L9-硅锗和硅基光电材料

§9硅、锗和硅基光电材料

9.1硅和锗元素半导体9.2硅锗合金9.3相二硅化铁9.4碳化硅2/4/20231硅和锗元素半导体2.硅和锗的能带结构3.硅和锗的杂质和缺陷I.杂质能级II.晶体缺陷4.硅、锗的电输运性质I.热平衡载流子浓度II.载流子迁移率§9硅、锗和硅基光电材料

9.1硅和锗元素半导体1.硅和锗的基本参数2/4/20232§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁2/4/202332/4/202342/4/202352/4/202362/4/202372/4/202382/4/202392/4/2023102/4/2023112/4/2023122/4/2023132/4/2023142/4/2023152/4/202316硅锗合金§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金

SiGe合金是近年来兴起的新型半导体材料，它有许多独特的物理性质和重要的技术应用价值，并与硅的微电子技术兼容，被认为是第二代硅材料。它使硅材料进入到人工设计微结构材料的时代，使硅器件进入到异质结构、能带工程时代，其工作领域已扩展到毫米波、超快速领域，光学探测已进入到1.3-1.55μm远红外波段。2/4/202317§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金Ge的晶格常数a=0.5658nmSi的晶格常数a=0.5431nmGe与Si能够以任意比例互溶生长，所以在室温且Ge摩尔分数x不是很高的情况下，体SiGe合金的晶格常数随组分比x呈线性变化。Ge与Si的晶格失配率4.2%，Si1-xGex合金与Si之间的晶格失配率可以通过合金组分x来人为调节，从而得到人们所期望的异质结结构。2/4/202318§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金SiGe合金的带隙宽度和晶格常数可以根据组分含量的不同线性调节SiGe的工艺可以和现有的Si材料工艺兼容超晶格技术使SiGe材料具有了许多特殊的性能，具有广阔的应用前景2/4/202319§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金GecontentdependenceofenergybandgapofstrainedSiGegrownonSisubstrates.HHandLHrepresentbandgapsforheavyandlightholebands.ThatofunstrainedSiGeisalsoshownasreference.2/4/202320§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金BandmodificationoftensilelystrainedSiandcompressivelystrainedSiGe.SOrepresentsthespin-orbitsplittingband(afterHinckleyandSingh).2/4/202321§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金ValencebandsofbulkSiandcompressivelystrainedSi0.6Ge0.4.

2/4/202322§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金BandalignmentofSi/Gehetero-structuresundervariousstrains:(a)compressivelystrainedSiGeonSisubstrate(type-I)and(b)tensilelystrainedSiandcompressivelystrainedGeonunstrainedSiGe(type-II).2/4/202323§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金应变SiGe薄膜的应用

在SiGe合金中,电子迁移率几乎是纯Si的两倍(Ge中电子迁移率是3900cm2/V·s，Si中电子迁移率是1500cm2/V·s，Ge中空穴迁移率是1900cm2/V·s，Si中空穴迁移率是475cm2/V·s)。而且由于应力引起能带结构的变化，使应变SiGe薄膜中电子和空穴载流子迁移率增大。2/4/202324§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金SiGe/SiHBT：电流增益显著提高；基区掺杂浓度可以做得很高；工作频率得到很大提高(截至频率最高达到375GHz)。用于WLAN、蓝牙、移动终端设备、卫星广播、光纤通信、雷达等。SiGeMODFET和CMOSFET：张应变的Si中的电子和压应变SiGe中的空穴的迁移率比无应变Si层中的电子和空穴迁移率提高3～5倍，用于高速设备。2/4/202325§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金Si-Ge在光电转换、热电转换、红外器件等领域，具有极优良的特点。SiGe在半导体光电子领域特别是光电集成领域也有着巨大的应用潜力。2/4/202326§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金2/4/202327§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金SiGe异质结构的制备方法主要有MBE和CVD。SiGe应变层材料的生长技术主要是分子束外延(MBE)和化学气相淀积(CVD)。

MBE技术不适合工业化大生产，工业界采用的SiGe层外延设备主要有UHVCVD(Ultrahighvacuumchemicalvapordeposition)，RPCVD(Reduced-pressurechemicalvapordeposition)，APCVD(Atmospheric-pressurechemicalvapordeposition)，VLPCVD(Verylowpressurechemicalvapordeposition)以及PHOTOCVD2/4/202328§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金ThegrowthrateRSiGeofGSMBESi1-xGex(001)layerswithx=0,0.07,and0.18asafunctionoftemperatureTs.Thesolidlinesarecalculated2/4/202329§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金

用两种禁带宽度不同的材料A和B构成两个距离很近的背靠背异质结B/A/B…，若材料A是窄带半导体，且其导带底低于材料B的导带底，当其厚度小于电子平均自由程时，电子被约束在材料A中，形成以材料B为电子势垒、材料A为电子势阱的量子阱。

量子阱2/4/202330§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金多量子阱如果以各自不变的厚度将上述A、B两种薄层材料周期性的叠加在一起，即连续地重复生长多个阱，形成B/A/B/A…结构，且A层的厚度dA远小于B层厚度dB，则该结构称为多量子阱。在多量子阱结构中，必须保证势垒的厚度dB必须足够大，以保证一个势阱中的电子不能穿透势垒层进入另一个势阱。2/4/202331§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金什么是超晶格?

