化合物半导体

1、整理ppt,1,化合物半导体材料,整理ppt,2,在这个堪称最高水平的精密制造产业，中国正在爆发！,集成电路产业是中国产业升级的重中之重，汽车是人类第一大工业，绝大多数的外资车企，在中国销售的车辆都是在中国制造; 在中国集成电路的设计、制造、封装三大环节之中，制造目前是最弱小，差距最大的部分。,在世界集成电路制造领域，总的来说台湾最为强大。2016年，全球排名前十的芯片代工厂商如下: 1. 台积电:市场占有率为59%, 2. 美国格罗方德,市场占有率为11%, 3.台湾联华电子, 4.中国大陆中芯国际, 5 . 台湾力晶科技,6. 美国Tower Jazz, 7. 世界先进积体电路,8.中国华

2、虹半导体, 9. 韩国Dongbu hiTek 10.德国X-Fab,整理ppt,3,中国在集成电路制造领域，最先进规模最大的就是中芯国际，华虹宏力的最高水平制程，只有90纳米，华虹是全球最大的智能卡（包括第二代居民身份证、社保卡、手机SIM卡、奥运会门票、世博会门票、金融IC卡等）IC的代工厂。 下图中国最大的十家集成电路制造商，除开在中国大陆设厂的外资企业以外，只有5家：中芯国际，华润微电子，华虹宏力，华力微电子，西安微电子技术研究所。 上海华力微电子目前是国家重点扶持的集成电路制造企业，华力微电子二期第二座12英寸晶圆厂也在2016年投资347亿元动工，设计工艺为28-20-14nm，,

3、整理ppt,4,Si为代表的，第一代半导体材料 GaAs为代表的，第二代半导体材料 SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代半导体材料。包括材料本身和器件开发，仍在发展中。,半导体材料的发展,整理ppt,5,化合物半导体材料,IIIV族化合物半导体材料 IIVI族化合物半导体材料 。,整理ppt,6,整理ppt,7,所谓III-V族化合物材料，应包括所有的三族元素（B、Al、Ga、In、Tl）和五族元素（N、P、As、Sb、Bi）结合而成的化合物，人们先后开展研究的有十几种。其中作为电子信息材料研究、应用较多的有GaSb、InAs、InSb、GaN、GaP、GaAs、InP 等几种。 GaSb

4、、InAs、InSb 几种材料主要用于制作红外光电器件和霍尔器件等，相对来说，市场总量较小，发展前景受到限制。 GaP 材料属于间接带隙半导体，主要用于生产中、低亮度的发光管（LED），这一领域市场比较成熟，竞争十分激烈，并呈现逐步被GaAs 基高亮度、超高亮度LED 取代的趋势，发展前景不容乐观。 GaAs、InP 材料由于自身的固有优点，在微电子、光电子领域同时具有重要应用，成为III-V族化合物半导体材料的主要代表。,整理ppt,8,常见的III-V化合物半导体,整理ppt,9,晶体结构,闪锌矿： ZnS，立方晶系，同结构的有： SiC, GaAs, AlP, InSb 纤锌矿： ZnS

5、，六方晶系，同结构的有： ZnO, AlN, GaN,闪锌矿结构,纤锌矿结构,整理ppt,10,III-V族化合物半导体性质,（1）带隙较大带隙大于1.1eV （2）直接跃迁能带结构 光电转换效率高 （3）电子迁移率高高频、高速器件,整理ppt,11,GaAs半导体,光电子领域 直接带隙半导体，发光效率 高，在LED照明等领域具有 重要的应用前景； 微电子领域 高频无线通讯等领域具有 重要应用,GaAs 能带结构,整理ppt,12,InP半导体,1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V族化合物； InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽； 室温下与空气中稳定，3600C下开始离解,整理

