《氮半导体材料基础》课件

氮半导体材料基础宽禁带半导体材料高电子迁移率课程概述课程目标掌握氮半导体基础理论内容安排十章内容循序渐进学习要求第一章：氮半导体材料简介定义含氮三五族化合物半导体发展历史从理论研究到产业化应用应用领域氮半导体材料的特性宽禁带GaN3.4eV，AlN6.2eV高饱和电子速率达2.5×10^7cm/s高击穿电场氮化镓（GaN）结构特征六方纤锌矿结构c轴晶格常数：5.186Å电学性质禁带宽度：3.4eV电子迁移率：≤2000cm²/V·s光学性质直接带隙发光波长：紫外-蓝光区氮化铝（AlN）1234结构特征六方纤锌矿结构晶格常数小于GaN电学性质禁带宽度：6.2eV绝缘性好光学性质直接带隙深紫外发光热学性质高热导率低热膨胀系数氮化铟（InN）结构特征六方纤锌矿结构晶格常数大于GaN电学性质禁带宽度：0.7eV高电子迁移率光学性质直接带隙红外区发光三元化合物半导体1AlGaN禁带宽度可调：3.4-6.2eV2InGaN发光波长可调：紫外至红外3AlInN可与GaN晶格匹配第二章：氮半导体材料的晶体结构1六方晶系纤锌矿结构，非中心对称2立方晶系闪锌矿结构，中心对称3多型结构同一物质不同晶型共存六方晶系结构a晶格常数：3.189Åc晶格常数：5.186ÅGa-N键长：1.94Å立方晶系结构1晶格常数a=4.52Å2原子排列四面体配位3面指数(001)、(110)、(111)4生长条件特殊衬底、低温缺陷类型点缺陷空位、间隙原子、杂质线缺陷位错、螺位错、混合位错面缺陷堆垛层错、晶界、异相界面应力和应变3.4%GaN/AlN失配度晶格常数差异导致11%GaN/InN失配度引起高密度缺陷17%GaN/Si失配度异质外延主要挑战第三章：氮半导体材料的能带结构能带理论基础布洛赫函数k·p理论直接带隙动量守恒高光电转换效率能带计算方法紧束缚近似密度泛函理论GaN的能带结构禁带宽度3.4eV（室温）随温度变化：-6×10⁻⁴eV/K有效质量电子：0.20m₀重空穴：1.4m₀能谷Γ点导带底L、M卫星谷AlN的能带结构禁带宽度6.2eV（室温）1有效质量电子：0.31m₀2能谷Γ点导带底3价带分裂强自旋-轨道耦合4InN的能带结构禁带宽度0.7eV（室温）有效质量电子：0.07m₀能谷Γ点导带底三元化合物的能带弯曲效应In/Al含量InGaN禁带宽度AlGaN禁带宽度第四章：氮半导体材料的载流子输运漂移在电场作用下定向运动扩散浓度梯度驱动随机运动复合电子-空穴对消灭电子迁移率2000体GaN（cm²/V·s）室温下理论极限1500异质结构（cm²/V·s）二维电子气200实际器件（cm²/V·s）受散射机制限制空穴迁移率散射机制1声子散射高温下占主导2杂质散射低温下显著3合金散射三元、四元化合物中4位错散射高缺陷密度材料高电场效应速度饱和约2.5×10⁷cm/s热电子效应非平衡能量分布雪崩击穿约3.3MV/cm区间转移Γ到L能谷跃迁第五章：氮半导体材料的光学性质吸收带边吸收激子吸收发射自发辐射受激辐射折射正常色散异常色散吸收系数光子能量(eV)GaN吸收系数(10⁴cm⁻¹)InGaN吸收系数(10⁴cm⁻¹)发光机制带间跃迁导带→价带直接复合激子复合电子-空穴对束缚态缺陷相关发光深浅能级参与量子阱发光异质结构能级跃迁折射率材料折射率（可见光）色散关系GaN2.3-2.5Sellmeier方程AlN2.1-2.2Cauchy方程InN2.8-3.0Sellmeier方程AlGaN2.1-2.5组分相关InGaN2.3-3.0组分相关极化效应0.029GaN自发极化（C/m²）非中心对称结构0.081AlN自发极化（C/m²）离子性更强1.8GaN压电常数（C/m²）应变诱导极化第六章：氮半导体材料的生长技术体材料生长氨热法、高压法薄膜外延MOCVD、MBE、HVPE纳米结构生长自组织、选择区域金属有机化学气相沉积（MOCVD）1反应前驱体TMGa、TMAl、TMIn、NH₃2反应温度1000-1100℃3反应压力10-100Torr4优势高生长速率、批量生产分子束外延（MBE）反应源固态Ga、Al、In，等离子N生长温度600-800℃真空度10⁻¹⁰Torr超高真空优势原子级界面、实时监测氢化物气相外延（HVPE）反应前驱体GaCl、AlCl₃、NH₃HCl气体与金属Ga反应工艺参数温度：950-1050℃压力：常压特点与应用高生长速率（>100μm/h）用于制备厚GaN模板氨热法原理超临界NH₃溶剂温度梯度引起溶解-结晶工艺参数压力：>100MPa温度：400-600℃特点低位错密度大尺寸晶体可能性生长缺陷控制位错外延侧向生长（ELO）堆垛层错应变工程、缓冲层优化反相畴衬底表面处理、极性控制表面形貌生长动力学控制、V/III比优化第七章：氮半导体材料的掺杂技术n型掺杂提供自由电子p型掺杂提供自由空穴杂质离化热激活过程补偿效应n型和p型杂质共存n型掺杂常用掺杂元素Si（最常用）Ge、O（少用）掺杂机理Si替代Ga位施主能级：~20meV掺杂效率几乎100%离化浓度上限：~10²⁰cm⁻³p型掺杂Mg浓度(10¹⁹cm⁻³)空穴浓度(10¹⁷cm⁻³)补偿效应本征点缺陷氮空位：n型自补偿1杂质复合体Mg-H复合体：p型钝化2深能级缺陷碳杂质：补偿中心3控制方法生长条件优化、退火4掺杂激活热处理700-800℃氮气氛围离子注入选择性区域掺杂激光退火快速局部热处理第八章：氮半导体材料的表征技术结构表征XRD、TEM、AFM电学表征霍尔效应、CV、DLTS光学表征PL、拉曼、椭偏X射线衍射（XRD）原理布拉格定律晶面间距与衍射角关系应用晶格常数测定异质结构组分分析数据分析摇摆曲线半高宽互易空间图谱透射电子显微镜（TEM）原理电子透过样品衍射成像分辨率可达亚纳米级应用缺陷观察与分析界面结构表征样品制备机械减薄离子减薄原子力显微镜（AFM）原理探针-样品表面相互作用应用表面形貌分析测量模式接触模式、轻敲模式数据分析粗糙度、台阶高度霍尔效应测量光致发光（PL）原理激发光→吸收→辐射跃迁应用带隙测定、缺陷分析测量条件激发光源、温度控制光谱分析峰位、半高宽、强度拉曼散射声子模式GaN(cm⁻¹)AlN(cm⁻¹)InN(cm⁻¹)E₂(low)14424887E₂(high)568657488A₁(TO)531610447A₁(LO)734890586E₁(TO)559670476E₁(LO)741912593第九章：氮半导体材料的器件应用光电子器件LED、LD、光电探测器电子器件HEMT、功率MOSFET传感器压力、温度、气体发光二极管（LED）结构p-GaN/InGaNMQW/n-GaN工作原理电子-空穴复合发光性能指标光效>200lm/W应用照明、显示、通信激光二极管（LD）结构边发射、VCSEL结构工作原理受激辐射、光放大性能指标阈值电流、输出功率光电探测器MSM型平面型、快速响应PIN型高量子效率雪崩型内部增益高高电子迁移率晶体管（HEMT）1结构AlGaN/GaN异质结构2二维电子气极化效应导致高浓度3性能指标功率密度>10W/mm4应用射频功率放大、雷达功率电子器件1200V击穿电压高压应用100A电流容量大功率应用1MHz开关频率高效率电源第十章：氮半导体材料的未来发展新型结构突破传统设计限制材料改性提升性能、降低成本制备工艺提高生产效率纳米结构量子点尺寸量子效应纳米线一维量子限制二维材料单原子层厚度新型衬底新型掺杂技术1共掺杂Si+Mg降低补偿2调制掺杂提高载流子迁移率3选择性区域掺杂器件性能优化4激活技术改进提高掺杂效率异质结构应变工程调控载流子迁移率极化工程控制界面电荷密度带隙工程发光波长精确调控氮半导体材料在