化合物半導體材料與器件基礎(chǔ)

DaiXian-ying化合物半導體器件

CompoundSemiconductorDevices

微電子學院(xuéyuàn)

戴顯英

2013.8精品資料DaiXian-ying第二章化合物半導體材料

與器件(qìjiàn)基礎(chǔ)半導體材料(cáiliào)的分類化合物半導體材料(cáiliào)的基本特性精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1半導體的分類(fēnlèi)絕緣體（1018-1010Ωcm），半導體（108-10-3Ωcm），金屬（10-4-10-8Ωcm）

絕緣體（禁帶寬度Eg大），半導體（禁帶寬度Eg小），金屬（導帶與價帶重疊）精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1半導體的分類(fēnlèi)2.1.1半導體的特征室溫下的電導率在103-10-8S/cm（或電阻率10-3～108Ωcm）電導率呈正溫度特性（金屬呈負溫度特性）兩種載流子參與導電（金屬只有一種）

精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1半導體的分類(fēnlèi)2.1.2半導體的特性溫度升高使半導體導電能力增強，電阻率下降如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應(yīng)地降低50%左右微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導體的導電能力以純硅中每100萬個硅原子摻進一個Ⅴ族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時硅的純度仍高達99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下適當波長的光照可以改變半導體的導電能力如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十MΩ，當受光照后電阻值可以下降為幾十KΩ此外，半導體的導電能力還隨電場、磁場等的作用而改變精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類按照(ànzhào)材料的化學成分和結(jié)構(gòu)特性可將半導體分為：1）元素半導體2）化合物半導體3）合金（固溶體）2.1.3元素半導體C（金剛石）,Si,Ge,Sn晶格結(jié)構(gòu)：金剛石能帶結(jié)構(gòu)：間接帶隙Sn:0.08eVGe:0.67eVSi:1.12eVC:5.50eV精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.4化合物半導體Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In與ⅤA的N、P、As、Sb形成(xíngchéng)，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15種。Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg與ⅥA族的O、S、Se、Te形成(xíngchéng)，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等Ⅳ-Ⅳ族：SiC精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類二元化合物半導體特點：1）大部分是直接(zhíjiē)能帶隙（對光電器件很重要）；2）有很寬的禁帶寬度Eg范圍，但只在離散的點上；3）可以塊狀生長（單晶），并被切成薄片(晶圓片）。2.1.4化合物半導體我們還需要更多！重要的二元化合物半導體：1）GaAs：第二代半導體2）GaN與SiC:第三代半導體(寬禁帶半導體）精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體二元合金半導體：Si1-xGex三元合金半導體：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、

InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等四元合金半導體：InYGa1-YAsXP1-XandAlYGa1-YAsXSb1-X

合金半導體：不是化合物；由二元化合物和一種或兩種普通元素組成三元或四元合金（固溶體）半導體。特點：1）組分可調(diào)；

2）禁帶寬度隨組分連續(xù)可調(diào)；

3）晶格常數(shù)隨組分連續(xù)可調(diào)。精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體三元合金的禁帶寬度與晶格常數(shù)關(guān)系三元合金變化趨勢：①晶格常數(shù)：與組分呈線性關(guān)系②禁帶寬度：與組分呈二次方關(guān)系③有效質(zhì)量：與合金組分成二次方和單調(diào)關(guān)系三元合金半導體：由二元化合物和一種元素組成精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體三元或四元合金半導體的基片（襯底）：二元化合物半導體，如GaAs、InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)：晶格常數(shù)要與襯底相同，且禁帶寬度Eg不同。三元合金半導體：與二元不匹配；但一個例外，AlGaAs與GaAs晶格匹配。四元合金半導體：

容易與二元襯底匹配精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體四元合金半導體：1）兩種元素是同族元素，如AlyGa1-yAsxSb1-x、

InyGa1-yAsxP1-x等2）三種元素是同族元素，如InyGa1-yAlxAs1-x等InGaAsPandAlGaAsSb

四元合金半導體禁帶寬度與晶格常數(shù)合金舉例：如圖所示1）AlGaAs:AlAs+GaAs2）InPAs:InAs+InP3）AlGaAsSb:AlGaSb+AlGaAs4）InGaAsP:GaAsP+GaInP精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體四元：GayIn1-yAsxSb1-x：精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體四元：InGaAlAs精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體四元：GaAlInPandGaAlAsP精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體四元：AlGaInN精品資料DaiXian-ying2.1半導體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導體重要的三元和四元合金AlGaAs（GaAs基片）:HBT，場效應(yīng)管，光電器件GaAsP（GaAs基片）:紅色、琥珀色發(fā)光二極管HgCdTe（CdTe基片）:

紅外成像儀InGaAsP,InGaAlAs（InP基片）:光纖通訊用光電器件InGaAlAs(InP基片):

同上InGaAs（GaAs,InP）:

電阻接點，量子勢阱InGaAsP（GaAs）:

紅，紅外激光器，探測器GaInAlN(不同基片):