6、ppt,13,InP特性,高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料； InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAs； InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤通信中传输损耗最小的波段； InP的热导率比GaAs好，散热效能好； InP是重要的衬底材料；,整理ppt,14,随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。,耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（300）、高功率和低损耗电子器件； 高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的全色包括白光光源； 短波长激光器，束斑尺寸

7、小，可实现高密度数据光存储，以及紫外探测器。,宽带隙半导体,整理ppt,15,近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。 于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的研究，如金刚石、SiC、GaN、ZnO和AlN 等。 这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。,整理ppt,16,高温宽带隙半导体材料，特别是SiC、GaN等， 是研制高频大功率、耐高温、抗辐照微电子器件、电路的理想材料; 国际军事高技术应用领域研发的重点和竞争的焦点之一！,整理ppt,17,禁带

8、宽度对于半导体器件性能的影响非常大，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度； 比如氮化镓禁带宽度很大，即便高温价带电子也很难吸收大于Eg的热辐射的能量跳变到导带，这样就能继续发挥半导体作用， 同理因为跃迁能量较大，所以GaN更难被击穿，因此常用作高压耐高温器件，也有很高的抗辐射性能。,整理ppt,18,三代材料并不存在相互替代的关系，而是在应用上各有侧重。硅材料的应用最为普及，是构成电子信息技术的主要支柱，砷化镓、磷化铟材料在工作速度、频率上优势明显，而碳化硅、氮化镓将在更高的工作温度和高频下更大的功率密度方面具有优势。,整理ppt,19,主要半导体材料基本特性,整理ppt,20,主要介绍内容,

9、ZnO SiC GaN,整理ppt,21,氧化锌基本特性,ZnO是一种具有半导体、发光、压电、电光、闪烁等性能的多功能晶体材料 ； ZnO是- 族半导体，室温下，它的禁带宽度为3.4eV，激子结合能高达60MeV，其发光波长比GaN的蓝光波长还要短 ； ZnO带边发射在紫外区，非常适宜作为白光LED的激发光源材料，是半导体照明工程中的重要材料 ; 对应紫外光的发射，可以开发短波长光电器件（如：紫外发光二极管(UV LED)、紫外半导体激光器（UV LD），紫外探测器等）； ZnO与GaN的物理性能非常接近，晶格失配度很小，被认为是GaN生长最理想的衬底材料； ZnO及其在半导体、短波长发光器件

10、等方面的研究已成为国际前沿领域中的研究热点 ；,整理ppt,22,GaN 衬底材料,整理ppt,23,整理ppt,24,应用背景,紫外二极管、紫外激光器、声表面波器件、透明电极,整理ppt,25,ZnO 单晶,衬底材料 GaN,发光二极管 激光器,透明电极 窗口材料,稀土基LED 的基质,压电换能器 表面波器件,气敏传感 器,整理ppt,26,发展历史,1959年，美国科学家Laudise使用水热法从1mol/L的NaOH溶液中生长出ZnO单晶； 在随后二十年中，ZnO生长研究掀起一个小高潮，尝试多种生长方法，如助熔剂法、水热法、气相法等，但由于该晶体生长难度大，所得晶体尺寸很小，没有实用价值

11、； 在1980年以后的近二十年里，ZnO单晶体的生长研究几乎处于停滞不前的状态 ； 近年来，用于高密度光存储技术的短波长光电器件的需求与日俱增，ZnO因其优良的物理、化学性能而又重新激起了人们的研究兴趣。,整理ppt,27,Will UV Lasers Beat the Blues ？ 1997年，Robert F. Service 在Science杂志上发表了 Will UV Lasers Beat the Blues? 的评论，高度评价了ZnO在紫外激光器中的应用前景，掀起了人们研究ZnO的热潮。,近年来，GaN、SiC等新型发光材料产业的迅速 发展对高质量大尺寸ZnO 单晶基片的需求越来

