固态电子器件

固态电子与器件管飞16724154Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形成，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种（BSb除外）Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形成，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等Ⅳ-Ⅳ族：SiC

5.5.化合物半导体材料IIIA元素：B、Al、Ga、In

VA元素：N、P、As、Sb

组合形成的化合物15种（BSb除外）目前得到实用的III-V族化合物半导体

GaNGaPGaAsGaSbInPInAsInSb原子序数之和：由小→大材料熔点：由高→低带隙宽度：由大→小

5.5.1化合物半导体材料的分类

5.5.2化合物半导体材料的基本特性1晶格结构

图1

金刚石结构(a)和闪锌矿结构(b)1）闪锌矿结构(a)(b)大多数的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体与金刚石结构相似：每个原子与邻近四个原子形成四面体结构（键），又称类金刚石；由两；与金刚石结构不同：每个原子邻近是四个异类原子；混合键：共价键占优。2）纤锌矿结构

图2(a)纤锌矿结构，(b)四面体(a)(b)Ⅱ-Ⅵ族的ZnS、ZnSe、CdS等都可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；与闪锌矿不同：六方对称（闪锌矿是立方对称）；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半导体，如GaN；混合键：离子键占优。

5.5.2化合物半导体材料的基本特性

5.5.2化合物半导体材料的基本特性2晶格常数图3

III-V族合金半导体的晶格常数随组分比x变化的情况晶格常数与合金组分：服从Vegard关系，即aAB=aAx+aB(1-x)

--线性插值关系

5.5.2化合物半导体材料的基本特性晶格常数与禁带宽度

元素与化合物半导体的晶格常数与禁带宽度同类型半导体：晶格常数大的，其禁带宽度小。

Si与GaP、AlPGe与GaAs、AlAs

晶格常数匹配

5.5.2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能量/eV能量/eV图4

硅(a)和砷化镓(b)的能带结构3

能带结构

2.2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能量/eV图5

砷化镓的能带结构3能带结构①直接跃迁型：导带极小值在k=0处，价带极大值近似在k=0处；②具有负阻特性：在【111】方向具有双能谷；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到迁移率小的次能谷，出显电场增大而电流减小现象。③Eg大：1.43eV,制作高频、大功率器件；DaiXian-ying

5.5.2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

①直接跃迁型：导带极小值在k=0处，电子有效质量小；②导带呈非抛物线性：极小值处E(k)曲线的曲率很大，随能量的增加，曲率迅速下降；③Eg小：0.23eV,制作远红外检波器、高灵敏光电池、波长在2.0-7.5μm的红外线滤光器等；DaiXian-ying

5.5.2化合物半导体材料的基本特性3）GaP的能带结构及其主要特点①间接跃迁型：导带极小值在【100】方向Χ处；②某些杂质在GaP中可形成发光辐射复合中心，使GaP可由间接跃迁转化为直接跃迁；③Eg大：2.25eV,可制作绿、红、黄光LED等；与Si相比，III-V族二元化合物半导体的独特性质1.带隙较大，大部分室温时＞1.1eV，因而所制造的器件耐受较大功率，工作温度更高2.大都为直接跃迁型能带，因而其光电转换效率高，适合制作光电器件，如LED、LD、太阳电池等。GaP虽为间接带隙，但Eg

较大(2.25eV)，掺入等电子杂质所形成的束缚激子发光仍可得到较高的发光效率。是红(Zn-O、Cd-O)、黄(Bi)、绿(N)光LED的主要材料之一3.电子迁移率高，很适合制备高频、高速器件

5.5.2化合物半导体材料的基本特性超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的晶格周期性。当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为:E=E(kz)+ħ2/2m(kx2+ky2)在xy平面内电子的动能是连续的，z方向附加周期势场使电子的能量分裂为一系列子能带。不连续点的kz值满足:kz=±n/D，D为超晶格周期。AB

5.5.3超晶格和量子阱的一般描述超晶格多量子阱能带结构示意图多量子阱能带图E2E1超晶格能带图EcAEvAEcBEvBEgBEgA∆Ec∆EvE2E1多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。

