固溶体半导体材料

固溶体半导体材料第1页，课件共38页，创作于2023年2月5.1固溶体凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导体。第2页，课件共38页，创作于2023年2月5.1.1固溶体的基本性质半导体的重要参数，如晶格常数和带隙等随组分变化而发生连续变化。因而可以通过对其组分的控制来调节材料的基本性质采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料，满足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求第3页，课件共38页，创作于2023年2月晶格常数－－Vegard定律第4页，课件共38页，创作于2023年2月带隙第5页，课件共38页，创作于2023年2月5.1.2固溶体的分类按溶质质点在溶剂晶格中的位置来划分按溶质在溶剂中的溶解度分类根据固溶体在相图中的位置划分根据各组元分布的规律性划分第6页，课件共38页，创作于2023年2月1）按溶质质点在溶剂晶格中的位置①置换型固溶体②间隙型固溶体

第7页，课件共38页，创作于2023年2月①置换型固溶体：取代型MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3Cu-Zn系和固溶体第8页，课件共38页，创作于2023年2月②间隙型固溶体：填隙型材料阳离子进入阴离子所形成的间隙中并不容易阴离子填隙型——

更加困难H、B、C、N等元素形成的固溶体第9页，课件共38页，创作于2023年2月2）按溶质在溶剂中的溶解度分类

①连续固溶体②有限固溶体第10页，课件共38页，创作于2023年2月①连续固溶体溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶所生成的固溶体第11页，课件共38页，创作于2023年2月②有限固溶体溶质只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶剂中，低于固溶度条件下生成的固溶体是单相的，一旦溶质超出这一限度即出现第二相。

第12页，课件共38页，创作于2023年2月3）根据固溶体在相图中的位置划分端部固溶体：位于相图的端部，其成分范围包括纯组元，亦称初级固溶体中间固溶体：它位于相图中间，任一组元的浓度0~100%，亦称二次固溶体第13页，课件共38页，创作于2023年2月4）根据各组元分布的规律性划分①无序固溶体：各组元质点分布是随机的、无规则的。②有序固溶体：各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称超点阵或超结构。第14页，课件共38页，创作于2023年2月在理论的指导下，通过对实践经验的积累总结，提出了一些重要的影响因素：（1）质点尺寸因素（2）晶体结构类型（3）电价因素第15页，课件共38页，创作于2023年2月1）质点尺寸因素－－决定性因素

从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。第16页，课件共38页，创作于2023年2月经验证明当

<15%时，溶质和溶剂之间有可能形成连续固溶体；当

=15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以形成有限固溶体；当

>30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶。

第17页，课件共38页，创作于2023年2月2）晶体结构类型

连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结构（不是充分条件）晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体（满足尺寸条件前提下）第18页，课件共38页，创作于2023年2月3）电价因素

连续固溶体必要条件：原子价（或离子价）相同；多组元复合取代总价数相等，电中性。不是充分条件。如果价态不同，则最多只能生成有限固溶体（满足尺寸条件前提下）第19页，课件共38页，创作于2023年2月电负性相近，有利于固溶体的生成电负性差别大，倾向于生成化合物第20页，课件共38页，创作于2023年2月5.2SiGe固溶体晶体结构第21页，课件共38页，创作于2023年2月晶格常数第22页，课件共38页，创作于2023年2月晶格失配率第23页，课件共38页，创作于2023年2月例子：假设有一种半导体材料，晶格常数a＝0.5555nm，如果以SiGe固溶体为衬底，请问SiGe的最佳组分是多少？第24页，课件共38页，创作于2023年2月赝晶生长－－共度生长临界厚度－－－应力没有释放产生位错和形成表面起伏是释放SiGe失配应力的两种方式。第25页，课件共38页，创作于2023年2月当Ge组分较低时（ｘ＜０.２），通过产生位错来释放失配引起的应力；当Ge组分介于０.２～０.６之间时将会导致形成台阶，诱导生成均匀的３Ｄ岛；当Ge组分大于０.６时，遵循SK模式三维生长，利于形成表面起伏来释放失配引起的应力。可以用来生长高组分表面起伏的多量子阱第26页，课件共38页，创作于2023年2月电学性质－－禁带宽度第27页，课件共38页，创作于2023年2月带隙和温度的关系第28页，课件共38页，创作于2023年2月本征载流子浓度第29页，课件共38页，创作于2023年2月5.3为什么研究SiGe在微电子领域Si几乎有完全取代Ge的趋势Ge固有优势：载流子的迁移率比硅高载流子迁移率是决定半导体器件性能的一个重要参数第30页，课件共38页，创作于2023年2月双极型晶体管高的迁移率可以缩短载流子渡跃基区的时间，提高工作的频率、速度和放大性能第31页，课件共38页，创作于2023年2月场效应晶体管高的迁移率可以增大器件的驱动能力，提高工作的频率、速度和跨导。第32页，课件共38页，创作于2023年2月载流子迁移率的影响因素载流子的迁移率主要取决于载流子的有效质量和散射几率的大小第33页，课件共38页，创作于2023年2月思考如何改变有效质量？？如何改变散射几率？？第34页，课件共38页，创作于2023年2月5.4SiGe固溶体的应用新型硅基太阳能电池热电材料第35页，课件共38页，创作于2023年2月光的基本性质光色中心波长(nm)

中心频率(Hz)Eg（eV）

红6601.6

橙610

黄570

绿5402.3

青480

兰4602.7

紫430第36页，课件共38页，创作于2023年2月新型硅基太阳能电池太阳能电池所利用的太阳光光谱,它在可见光部分的能量不到50%。要想提高电池的效率,把其光谱响应延伸到1.1eV以下是非常重要的，因为这包括了太阳光90%以上的能量。SiGe构成的薄膜合金材料通过控制Ge含量能调制材料的带隙，0.67～1.1eV，从而可以大大扩展对红外谱域太阳能光谱的吸收。因此，SiGe材料在太阳电池中的应用研究受到了重视,尤其是非晶SiGe材料在a-Si/a