化合物半导体材料及器件基础

1、化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying化合物半导体器件化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院微电子学院戴显英戴显英2013.8化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying第二章第二章 化合物半导体材料化合物半导体材料 与器件基础与器件基础 半导体材料的分类半导体材料的分类 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1 半导体

2、的分类半导体的分类绝缘体（绝缘体（1018-1010cm），半导体（），半导体（108-10-3cm），金属（），金属（10-4-10-8cm） 绝缘体（禁带宽度绝缘体（禁带宽度E Eg g大），半导体（禁带宽度大），半导体（禁带宽度E Eg g小），金属（导带与价带重叠）小），金属（导带与价带重叠） 化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1 半导体的分类半导体的分类2.1.1 半导体的特征半导体的特征 室温下的电导率在室温下的电导率在10103 3-10-10-8-8S/cmS/cm（或电阻率（或电阻

3、率1010-3-310108 8cmcm） 电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性）电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性） 两种载流子参与导电（金属只有一种）两种载流子参与导电（金属只有一种） 化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1 半导体的分类半导体的分类2.1.2 半导体的特性半导体的特性 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8，电阻率相应地降低50%左右 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改

4、变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000cm降至0.2cm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，当受光照后电阻值可以下降为几十K 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类按照材料的化学成分

5、和结构特性可将半导体分为：按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为：1）元素半导体）元素半导体 2）化合物半导体）化合物半导体 3）合金（固溶体）合金（固溶体） 2.1.3 元素半导体元素半导体C（金刚石）（金刚石）,Si, Ge, Sn 晶格结构：金刚石晶格结构：金刚石能带结构：间接带隙能带结构：间接带隙Sn: 0.08 eVSn: 0.08 eVGe: 0.67 eVGe: 0.67 eVSi: 1.12 eVSi: 1.12 eV C: 5.50 eV C: 5.50 eV化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导

6、体材料的分类2.1.4 化合物半导体化合物半导体-族：由族：由AA的的B B、AlAl、GaGa、InIn与与AA的的N N、P P、AsAs、SbSb形成，形成， 如如GaAsGaAs、InPInP、GaNGaN、BNBN、AlNAlN、GaPGaP、InSbInSb等等1515种。种。-族：由族：由BB的的ZnZn、CdCd、HgHg与与AA族的族的O O、S S、SeSe、TeTe形成，形成， 如如ZnOZnO、ZnSZnS、CdSCdS、CdTeCdTe、HgSHgS、HgSeHgSe、HgTeHgTe等等-族：族：SiCSiC化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-ying

7、Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类二元化合物半导体特点：二元化合物半导体特点：1 1）大部分是直接能带隙）大部分是直接能带隙 （对光电器件很重要）；（对光电器件很重要）；2 2）有很宽的禁带宽度）有很宽的禁带宽度EgEg范围，但只在离散的点上；范围，但只在离散的点上；3 3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片）可以块状生长（单晶），并被切成薄片( (晶圆片）。晶圆片）。2.1.4 化合物半导体化合物半导体我们还需要更多！我们还需要更多！重要的二元化合物半导体：重要的二元化合物半导体：1 1）GaAsGaAs：第二代半导体：第二代半导体2 2）GaNGaN与与S

8、iC:SiC:第三代半导体第三代半导体( (宽禁带半导体）宽禁带半导体）化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体二元合金半导体：二元合金半导体：SiSi1-x1-xGeGex x三元合金半导体：三元合金半导体：AlAlx xGaGa1-x1-xAsAs、AlAlx xGaGa1-x1-xN N、 InInx xGaGa1-x1-xAsAs、InIn1-x1-xAlAlx xAsAs等等四元合金半导体：四元合金半导体：InInY YGaGa1-Y1-YAsAsX XP P1-X1

9、-X and Al and AlY YGaGa1-Y1-YAsAsX XSbSb1-X1-X 合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。特点：特点：1 1）组分可调；）组分可调； 2 2）禁带宽度随组分连续可调；）禁带宽度随组分连续可调； 3 3）晶格常数随组分连续可调。）晶格常数随组分连续可调。化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体

10、三元合金的禁带宽度与晶格常数关系三元合金的禁带宽度与晶格常数关系三元合金变化趋势：三元合金变化趋势：晶格常数：晶格常数：与组分呈线性关系与组分呈线性关系禁带宽度：禁带宽度：与组分呈二次方关系与组分呈二次方关系有效质量：有效质量：与合金组分成二次方与合金组分成二次方和单调关系和单调关系三元合金半导体：三元合金半导体：由二元化合物和一种元素组成由二元化合物和一种元素组成化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体三元或四元合金半导体的基片（衬底）：三元或四元合金半导体的基片（衬底）：