12、越大。1997年首次发现了ZnO室温紫外受激发射，正是由于ZnO的市场需求和本身特性，引起了人们的兴趣。,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,纳米ZnO和ZnO薄膜也成为研究热点,整理ppt,29,高电压输出ZnO纳米线发电机,ZnO纳米环,（a）基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米发电机(VING）； （b）基于平行于基片多行生长的纳米线所设计的纳米发电机

13、（LING）； （c）基于一行平行于基片生长的氧化锌纳米线所组成的纳米发电机； （d）在微小形变下能产生1.2伏输出电压的纳米发电机的光学照片；,整理ppt,30,氧化锌纳米结构研究的世界领袖 2000年开始，利用纳米ZnO独特的半导体、光学和生物特性，合成出ZnO纳米带、纳米环和纳米螺旋。 2006年，提出通过由压电材料合成的纳米线能将机械能转化为电能，并首次提出了纳米发电机原理，并将压电所产生的电场应用于控制半导体中载流子的输运过程，因此发明了压电电子学新概念和新领域。,王中林,1987年获亚利桑那州立大学物理学博士学位，现为美国佐治亚理工学院董事讲席讲授、工程学杰出讲席教授、纳米结构表征

14、中心主任。 他是中国科学院外籍院士，美国物理学会、美国科学促进会会士、美国显微镜学会和美国材料研究学会的会士（fellow） 在美国科学杂志发表论文10篇，英国自然杂志3篇，在自然子刊上发表6篇。他发表的学术论文已被引用43,000次以上，是该校百年来单篇论文引用次数最多的论文作者和该校有史以来个人论文引用总次数之第一名。是世界上在材料和纳米技术论文引用次数最多的前五位作者之一。,整理ppt,31,ZnO晶体结构,纤锌矿构型（-ZnS）, 六方晶系，空间群为P63mc, 晶胞参数a=0.3252nm, c=0.5213nm, Z=2,Zn2+ 形成六方密堆积, O2- 填充一半的四面体间隙,整

15、理ppt,32,ZnO基本性能,整理ppt,33,整理ppt,34,ZnO压敏陶瓷,对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常高，可以认为是绝缘体，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。 电压与电流是非线性关系； 应用： 电路过流保护、过压保护等,压敏电阻,整理ppt,35,ZnO晶体生长,实现ZnO器件的产业化有两个重要的环节 一是ZnO单晶的生长； 二是ZnO衬底上同质外延ZnO薄膜的制备； ZnO晶体生长存在的困难 ZnO晶体是一致熔融化合物，其熔点为1975 ； ZnO不仅具有强烈的极性析晶特性，而且在高温下（1300以上）挥发性很强 ；,整理pp

16、t,36,助熔剂法 水热法 气相传输法 坩埚下降法 。,ZnO晶体生长方法,整理ppt,37,晶体主要生长方法,单晶体原则上可以由固态、液态（熔体或溶液）或气态生长而得。 由液态结晶又可以分成熔体生长或溶液生长两大类。 液态结晶原理：人工晶体由熔体达到一定的过冷或溶液达到一定的过饱和而结晶。 气相法生长：升华法、物理输运、化学输运。,整理ppt,38,熔体生长法将原料融化成熔体，当熔体的温度低于凝固点时，熔体会转变为结晶固体； 这类方法是最常用的，主要有提拉法、坩埚下降法、区熔法、焰熔法等。 溶液生长法将原料（溶质）熔于一定的溶液中，使其达到饱和，然后采取措施（如蒸发、降温），使溶质在晶体表面

17、析出长成晶体； 广泛的溶液生长包括水溶液、有机和其他无机溶液、熔盐和在水热条件下的溶液等。 气相生长法一般可用升华、化学气相输运等过程来生长晶体。,整理ppt,39,助熔剂法,助熔剂法利用晶体的组分在高温下溶解于低熔点的溶剂中，形成饱和高温溶液，通过缓慢冷却或在恒定温度下蒸发溶剂，使溶液处于过饱和状态，以便晶体不断析出，常用此方法来生长高熔点的晶体。 关键助熔剂的选择 选择合适的助熔剂，降低ZnO生长温度,整理ppt,40,助熔剂的选择,(1) 足够强的溶解能力，在晶体生长的温度范围内，应有适当的溶解度和温度系数； (2) 在尽可能宽的温度范围里，形成唯一所需的稳定相； (3) 尽可能小的粘滞

