半导体材料完整版.ppt

半导体材料Semiconductor Materials * 概述 锗、硅产业的发展导致了电子工业革命 GaAs激光器的发明及光纤技术的发展使人类进入了信息时代 半导体器件的新的设计：半导体超晶格、量子阱材料，将进一步改变人类的生活方式 半导体材料分类 元素半导体：十几种处于ⅢA族-ⅤA族之间的元素，如Ge、Si、Se、Te 化合物半导体 二元化合物半导体 ⅢA-ⅤA，9种，如GaAs、InP、AlSb ⅡB-ⅥA，12种，如CdS、CdTe、CdSe ⅣA-ⅣA，如SiC ⅣA-ⅥA，如GeS，GeSe，SnTe等9种 ⅤA -ⅥA，AsSe3，AsS3，AsTe3 半导体材料分类 化合物半导体 多元化合物半导体 ⅠB-ⅢA-(ⅥA)2,如AgGeTe2 ⅠB-ⅤA-(ⅥA)2 ,如AgAsSe2 (ⅠB) 2-ⅡB-ⅣA-(ⅥA)4 ,如Cu2CdSnTe4 固溶体半导体：二元，三元 非晶态半导体：元素非晶、非晶化合物 有机半导体：分子晶体、分子络合物、聚合物 半导体元素 硅和锗半导体材料 硅和锗的性质 物理和化学性质 晶体结构、能带结构 杂质的影响 硅和锗单晶体的制备 直拉法原理示意图及其过程 区域熔炼：水平区熔法、悬浮区熔法 硅和锗的应用 硅和锗的物理性质 硅和锗的化学性质 硅和锗在常温下化学性质是稳定的，但升高温度时，很容易同氧、氯等多种物质发生化学反应，在自然界没有游离状态的硅和锗存在。锗不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸、浓硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。硅不镕于盐酸、硫酸、硝酸及王水，易被服HF-HNO3混合酸所溶解，因而半导体工业中常用此混合酸作为硅的腐蚀液。硅比锗易与碱起反应。 Si、Ge的晶体结构 Ge、Si的能带结构 直拉法示意图 单晶拉制过程示意图 区域熔炼 区域熔炼是在一个被熔炼的锭料上产生一个或几个熔区，然后从一端开始移动熔区至另一端(必要则沿相反方向移动熔区)，按需要多次重复此过程，达到提纯和控制杂质的目的，并可获得单品。简称这一过程叫区熔。 在区熔过程中，锭料水平放置，称为水平区熔，锭料竖直放置且不用容器，称为悬浮区熔 悬浮区熔示意图 硅和锗的应用 硅：制造大规模集成电路最关键的材料、大容量整流器、晶体二极管、晶体三极管、红外聚焦透镜 锗：晶体管、制造红外光学仪器，用于热成像仪，用作光纤的掺杂剂，提高光纤纤芯的折射率，减少色散和传输损耗 化合物半导体及合金半导体材料 化合物半导体材料 砷化镓(GaAs) 晶体结构、能带结构 砷化镓单晶的制备方法：水平区熔法和液封直拉法 砷化镓膜的制备方法：外延技术制备，气相外延、液相外延和气束外延 用途：发光二极管、隧道二极管、场效应晶体管 磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN) 合金半导体材料 锗硅合金GexSi1-x 碲镉汞(Hg1-xCdxTe) 化合物半导体材料定义 化合物半导体材料是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的化合物 GaAs的晶体结构-闪锌矿结构 GaAs的能带结构 水平区熔法示意图 锗硅合金 成分、晶体结构、晶格常数 种类：无定形、结晶形和超晶格 制备方法： 结晶形：直拉法、水平法、热分解法和热压法 超晶格：分子束外延、金属有机化学气相沉积 特点：能带结构、禁带宽度可以 通过改变组分进行调节，制造工艺与Si工艺兼容，兼有GaAs优点 用途：微电子技术、太阳能电池 直接带隙半导体和间接带隙半导体 间接带隙半导体: 导带底和价带顶不在k空间同一点的半导体，如Si,Ge 直接带隙半导体： 导带的极小值点和价带的极大值点位于k空间的同一点，这种半导体称为直接带隙半导体，如GaAs 半导体微结构材料 半导体微结构材料的种类 半导体异质结：由两种不同半导体材料结合在一起，界面处就构成了异质结 超晶格：由两种或两种以上不同材料的薄层周期性地交替生长构成 量子阱 ：两个同样的异质结背对背接起来 半导体微结构材料的研究使半导体器件设计由“掺杂工程”走向“能带工程” 典型的半导体微结构材料 典型的半导体微结构材料 GexSi1-x/Si异质结 GexSi1-x/Si异质结的优点：缩小器件尺寸、提高器件工作速度和在同一衬底上集成电子器件和光电子器件，利用成熟的硅集成电路工艺技术 GexSi1-x/Si异质结的制备：在Si衬底上生长Gex Si1-x合金膜 GexSi1-x/Si异质结的用途：制备调制掺杂效应晶体管（MODEFT）、异质结双极晶体管（HBT）和红外探测器 典型的半导体微结构材料 GaAs/AlGaAs量子阱、超晶格材料 制备：用分子束外延生长 结构特点：在异质界面不产生位错，只有弹性变形 优点：阈值电流密度低，易光集成化并制成大功率半