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1、第四章第四章 化合物半导体化合物半导体材料材料李斌斌化合物半导体材料化合物半导体材料n nIIIV族化合物半导体材料族化合物半导体材料n nIIVI族化合物半导体材料族化合物半导体材料4.1 常见的常见的III-V化合物半导体化合物半导体化合物化合物晶体结晶体结构构带隙带隙n ni iu un nu up pGaAsGaAs闪锌矿闪锌矿1.421.421.3101.3106 685008500320320GaPGaP闪锌矿闪锌矿2.272.27150150120120GaNGaN纤锌矿纤锌矿3.43.49009001010InAsInAs闪锌矿闪锌矿0.350.358.1108.1101414
2、33003300450450InPInP闪锌矿闪锌矿1.351.356.9106.9107 754005400150150InNInN纤锌矿纤锌矿2.052.0544004400AlNAlN纤锌矿纤锌矿6.246.243003001414III-V族化合物半导体性质族化合物半导体性质（1）带隙较大带隙大于）带隙较大带隙大于（2）直接跃迁能带结构）直接跃迁能带结构 光电转换效率高光电转换效率高（3）电子迁移率高高频、高速器件）电子迁移率高高频、高速器件带隙和温度的关系带隙和温度的关系计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙晶体结构晶体结构金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构纤锌矿结构纤
3、锌矿结构离子键和极性离子键和极性n n共价键没有极性共价键没有极性n n离子键有极性离子键有极性n n两者负电性相差越到，离子键成分越大，两者负电性相差越到，离子键成分越大，极性越强。极性越强。极性的影响极性的影响（1）解理面密排面）解理面密排面（2）腐蚀速度）腐蚀速度B面易腐蚀面易腐蚀（3）外延层质量）外延层质量B面质量好面质量好（4）晶片加工不对称性）晶片加工不对称性4.1.1 GaASn n能带结构能带结构能带结构能带结构n n物理性质物理性质物理性质物理性质n n化学性质化学性质化学性质化学性质n n电学性质电学性质电学性质电学性质n n光学性质光学性质光学性质光学性质GaAs能带结构
4、能带结构n n直接带隙结构直接带隙结构直接带隙结构直接带隙结构n n双能谷双能谷双能谷双能谷n n轻空穴和重空穴轻空穴和重空穴轻空穴和重空穴轻空穴和重空穴n n带隙为带隙为带隙为带隙为1.42 eV1.42 eVGaAs物理性质物理性质n nGaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽晶体呈暗灰色，有金属光泽n n分子量为分子量为n n原子密度原子密度4.421022/cm3GaAs化学性质化学性质n nGaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水易溶于王水n n室温下，室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定在水蒸气和氧气中稳定n n加热到加热到6000C开始氧化，
5、加热到开始氧化，加热到8000C以上开以上开始离解始离解GaAs电学性质电学性质n n电子的速度电子的速度n n有效质量越低，电子速有效质量越低，电子速有效质量越低，电子速有效质量越低，电子速度越快度越快度越快度越快n nGaAsGaAs中电子有效质量为中电子有效质量为中电子有效质量为中电子有效质量为自由电子的自由电子的自由电子的自由电子的1/151/15，是硅，是硅，是硅，是硅电子的电子的电子的电子的1/31/3n n用用用用GaAsGaAs制备的晶体管开制备的晶体管开制备的晶体管开制备的晶体管开关速度比硅的快关速度比硅的快关速度比硅的快关速度比硅的快3434倍倍倍倍n n高频器件，军事上应
6、用高频器件，军事上应用高频器件，军事上应用高频器件，军事上应用本征载流子浓度本征载流子浓度GaAs光学性质光学性质n n直接带隙结构直接带隙结构n n发光效率比其它半导体材料要高得多，可发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光电器件和半导体激以制备发光二极管，光电器件和半导体激光器等光器等4.1.2 GaAs的应用的应用n nGaAs在无线通讯方面具有众多优势在无线通讯方面具有众多优势n nGaAs是功率放大器的主流技术是功率放大器的主流技术1）GaAs在无线通讯方面在无线通讯方面n n砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种砷化镓晶片与
7、硅晶片主要差别，在于它是一种砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频高频高频高频”传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合传输影音内容，符合现代远程通讯要求。传输影音内容，符合现代远程通讯要求。传输影音内容，符合现代远程通讯要求。传输影音内容，符合现
8、代远程通讯要求。n n一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱，产生号越来越弱，产生号越来越弱，产生号越来越弱，产生“声音不清楚声音不清楚声音不清楚声音不清楚”甚至甚至甚至甚至“收不到信号收不到信号收不到信号收不到信号”的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输时的功率损耗比硅晶片
