L10-化合物半导体材料

§10化合物半导体材料10.1III-V化合物半导体10.2II-VI化合物半导体2/4/20231III-V族化合物半导体由III族元素和V族元素按一定比例组成的化合物半导体，称为III-V族化合物半导体。大部分III-V族化合物半导体的晶体结构是闪锌矿结构许多III-V族化合物半导体具有直接能带结构§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20232§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20233§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20234(1).GaAs的能带结构和性质I.价带有3个能带II.具有直接带隙结构III.导带具有多能谷A.GaAs的能带结构§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20235§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20236I.浅施主能级杂质：VI族元素Se,S,TeB.GaAs中的杂质II.浅受主能级杂质：II族元素Zn,Be,Mg,CdIII.深能级杂质：Au,Cu,CrIV.双性杂质：IV族元素Si,Ge,Sn,PbV.等电子(中性)杂质：III元素和V族元素§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20237§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20238I.迁移率高C.GaAs的电学性质II.负微分电导效应I.大功率器件II.高速、微波器件III.太阳能电池、发光二极管，激光器D.GaAs半导体的应用IV.红外探测器§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/20239§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202310§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202311§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202312(2).GaP的能带结构及性质I.价带有2个能带II.具有间接带隙结构III.导带具有多能谷A.GaP的能带结构§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202313§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202314I.发光二极管II.雪崩二极管C.GaP半导体的应用B.GaP中的杂质§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202315§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202316(3).GaN的能带结构和性质I.常用的GaN为纤锌矿晶体结构II.具有直接带隙结构III.室温下Eg=3.39eVA.GaN的基本性质§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202317§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202318I.施主杂质：Si和SeB.GaN的掺杂II.受主杂质：Mg，需经特殊处理I.蓝、绿发光二极管II.多量子阱蓝色激光器III.紫外探测器D.GaN的应用IV.高温、大功率晶体管§10化合物半导体材料

10.1III-V族化合物半导体2/4/202319

II-VI化合物半导体I.由II族副族和VI族主族元素构成Zn,Cd,Hg和O,S,Se,TeII.都具有直接带隙结构III.禁带宽度可通过第三元素调节IV.缺陷密度大，难制备p-n结(1).基本特性§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2/4/202320I.点缺陷类型：间隙原子和空位(2).II-VI族化合物半导体中的点缺陷II.MX结构中，VX相当于施主VM相当于受主I.CdTe,HgTe,CdxHg1-xTe(3).II-VI族化合物§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体II.ZnO2/4/202321§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2/4/202322§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2/4/202323§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2/4/202324§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2/4/202325§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2/4/202326§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2/4/202327a.霍尔器件CdxHg1-xTeb.红外探测器CdxHg1-xTec.无汞的II-VI族化合物半导体可制作可见光,紫外光,X光探测器，光敏电阻，太阳能电池，电致发光器件等§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体CdTe,HgTe,CdxHg1-xTe材料的应用2/4/202328§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体(1).ZnO的基本性质

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族氧化物材料，具有六方纤锌矿结构。ZnO的分子结构类型介于共价键与离子键之间，c轴方向具有很强的极性。2/4/202329§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体纤锌矿结构ZnO的一些物理参数物理参数符号数值300K时的晶格常数（nm）a0c00.324950.52069密度（g/cm3）ρ5.606熔点（℃）Tm1975热导率（W/cm·K）σv0.595（a轴方向），1.2（c轴方向）线性膨胀系数（10-6/K）Δa/a，Δc/c6.5，3.0静态介电常数ε8.656折射率n2.008（a轴方向），2.029（c轴方向）压电常数（C/m2）eije31=-0.61，e33=1.14，e13=-0.59300K时的禁带宽度（eV）Eg3.37激子结合能（meV）Eex60激子Bohr半径（nm）αB2.03本征载流子浓度（cm-3）n＜106电子有效质量（×m0）me*0.24300K下n型底阻ZnO的电子Hall迁移率（cm2V-1s-1）μe200空穴有效质量（×m0）mh*0.59300K下p型底阻ZnO的电子Hall迁移率（cm2V-1s-1）μh5～502/4/202330§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体ZnO与GaN有相同的晶体结构，相近的晶格常数和禁带宽度。与之相比，ZnO还具有以下优点：1、ZnO薄膜的生长温度一般低于700℃，比GaN（生长温度1050℃）要低得多，有利于降低对设备的要求和损耗；2、ZnO薄膜在室温下光致发光和受激辐射有较低的阀值功率，有较高的能量转换效率；(2).ZnO材料的优点2/4/202331§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体3、ZnO有较高的激子复合能为60meV，理论上有可能实现室温下较强的紫外受激发射，制备出性能较好的探测器、LED和LD等光电子器件。4、ZnO有很好的成膜特性，能在较低的温度（200℃-650℃）下制备出有较好晶体质量的ZnO薄膜。5、ZnO薄膜的原料丰富、成本低、无毒、对环境无污染，是环保型材料。2/4/202332§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体1)未掺杂ZnO的导电机制—n型导电