江崎等在1970年第一次提出超晶格的概念。超晶格材料是由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替生长而形成的多层结构的晶体。在这种超晶格材料中，人们可以任意改变薄膜的厚度，控制它的周期长度。一般来说，它的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因而取得“超晶格”的名称。2/4/202332§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金半导体的超晶格结构与多量子阱结构有些相似，也是由A、B两种材料以各自不变的厚度周期性的叠加在一起而形成的。不同的是超晶格结构中相邻势垒层较薄。2/4/202333§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金组分超晶格：超晶格材料中的一个重复单元是由不同材料的薄膜所构成掺杂超晶格：同一半导体材料中，用交替改变掺杂类型的方法构成的半导体超晶格2/4/202334§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金按照组成材料的晶格匹配程度，可分为晶格匹配量子阱与超晶格和应变量子阱和应变超晶格。按照组成材料的成分，可分为固定组分的量子阱与超晶格、组分渐变量子阱与超晶格以及调制掺杂的组分的量子阱与超晶格。半导体超晶格、量子阱的分类2/4/202335§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金

半导体超晶格、量子阱的能带结构取决于组成材料的物理化学性能以及界面附近的晶体结构。在异质结物理中，一般将组成材料的晶格常数失配度小于0.5%时的搭配称为晶格匹配，大于0.5%时则视为晶格失配。半导体超晶格、量子阱的能带结构特点晶格匹配的半导体超晶格和量子阱应变量子阱和应变超晶格2/4/202336§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金应变超晶格

这种量子阱或超晶格是通过结构薄层双方或其中之一的晶格常数的有限改变来补偿晶格失配的。它是由晶格常数差别很大的两种超薄层材料交替组成的超晶格结构，两种组成材料的晶格失配度高达7%，但是只要各层的厚度不超出一定的临界值，则层间晶格的失配可由晶格的弹性形变来调节，而不会在界面产生失配位错，Si/GeSi量子阱和超晶格是其中的典型。应变超晶格扩大了可选择材料的范围，其能带结构及相关的光、电性能又可通过应力，层厚和合金组分改变来调节。2/4/202337§9硅、锗和硅基光电材料

9.2硅锗合金2/4/202338§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁

β-FeSi2是少数半导体型金属硅化物之一，20世纪50年代，β-FeSi2作为耐高温的高热电转换效率材料而备受关注，具有半导体性质的β-FeSi2薄膜的研究始于20世纪80年代中期。近年来人们发现它还是一种很有应用前景的光电材料，并开始广泛研究基于β-FeSi2薄膜的微电子器件。相二硅化铁(β-FeSi2)2/4/202339§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁

β—FeSi2的晶体结构FeSia=7.791Åb=7.833Åc=9.863Åzxy7层Fe原子5层Si原子(1)β-FeSi2的基本性质2/4/202340§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁

Fe—Si系平衡相图2/4/202341§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁Si,GaAs,β-FeSi2三代半导体材料比较表材料β-FeSi2GaAsSi晶格结构正交晶系闪锌矿型金刚石型能带结构直接带隙直接带隙间接带隙禁带宽度0.87eV1.43eV1.12eVSi衬底外延可以困难同质光吸收率>105cm-1～104cm-1～103cm-1折射率5.63.73.5热稳定性～9300C～6000C14000C以上化学稳定性高低高对环境影响小大小资源丰富缺乏丰富价格低高低2/4/202342§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁(2)β-FeSi2的物理性质

作为热电材料，β-FeSi2具有在200℃～900℃温度范围内的高温热电转换功能，其还有抗氧化、无毒、来源丰富、成本低廉等优点。作为光电材料，β-FeSi2具有0.85eV～0.89eV的直接带隙，对于红外波长有很高的吸收率，理论的光电转换效率可达16％～23％，仅次于晶体硅，尤其是β-FeSi2所对应的特征区正是硅的全透明区，它也是光纤通信中的最重要波段，有利于同新型光电器件和光纤的结合。2/4/202343§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁

β-FeSi2薄膜光吸收系数与光子能量的关系2/4/202344§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁(3)β-FeSi2的掺杂一般未掺杂的β-FeSi2是p型半导体，而掺杂可以使载流子的浓度增大，降低材料的电阻率。用元素周期表中Fe右边的元素如Co、Ni、Pt等取代部分Fe原子，可制成n型半导体，Fe左边的元素如Mn、Cr、V、Ti等取代部分Fe原子，可制成p型半导体，用Ⅲ主族的元素取代Si也可以制成p型材料。2/4/202345§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁

