化合物半導體

1、整理ppt,1,化合物半導體材料,整理ppt,2,在這個堪稱最高水平的精密制造產(chǎn)業(yè)，中國正在爆發(fā)！,集成電路產(chǎn)業(yè)是中國產(chǎn)業(yè)升級的重中之重，汽車是人類第一大工業(yè)，絕大多數(shù)的外資車企，在中國銷售的車輛都是在中國制造; 在中國集成電路的設(shè)計、制造、封裝三大環(huán)節(jié)之中，制造目前是最弱小，差距最大的部分。,在世界集成電路制造領(lǐng)域，總的來說臺灣最為強大。2016年，全球排名前十的芯片代工廠商如下: 1. 臺積電:市場占有率為59%, 2. 美國格羅方德,市場占有率為11%, 3.臺灣聯(lián)華電子, 4.中國大陸中芯國際, 5 . 臺灣力晶科技,6. 美國Tower Jazz, 7. 世界先進積體電路,8.中國華

2、虹半導體, 9. 韓國Dongbu hiTek 10.德國X-Fab,整理ppt,3,中國在集成電路制造領(lǐng)域，最先進規(guī)模最大的就是中芯國際，華虹宏力的最高水平制程，只有90納米，華虹是全球最大的智能卡（包括第二代居民身份證、社?？ā⑹謾CSIM卡、奧運會門票、世博會門票、金融IC卡等）IC的代工廠。 下圖中國最大的十家集成電路制造商，除開在中國大陸設(shè)廠的外資企業(yè)以外，只有5家：中芯國際，華潤微電子，華虹宏力，華力微電子，西安微電子技術(shù)研究所。 上海華力微電子目前是國家重點扶持的集成電路制造企業(yè)，華力微電子二期第二座12英寸晶圓廠也在2016年投資347億元動工，設(shè)計工藝為28-20-14nm，,

3、整理ppt,4,Si為代表的，第一代半導體材料 GaAs為代表的，第二代半導體材料 SiC及GaN為代表的寬禁帶材料，第三代半導體材料。包括材料本身和器件開發(fā)，仍在發(fā)展中。,半導體材料的發(fā)展,整理ppt,5,化合物半導體材料,IIIV族化合物半導體材料 IIVI族化合物半導體材料 。,整理ppt,6,整理ppt,7,所謂III-V族化合物材料，應包括所有的三族元素（B、Al、Ga、In、Tl）和五族元素（N、P、As、Sb、Bi）結(jié)合而成的化合物，人們先后開展研究的有十幾種。其中作為電子信息材料研究、應用較多的有GaSb、InAs、InSb、GaN、GaP、GaAs、InP 等幾種。 GaSb

4、、InAs、InSb 幾種材料主要用于制作紅外光電器件和霍爾器件等，相對來說，市場總量較小，發(fā)展前景受到限制。 GaP 材料屬于間接帶隙半導體，主要用于生產(chǎn)中、低亮度的發(fā)光管（LED），這一領(lǐng)域市場比較成熟，競爭十分激烈，并呈現(xiàn)逐步被GaAs 基高亮度、超高亮度LED 取代的趨勢，發(fā)展前景不容樂觀。 GaAs、InP 材料由于自身的固有優(yōu)點，在微電子、光電子領(lǐng)域同時具有重要應用，成為III-V族化合物半導體材料的主要代表。,整理ppt,8,常見的III-V化合物半導體,整理ppt,9,晶體結(jié)構(gòu),閃鋅礦： ZnS，立方晶系，同結(jié)構(gòu)的有： SiC, GaAs, AlP, InSb 纖鋅礦： ZnS

5、，六方晶系，同結(jié)構(gòu)的有： ZnO, AlN, GaN,閃鋅礦結(jié)構(gòu),纖鋅礦結(jié)構(gòu),整理ppt,10,III-V族化合物半導體性質(zhì),（1）帶隙較大帶隙大于1.1eV （2）直接躍遷能帶結(jié)構(gòu) 光電轉(zhuǎn)換效率高 （3）電子遷移率高高頻、高速器件,整理ppt,11,GaAs半導體,光電子領(lǐng)域 直接帶隙半導體，發(fā)光效率 高，在LED照明等領(lǐng)域具有 重要的應用前景； 微電子領(lǐng)域 高頻無線通訊等領(lǐng)域具有 重要應用,GaAs 能帶結(jié)構(gòu),整理ppt,12,InP半導體,1910年，蒂爾合成出InP，是最早制備出來的III-V族化合物； InP單晶體呈暗灰色，有金屬光澤； 室溫下與空氣中穩(wěn)定，3600C下開始離解,整理

