第五章1-固溶體半導(dǎo)體材料課件

第五章固溶體半導(dǎo)體材料李斌斌第五章固溶體半導(dǎo)體材料李斌斌15.1固溶體的概念5.2SiGe固溶體5.3應(yīng)用5.1固溶體的概念25.1固溶體凡在固體條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)“溶解”了其它組分（溶質(zhì)）而形成的單一、均勻的晶態(tài)固體稱為固溶體。固溶體半導(dǎo)體材料是某些元素半導(dǎo)體或者化合物半導(dǎo)體相互溶解而形成的一種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固態(tài)溶液材料，又稱為混晶半導(dǎo)體或者合金半導(dǎo)體。5.1固溶體凡在固體條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)“溶解”了其35.1.1固溶體的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的重要參數(shù)，如晶格常數(shù)和帶隙等隨組分變化而發(fā)生連續(xù)變化。因而可以通過對其組分的控制來調(diào)節(jié)材料的基本性質(zhì)采用固溶體原理來制備或開發(fā)各種新的材料，滿足科技的發(fā)展對材料性能提出的特殊性要求

5.1.1固溶體的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的重要參數(shù)，如晶格常數(shù)和帶4晶格常數(shù)－－Vegard定律晶格常數(shù)－－Vegard定律5帶隙帶隙65.1.2固溶體的分類按溶質(zhì)質(zhì)點在溶劑晶格中的位置來劃分按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分5.1.2固溶體的分類按溶質(zhì)質(zhì)點在溶劑晶格中的位置來劃分71）按溶質(zhì)質(zhì)點在溶劑晶格中的位置①置換型固溶體②間隙型固溶體1）按溶質(zhì)質(zhì)點在溶劑晶格中的位置①置換型固溶體8①置換型固溶體：取代型MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3Cu-Zn系和固溶體①置換型固溶體：取代型MgO-CoO、MgO-CaO、Pb9②間隙型固溶體：填隙型材料陽離子進入陰離子所形成的間隙中并不容易陰離子填隙型——更加困難唯獨螢石型物質(zhì)除外H、B、C、N等元素形成的固溶體②間隙型固溶體：填隙型材料陽離子進入陰離子所形成的間隙中并102）按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類①連續(xù)固溶體②有限固溶體2）按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類①連續(xù)固溶體11①連續(xù)固溶體溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例相互固溶所生成的固溶體①連續(xù)固溶體溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例相互固溶所生成的固溶體12②有限固溶體溶質(zhì)只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶劑中，低于固溶度條件下生成的固溶體是單相的，一旦溶質(zhì)超出這一限度即出現(xiàn)第二相。②有限固溶體溶質(zhì)只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶劑中，133）根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分端部固溶體：位于相圖的端部，其成分范圍包括純組元，亦稱初級固溶體中間固溶體：它位于相圖中間，任一組元的濃度0~100%，亦稱二次固溶體3）根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分端部固溶體：中間固溶體：144）根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分①無序固溶體：各組元質(zhì)點分布是隨機的、無規(guī)則的。②有序固溶體：各組元質(zhì)點分布分別按照各自的布拉維點陣進行排列，整個固溶體就是由各組元的分點陣組成的復(fù)雜點陣，稱超點陣或超結(jié)構(gòu)。