第五章-宽带隙半导体材料课件

第五章

宽带隙半导体材料ppt课件1光电子材料与器件Optoelectronic

Materials

andDevices宽带隙半导体材料的优势半导体材料的带隙宽度(Bandgap)是半导体材料自身固有的基本属性，半导体材料的带隙宽度决定了其制成器件的工作温度区域和工作光学窗口。第一、二代半导体像Ge、Si、GaAs、InP这些对信息技术发展起了关键推动作用的半导体材料的带隙都小于2

eV，相应的工作温区不超过

250度，工作光学窗口在近红外以内。ppt课件2随着信息技术的迅猛发展，发展高功率、高频、高温电子器件以及短波长光电器件已经成为迫切需求，研究发展宽带隙半导体，以突破现有半导体器件的工作高温限制和短波限制。什么是宽带隙半导体？从学术角度难以对其带隙宽度范围给予界定，通常是相对于目前主流半导体材料以及半导体技术应用发展前景来界定宽带隙半导体材料的带隙界限。ppt课件3早先人们把带隙宽度大于2.2eV的半导体材料称作“宽带隙半导体”，近来人们又把宽带隙半导体定义为超过2.5eV的半导体材料。视的宽隙导体最受重

III族氮化物， 包括GaN，InN，AlN，以及三元合金AlGaN,InGaN，四元合金InGaAlN，都是直接带隙半导体材料。SiC(2.4~3.1eV)IV-IV族氮化物，包括 和金刚石薄膜(5.5eV)，都是间接带隙半导体材料。带

ZnO基氧化物 ，主要是ZnO(3.3~4.0eV)及其三元合金ZnMgO,

ZnCdO,

是直接带隙半导体材料。半

II-V族化合物，Zn基化合物，如ZnSe(2.67eV),4ZnTe,ZnS(2.67eV)以及其三元、四元合金

ZnMgSSe,是直接带隙半导体材料。ppt课件制备蓝光LED的宽带隙5ppt课件III族氮化物研究发展早期对GaN研究重要贡献的学者：Isamu

AKASAKIHiroshi

AMANOShuji

Nakamura6ppt课件氮化物研究的几个重大突1986年，日本的科学家Amano和Akasasi利用MOCVD技术在AlN缓冲层上生长得到高质量的GaN薄膜。随后他们利用低能电子束辐照(LEEBI)技术得到了Mg掺杂的p型GaN样品，视为GaN研究发展的另一重大突破。1989年，他们研制出第一个p-n结构的LED。7ppt课件同一时期，日本日亚(Nichia)公司的中村修二

(Nakamura)等人利用低温GaN缓冲层同样在蓝宝石衬底上得到高质量的GaN薄膜，并采用氮气(N2)或真空气氛下退火得到p型GaN。中村等人在随后短短三年多时间内在GaN基发光器件方面实现了三大跨越：1994年第一支

GaN基高亮度蓝光LED，1995年第一支GaN基蓝光LD，1998年连续工作蓝光LD的寿命达到

6000小时。日亚公司也在这个时期实现了GaN基蓝绿光LED和LD的商品化。由于中村在蓝光

LED领域的出色工作，他被称为“蓝光之父”。8ppt课件部分化合物半导体的带隙9ppt课件氮化物三元合金的X射线衍射谱10ppt课件宽带隙半导体材料的特点压电性与极化效应高热导率小介电常数极高临界击穿电场耐高温、抗辐射大激子束缚能巨大能带偏移11ppt课件宽带隙半导体材料的技术短波长发光器件短波长发光二极管LED短波长激光器LD高温、高功率、高频电子器件(HEMT) III族氮化物电子器件SiC电子器件金刚石半导体电子器件探测器紫外探测器、太阳盲紫外探测器、粒子探测器ppt课件12面临的几个科学技术问题从总体上来说，宽带隙半导体材料要达到第一代、第二代半导体技术的水平，还必须解决包括体材料、外延生长、掺杂和器件工艺的一系列基本科学问题，主要包括：缺乏实用性的体单晶材料晶体质量较差，缺陷密度高化学比的偏离与掺杂的不对称性ppt课件13III族氮化物的晶体结III族氮化物有三种通常的晶体结构：纤锌矿结构，闪锌矿结构，岩盐结构。纤锌矿结构是III族氮化物的热力学稳定结构。密排原子面的堆垛顺序不同：纤锌矿结构沿着(0001)的堆垛顺序为ABABAB；闪锌矿结构沿着(111)的堆垛为ABCABC。14ppt课件SinO的晶体结C