18、性，利于溶质和能量的输运，有利于溶质的扩散和结晶潜热的释放，提高晶体的生长速度； (4) 尽可能低的熔点和尽可能高的沸点，以便选取较宽的生长温度范围；,常见助熔剂体系： NaCl，LiF (简单离子性盐类 ) Bi2O3，PbO，PbF2 (极性化合物 ) B2O3，钨酸盐、钼酸盐。,整理ppt,41,ZnO助熔剂法生长,ZnO单晶生长的助熔剂及其生长结果,整理ppt,42,整理ppt,43,Flux: KOH,常用的助熔剂： PbF2, KOH, NaOH, P2O5, V2O5 , MoO3; 颗粒状或针状的ZnO单晶，晶体质量很差 ZnO作为一种容易挥发的物质，并且温度越高，挥发性越强，

19、,整理ppt,44,ZnO- MoO3体系,ZnMoO4晶体颗粒,传统助熔剂法： ZnO晶体尺寸小，晶体质量差,整理ppt,45,在高温高压下，通过各种碱性或酸性的水溶液使材料溶解而达到过饱和进而析晶的方法。 关键设备是高压釜，耐高温、高压。 水热生长保持在2001000C的高温及100010000大气压的高压下进行。 原材料位于高压釜内温度稍高的底部，而籽晶则悬挂在温度稍低的上部。 下部饱和溶液通过对流而被带到上部，过饱和析晶于籽晶上。 合成水晶，蓝宝石、ZnO等。,水热法,水热生长示意图,整理ppt,46,水热法生长的KTP晶体,水热法生长的水晶,整理ppt,47,水热法生长ZnO晶体 培

20、养基： KOH (3.0mol/L), LiOH (1.0mol/L) 生长温度： 300-400C 压力： 70-100MPa,晶体尺寸： 50mm 50mm 15mm,生长速率较慢： 0.25mm/day 不利于实现商业化生产,整理ppt,48,日本东北大学(Tohoku University),3英寸（75mm) ZnO晶体,桂林矿产地质研究院,整理ppt,49,固体在升高温度后直接变成气相，而气相到达低温区又直接凝成晶体，整个过程不经过液态的晶体生长方式； 材料源在高温区升华，晶体则凝结于低温区； ZnO熔点较高，在熔点之前就已挥发，所以气相法有利于ZnO单晶生长 ；,升华法（气相生长

21、）,整理ppt,50,1、H2 ( Ar ) 充当运输载体升华 ZnO 2、加热升华ZnS, ZnSe 或 ZnTe等，使之处于气相，通入 O2反应生长出ZnO,CVT 方法 运输载体：H2 晶体尺寸：1cm3,生长速率: 1mm/day 易出现孪晶 难以实现商业化生产,气相法,整理ppt,51,Journal of Crystal Growth 207 (1999) 30-34,Journal of Crystal Growth 276 (2005) 389-392,整理ppt,52,高压熔体法,Crystal size: 1 inch,好的晶体质量，没有杂质污染 复杂、昂贵的生长设备,在特