11、二元化合物半导体，如二元化合物半导体，如 GaAs、InP异质结构异质结构： 晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度EgEg不同。不同。三元合金半导体：三元合金半导体： 与二元不匹配；但一个例外，与二元不匹配；但一个例外，AlGaAsAlGaAs与与GaAsGaAs晶格匹配。晶格匹配。四元合金半导体：四元合金半导体： 容易与二元衬底匹配容易与二元衬底匹配化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体四元合金半导体：四元合金半导体： 1 1）两种元素是同族元素

12、，）两种元素是同族元素，如如AlAly yGaGa1-y1-yAsAsx xSbSb1-x 1-x 、 InIny yGaGa1-y1-yAsAsx xP P1-x 1-x 等等2 2）三种元素是同族元素，三种元素是同族元素，如如InIny yGaGa1-y1-yAlAlx xAsAs1-x1-x等等InGaAsP and AlGaAsSbInGaAsP and AlGaAsSb 四元合金半导体禁带宽度与晶格常数四元合金半导体禁带宽度与晶格常数合金举例：如图所示合金举例：如图所示1）AlGaAs:AlAs+GaAs2）InPAs:InAs+InP3）AlGaAsSb:AlGaSb+ AlGaA

13、s4）InGaAsP:GaAsP+GaInP化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体四元：四元：GaGay yInIn1-y1-yAsAsx xSbSb1-x1-x：化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体四元：四元：InGaAlAsInGaAlAs化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导

14、体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体四元：四元：GaAlInPGaAlInP and andGaAlAsPGaAlAsP化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体四元：四元：AlGaInNAlGaInN化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类半导体材料的分类2.1.5 合金半导体合金半导体重要的三元和四元合金重要的三元和四元合金AlGaAsAlGaAs（GaAsGaAs基片）基片）: : HBT HBT

15、，场效应管，光电器件，场效应管，光电器件GaAsPGaAsP（GaAsGaAs基片）基片）: :红色、琥珀色发光二极管红色、琥珀色发光二极管HgCdTeHgCdTe（CdTeCdTe基片）基片）: : 红外成像仪红外成像仪InGaAsP, InGaAlAsInGaAsP, InGaAlAs（InPInP基片）基片）: :光纤通讯用光电器件光纤通讯用光电器件InGaAlAs (InPInGaAlAs (InP基片基片):): 同上同上InGaAsInGaAs（GaAs, InPGaAs, InP）: : 电阻接点，量子势阱电阻接点，量子势阱InGaAsP InGaAsP （GaAsGaAs）:

16、: 红，红外激光器，探测器红，红外激光器，探测器GaInAlN (GaInAlN (不同基片不同基片):): 绿，蓝，紫外发光二极管，激光器绿，蓝，紫外发光二极管，激光器化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying第二章第二章 化合物半导体材料化合物半导体材料 与器件基础与器件基础 半导体材料的分类半导体材料的分类 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性2.2.1 晶格结构晶格结构 图图2.3 金

17、刚石结构金刚石结构(a)和闪锌矿结构和闪锌矿结构(b)1）闪锌矿结构）闪锌矿结构(a)(b)大多数的大多数的-族和族和-族族化合物半导体化合物半导体与金刚石结构相似：每个原子与金刚石结构相似：每个原子与邻近四个原子形成四面体结与邻近四个原子形成四面体结构（键），又称类金刚石；构（键），又称类金刚石；与金刚石结构不同：每个原与金刚石结构不同：每个原子邻近是四个异类原子；子邻近是四个异类原子；混合键：共价键占优。混合键：共价键占优。化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性2）纤锌矿结构）纤锌矿

18、结构 图图2.4 (a)纤锌矿结构，纤锌矿结构，(b)四面体四面体(a)(b)-族的族的ZnSZnS、ZnSeZnSe、CdSCdS等都可等都可以闪锌矿和纤锌矿两种方式结晶以闪锌矿和纤锌矿两种方式结晶与闪锌矿相似：正四面体结构；与闪锌矿相似：正四面体结构；与闪锌矿不同：六方对称（闪锌与闪锌矿不同：六方对称（闪锌矿是立方对称）；矿是立方对称）；纤锌矿结构更适合原子间电负性纤锌矿结构更适合原子间电负性差别大、化学键极性强的化合物差别大、化学键极性强的化合物半导体，如半导体，如GaNGaN；混合键：离子键占优。混合键：离子键占优。化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xi