1.直接带隙能带结构2.自然资源丰富3.环境友好材料4.禁带宽度与光线通信低损耗窗口对应5.可以在Si衬底上外延生长，能利用Si器件的成熟工艺6.光吸収係数大，塞贝克系数大

7.用途：发光器件，光探测器，太阳能电池，热电转换器件等为何要研究β-FeSi2？2/4/202346§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁0.000000010.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.11HLiBNFNaAlPClKScVMnCoCuGaAsBrRbYNbTcRhAgInSbICsLaPrHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiiCaFeKTiMnPSClArScVCrGeCoNiCuZnSrAsBrSeRbYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaCePrNdKr

地壳中的元素存在比存在比（对数）元素Ga2/4/202347§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁SchematicoftheLEDstructureD.Leong,M.Harry,K.J.Reeson&K.P.HomewoodNATURE,VOL387,12JUNE1997,p686ByIBS2/4/202348§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁Spectrumofelectroluminescenceintensityagainstwavelength,measuredat80K.Theforwardcurrentthroughthedevicewas15mA.D.Leong,M.Harry,K.J.Reeson&K.P.HomewoodNATURE,VOL387,12JUNE1997,p6862/4/202349§9硅、锗和硅基光电材料

9.3相二硅化铁EL

spectrameasuredat

roomtemperature

underseveralforwardbiascurrents.T.Suemasu,Jpn.J.Appl.Phys.,39,L1013(2000)byMBE2/4/202350§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅SiC抗辐射、低散射，热导率较高密度较低，强度、硬度较高具有较宽的禁带和较高的电子饱和漂移速度环境友好，地球储藏量大热膨胀系数低抗热震和抗氧化性能非常好作为极端电子学材料的SiC器件广泛应用于半导体、光学、信息储存等领域。碳化硅(SiC)2/4/202351§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅

SiC具有250种同型异构体，每种同型异构体的C/Si双原子层的堆垛次序不同。最常见的同型异构体为立方密排的3C-SiC和六方密排的4H、6H-SiC，其中数字代表堆垛周期中的双原子层数。立方结构SiC通常称β-SiC，六方结构SiC通称为α-SiC。2/4/202352§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅其中，β-SiC是唯一具有闪锌矿结构的化合物半导体，其电子迁移率是SiC中最高的，其热导率和高临界击穿电场可以提高器件的集成度，因此，β-SiC是高温、大功率和高速器件中的首选材料。2/4/202353§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅晶型βα3C6H4H15R原子排列ABCABCACBABCBABCACBC晶格常数(Ǻ)a=4.3596a=3.0807c=15.1174a=3.076c=10.048a=3.037c=37.30禁带宽度(eV)

300K6K2.202.4022.863.0903.2803.020电子迁移率300K(cm2/V·s)>1000460700500折射率(hν~2eV)2.642.65介电常数ε∞

ε06.529.726.529.662/4/202354§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅几种半导体材料有关参数比较SiGaAs3C-SiC6H-SiC4H-SiC金刚石GaN禁带宽度(eV)300K1.111.432.393.023.265.63.3最高工作温度(K)60076012001580172028001930熔点(C)14201240>2100升华33001800击穿场强(106/cm)0.250.262.122.22.5107.5热导率(W/cm)1.50.4554.94.9201.3饱和电子漂移速度(107cm/s)122.5222.72.0介电常数11.912.89.89.89.85.79.52/4/202355§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅特性应用宽带隙●异质结双极晶体管中高的注入功率●LED中发射高能量光（蓝光）●高温工作的电子器件，飞机中的机电致动器，深层钻井的传感器。●激光二极管和HEMT中的载流子限制高击穿电场●高压大功率开关二极管、晶体管可控Si、电涌抑制器●空间应用的大功率MOSEFET高的热导率●良好热好散的大功率器件●高的器件集成度●作为Si/C衬底材料提供高的热耗散高的饱和电子●雷达应用的微波功率晶体管●快速开关二极管●超精度微细加工2/4/202356§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅化学气相沉积法(CVD)溅射法(spurting)液相外延法(LPE)分子束外延(MBE)法激光剥离法(laserablation)升华法(sublimationepitaxy)2/4/202357§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅1.廉价的衬底：采用的衬底大致分为透明导电衬底和不透明导电衬底两大类。薄膜制备方法的发展方向2.低温衬底生长：在较低温的衬底上实现SiC的低温生长，提高SiC薄膜器件的生长质量成为当前该领域人们极为关注的方向。2/4/202358§9硅、锗和硅基光电材料

9.4碳化硅HFCVD法制备SiC薄膜HFCVD沉积SiC薄膜的模型

HFCVD设备装置简图HFCVD法：利用热钨丝的高温对气源进