綠，藍，紫外發(fā)光二極管，激光器精品資料DaiXian-ying第二章化合物半導體材料(cáiliào)

與器件基礎(chǔ)半導體材料的分類化合物半導體材料的基本(jīběn)特性精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料的基本(jīběn)特性2.2.1晶格(jīnɡɡé)結(jié)構(gòu)

圖2.3金剛石結(jié)構(gòu)(a)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)(b)1）閃鋅礦結(jié)構(gòu)(a)(b)大多數(shù)的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體與金剛石結(jié)構(gòu)相似：每個原子與鄰近四個原子形成四面體結(jié)構(gòu)（鍵），又稱類金剛石；與金剛石結(jié)構(gòu)不同：每個原子鄰近是四個異類原子；混合鍵：共價鍵占優(yōu)。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料(cáiliào)的基本特性2）纖鋅礦結(jié)構(gòu)(jiégòu)

圖2.4(a)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，(b)四面體(a)(b)Ⅱ-Ⅵ族的ZnS、ZnSe、CdS等都可以閃鋅礦和纖鋅礦兩種方式結(jié)晶與閃鋅礦相似：正四面體結(jié)構(gòu)；與閃鋅礦不同：六方對稱（閃鋅礦是立方對稱）；纖鋅礦結(jié)構(gòu)更適合原子間電負性差別大、化學鍵極性強的化合物半導體，如GaN；混合鍵：離子鍵占優(yōu)。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料的基本(jīběn)特性2.2.2晶格(jīnɡɡé)常數(shù)圖2.6III-V族合金半導體的晶格常數(shù)隨組分比x變化的情況晶格常數(shù)與合金組分：服從Vegard關(guān)系，即aAB=aAx+aB(1-x)

--線性插值關(guān)系

精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料的基本(jīběn)特性晶格(jīnɡɡé)常數(shù)與禁帶寬度元素與化合物半導體的晶格常數(shù)與禁帶寬度同類型半導體：晶格常數(shù)大的，其禁帶寬度小。

Si與GaP、AlPGe與GaAs、AlAs

晶格常數(shù)匹配

思考題：1）為什么要晶格匹配？2）如何能夠?qū)崿F(xiàn)晶格匹配？精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料(cáiliào)的基本特性閃鋅礦的

III-V族和II-VI族化合物半導體晶格(jīnɡɡé)常數(shù)與禁帶寬度注：Z=閃鋅礦，W=纖鋅礦，i=間接能隙，d=直接能隙精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料的基本(jīběn)特性纖維(xiānwéi)鋅礦III-V族和II-VI族，鉛鹽（IV-VI族），IV族元素晶格常數(shù)與禁帶寬度

注：W=纖鋅礦，R=巖鹽，D=金剛石，i=間接能隙，d=直接能隙精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料(cáiliào)的基本特性2.2.3晶體(jīngtǐ)的化學鍵和極化圖2.7本征砷化鎵的基本鍵表示圖元素半導體，Si：只有共價價鍵；化合物半導體：既有共價鍵，又有離子鍵。（又稱極性半導體）例如，GaAs:1)As失去一個價電子給Ga;2)As和Ga外層價電子進行SP3軌道雜化，形成4個共價鍵。極化：As為負電荷中心、Ga為正電荷中心。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料的基本(jīběn)特性1）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)及其主要(zhǔyào)特點能量/eV能量/eV圖2.9硅(a)和砷化鎵(b)的能帶結(jié)構(gòu)2.2.4能帶結(jié)構(gòu)精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料的基本(jīběn)特性1）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)(jiégòu)及其主要特點能量/eV圖2.9砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)2.2.4能帶結(jié)構(gòu)①直接躍遷型：導帶極小值在k=0處，價帶極大值近似在k=0處；②具有負阻特性：在【111】方向具有雙能谷；當外電場超過某個閾值，電子可能由遷移率大的主能谷轉(zhuǎn)移到遷移率小的次能谷，出顯電場增大而電流減小現(xiàn)象。③Eg大：1.43eV,制作高頻、大功率器件；更正：p19第4、5行，【100】應(yīng)為【111】。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料的基本(jīběn)特性2）銻化銦的能帶結(jié)構(gòu)(jiégòu)及其主要特點①直接躍遷型：導帶極小值在k=0處，電子有效質(zhì)量??；②導帶呈非拋物線性：極小值處E(k)曲線的曲率很大，隨能量的增加，曲率迅速下降；③Eg?。?.23eV,制作遠紅外檢波器、高靈敏光電池、波長在2.0-7.5μm的紅外線濾光器等；精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導體材料(cáiliào)的基本特性3）GaP的能帶結(jié)構(gòu)(jiégòu)及其主要特點①間接躍遷型：導帶極小值在【100】方向Χ處；②某些雜質(zhì)在GaP中可形成發(fā)光輻射復合中心，使GaP可由間接躍遷轉(zhuǎn)化為直接躍遷；③Eg大：2.25e