6、ppt,13,InP特性,高電場下，電子峰值漂移速度高于GaAs中的電子，是制備超高速、超高頻器件的良好材料； InP作為轉(zhuǎn)移電子效應器件材料，某些性能優(yōu)于GaAs； InP的直接躍遷帶隙為1.35 eV，正好對應于光纖通信中傳輸損耗最小的波段； InP的熱導率比GaAs好，散熱效能好； InP是重要的襯底材料；,整理ppt,14,隨著半導體材料的單晶制備及外延技術(shù)的發(fā)展和突破， 并基于以下幾方面原因，寬帶隙半導體材料應運而生。,耐高溫、高熱導、高耐壓特性，發(fā)展高溫（300）、高功率和低損耗電子器件； 高亮度發(fā)光管，從而使人類可以獲得高重復性、長壽命的全色包括白光光源； 短波長激光器，束斑尺寸

7、小，可實現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)光存儲，以及紫外探測器。,寬帶隙半導體,整理ppt,15,近年來，隨著半導體器件應用領(lǐng)域的不斷擴大，特別是有些特殊場合要求半導體適應在高溫、強輻射和大功率等環(huán)境下工作，傳統(tǒng)的一和二代半導體無能為力。 于是人們將目光投向一些被稱為第三代寬帶隙半導體材料的研究，如金剛石、SiC、GaN、ZnO和AlN 等。 這些材料的禁帶寬度在 2 eV 以上，擁有一系列優(yōu)異的物理和化學性能。,整理ppt,16,高溫寬帶隙半導體材料，特別是SiC、GaN等， 是研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照微電子器件、電路的理想材料; 國際軍事高技術(shù)應用領(lǐng)域研發(fā)的重點和競爭的焦點之一！,整理ppt,17,禁帶

8、寬度對于半導體器件性能的影響非常大，它直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度； 比如氮化鎵禁帶寬度很大，即便高溫價帶電子也很難吸收大于Eg的熱輻射的能量跳變到導帶，這樣就能繼續(xù)發(fā)揮半導體作用， 同理因為躍遷能量較大，所以GaN更難被擊穿，因此常用作高壓耐高溫器件，也有很高的抗輻射性能。,整理ppt,18,三代材料并不存在相互替代的關(guān)系，而是在應用上各有側(cè)重。硅材料的應用最為普及，是構(gòu)成電子信息技術(shù)的主要支柱，砷化鎵、磷化銦材料在工作速度、頻率上優(yōu)勢明顯，而碳化硅、氮化鎵將在更高的工作溫度和高頻下更大的功率密度方面具有優(yōu)勢。,整理ppt,19,主要半導體材料基本特性,整理ppt,20,主要介紹內(nèi)容,

9、ZnO SiC GaN,整理ppt,21,氧化鋅基本特性,ZnO是一種具有半導體、發(fā)光、壓電、電光、閃爍等性能的多功能晶體材料 ； ZnO是- 族半導體，室溫下，它的禁帶寬度為3.4eV，激子結(jié)合能高達60MeV，其發(fā)光波長比GaN的藍光波長還要短 ； ZnO帶邊發(fā)射在紫外區(qū)，非常適宜作為白光LED的激發(fā)光源材料，是半導體照明工程中的重要材料 ; 對應紫外光的發(fā)射，可以開發(fā)短波長光電器件（如：紫外發(fā)光二極管(UV LED)、紫外半導體激光器（UV LD），紫外探測器等）； ZnO與GaN的物理性能非常接近，晶格失配度很小，被認為是GaN生長最理想的襯底材料； ZnO及其在半導體、短波長發(fā)光器件

10、等方面的研究已成為國際前沿領(lǐng)域中的研究熱點 ；,整理ppt,22,GaN 襯底材料,整理ppt,23,整理ppt,24,應用背景,紫外二極管、紫外激光器、聲表面波器件、透明電極,整理ppt,25,ZnO 單晶,襯底材料 GaN,發(fā)光二極管 激光器,透明電極 窗口材料,稀土基LED 的基質(zhì),壓電換能器 表面波器件,氣敏傳感 器,整理ppt,26,發(fā)展歷史,1959年，美國科學家Laudise使用水熱法從1mol/L的NaOH溶液中生長出ZnO單晶； 在隨后二十年中，ZnO生長研究掀起一個小高潮，嘗試多種生長方法，如助熔劑法、水熱法、氣相法等，但由于該晶體生長難度大，所得晶體尺寸很小，沒有實用價值

11、； 在1980年以后的近二十年里，ZnO單晶體的生長研究幾乎處于停滯不前的狀態(tài) ； 近年來，用于高密度光存儲技術(shù)的短波長光電器件的需求與日俱增，ZnO因其優(yōu)良的物理、化學性能而又重新激起了人們的研究興趣。,整理ppt,27,Will UV Lasers Beat the Blues ？ 1997年，Robert F. Service 在Science雜志上發(fā)表了 Will UV Lasers Beat the Blues? 的評論，高度評價了ZnO在紫外激光器中的應用前景，掀起了人們研究ZnO的熱潮。,近年來，GaN、SiC等新型發(fā)光材料產(chǎn)業(yè)的迅速 發(fā)展對高質(zhì)量大尺寸ZnO 單晶基片的需求越來