4）根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分①無序固溶體：②有序固溶體15在理論的指導(dǎo)下，通過對實踐經(jīng)驗的積累總結(jié)，提出了一些重要的影響因素：（1）質(zhì)點尺寸因素（2）晶體結(jié)構(gòu)類型（3）電價因素在理論的指導(dǎo)下，通過對實踐經(jīng)驗的積累總結(jié)，提出了一些重要的影161）質(zhì)點尺寸因素－－決定性因素從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點來看，相互替代的質(zhì)點尺寸愈接近，則固溶體愈穩(wěn)定，其固溶量將愈大。1）質(zhì)點尺寸因素－－決定性因素從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點來看，相17經(jīng)驗證明當(dāng)<15%時，溶質(zhì)和溶劑之間有可能形成連續(xù)固溶體；當(dāng)=15~30%之間時，溶質(zhì)和溶劑之間可以形成有限固溶體；當(dāng)>30%時，溶質(zhì)和溶劑之間不生成固溶體，僅在高溫下有少量固溶。經(jīng)驗證明當(dāng)<15%時，溶質(zhì)和溶劑之間有可能形成連續(xù)固溶體182）晶體結(jié)構(gòu)類型連續(xù)固溶體必要條件：具有相同的晶體結(jié)構(gòu)（不是充分條件）晶體結(jié)構(gòu)不同，最多只能形成有限型固溶體（滿足尺寸條件前提下）2）晶體結(jié)構(gòu)類型連續(xù)固溶體必要條件：具有相同的晶體結(jié)構(gòu)（不193）電價因素連續(xù)固溶體必要條件：原子價（或離子價）相同；多組元復(fù)合取代總價數(shù)相等，電中性。不是充分條件。如果價態(tài)不同，則最多只能生成有限固溶體（滿足尺寸條件前提下）3）電價因素連續(xù)固溶體必要條件：原子價（或離子價）相同；多20電負性相近，有利于固溶體的生成電負性差別大，傾向于生成化合物電負性相近，有利于固溶體的生成215.2為什么研究SiGe在微電子領(lǐng)域Si幾乎有完全取代Ge的趨勢Ge固有優(yōu)勢：載流子的遷移率比硅高5.2為什么研究SiGe在微電子領(lǐng)域Si幾乎有完全取代Ge22SiGe固溶體連續(xù)固溶體SiGe固溶體連續(xù)固溶體23晶格常數(shù)晶格常數(shù)24晶格失配率晶格失配率25例子：假設(shè)有一種半導(dǎo)體材料，晶格常數(shù)a＝0.5555nm，如果以SiGe固溶體為襯底，請問SiGe的最佳組分是多少？例子：假設(shè)有一種半導(dǎo)體材料，晶格常數(shù)a＝0.5555nm，26贗晶生長－－共度生長臨界厚度－－－應(yīng)力沒有釋放產(chǎn)生位錯和形成表面起伏是釋放SiGe失配應(yīng)力的兩種方式。贗晶生長－－共度生長臨界厚度－－－應(yīng)力沒有釋放27當(dāng)Ge組分較低時（ｘ＜０.２），通過產(chǎn)生位錯來釋放失配引起的應(yīng)力；當(dāng)Ge組分介于０.２～０.６之間時將會導(dǎo)致形成臺階，誘導(dǎo)生成均勻的３Ｄ島；當(dāng)Ge組分大于０.６時，遵循SK模式三維生長，利于形成表面起伏來釋放失配引起的應(yīng)力?？梢杂脕砩L高組分表面起伏的多量子阱當(dāng)Ge組分較低時（ｘ＜０.２），通過產(chǎn)生位錯來釋放失配引起的28電學(xué)性質(zhì)－－禁帶寬度電學(xué)性質(zhì)－－禁帶寬度29帶隙和溫度的關(guān)系帶隙和溫度的關(guān)系30本征載流子濃度本征載流子濃度315.3SiGe固溶體的應(yīng)用新型硅基太陽能電池?zé)犭姴牧?.3SiGe固溶體的應(yīng)用新型硅基太陽能電池32光的基本性質(zhì)光色中心波長(nm)中心頻率(Hz)Eg（eV）紅6601.6橙610黃570綠5402.3青480蘭4602.7紫430光的基本性質(zhì)光色中心波長(nm)中心頻率(Hz)E33新型硅基太陽能電池太陽能電池所利用的太陽光光譜,它在可見光部分的能量不到50%。要想提高電池的效率,把其光譜響應(yīng)延伸到1.1eV以下是非常重要的，因為這包括了太陽光90%以上的能量。SiGe構(gòu)成的薄膜合金材料通過控制Ge含量能調(diào)制材料的帶隙，0.67～1.1eV，從而可以大大擴展對紅外譜域太陽能光譜的吸收。因此，SiGe材料在太陽電池中的應(yīng)用研究受到了重視,尤其是非晶SiGe材料在a-Si/a-SiGe疊層太陽電池上的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。新型硅基太陽能電池太陽能電池所利用的太陽光光譜,它在可見光部34熱電材料SiGe合金具有較大的a值，x＝0.15時，達到極大值。實際常用Si含量高的合金來得到較高的優(yōu)值，Si含量高有以下好處：降低了晶格熱導(dǎo)率；增加了摻雜原子的固溶度；使SiGe合金有較大的禁帶寬度和較高的熔點，適合于高溫下工作；比重小，抗氧化性好，適應(yīng)于空間應(yīng)用；同時降低了造價。熱電材料SiGe合金具有較大的a值，x＝0.15時，達到極大35SiGe合金是