5.5.3超晶格和量子阱的一般描述超晶格分类（1）组分调制超晶格（2）掺杂调制超晶格（3）应变超晶格（4）多维超晶格（5）非晶态半导体的超晶格（6）半磁超晶格（7）渐变能隙超晶格(锯齿状)超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。

5.5.3超晶格和量子阱的一般描述（1）组分调制超晶格

在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。

按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质结分为三类：Ⅰ型异质结:窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。Ⅱ型异质结（ΔEc和ΔEv的符号相同），分两种：*ⅡA类超晶格：材料1的导带和价带都比材料2的低，禁带是错开的。材料1是电子的势阱，材料2是空穴的势阱。电子和空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙的特点，跃迁几率小，如GaAs/AlAs超晶格。

ⅡB类超晶格：禁带错开更大，窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中，有金属化现象，如InAs/GaSb超晶格。

Ⅲ类超晶格：其中一种材料具有零带隙。组成超晶格后，由于它的电子有效质量为负，将形成界面态。典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。（1）I类红外超晶格材料利用量子遂穿效应，形成垂直于层面的电流－－超晶格材料。AlGaAs/GaAs

5.5.4超晶格量子阱红外探测器材料1、GaAs体系

量子红外探测器（QWIP）是利用较宽带材料制作的，并且采用了量子阱结构。（2）II类应变红外超晶格材料由于InAsSb和InSb之间的晶格常数相关较大，因些属于应变超晶格结构。InAsSb/InSb

用MBE或MOCVD工艺在衬底上生长缓冲层。这种材料应用如下特点：键强度好，结构稳定；均匀性好；波长易控制；有效质量大；隧道电流小；（3）III类红外超晶格材料以Hg为基础的超晶格材料。交替生长HgTe和CdTe薄层。特点如下：禁带宽度和响应截止波长由HgTe层厚度控制；有效质量比较大；p型HgTe-CdTe超晶格有极高的迁移率。InSb是一种直接跃迁型窄带宽化合物半导体，具有电子迁移率高和电子有效质量小的特点。它适于制备光伏型、光导型和光磁电型三种工作方式的探测器，各自有不同的特点优势。提纯工艺和单晶制备工艺的发展，到上个世纪中期，用优质InSb单晶制备单元光电探测器已达到背景限。红外光电技术的发展使其经历了从单元向多元、从多元线列向红外焦平面阵列

IRFPA发展的过程。

InSb薄膜有同质外延与异质外延之分，前者已经有人用磁控溅射法和MBE法进行了生长。二、InSb光电材料特性

GaN基III-V族氮化物宽带隙半导体通常是GaN、AlN和InN等材料。禁带宽度一般在2eV以上。其结构上具有多型性，上面三种通常都表现为纤锌矿2H型结构，也可以形成亚稳态的3C结构。氮化物材料的外延生长主要是基于金属有机物气相外延和MBE方法。

GaN是直接带隙材料，在禁带宽度以上材料的光吸收系数增加很快，因此表面效应影响较大，设计和制造时要注意。

III-V族氮化物用于紫外光电探测器的另一个特点是：此材料可以用外延生长方法形成三元合金体系，并改变三族元素的组分比例。三、GaN光电薄膜特性及其在紫外探测中的应用

1.III-V族氮化物材料的特性

为了获得高质量的薄膜，需要有一种理想的衬底材料，它应该与GaN有着完美的晶格匹配和热匹配。SiC、MgO和ZnO等是与氮化物匹配性较好的材料。蓝宝石，具有六角对称性，容易加工，虽然与GaN之间的晶格失配较大，但适当的缓冲层的蓝宝石衬底可以有效地改善薄膜质量。缓冲层有GaN和AlN两种，外延生长用AlN作为缓冲层可以提高薄膜质量。采用低温GaN缓冲层生长GaN薄膜同样可以提高质量。2.III-V族氮化物衬底材料的选择

对于半导体材料而言，Si材料及相关工艺技术已经极其成熟，GaA