12、越大。1997年首次發(fā)現(xiàn)了ZnO室溫紫外受激發(fā)射，正是由于ZnO的市場需求和本身特性，引起了人們的興趣。,整理ppt,28,FESEM images of flower-shaped ZnO nanostructures seen composed of hexagonal ZnO nanorods,Side view and top view of ZnO nanorods,納米ZnO和ZnO薄膜也成為研究熱點,整理ppt,29,高電壓輸出ZnO納米線發(fā)電機,ZnO納米環(huán),（a）基于垂直于基片生長的納米線所設(shè)計的納米發(fā)電機(VING）； （b）基于平行于基片多行生長的納米線所設(shè)計的納米發(fā)電機

13、（LING）； （c）基于一行平行于基片生長的氧化鋅納米線所組成的納米發(fā)電機； （d）在微小形變下能產(chǎn)生1.2伏輸出電壓的納米發(fā)電機的光學照片；,整理ppt,30,氧化鋅納米結(jié)構(gòu)研究的世界領(lǐng)袖 2000年開始，利用納米ZnO獨特的半導體、光學和生物特性，合成出ZnO納米帶、納米環(huán)和納米螺旋。 2006年，提出通過由壓電材料合成的納米線能將機械能轉(zhuǎn)化為電能，并首次提出了納米發(fā)電機原理，并將壓電所產(chǎn)生的電場應用于控制半導體中載流子的輸運過程，因此發(fā)明了壓電電子學新概念和新領(lǐng)域。,王中林,1987年獲亞利桑那州立大學物理學博士學位，現(xiàn)為美國佐治亞理工學院董事講席講授、工程學杰出講席教授、納米結(jié)構(gòu)表征

14、中心主任。 他是中國科學院外籍院士，美國物理學會、美國科學促進會會士、美國顯微鏡學會和美國材料研究學會的會士（fellow） 在美國科學雜志發(fā)表論文10篇，英國自然雜志3篇，在自然子刊上發(fā)表6篇。他發(fā)表的學術(shù)論文已被引用43,000次以上，是該校百年來單篇論文引用次數(shù)最多的論文作者和該校有史以來個人論文引用總次數(shù)之第一名。是世界上在材料和納米技術(shù)論文引用次數(shù)最多的前五位作者之一。,整理ppt,31,ZnO晶體結(jié)構(gòu),纖鋅礦構(gòu)型（-ZnS）, 六方晶系，空間群為P63mc, 晶胞參數(shù)a=0.3252nm, c=0.5213nm, Z=2,Zn2+ 形成六方密堆積, O2- 填充一半的四面體間隙,整

15、理ppt,32,ZnO基本性能,整理ppt,33,整理ppt,34,ZnO壓敏陶瓷,對電壓變化敏感的非線性電阻效應，即在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，可以認為是絕緣體，當超過臨界電壓（敏感電壓），電阻迅速降低，讓電流通過。 電壓與電流是非線性關(guān)系； 應用： 電路過流保護、過壓保護等,壓敏電阻,整理ppt,35,ZnO晶體生長,實現(xiàn)ZnO器件的產(chǎn)業(yè)化有兩個重要的環(huán)節(jié) 一是ZnO單晶的生長； 二是ZnO襯底上同質(zhì)外延ZnO薄膜的制備； ZnO晶體生長存在的困難 ZnO晶體是一致熔融化合物，其熔點為1975 ； ZnO不僅具有強烈的極性析晶特性，而且在高溫下（1300以上）揮發(fā)性很強 ；,整理pp

16、t,36,助熔劑法 水熱法 氣相傳輸法 坩堝下降法 。,ZnO晶體生長方法,整理ppt,37,晶體主要生長方法,單晶體原則上可以由固態(tài)、液態(tài)（熔體或溶液）或氣態(tài)生長而得。 由液態(tài)結(jié)晶又可以分成熔體生長或溶液生長兩大類。 液態(tài)結(jié)晶原理：人工晶體由熔體達到一定的過冷或溶液達到一定的過飽和而結(jié)晶。 氣相法生長：升華法、物理輸運、化學輸運。,整理ppt,38,熔體生長法將原料融化成熔體，當熔體的溫度低于凝固點時，熔體會轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶固體； 這類方法是最常用的，主要有提拉法、坩堝下降法、區(qū)熔法、焰熔法等。 溶液生長法將原料（溶質(zhì)）熔于一定的溶液中，使其達到飽和，然后采取措施（如蒸發(fā)、降溫），使溶質(zhì)在晶體表面

17、析出長成晶體； 廣泛的溶液生長包括水溶液、有機和其他無機溶液、熔鹽和在水熱條件下的溶液等。 氣相生長法一般可用升華、化學氣相輸運等過程來生長晶體。,整理ppt,39,助熔劑法,助熔劑法利用晶體的組分在高溫下溶解于低熔點的溶劑中，形成飽和高溫溶液，通過緩慢冷卻或在恒定溫度下蒸發(fā)溶劑，使溶液處于過飽和狀態(tài)，以便晶體不斷析出，常用此方法來生長高熔點的晶體。 關(guān)鍵助熔劑的選擇 選擇合適的助熔劑，降低ZnO生長溫度,整理ppt,40,助熔劑的選擇,(1) 足夠強的溶解能力，在晶體生長的溫度范圍內(nèi)，應有適當?shù)娜芙舛群蜏囟认禂?shù)； (2) 在盡可能寬的溫度范圍里，形成唯一所需的穩(wěn)定相； (3) 盡可能小的粘滯

