化合物半导体材料与器件基础

DaiXian-ying化合物半导体器件

CompoundSemiconductorDevices

微电子学院(xuéyuàn)

戴显英

2013.8精品资料DaiXian-ying第二章化合物半导体材料

与器件(qìjiàn)基础半导体材料(cáiliào)的分类化合物半导体材料(cáiliào)的基本特性精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1半导体的分类(fēnlèi)绝缘体（1018-1010Ωcm），半导体（108-10-3Ωcm），金属（10-4-10-8Ωcm）

绝缘体（禁带宽度Eg大），半导体（禁带宽度Eg小），金属（导带与价带重叠）精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1半导体的分类(fēnlèi)2.1.1半导体的特征室温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-3～108Ωcm）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）

精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1半导体的分类(fēnlèi)2.1.2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以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ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214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下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MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类按照(ànzhào)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2）化合物半导体3）合金（固溶体）2.1.3元素半导体C（金刚石）,Si,Ge,Sn晶格结构：金刚石能带结构：间接带隙Sn:0.08eVGe:0.67eVSi:1.12eVC:5.50eV精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.4化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形成(xíngchéng)，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形成(xíngchéng)，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等Ⅳ-Ⅳ族：SiC精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类二元化合物半导体特点：1）大部分是直接(zhíjiē)能带隙（对光电器件很重要）；2）有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上；3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片(晶圆片）。2.1.4化合物半导体我们还需要更多！重要的二元化合物半导体：1）GaAs：第二代半导体2）GaN与SiC:第三代半导体(宽禁带半导体）精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体二元合金半导体：Si1-xGex三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、

InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-XandAlYGa1-YAsXSb1-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元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。特点：1）组分可调；

2）禁带宽度随组分连续可调；

3）晶格常数随组分连续可调。精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体三元合金的禁带宽度与晶格常数关系三元合金变化趋势：①晶格常数：与组分呈线性关系②禁带宽度：与组分呈二次方关系③有效质量：与合金组分成二次方和单调关系三元合金半导体：由二元化合物和一种元素组成精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体三元或四元合金半导体的基片（衬底）：二元化合物半导体，如GaAs、InP异质结构：晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度Eg不同。三元合金半导体：与二元不匹配；但一个例外，AlGaAs与GaAs晶格匹配。四元合金半导体：

容易与二元衬底匹配精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体四元合金半导体：1）两种元素是同族元素，如AlyGa1-yAsxSb1-x、

InyGa1-yAsxP1-x等2）三种元素是同族元素，如InyGa1-yAlxAs1-x等InGaAsPandAlGaAsSb

四元合金半导体禁带宽度与晶格常数合金举例：如图所示1）AlGaAs:AlAs+GaAs2）InPAs:InAs+InP3）AlGaAsSb:AlGaSb+AlGaAs4）InGaAsP:GaAsP+GaInP精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体四元：GayIn1-yAsxSb1-x：精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体四元：InGaAlAs精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体四元：GaAlInPandGaAlAsP精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体四元：AlGaInN精品资料DaiXian-ying2.1半导体材料(cáiliào)的分类2.1.5合金(héjīn)半导体重要的三元和四元合金AlGaAs（GaAs基片）:HBT，场效应管，光电器件GaAsP（GaAs基片）:红色、琥珀色发光二极管HgCdTe（CdTe基片）:

红外成像仪InGaAsP,InGaAlAs（InP基片）:光纤通讯用光电器件InGaAlAs(InP基片):

同上InGaAs（GaAs,InP）:

电阻接点，量子势阱InGaAsP（GaAs）:

红，红外激光器，探测器GaInAlN(不同基片):

绿，蓝，紫外发光二极管，激光器精品资料DaiXian-ying第二章化合物半导体材料(cáiliào)

与器件基础半导体材料的分类化合物半导体材料的基本(jīběn)特性精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料的基本(jīběn)特性2.2.1晶格(jīnɡɡé)结构

图2.3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；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。精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料(cáiliào)的基本特性2）纤锌矿结构(jiégòu)

图2.4(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。精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料的基本(jīběn)特性2.2.2晶格(jīnɡɡé)常数图2.6III-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

精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料的基本(jīběn)特性晶格(jīnɡɡé)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

思考题：1）为什么要晶格匹配？2）如何能够实现晶格匹配？精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料(cáiliào)的基本特性闪锌矿的

III-V族和II-VI族化合物半导体晶格(jīnɡɡé)常数与禁带宽度注：Z=闪锌矿，W=纤锌矿，i=间接能隙，d=直接能隙精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料的基本(jīběn)特性纤维(xiānwéi)锌矿III-V族和II-VI族，铅盐（IV-VI族），IV族元素晶格常数与禁带宽度

注：W=纤锌矿，R=岩盐，D=金刚石，i=间接能隙，d=直接能隙精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料(cáiliào)的基本特性2.2.3晶体(jīngtǐ)的化学键和极化图2.7本征砷化镓的基本键表示图元素半导体，Si：只有共价价键；化合物半导体：既有共价键，又有离子键。（又称极性半导体）例如，GaAs:1)As失去一个价电子给Ga;2)As和Ga外层价电子进行SP3轨道杂化，形成4个共价键。极化：As为负电荷中心、Ga为正电荷中心。精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料的基本(jīběn)特性1）砷化镓的能带结构及其主要(zhǔyào)特点能量/eV能量/eV图2.9硅(a)和砷化镓(b)的能带结构2.2.4能带结构精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料的基本(jīběn)特性1）砷化镓的能带结构(jiégòu)及其主要特点能量/eV图2.9砷化镓的能带结构2.2.4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；更正：p19第4、5行，【100】应为【111】。精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料的基本(jīběn)特性2）锑化铟的能带结构(jiégòu)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；精品资料DaiXian-ying2.2化合物半导体材料(cáiliào)的基本特性3）GaP的能带结构(jiégòu)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：2.25e