未掺杂氧化锌薄膜中存在的缺陷主要是点缺陷，即氧缺位或金属锌原子过剩，这些缺陷是ZnO薄膜中载流子的主要来源。氧缺位使薄膜晶体结构中锌与氧的化学计量比大于1:1。此时薄膜中就会存在过剩的正电荷，为了保持电中性，就会在氧缺位周围聚集同样多的电子，由于电子与缺陷之间的束缚力非常弱，在常温下就能获得足够高的能量脱离其束缚而成为自由电子，所以此类薄膜为n型半导体薄膜，其电阻率高于106cm。(3)ZnO掺杂2/4/202333§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体2)n型掺杂的ZnO

为了提高氧化锌薄膜中的载流子浓度，可以采取适当掺杂的方法来实现。作为第Ⅱ-Ⅵ族化合物的氧化锌，可以掺入Ⅲ族元素B、Al、In、Ga或者由氧缺位来改善其导电性。在这些掺杂中，研究得最多的n型掺杂剂是Al、Ga和In。采用Al掺杂制得的ZnO:Al薄膜电阻率可达到10-4cm，而掺Ga，In制得的薄膜的电阻率一般为10-3cm。2/4/202334§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体

掺入Al时，由于铝的离子半径(RAl=0.060nm)比锌的离子半径(RZnO=0.096nm)小，Al原子容易成为替位原子而占据Zn原子的位置。每个Al3+离子对Zn2+离子的替换提供一个导电电子。

在ZnO中掺杂Al之后可以形成

ZAO(ZnO:Al)薄膜，导电性能大幅度提高，电阻率可降低到10-4cm

，可见光透射率达90%。这种性能完全可以与ITO薄膜相媲美。2/4/202335§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体3)P型掺杂的ZnOZnO的p型掺杂是目前面临的难题。一些位于填隙位置上的本征点缺陷或者杂质原子会有补偿作用，即掺杂时极易产生与杂质类型相反的缺陷。这些缺陷通过形成深能级陷阱来抵消替位原子形成的浅受主能级。晶格弛豫也会使得杂质能级在禁带中位于很深的位置，一些特定的p型掺杂元素溶解度较低，限制了非本征载流子浓度的提高，这些原因都造成了p型掺杂以及p-n结制备的困难。2/4/202336§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体ZnO薄膜的发光特性引起人们的关注。由于室温下ZnO的禁带宽度为3.37eV，理论上具备蓝光或紫外光发射的本领。最近几年人们开始致力于利用ZnO薄膜研制短波长发光二极管和激光器。随着平板显示器件的兴起，研究人员也试图将ZnO研制成一种低压高效的绿色荧光薄膜材料。但是实验结果表明，ZnO薄膜可实现多种谱带的光发射，其能带结构较为复杂。(4)ZnO材料的光致发光2/4/202337§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体ZnO薄膜典型的光致发光有两个发光带：一个是窄的紫外光带，另一个是宽的绿-黄光带。窄的紫外峰在380nm(3.3eV)附近，宽的深能级发射在大约490(2.52eV)～550nm(2.25eV)左右。2/4/202338§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体研究人员均认为375nm附近的紫外峰其来源于近带边的激子跃迁，其发光强度与薄膜的结晶质量、化学配比有关。结晶质量好的薄膜发射紫外光的强度高。对于ZnO薄膜在可见光区的发光机理至今还没有统一的说法，有的认为可见光来源于与结构缺陷和杂质相关的深能级发射，其中所有的结构缺陷都是来自薄膜生长过程中氧供给量不足，即锌和氧的化学计量比失衡。2/4/202339§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体(4)ZnO薄膜的制备所有能制备半导体材料的方法都能制备ZnO薄膜，主要有：化学气相沉积法、磁控溅射法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法、分子束外延法、激光脉冲沉积法等。其中溶胶-凝胶法、电化学沉积法无需真空设备，可大幅降低了制作成本，简化工艺。2/4/202340§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体(5)ZnO薄膜的应用