18、性，利于溶質(zhì)和能量的輸運，有利于溶質(zhì)的擴散和結(jié)晶潛熱的釋放，提高晶體的生長速度； (4) 盡可能低的熔點和盡可能高的沸點，以便選取較寬的生長溫度范圍；,常見助熔劑體系： NaCl，LiF (簡單離子性鹽類 ) Bi2O3，PbO，PbF2 (極性化合物 ) B2O3，鎢酸鹽、鉬酸鹽。,整理ppt,41,ZnO助熔劑法生長,ZnO單晶生長的助熔劑及其生長結(jié)果,整理ppt,42,整理ppt,43,Flux: KOH,常用的助熔劑： PbF2, KOH, NaOH, P2O5, V2O5 , MoO3; 顆粒狀或針狀的ZnO單晶，晶體質(zhì)量很差 ZnO作為一種容易揮發(fā)的物質(zhì)，并且溫度越高，揮發(fā)性越強，

19、,整理ppt,44,ZnO- MoO3體系,ZnMoO4晶體顆粒,傳統(tǒng)助熔劑法： ZnO晶體尺寸小，晶體質(zhì)量差,整理ppt,45,在高溫高壓下，通過各種堿性或酸性的水溶液使材料溶解而達到過飽和進而析晶的方法。 關(guān)鍵設(shè)備是高壓釜，耐高溫、高壓。 水熱生長保持在2001000C的高溫及100010000大氣壓的高壓下進行。 原材料位于高壓釜內(nèi)溫度稍高的底部，而籽晶則懸掛在溫度稍低的上部。 下部飽和溶液通過對流而被帶到上部，過飽和析晶于籽晶上。 合成水晶，藍寶石、ZnO等。,水熱法,水熱生長示意圖,整理ppt,46,水熱法生長的KTP晶體,水熱法生長的水晶,整理ppt,47,水熱法生長ZnO晶體 培

20、養(yǎng)基： KOH (3.0mol/L), LiOH (1.0mol/L) 生長溫度： 300-400C 壓力： 70-100MPa,晶體尺寸： 50mm 50mm 15mm,生長速率較慢： 0.25mm/day 不利于實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),整理ppt,48,日本東北大學(Tohoku University),3英寸（75mm) ZnO晶體,桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,整理ppt,49,固體在升高溫度后直接變成氣相，而氣相到達低溫區(qū)又直接凝成晶體，整個過程不經(jīng)過液態(tài)的晶體生長方式； 材料源在高溫區(qū)升華，晶體則凝結(jié)于低溫區(qū)； ZnO熔點較高，在熔點之前就已揮發(fā)，所以氣相法有利于ZnO單晶生長 ；,升華法（氣相生長

21、）,整理ppt,50,1、H2 ( Ar ) 充當運輸載體升華 ZnO 2、加熱升華ZnS, ZnSe 或 ZnTe等，使之處于氣相，通入 O2反應生長出ZnO,CVT 方法 運輸載體：H2 晶體尺寸：1cm3,生長速率: 1mm/day 易出現(xiàn)孿晶 難以實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),氣相法,整理ppt,51,Journal of Crystal Growth 207 (1999) 30-34,Journal of Crystal Growth 276 (2005) 389-392,整理ppt,52,高壓熔體法,Crystal size: 1 inch,好的晶體質(zhì)量，沒有雜質(zhì)污染 復雜、昂貴的生長設(shè)備,在特

22、制的下降爐中直接從ZnO熔體中生長 采取高壓的方法抑制ZnO的揮發(fā)（美國Cermet公司發(fā)明）,整理ppt,53,小結(jié): 采用以上四種方法雖然可以得到一定尺寸的ZnO單晶，但實現(xiàn)ZnO單晶的商業(yè)化生長還存在很大的困難。造成目前ZnO單晶的價格特別昂貴，因此，ZnO單晶生長技術(shù)需要有進一步的突破。,整理ppt,54,助熔劑-坩堝下降(Flux-Bridgman)法,傳統(tǒng)助熔劑法將ZnO和助熔劑熔體放在特制坩堝中，對熔體逐漸整體降溫，使ZnO從飽和熔體中析出來； 由于是熔體整體降溫，成核點散布于熔體的各個部位； 一般只能得到針狀或薄片狀ZnO晶體，尺寸都很小，難以滿足實際應用的要求； 將傳統(tǒng)助熔劑