ZnO晶体结构与GaN晶体结构类似，同样存和

在纤锌矿结构与闪锌矿结构，目前研究发Z

现稳定结构为纤锌矿结构。SiC晶体的特征是存在多达200多种的同质异构体，区别仅在于Si-C双原子层的堆垛次序不同。常见的结构有3C、4H、6H-SiC。15ppt课件GaN的极性(pola16ppt课件自发极化和压电极化17ppt课件纤锌矿GaN中自发极化18ppt课件极化诱导界面电荷积累19ppt课件AlGaN/GaN异质20ppt课件外延GaN的衬底材料2ppt课件21GaN异质外延生长ppt课件22III族氮化物与蓝宝石23ppt课件异质外延GaN层的临界24ppt课件GaN外延技术：MOCCompact

2125ppt课件阴极荧光谱(CL)用于26ppt课件横向外延GaN—降低位27ppt课件ELO-GaN制备长寿28ppt课件HVPE用于GaN厚膜29ppt课件GaN体材料在高亮LE30ppt课件GaN的电学性质31ppt课件III族氮化物的N型掺32ppt课件IIIP族氮化物的型掺33ppt课件GaN在高电场下的输运34ppt课件GaN是制备微波功率器件的理想材料ppt课件35GaN的光学性质ppt课件36时间PL分辨谱表征Ga37ppt课件GaN基LED结构ppt课件38ppt课件39III族氮化物紫外探测40ppt课件AlGaN光导型探测器41ppt课件氮化物PIN型探测器42ppt课件ZnO基带半体材宽

1997年ZnO室温受激发射现象的报道引发了ZnO基短波长激子型光电器件应用的研究热潮；隙

2001年蓝宝石基ZnO自组装纳米线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们对ZnO纳米材料与器件研究的极大兴趣；导

2005年

MBE制备的ZnO基p-i-n同质结LED和MOCVD制备的ZnO基p-n同质结LED的初步实现，让人们看到了ZnO固体照明和激光工程应用的曙光。ZnO作为宽带隙半导体、是继GaN之后近年才引人注目的又一新型宽带隙半导体材料,也被列入第三代半导体的行列。43ppt课件目前ZnO半导体研究热初步进展

:

通过

N

单掺或共掺方法可获得空穴浓度达1019cm-3；P、As和Sb的掺杂可获得1018cm-3的空穴浓度；初步实现ZnO同质LED。诸多挑战

:

p

型

ZnO

重复性和稳定性较差，空移率较低;

同质ZnO LED

电致发光效率很低；制备技术主要为MBE、PLD和磁控溅射等方法，不宜制备大面积均匀薄膜ZnO

p型掺杂44ppt课件Znppt课件45工程O

MgZnO合金

纤锌矿结构

Mg

49%

能带调节合

4.6eV-3.3eV

ZnMgO/ZnO量子阱

2DEG金

CdZnO合金

Cd

70%

能带调节3.3eV-及

1.85eV

ZnO/ZnCdO/ZnO单量子阱(MOCVD)能

BeZnO合金

BeO直接带隙(10.6eV)

Be带

68%

能带调节6.0eV-3.3eVZnOSe/ZnOS

能隙弯曲因子大 和Si晶格匹配的ZnOSSe带隙覆盖红外至紫外波段ZnO基纳米结构2001年

蓝宝石衬底上实现ZnO自组装纳米线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们对ZnO纳米材料与器件研究的极大兴趣。ppt课件46ZnO的能带结构ppt课件47ZnO的PL光谱ppt课件48ZnO的制备技术ppt课件49ZnO的器件应用ppt课件50ZnO基PIN发光二极51ppt课件SiC单晶的能带结构间接带隙，Eg=2.4~3.1eV与多形体结构有关52ppt课件SiC晶体制备—升华法1995年，飞利浦实验室的Lely提出用升华法制备SiC单晶，随后通过改进Lely法，称为籽晶升华法或物理气相传输法(PVT),是目前主流SiC晶体制备方法。53ppt课件SiC薄膜的制备化学气相外延(CVD)54ppt课件SiC的晶体质量和器件55ppt课件SiC制备LED器件ppt课件56SiC基紫外探测器ppt课件57SiC基场效应晶体管ppt课件58总结宽带隙半导体GaN、ZnO、SiC等作为第三代半导体是发展高功率、高频、高温电子器件以及短波长光电器件的理想材料。宽带隙半导体材料要必须解决包括体材料、外延生长、掺杂和器件工艺的一系列基本科学问题。研究和发展宽带隙半导体材料与器件被公认是占领光电信息技术领域的战略