22、制的下降炉中直接从ZnO熔体中生长 采取高压的方法抑制ZnO的挥发（美国Cermet公司发明）,整理ppt,53,小结: 采用以上四种方法虽然可以得到一定尺寸的ZnO单晶，但实现ZnO单晶的商业化生长还存在很大的困难。造成目前ZnO单晶的价格特别昂贵，因此，ZnO单晶生长技术需要有进一步的突破。,整理ppt,54,助熔剂-坩埚下降(Flux-Bridgman)法,传统助熔剂法将ZnO和助熔剂熔体放在特制坩埚中，对熔体逐渐整体降温，使ZnO从饱和熔体中析出来； 由于是熔体整体降温，成核点散布于熔体的各个部位； 一般只能得到针状或薄片状ZnO晶体，尺寸都很小，难以满足实际应用的要求； 将传统助熔剂

23、法与坩埚下降法结合； 大的温度梯度利于溶质的传输并能增大晶体生长速度； 可根据需要选用籽晶定向生长； 坩埚采取密封措施，有效抑制ZnO及有毒助熔剂的挥发；,整理ppt,55,坩埚下降法原理图,三个温度区：高温区；梯度区，低温区 大的温度梯度： 60C,整理ppt,56,基于文献调研和相图分析筛选助熔剂： KOH (NaOH)-ZnO 系统： 针状的ZnO单晶 B2O3- ZnO 系统： 高粘度B2O3 熔体不利于ZnO 溶质的传输 MoO3 (V2O5)- ZnO系统：复杂的相关系 (例如：温度低于1060C，析出的ZnO晶体会和剩余的溶液反应形成Zn3Mo2O9) PbF2-ZnO 系统：熔

24、点低、粘度小、溶解度大、相关系简单,助熔剂的选择,基于以上分析，选择PbF2为助熔剂开展坩埚下降法生长研究。,整理ppt,57,The phase system of ZnO-PbF2,PbF2 对Pt坩埚有较强的腐蚀性，温度越高腐蚀性越强； 温度越高，ZnO溶质的含量越高，有利于ZnO单晶的析出 基于多次实验，组分配比被优化成22mol%mol ZnO.,生长温度的确定,整理ppt,58,Top view of as grown boule,整理ppt,59,析晶行为： 气相生长 顶部薄片生长 内部分散结晶 问题：自发成核,As-grown ZnO crystals by the flux

25、Bridgman method,整理ppt,60,改进工艺：诱导成核生长技术,控制成核数目 增大温度梯度,The schematic diagram of the gas cooling system,整理ppt,61,直径: 25mm , 厚度: 4.08.0mm.,Bottom view of as grown boule with a gas rate 3.0L/min,通气核,整理ppt,62,Fig.11 The ZnO crystals,透明，平均尺寸 7.0mm 7.0mm 5.0mm 杂质的含量(GDMS)： Pb2+ 390.0ppm and F- 40.0ppm,整理ppt

26、,63,PL spectrum of as-grown ZnO crystal measured at room temperature,强的 UV 发射( 377nm), 无可见光发射 低的本征缺陷; ZnO 晶体接近化学计量比,光电性能,光致发光光谱（Photoluminescence spectrum),整理ppt,64,The transmittance spectrum of as-grown ZnO crystal measured at room temperature with 1mm thick wafer,透过率超过70% （600-800nm ） 光学带隙经计算大约为 3

27、.21eV,2=A (h - Eg),ZnO的光学吸收系数与入射光的能量的关系：,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 高的载流子浓度和电导率 原因：进去ZnO晶体内的F-.,霍尔效应测试系统,整理ppt,66,ZnO实用化器件遇到的困难,整理ppt,67,在第三代半导体材料中，相比ZnO而言，SiC和GaN已经从材料研究阶段进入器件研发阶段，并且部分器件已经实现了

28、商品化，比如以它们为材料的LED、激光器、短波长探测器等；,整理ppt,68,SiC 晶体结构,四面体单元，每种原子被四个异种原子所包围 原子间通过定向的强四面体 SP3 键结合在一起，并有一定程度的极化,SP3 杂化轨道,四面体单元,整理ppt,69,SiC 的结构,SiC具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了它是一种结合稳定的结构。 SiC 具有很高的德拜温度，达到1200-1430 K,决定了该材料对于各种外界作用的稳定性，在力学、化学方面有优越的技术特性。,整理ppt,70,SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体,SiC 的结构,Si、C 双原子层堆积序