23、法與坩堝下降法結(jié)合； 大的溫度梯度利于溶質(zhì)的傳輸并能增大晶體生長速度； 可根據(jù)需要選用籽晶定向生長； 坩堝采取密封措施，有效抑制ZnO及有毒助熔劑的揮發(fā)；,整理ppt,55,坩堝下降法原理圖,三個溫度區(qū)：高溫區(qū)；梯度區(qū)，低溫區(qū) 大的溫度梯度： 60C,整理ppt,56,基于文獻調(diào)研和相圖分析篩選助熔劑： KOH (NaOH)-ZnO 系統(tǒng)： 針狀的ZnO單晶 B2O3- ZnO 系統(tǒng)： 高粘度B2O3 熔體不利于ZnO 溶質(zhì)的傳輸 MoO3 (V2O5)- ZnO系統(tǒng)：復雜的相關(guān)系 (例如：溫度低于1060C，析出的ZnO晶體會和剩余的溶液反應形成Zn3Mo2O9) PbF2-ZnO 系統(tǒng)：熔

24、點低、粘度小、溶解度大、相關(guān)系簡單,助熔劑的選擇,基于以上分析，選擇PbF2為助熔劑開展坩堝下降法生長研究。,整理ppt,57,The phase system of ZnO-PbF2,PbF2 對Pt坩堝有較強的腐蝕性，溫度越高腐蝕性越強； 溫度越高，ZnO溶質(zhì)的含量越高，有利于ZnO單晶的析出 基于多次實驗，組分配比被優(yōu)化成22mol%mol ZnO.,生長溫度的確定,整理ppt,58,Top view of as grown boule,整理ppt,59,析晶行為： 氣相生長 頂部薄片生長 內(nèi)部分散結(jié)晶 問題：自發(fā)成核,As-grown ZnO crystals by the flux

25、Bridgman method,整理ppt,60,改進工藝：誘導成核生長技術(shù),控制成核數(shù)目 增大溫度梯度,The schematic diagram of the gas cooling system,整理ppt,61,直徑: 25mm , 厚度: 4.08.0mm.,Bottom view of as grown boule with a gas rate 3.0L/min,通氣核,整理ppt,62,Fig.11 The ZnO crystals,透明，平均尺寸 7.0mm 7.0mm 5.0mm 雜質(zhì)的含量(GDMS)： Pb2+ 390.0ppm and F- 40.0ppm,整理ppt

26、,63,PL spectrum of as-grown ZnO crystal measured at room temperature,強的 UV 發(fā)射( 377nm), 無可見光發(fā)射 低的本征缺陷; ZnO 晶體接近化學計量比,光電性能,光致發(fā)光光譜（Photoluminescence spectrum),整理ppt,64,The transmittance spectrum of as-grown ZnO crystal measured at room temperature with 1mm thick wafer,透過率超過70% （600-800nm ） 光學帶隙經(jīng)計算大約為 3

27、.21eV,2=A (h - Eg),ZnO的光學吸收系數(shù)與入射光的能量的關(guān)系：,整理ppt,65,The resistivity , carrier concentration N, and Hall mobility H of the as-grown ZnO crystals measured at RT temperature,n-type 高的載流子濃度和電導率 原因：進去ZnO晶體內(nèi)的F-.,霍爾效應測試系統(tǒng),整理ppt,66,ZnO實用化器件遇到的困難,整理ppt,67,在第三代半導體材料中，相比ZnO而言，SiC和GaN已經(jīng)從材料研究階段進入器件研發(fā)階段，并且部分器件已經(jīng)實現(xiàn)了

28、商品化，比如以它們?yōu)椴牧系腖ED、激光器、短波長探測器等；,整理ppt,68,SiC 晶體結(jié)構(gòu),四面體單元，每種原子被四個異種原子所包圍 原子間通過定向的強四面體 SP3 鍵結(jié)合在一起，并有一定程度的極化,SP3 雜化軌道,四面體單元,整理ppt,69,SiC 的結(jié)構(gòu),SiC具有很強的離子共價鍵，離子性對鍵合的貢獻約占12%,決定了它是一種結(jié)合穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 SiC 具有很高的德拜溫度，達到1200-1430 K,決定了該材料對于各種外界作用的穩(wěn)定性，在力學、化學方面有優(yōu)越的技術(shù)特性。,整理ppt,70,SiC 是一種天然超晶格，又是一種典型的同質(zhì)多型體,SiC 的結(jié)構(gòu),Si、C 雙原子層堆積序

29、列的差異會導致不同的晶體結(jié)構(gòu)，從而形成了龐大的SiC同質(zhì)多型族，目前已知的就有200多種。 SiC同質(zhì)多型族中最重要的，也是目前比較成熟的、人們研究最多的是立方密排的 3C-SiC 和六方密排的 2H、4H 和 6H-SiC。 各種晶型之間的物理性質(zhì)，特別是電學性質(zhì)方面，如帶隙寬度、載流子濃度、遷移率等存在差異；,整理ppt,71,SiC 的結(jié)構(gòu),SiC結(jié)構(gòu)示意圖 a) 3C-SiC； b) 2H-SiC； c) 4H-SiC； d) 6H-SiC。,a) ABCABC, 3C-SiC b) ABAB, 2H-SiC； c) ABCBABCB, 4H-SiC d) ABCACB, 6H-SiC