1)太阳能电池

ZnO薄膜尤其是AZO薄膜，具有优异的透明导电性能。ZnO薄膜主要是作为透明电极和窗口材料用于太阳能电池，ZnO受到高能粒子辐射损伤较小，因此特别适合于太空中使用。2/4/202341§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体

2)可作为GaN的缓冲层

ZnO作为缓冲层有很多优点：一方面，ZnO与GaN具有相似的晶格特性，利用ZnO作为衬底或缓冲层可获得高质量的GaN薄膜，尤其是C轴择优取向的ZnO薄膜；另一方面，ZnO薄膜的n型掺杂，使其具有良好的电学特性，用其作衬底或缓冲层比用其它材料好得多。2/4/202342§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体3)热镜利用透明导电薄膜对光波所具有的选择性(即在可见光区的高透过性和红外光区的高反射性)之特性,使之广泛应用于热镜涂层。对于寒冷工作环境下使用的视窗或太阳能收集器的观察窗，如航空航天飞行器、建筑物的玻璃视窗等，该涂层将反射内部的IR，使热量保持在一封闭的空间里起热屏蔽的作用;而对于冷藏装置，如冰箱、太阳能电池等，该窗口材料将反射掉IR，起到减反射涂层的作用，具有很好的隔热节能效果。对于应用于大面积的窗口材料来讲，出于成本的考虑，AZO薄膜将是热镜的最佳选择。2/4/202343§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体4)紫外探测器利用ZnO的宽禁带和高光电导特性，可制作紫外探测器。早期的研究表明，ZnO的光反应包括快速和慢速两个过程：电子－空穴对的产生过程及氧吸收和光解吸过程。对玻璃衬底上沉积的ZnO薄膜的研究表明，后者起主要作用。2/4/202344§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体

5)LDZnO激子束缚能为60meV，是GaN的2倍，室温下并不离化，而在高密度3倍频YAG:Nd的353nm脉冲激光激发下，可以产生紫外受激发射。用激子复合来代替电子－空穴对的复合，可使受激发射的阈值降至240kW/cm2，激子发射温度可达550℃，而且单色性很好。2/4/202345§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体6)制作声表面波器件ZnO薄膜作为一种压电材料，它以其所具有较高的机电耦合系数和低介电常数，使其在超声换能器、Bragg偏转器、频谱分析器、高频滤波器、高速光开关及微机械上有相当广泛的用途。ZnO薄膜是制作高频表面声波器件的首选材料。2/4/202346§10化合物半导体材料

10.2

II-VI族化合物半导体7)LED

ZnO是一种理想的短波长发光器件材料，通过与CdO，MgO组成的混晶薄膜能够得到可调的带隙(2.8~4.2eV)，覆盖了从红光到紫光的光谱范围，有望开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件，而且ZnO是直接带隙半导体，能以带间直接跃迁的方式获得高效率的辐射复合。2/4/202347§14固体的光学性质与固体中的光电现象(3)例1有n型CdS正方形晶体,边长为1mm,厚为0.1mm,其长波吸收限为5.110-7m,今用光强度为1mW/cm2的紫色光(=4.09610-7m)照射正方形表面,量子产额为=1.设光生空穴全部被陷,光生电子寿命n=10