9、小很多，成功克服讯号传于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不佳的障碍。送不佳的障碍。送不佳的障碍。送不佳的障碍。n n砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。砷化
10、镓与硅元件特性比较砷化镓与硅元件特性比较砷化镓砷化镓硅硅最大频率范围最大频率范围2 2300GHz300GHz1GHz1.51.5介电常介电常数数 11.811.812.812.812.512.510.010.09.09.0GaN的应用的应用n n1.实现半导体照明。实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为前使用的大部分传统光源，被称为21世世纪照明光源的革命，而纪照明光源的革命，而GaN基高效率、基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体高亮度发光二
11、极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。照明的核心技术和基础。n n2.2.提高光存储密度提高光存储密度提高光存储密度提高光存储密度.DVD DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光的光存储密度与作为读写器件的半导体激光的光存储密度与作为读写器件的半导体激光的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果器的波长平方成反比，如果器的波长平方成反比，如果器的波长平方成反比，如果DVDDVD使用使用使用使用GaNGaN基短波基短波基短波基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用长半导体激
12、光器，则其光存储密度将比当前使用GaAsGaAs基半导体激光器的同类产品提高基半导体激光器的同类产品提高基半导体激光器的同类产品提高基半导体激光器的同类产品提高4 45 5倍，因倍，因倍，因倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。主流技术。主流技术。主流技术。n n3.3.改善军事系统与装备性能。改善军事系统与装备性能。改善军事系统与装备性能。改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军高
13、温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到工作温度将提高到工作温度将提高到工作温度将提高到300300，不仅将大大提高雷达，不仅将大大提高雷达，不仅将大大提高雷达，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信
14、、电子对抗以及智（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。系列难题。系列难题。系列难题。4.2 II-VI族化合物半导体材料族化合物半导体材料n nII-VI族化合物离子
15、键成分更多，极性更强，族化合物离子键成分更多，极性更强，具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难。具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难。n nII-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带族化合物均为直接跃迁带隙结构，带隙比隙比III-V族要大族要大化合物化合物晶体结构晶体结构带隙带隙u un nu up pZnOZnO纤锌矿纤锌矿3.373.3710001000180180ZnSZnS闪锌矿闪锌矿3.663.666006004040ZnSZnS纤锌矿纤锌矿3.743.74280280100100ZnSeZnSe闪锌矿闪锌矿2.722.726256253030ZnSeZnSe纤锌矿纤锌矿2.722.725
16、60560110110ZnTeZnTe闪锌矿闪锌矿2.22.2340340100100ZnTeZnTe纤锌矿纤锌矿2.802.80带隙和温度的关系带隙和温度的关系自补偿自补偿n n自补偿概念自补偿概念n n补偿中心：金属空位和硫属元素空位补偿中心：金属空位和硫属元素空位n n“两性两性”杂质杂质Marfaring模型模型n n实验中并没有观察到实验中并没有观察到“单独单独”的金属离子的金属离子空位，而只有金属离子空位与施主杂质的空位，而只有金属离子空位与施主杂质的复合体复合体n n高温下，材料中存在着中性的和电离的点高温下，材料中存在着中性的和电离的点缺陷缺陷n n冷却过程中，空位和杂质相互作
17、用形成复冷却过程中，空位和杂质相互作用形成复合体合体不易制成n型或者p型材料容易制成n型或者p型材料应用应用n n重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都是直接带隙，发光效率高是直接带隙，发光效率高是直接带隙，发光效率高是直接带隙，发光效率高n n制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等n nZnSZnS，薄膜场致发光显示器，薄膜场致发光显示器，薄膜场致发光显示器，薄膜场致发光显示器n nCdTeCdTe高能辐射，高能粒子探测器高能辐射，高能粒子探测器高能辐射，高能粒子探测器高能辐射，高能粒子探测器n n太阳电池，太阳电池，太阳电池，太阳电池，CdS/CdTe CdS/CdTe 理论转换效率理论转换效率理论转换效率理论转换效率30%30%其它材料其它材料n n见教材