30、,整理ppt,72,整理ppt,73,SiC 優(yōu)良的物理化學性能,力學性質(zhì): 高硬度(克氏硬度為3000 kg/mm2)，可以切割紅寶石；高耐磨性，僅次于金剛石。 熱學性質(zhì): 熱導率超過金屬銅，是 Si 的3倍，是 GaAs 的 8-10 倍，散熱性能好，對于大功率器件非常重要。SiC 的熱穩(wěn)定性較高，在常壓下不可能熔化 SiC。 化學性質(zhì): 耐腐蝕性非常強，室溫下幾乎可以抵抗任何已知的腐蝕劑。SiC 表面易氧化生成 SiO2 薄層，能防止其進一步氧化，在高于1700 oC 時，這層 SiO2 熔化并迅速發(fā)生氧化反應。SiC能溶解于熔融的氧化劑物質(zhì)。 電學性質(zhì): 4H-SiC 和 6H-SiC

31、 的帶隙約是 Si 的三倍，是 GaAs 的兩倍；其擊穿電場強度高于 Si 一個數(shù)量級，飽和電子漂移速度是 Si 的2.5倍。4H-SiC 的帶隙比 6H-SiC 更寬。,整理ppt,74,SiC半導體,SiC 主要特性,整理ppt,75,SiC 塊材單晶的制備,T (K),(平衡),相對量,(非平衡),SiC 多型結(jié)構(gòu)與加熱溫度的關(guān)系,整理ppt,76,整理ppt,77,整理ppt,78,SiC 材料及器件的一些具體應用,高頻功率器件：相控陣雷達、通信系統(tǒng)、固相 UHF 廣播系統(tǒng)、高頻功率供應、電子干擾(干擾與威脅)和預警系統(tǒng)； 大功率器件：用于功率產(chǎn)生系統(tǒng)的功率電子、電涌抑制器、電動汽車的

32、功率調(diào)節(jié)、電子調(diào)節(jié)器（傳動裝置）、固相電燈鎮(zhèn)流器； 高溫器件：噴氣發(fā)動機傳感器、傳動裝置及控制電子、航天飛機功率調(diào)節(jié)電子及傳感器、深井鉆探用信號發(fā)射器、工業(yè)過程測試及控制儀器、無干擾電子點火裝置、汽車發(fā)動機傳感器； 作為生長 GaN、AlN、金剛石等的襯底。,整理ppt,79,SiC 半導體的發(fā)展,SiC是Si元素和C元素唯一穩(wěn)定的化合物； 早在50多年前，SiC就認為是理想的半導體材料，但由于當時技術(shù)的限制和單晶生長的困難，SiC作為半導體材料的應用進展緩慢； 20世紀90年代以來，各國競相投入大量的人力、物力進行SiC單晶的研究和產(chǎn)業(yè)化工作，發(fā)展迅速；,整理ppt,80,市場分析,Cree

33、 公司,2002 年的總銷售為 2.03億美元,主要產(chǎn)品市場,紫外 / 藍光 / 綠光 LED,- 2002 年世界光源市場的銷售額為 120 億美元,- 2003年4月, 日本住友與Cree簽訂了至2004年6月, 從Cree 購買價值一億美元LED產(chǎn)品合同,整理ppt,81,六方SiC與GaN晶格和熱膨脹相匹配，是制造高亮度GaN發(fā)光和激光二極管的理想襯底材料。,交通信號燈,指示牌,全彩色 LED 大屏幕,汽車光源,光電器件,整理ppt,82,大功率射頻及微波通訊,寬頻放大器,功率轉(zhuǎn)換器件,SiC 肖特基二極管,整理ppt,83,紫外激光,寶石應用,Charles PVT（物理氣相傳輸，P

34、hysical Vapor Transport)-改進的Lely法, 生長中使用籽晶使成核過程得到控制，生長溫度也降低（1800 ）；,整理ppt,102,PVT法生長SiC單晶,SiC原料在高溫區(qū)分解； SiC氣相組分在氬氣氣氛下 輸運至粘在坩堝蓋上的籽晶處； SiC氣相組分在籽晶上結(jié)晶 后定向生長； 通常使用石墨坩堝，稱為 C+ SiC系統(tǒng)；,整理ppt,103,基本反應過程,整理ppt,104,SiC薄膜的制備,同質(zhì)外延與異質(zhì)外延 SiC單晶片價格昂貴，成本很高(1.375 英寸的4H- SiC 晶片價格為$1500/片) 異質(zhì)外延襯底：硅片、石英片等 方法：CVD (Chemical