29、列的差异会导致不同的晶体结构，从而形成了庞大的SiC同质多型族，目前已知的就有200多种。 SiC同质多型族中最重要的，也是目前比较成熟的、人们研究最多的是立方密排的 3C-SiC 和六方密排的 2H、4H 和 6H-SiC。 各种晶型之间的物理性质，特别是电学性质方面，如带隙宽度、载流子浓度、迁移率等存在差异；,整理ppt,71,SiC 的结构,SiC结构示意图 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 优良的物理化学性能,力学性质: 高硬度(克氏硬度为3000 kg/mm2)，可以切割红宝石；高耐磨性，仅次于金刚石。 热学性质: 热导率超过金属铜，是 Si 的3倍，是 GaAs 的 8-10 倍，散热性能好，对于大功率器件非常重要。SiC 的热稳定性较高，在常压下不可能熔化 SiC。 化学性质: 耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。SiC 表面易氧化生成 SiO2 薄层，能防止其进一步氧化，在高于1700 oC 时，这层 SiO2 熔化并迅速发生氧化反应。SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。 电学性质: 4H-SiC 和 6H-SiC

31、 的带隙约是 Si 的三倍，是 GaAs 的两倍；其击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子漂移速度是 Si 的2.5倍。4H-SiC 的带隙比 6H-SiC 更宽。,整理ppt,74,SiC半导体,SiC 主要特性,整理ppt,75,SiC 块材单晶的制备,T (K),(平衡),相对量,(非平衡),SiC 多型结构与加热温度的关系,整理ppt,76,整理ppt,77,整理ppt,78,SiC 材料及器件的一些具体应用,高频功率器件：相控阵雷达、通信系统、固相 UHF 广播系统、高频功率供应、电子干扰(干扰与威胁)和预警系统； 大功率器件：用于功率产生系统的功率电子、电涌抑制器、电动汽车的

32、功率调节、电子调节器（传动装置）、固相电灯镇流器； 高温器件：喷气发动机传感器、传动装置及控制电子、航天飞机功率调节电子及传感器、深井钻探用信号发射器、工业过程测试及控制仪器、无干扰电子点火装置、汽车发动机传感器； 作为生长 GaN、AlN、金刚石等的衬底。,整理ppt,79,SiC 半导体的发展,SiC是Si元素和C元素唯一稳定的化合物； 早在50多年前，SiC就认为是理想的半导体材料，但由于当时技术的限制和单晶生长的困难，SiC作为半导体材料的应用进展缓慢； 20世纪90年代以来，各国竞相投入大量的人力、物力进行SiC单晶的研究和产业化工作，发展迅速；,整理ppt,80,市场分析,Cree

33、 公司,2002 年的总销售为 2.03亿美元,主要产品市场,紫外 / 蓝光 / 绿光 LED,- 2002 年世界光源市场的销售额为 120 亿美元,- 2003年4月, 日本住友与Cree签订了至2004年6月, 从Cree 购买价值一亿美元LED产品合同,整理ppt,81,六方SiC与GaN晶格和热膨胀相匹配，是制造高亮度GaN发光和激光二极管的理想衬底材料。,交通信号灯,指示牌,全彩色 LED 大屏幕,汽车光源,光电器件,整理ppt,82,大功率射频及微波通讯,宽频放大器,功率转换器件,SiC 肖特基二极管,整理ppt,83,紫外激光,宝石应用,Charles PVT（物理气相传输，P

