程示意图
4.3.2 液相外延生长
液相外延技术（LPE），是一种从生长界面处于饱和状态 的熔融溶液中进行沉积，借以在单晶衬底上生长外延层的技 术。
与其他外延技术相比，液相外延有以下优点： 1）生长设备比较简单； 2）生长速率快； 3）外延材料纯度比较高； 4）掺杂剂选择范围较广泛； 5）外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； 6）成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； 7）操作安全，没有汽相外延中反应气体和反应产物所造 成的高毒、易燃、易爆和强腐蚀等危险。