35、Vapor Deposit,化學氣相沉積)，濺射法，脈沖激光沉積，分子束外延。,整理ppt,105,目前，SiC 功率器件基本都是用化學氣相沉積方法制備的 SiC 薄膜制成的; 最成熟和成功的是CVD法,SiC 薄膜的制備,獨特的優(yōu)勢 (1)它是一種氣相反應，可通過精確控制各種氣體的流量來精確控制薄膜的厚度、組分和導電類型。 (2)可制備大面積、高均勻性的外延膜，適合于批量生產(chǎn)。 (3)靈活的氣體源路控制技術(shù)使生長過程自動控制，降低隨機因素，增加工藝重復性。,化學氣相沉積,整理ppt,106,含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應劑或液態(tài)反應劑的蒸氣及反應所需其它氣體引入反應室，在襯底表面發(fā)生化學反應生成

36、薄膜的過程CVD,整理ppt,107,SiC 薄膜的制備,上世紀八十年代初，水平冷壁石英管在Si襯底上獲得單晶 3C-SiC 薄膜，使用的源氣是 SiH4 和C3H8，H2 為載氣 。,為了降低溫度，人們使用既含 Si 又含 C 的物質(zhì)(如C3H3SiCl3 等)作為生長 SiC 的原料。,無毒、非易燃的有機物 C7H20Si2 作為反應源，使用射頻加熱的方式在 Si(100)襯底上于 1100-1350 oC之間沉積 3C-SiC 薄膜。,氣源,化學氣相沉積 （CVD）,整理ppt,108,連通式雙反應室CVD系統(tǒng)實物圖,實例：Si 襯底上 3C-SiC 薄膜的異質(zhì)外延,整理ppt,109,

37、GaN半導體,GaN熔點為2700,整理ppt,110,GaN單晶是主要的第三代半導體材料，是國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性高技術(shù)材料 ； 一是高亮度白光LED，包括上海藍光、藍寶等公司都在生產(chǎn)，但主要采用在藍寶石基片上外延GaN技術(shù)； 二是高性能半導體器件，特別是國防裝備上，國家動輒數(shù)千萬研發(fā)經(jīng)費投入，旨在發(fā)展高端武器裝備；,GaN半導體簡介,整理ppt,111,整理ppt,112,高頻特性，可以達到300G Hz（硅為10G，砷化鎵為80G） 高溫特性，在300正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境） 電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好 耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境） 高壓特性（

38、耐沖擊，可靠性高） 大功率（對通訊設(shè)備是非常渴望的）,GaN主要特點,整理ppt,113,GaN的主要應用,GaN基藍光LED 全彩色大屏幕、交通信號燈、LCD背光源、儀器儀表指示燈、景觀光源，GaN基LED普通白光照明已經(jīng)實現(xiàn) GaN基藍光LD （Laser diodes） 光探測、光通信和信息高密度光存儲（ DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導體激光器的波長平方成反比） 紫外探測器 適合可見光盲和太陽盲區(qū)的紫外輻射探測，在直升飛機群夜間防撞、局部戰(zhàn)場保密通訊、導彈導航、宇宙飛船、火災監(jiān)測等領(lǐng)域有重要應用GaN 基的紫外探測器，美國將其列入“彈道導彈防御系統(tǒng)”以及“先進防御計劃”的研制開發(fā)

39、計劃。 GaN基電子器件 高溫、大功率微波器件，在國防等方面具有重要應用,整理ppt,114,高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等軍事領(lǐng)域急需的電子器件， 將目前使用的微波功率管輸出功率密度提高一個數(shù)量級，微波器件的工作溫度將提高到300； 將大大提高雷達（尤其是相控陣雷達）、通信、電子對抗以及智能武器等軍事系統(tǒng)與裝備的性能， 將解決航天與航空用電子裝備以及民用移動通信系統(tǒng)的一系列難題。,相控陣雷達,整理ppt,115,http:/,整理ppt,116,What can lasers do?,Almost all current optical disc systems (CD and D

40、VD) use GaAs lasers that emit light in the red or infrared part of the spectrum. CDs that hold 700MB of data storage, use a 780nm wavelength laser. DVDs with a 4.7GB capacity use a laser with a wavelength of 640nm. Blue lasers with a wavelength 405 nm (technology from Blu-ray and Advanced Optical Di

41、sc) can store between 23G bytes and 36G bytes per disc. Short Wavelength can write huge amounts of data.,整理ppt,117,整理ppt,118,LED發(fā)光原理（Light Emitting Diode),電致發(fā)光 加正向電壓， P 區(qū)空穴不斷地向 N 區(qū)擴散，而 N 區(qū)電子也向 P 區(qū)擴散，電子空穴發(fā)生復合，以光子的形式發(fā)出能量（相當于電子由導帶躍遷到價帶） 光的波長由帶隙決定，也決定了發(fā)光顏色 多用直接帶隙半導體，如GaAs 間接帶隙半導體需要聲子參與，發(fā)光效率低,低電壓驅(qū)動、壽命長、環(huán)

