化合物半导体材料与器件基础

1、Dai Xian-ying,化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院戴显英2013.8,Dai Xian-ying,第二章 化合物半导体材料 与器件基础,半导体材料的分类 化合物半导体材料的基本特性,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1 半导体的分类,绝缘体（1018-1010cm），半导体（108-10-3cm），金属（10-4-10-8cm）,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）,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1 半导体的分类,2.1.1 半导体的特征,室

2、温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-3108cm） 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）,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1 半导体的分类,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214,000cm降至0.2cm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在

3、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M，当受光照后电阻值可以下降为几十K 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,按照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: 0.08 eV Ge: 0.67 eV Si: 1.12 eV C: 5.50 eV,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.4 化合物半导体,-族：由A的B、Al、G

4、a、In与A的N、P、As、Sb形成， 如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。 -族：由B的Zn、Cd、Hg与A族的O、S、Se、Te形成， 如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等,-族：SiC,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,二元化合物半导体特点： 1）大部分是直接能带隙 （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

5、三代半导体(宽禁带半导体）,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,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-X and AlYGa1-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。,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,三元合金

6、的禁带宽度与晶格常数关系,三元合金变化趋势： 晶格常数： 与组分呈线性关系 禁带宽度： 与组分呈二次方关系 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,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,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,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体

7、,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,InGaAsP and AlGaAsSb,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+GaAs 2）InPAs:InAs+InP 3）AlGaAsSb:AlGaSb+ AlGaAs 4）InGaAsP:GaAsP+GaInP,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,四元： GayIn1-yAsxSb1-x：,Dai Xian-ying,2.

8、1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,四元： InGaAlAs,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,四元： GaAlInP and GaAlAsP,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,四元： AlGaInN,Dai Xian-ying,2.1 半导体材料的分类,2.1.5 合金半导体,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

9、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,Dai Xian-ying,第二章 化合物半导体材料 与器件基础,半导体材料的分类 化合物半导体材料的基本特性,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,2.2.1 晶格结构,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-族和-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

10、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。,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,2）纤锌矿结构,图2.4 (a)纤锌矿结构，(b)四面体,(a),(b),-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。,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,2.2.2 晶格常数,图2.6 III-V族合金半导体的

11、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,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,晶格常数与禁带宽度,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、AlP Ge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？,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,闪锌矿的 III-V族和II-VI族化合物半导体,晶格常数与禁带宽度,注： Z=闪锌矿 ，W=纤锌矿，i=间接能隙，d

12、=直接能隙,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,纤维锌矿 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,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,2.2.3 晶体的化学键和极化,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

13、电荷中心。,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,1）砷化镓的能带结构及其主要特点,图2.9 硅(a)和砷化镓(b)的能带结构,2.2.4 能带结构,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,1）砷化镓的能带结构及其主要特点,图2.9 砷化镓的能带结构,2.2.4 能带结构,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；,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。,Eg大：1.43eV,制作高频、大功率器件；,更正：p19第4、5行，

14、【100】应为【111】。,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,2）锑化铟的能带结构及其主要特点,直接跃迁型：导带极小值在k=0处，电子有效质量小；,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；,Eg小：0.23eV,制作远红外检波器、高灵敏光电池、波长在2.0-7.5m的红外线滤光器等；,Dai Xian-ying,2.2 化合物半导体材料的基本特性,3）GaP的能带结构及其主要特点,间接跃迁型：导带极小值在【100】方向处；,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；,Eg大：2.25eV,可制作绿、