19、an-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性2.2.2 晶格常数晶格常数图图2.6 III-V族合金半导体的晶格常数随组分比族合金半导体的晶格常数随组分比x变化的情况变化的情况 晶格常数与合金晶格常数与合金组分：组分：服从服从Vegard关关系，即系，即aAB=aAx+aB(1-x) -线性插值关系线性插值关系 化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性晶格常数与禁带宽度晶格常数与禁带宽度 元素与元素与化合物半导体的晶格常数与禁带宽度化合物半导体的晶格常数与禁

20、带宽度同类型半导体：同类型半导体：晶格常数大的，晶格常数大的，其禁带宽度小。其禁带宽度小。 Si与与GaP、AlPGe与与GaAs、AlAs 晶格常数匹配晶格常数匹配 思考题：思考题：1）为什么要晶）为什么要晶格匹配？格匹配？2）如何能够实）如何能够实现晶格匹配？现晶格匹配？化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性闪锌矿的闪锌矿的 III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族化合物半导体族化合物半导体晶格常数与禁带宽度晶格常数与禁带宽度 注：注： Z=Z=闪锌矿闪锌矿 ，W=W=纤锌

21、矿，纤锌矿，i=i=间接能隙，间接能隙，d=d=直接能隙直接能隙化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性纤维锌矿纤维锌矿 III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族，铅盐（族，铅盐（IV-VIIV-VI族），族），IVIV族元素族元素 晶格常数与禁带宽度晶格常数与禁带宽度 注：注： W=W=纤锌矿，纤锌矿，R=R=岩盐，岩盐，D=D=金刚石，金刚石，i=i=间接能隙，间接能隙，d=d=直接能隙直接能隙化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-yin

22、g 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性2.2.3 晶体的化学键和极化晶体的化学键和极化图图2.7 本征砷化镓的基本键表示图本征砷化镓的基本键表示图 元素半导体，元素半导体，SiSi：只有共价价键；：只有共价价键；化合物半导体：既有共价键，又有化合物半导体：既有共价键，又有离子键。（又称极性半导体）离子键。（又称极性半导体）例如，例如，GaAs:1)AsGaAs:1)As失去一个价电子失去一个价电子给给Ga;2)AsGa;2)As和和GaGa外层价电子进行外层价电子进行SPSP3 3轨道杂化，形成轨道杂化，形成4 4个共价键。个共价键。极化：极化：AsAs为负电荷中心、

23、为负电荷中心、GaGa为正电荷中心。为正电荷中心。化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性1）砷化镓的能带结构及其主要特点）砷化镓的能带结构及其主要特点2101234gE价带111100导带能量/eVSip动量01234gE价带111100导带能量/eVGaAsE0.31 p动量图图2.9 硅硅(a)和砷化镓和砷化镓(b)的能带结构的能带结构 2.2.4 能带结构能带结构化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性

24、化合物半导体材料的基本特性1）砷化镓的能带结构及其主要特点）砷化镓的能带结构及其主要特点01234gE价带111100导带能量/eVGaAsE0.31 p动量图图2.9 砷化镓的能带结构砷化镓的能带结构 2.2.4 能带结构能带结构直接跃迁型：导带极小值在直接跃迁型：导带极小值在k=0k=0处，处，价带极大值近似在价带极大值近似在k=0k=0处处；具有负阻特性：在具有负阻特性：在【111111】方向具方向具有双能谷；当外电场超过某个阈值，有双能谷；当外电场超过某个阈值，电子可能由迁移率大的主能谷转移电子可能由迁移率大的主能谷转移到迁移率小的次能谷，出显电场增到迁移率小的次能谷，出显电场增大而电流减小现象。大而电流减小现象。EgEg大：大：1.43eV,1.43eV,制作高频、大功率制作高频、大功率器件；器件；更正：更正：p19p19第第4 4、5 5行，行，【100100】应为应为【111111】。化合物半导体器件化合物半导体器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半导体材料的基本特性化合物半导体材料的基本特性2）锑化铟的能带结构及其主要特点）锑化铟的能带结构及其主要特点 直接跃迁型：导带极小值在直接跃迁型：导带极小值在k=0k=0处，处，电子有效质量小；电子有效质量小；导带呈非抛物线性：极小值处导带呈