42、保。,整理ppt,119,整理ppt,120,陰極射線管電視機,液晶平面電視機,LED光發(fā)射二極管,LED大屏幕顯示,整理ppt,121,LED燈電激勵使電子躍遷到導帶,電子返回價帶的輻射光子-發(fā)光 白熾燈電能先轉(zhuǎn)化為熱能,熱激勵使電子躍遷到高能帶,電子返回低能帶輻射光子-發(fā)光 熒光燈冷光源，是由電能先激勵汞蒸汽,汞蒸汽放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光(壽命短,因此成本較高),整理ppt,122,物體的 發(fā)光方式,：又叫熱輻射，是指物質(zhì)在高溫下發(fā)出的光。,：某種能源在較低溫度時所發(fā)出的光。發(fā)冷光時，某個原子的一個電子受外力作用從基態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)。由于這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，該電子通常以光的形式將

43、能量釋放出來，回到基態(tài)。,整理ppt,123,整理ppt,124,整理ppt,125,光的顏色由光的波長決定，而光的波長則由帶隙寬度決定,整理ppt,126,三原色：紅綠藍 （組合而成五顏六色）,整理ppt,127,1993年，日本科學家中村修二(在Nichia Corporation期間)在GaN基片上研制出第一只藍色發(fā)光二極管，實現(xiàn)了高亮度發(fā)光并間接實現(xiàn)了白光，從此成為應用最廣泛的發(fā)光半導體材料； 白光LED 固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保 壽命長，可以達到10萬小時（連續(xù)10年） 低電壓工作 是照明領(lǐng)域的又一次革命,白光LED,整理ppt,128,LED僅使用傳統(tǒng)照明1/10的電力 LED

44、是目前照明燈具10倍以上的壽命(10年) 白光LED目前已商品化,固態(tài)照明照明技術(shù)的革命！,整理ppt,129,燈具,整理ppt,130,LED車燈被廣泛使用,整理ppt,131,Progress on GaN LED,1993 GaN LEDs are on the market 1999 GaN laser diods on the market 2001 GaN LEDs reach 32% effectivity 2003 Agreement on Blue-Ray Disk format(25 Gb) based on GaN read-write laser diodes 2007

45、 - 530 Euro for BRD player 730 Euro for BRD recorder 2009 GaN LEDs reach 60% effectivity still problem with defect-free GaN for laser diodes,整理ppt,132,美國半導體照明計劃 從2000年起國家投資5億美元 到2010年 55%的白熾燈和熒光燈被半導體燈取代 每年節(jié)電達350億美元 2015年形成每年500億美元的半導體照明產(chǎn)業(yè)市場,日本21世紀照明計劃 投入資金50億日元 2007年 30%的白熾燈被置換為半導體照明燈,整理ppt,133,我國LE

46、D產(chǎn)業(yè)化基地上海、大連、南昌、廈門、深圳、石家莊、揚州等； 上海上海藍寶光電、上海北大藍光、大晨光電等重量級企業(yè)，上海半導體照明工程技術(shù)研究中心；,整理ppt,134,如何實現(xiàn)白光LED？,基于藍光LED，通過熒光粉激發(fā)一個黃光，組合成為藍光 通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光 基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光,整理ppt,135,藍光LED（GaN）發(fā)光二極管激發(fā)黃色熒光粉（YAG）產(chǎn)生白光日本日亞化學專利，主流方式,藍光,單晶藍光LED與黃光熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生的黃光與原先用于激發(fā)的藍光互補而產(chǎn)生白光,整理ppt,136,紫外光LED激發(fā)RGB三波長螢光粉來產(chǎn)生白光,LED 晶

47、粒,單晶型UV LEDRGB熒光粉-利用實際上不參與配出白光的UV LED激發(fā)紅、綠、藍三色熒光粉，藉由三色熒光粉發(fā)出的三色光配成白光,第三種是多晶型RGB LED，將發(fā)出紅、藍、綠三種顏色的晶粒，直接封裝在一起，藉由紅、綠、藍三色直接配成白光的方式，可制成白光發(fā)光二極管,整理ppt,137,熒光粉,用光激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光叫光致發(fā)光 光源波長：紫外-可見-紅外 熒光吸收能量后，激發(fā)態(tài)的壽命極短，大約10-8S就自動回到基態(tài)而發(fā)光； 撤去激發(fā)源，熒光立即停止 各類熒光粉、節(jié)能燈 長余輝激發(fā)源停止后，發(fā)光可持續(xù)一段時間，幾十分鐘甚至數(shù)小時； 緊急照明、隱蔽照明、應急指示等,整理ppt,138,三基色熒光粉 由發(fā)出紅、綠、藍三種基色的熒光粉按一定比例合成，可引起不同的彩色感覺; 發(fā)藍光（峰值450nm)的BaMg2Al16O27:Eu3+ 發(fā)綠光（峰值543nm）的MgAl11O19:Ce3+,Tb3+ 發(fā)紅光（峰值611nm)的Y2O3:Eu3+ 三種成分按一定比例混合，可以制成色溫為2500-6500K的任意光色熒光燈,整理ppt,139,在美國“9.11”事件中長余輝發(fā)光標志在人員疏