34、hysical Vapor Transport)-改进的Lely法, 生长中使用籽晶使成核过程得到控制，生长温度也降低（1800 ）；,整理ppt,102,PVT法生长SiC单晶,SiC原料在高温区分解； SiC气相组分在氩气气氛下 输运至粘在坩埚盖上的籽晶处； SiC气相组分在籽晶上结晶 后定向生长； 通常使用石墨坩埚，称为 C+ SiC系统；,整理ppt,103,基本反应过程,整理ppt,104,SiC薄膜的制备,同质外延与异质外延 SiC单晶片价格昂贵，成本很高(1.375 英寸的4H- SiC 晶片价格为$1500/片) 异质外延衬底：硅片、石英片等 方法：CVD (Chemical

35、Vapor Deposit,化学气相沉积)，溅射法，脉冲激光沉积，分子束外延。,整理ppt,105,目前，SiC 功率器件基本都是用化学气相沉积方法制备的 SiC 薄膜制成的; 最成熟和成功的是CVD法,SiC 薄膜的制备,独特的优势 (1)它是一种气相反应，可通过精确控制各种气体的流量来精确控制薄膜的厚度、组分和导电类型。 (2)可制备大面积、高均匀性的外延膜，适合于批量生产。 (3)灵活的气体源路控制技术使生长过程自动控制，降低随机因素，增加工艺重复性。,化学气相沉积,整理ppt,106,含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成

36、薄膜的过程CVD,整理ppt,107,SiC 薄膜的制备,上世纪八十年代初，水平冷壁石英管在Si衬底上获得单晶 3C-SiC 薄膜，使用的源气是 SiH4 和C3H8，H2 为载气 。,为了降低温度，人们使用既含 Si 又含 C 的物质(如C3H3SiCl3 等)作为生长 SiC 的原料。,无毒、非易燃的有机物 C7H20Si2 作为反应源，使用射频加热的方式在 Si(100)衬底上于 1100-1350 oC之间沉积 3C-SiC 薄膜。,气源,化学气相沉积 （CVD）,整理ppt,108,连通式双反应室CVD系统实物图,实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延,整理ppt,109,

37、GaN半导体,GaN熔点为2700,整理ppt,110,GaN单晶是主要的第三代半导体材料，是国家重点发展的战略性高技术材料 ； 一是高亮度白光LED，包括上海蓝光、蓝宝等公司都在生产，但主要采用在蓝宝石基片上外延GaN技术； 二是高性能半导体器件，特别是国防装备上，国家动辄数千万研发经费投入，旨在发展高端武器装备；,GaN半导体简介,整理ppt,111,整理ppt,112,高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G） 高温特性，在300正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境） 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） 高压特性（

38、耐冲击，可靠性高） 大功率（对通讯设备是非常渴望的）,GaN主要特点,整理ppt,113,GaN的主要应用,GaN基蓝光LED 全彩色大屏幕、交通信号灯、LCD背光源、仪器仪表指示灯、景观光源，GaN基LED普通白光照明已经实现 GaN基蓝光LD （Laser diodes） 光探测、光通信和信息高密度光存储（ DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比） 紫外探测器 适合可见光盲和太阳盲区的紫外辐射探测，在直升飞机群夜间防撞、局部战场保密通讯、导弹导航、宇宙飞船、火灾监测等领域有重要应用GaN 基的紫外探测器，美国将其列入“弹道导弹防御系统”以及“先进防御计划”的研制开发

39、计划。 GaN基电子器件 高温、大功率微波器件，在国防等方面具有重要应用,整理ppt,114,高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件， 将目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300； 将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能， 将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。,相控阵雷达,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发光原理（Light Emitting Diode),电致发光 加正向电压， P 区空穴不断地向 N 区扩散，而 N 区电子也向 P 区扩散，电子空穴发生复合，以光子的形式发出能量（相当于电子由导带跃迁到价带） 光的波长由带隙决定，也决定了发光颜色 多用直接带隙半导体，如GaAs 间接带隙半导体需要声子参与，发光效率低,低电压驱动、寿命长、环

42、保。,整理ppt,119,整理ppt,120,阴极射线管电视机,液晶平面电视机,LED光发射二极管,LED大屏幕显示,整理ppt,121,LED灯电激励使电子跃迁到导带,电子返回价带的辐射光子-发光 白炽灯电能先转化为热能,热激励使电子跃迁到高能带,电子返回低能带辐射光子-发光 荧光灯冷光源，是由电能先激励汞蒸汽,汞蒸汽放电产生的紫外线激发荧光粉发光(寿命短,因此成本较高),整理ppt,122,物体的 发光方式,：又叫热辐射，是指物质在高温下发出的光。,：某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将

43、能量释放出来，回到基态。,整理ppt,123,整理ppt,124,整理ppt,125,光的颜色由光的波长决定，而光的波长则由带隙宽度决定,整理ppt,126,三原色：红绿蓝 （组合而成五颜六色）,整理ppt,127,1993年，日本科学家中村修二(在Nichia Corporation期间)在GaN基片上研制出第一只蓝色发光二极管，实现了高亮度发光并间接实现了白光，从此成为应用最广泛的发光半导体材料； 白光LED 固体冷光源，效率高，绿色环保 寿命长，可以达到10万小时（连续10年） 低电压工作 是照明领域的又一次革命,白光LED,整理ppt,128,LED仅使用传统照明1/10的电力 LED

44、是目前照明灯具10倍以上的寿命(10年) 白光LED目前已商品化,固态照明照明技术的革命！,整理ppt,129,灯具,整理ppt,130,LED车灯被广泛使用,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,美国半导体照明计划 从2000年起国家投资5亿美元 到2010年 55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代 每年节电达350亿美元 2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场,日本21世纪照明计划 投入资金50亿日元 2007年 30%的白炽灯被置换为半导体照明灯,整理ppt,133,我国LE

46、D产业化基地上海、大连、南昌、厦门、深圳、石家庄、扬州等； 上海上海蓝宝光电、上海北大蓝光、大晨光电等重量级企业，上海半导体照明工程技术研究中心；,整理ppt,134,如何实现白光LED？,基于蓝光LED，通过荧光粉激发一个黄光，组合成为蓝光 通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光 基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光,整理ppt,135,蓝光LED（GaN）发光二极管激发黄色荧光粉（YAG）产生白光日本日亚化学专利，主流方式,藍光,单晶蓝光LED与黄光荧光粉被激发后产生的黄光与原先用于激发的蓝光互补而产生白光,整理ppt,136,紫外光LED激发RGB三波长萤光粉来产生白光,LED 晶

47、粒,单晶型UV LEDRGB荧光粉-利用实际上不参与配出白光的UV LED激发红、绿、蓝三色荧光粉，藉由三色荧光粉发出的三色光配成白光,第三种是多晶型RGB LED，将发出红、蓝、绿三种颜色的晶粒，直接封装在一起，藉由红、绿、蓝三色直接配成白光的方式，可制成白光发光二极管,整理ppt,137,荧光粉,用光激发产生的发光叫光致发光 光源波长：紫外-可见-红外 荧光吸收能量后，激发态的寿命极短，大约10-8S就自动回到基态而发光； 撤去激发源，荧光立即停止 各类荧光粉、节能灯 长余辉激发源停止后，发光可持续一段时间，几十分钟甚至数小时； 紧急照明、隐蔽照明、应急指示等,整理ppt,138,三基色荧光粉 由发出红、绿、蓝三种基色的荧光粉按一定比例合成，可引起不同的彩色感觉; 发蓝光（峰值450nm)的BaMg2Al16O27:Eu3+ 发绿光（峰值543nm）的MgAl11O19:Ce3+,Tb3+ 发红光（峰值611nm)的Y2O3:Eu3+ 三种成分按一定比例混合，可以制成色温为2500-6500K的任意光色荧光灯,整理ppt,139,在美国“9.11”事件中长余辉发光标志在人员疏