L10-化合物半導體材料

§10化合物半導體材料10.1III-V化合物半導體10.2II-VI化合物半導體2/4/20231III-V族化合物半導體由III族元素和V族元素按一定比例組成的化合物半導體，稱為III-V族化合物半導體。大部分III-V族化合物半導體的晶體結構是閃鋅礦結構許多III-V族化合物半導體具有直接能帶結構§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20232§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20233§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20234(1).GaAs的能帶結構和性質I.價帶有3個能帶II.具有直接帶隙結構III.導帶具有多能谷A.GaAs的能帶結構§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20235§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20236I.淺施主能級雜質：VI族元素Se,S,TeB.GaAs中的雜質II.淺受主能級雜質：II族元素Zn,Be,Mg,CdIII.深能級雜質：Au,Cu,CrIV.雙性雜質：IV族元素Si,Ge,Sn,PbV.等電子(中性)雜質：III元素和V族元素§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20237§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20238I.遷移率高C.GaAs的電學性質II.負微分電導效應I.大功率器件II.高速、微波器件III.太陽能電池、發(fā)光二極管，激光器D.GaAs半導體的應用IV.紅外探測器§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/20239§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202310§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202311§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202312(2).GaP的能帶結構及性質I.價帶有2個能帶II.具有間接帶隙結構III.導帶具有多能谷A.GaP的能帶結構§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202313§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202314I.發(fā)光二極管II.雪崩二極管C.GaP半導體的應用B.GaP中的雜質§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202315§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202316(3).GaN的能帶結構和性質I.常用的GaN為纖鋅礦晶體結構II.具有直接帶隙結構III.室溫下Eg=3.39eVA.GaN的基本性質§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202317§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202318I.施主雜質：Si和SeB.GaN的摻雜II.受主雜質：Mg，需經特殊處理I.藍、綠發(fā)光二極管II.多量子阱藍色激光器III.紫外探測器D.GaN的應用IV.高溫、大功率晶體管§10化合物半導體材料

10.1III-V族化合物半導體2/4/202319

II-VI化合物半導體I.由II族副族和VI族主族元素構成Zn,Cd,Hg和O,S,Se,TeII.都具有直接帶隙結構III.禁帶寬度可通過第三元素調節(jié)IV.缺陷密度大，難制備p-n結(1).基本特性§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2/4/202320I.點缺陷類型：間隙原子和空位(2).II-VI族化合物半導體中的點缺陷II.MX結構中，VX相當于施主VM相當于受主I.CdTe,HgTe,CdxHg1-xTe(3).II-VI族化合物§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體II.ZnO2/4/202321§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2/4/202322§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2/4/202323§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2/4/202324§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2/4/202325§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2/4/202326§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2/4/202327a.霍爾器件CdxHg1-xTeb.紅外探測器CdxHg1-xTec.無汞的II-VI族化合物半導體可制作可見光,紫外光,X光探測器，光敏電阻，太陽能電池，電致發(fā)光器件等§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體CdTe,HgTe,CdxHg1-xTe材料的應用2/4/202328§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體(1).ZnO的基本性質

ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族氧化物材料，具有六方纖鋅礦結構。ZnO的分子結構類型介于共價鍵與離子鍵之間，c軸方向具有很強的極性。2/4/202329§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體纖鋅礦結構ZnO的一些物理參數(shù)物理參數(shù)符號數(shù)值300K時的晶格常數(shù)（nm）a0c00.324950.52069密度（g/cm3）ρ5.606熔點（℃）Tm1975熱導率（W/cm·K）σv0.595（a軸方向），1.2（c軸方向）線性膨脹系數(shù)（10-6/K）Δa/a，Δc/c6.5，3.0靜態(tài)介電常數(shù)ε8.656折射率n2.008（a軸方向），2.029（c軸方向）壓電常數(shù)（C/m2）eije31=-0.61，e33=1.14，e13=-0.59300K時的禁帶寬度（eV）Eg3.37激子結合能（meV）Eex60激子Bohr半徑（nm）αB2.03本征載流子濃度（cm-3）n＜106電子有效質量（×m0）me*0.24300K下n型底阻ZnO的電子Hall遷移率（cm2V-1s-1）μe200空穴有效質量（×m0）mh*0.59300K下p型底阻ZnO的電子Hall遷移率（cm2V-1s-1）μh5～502/4/202330§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體ZnO與GaN有相同的晶體結構，相近的晶格常數(shù)和禁帶寬度。與之相比，ZnO還具有以下優(yōu)點：1、ZnO薄膜的生長溫度一般低于700℃，比GaN（生長溫度1050℃）要低得多，有利于降低對設備的要求和損耗；2、ZnO薄膜在室溫下光致發(fā)光和受激輻射有較低的閥值功率，有較高的能量轉換效率；(2).ZnO材料的優(yōu)點2/4/202331§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體3、ZnO有較高的激子復合能為60meV，理論上有可能實現(xiàn)室溫下較強的紫外受激發(fā)射，制備出性能較好的探測器、LED和LD等光電子器件。4、ZnO有很好的成膜特性，能在較低的溫度（200℃-650℃）下制備出有較好晶體質量的ZnO薄膜。5、ZnO薄膜的原料豐富、成本低、無毒、對環(huán)境無污染，是環(huán)保型材料。2/4/202332§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體1)未摻雜ZnO的導電機制—n型導電

未摻雜氧化鋅薄膜中存在的缺陷主要是點缺陷，即氧缺位或金屬鋅原子過剩，這些缺陷是ZnO薄膜中載流子的主要來源。氧缺位使薄膜晶體結構中鋅與氧的化學計量比大于1:1。此時薄膜中就會存在過剩的正電荷，為了保持電中性，就會在氧缺位周圍聚集同樣多的電子，由于電子與缺陷之間的束縛力非常弱，在常溫下就能獲得足夠高的能量脫離其束縛而成為自由電子，所以此類薄膜為n型半導體薄膜，其電阻率高于106cm。(3)ZnO摻雜2/4/202333§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體2)n型摻雜的ZnO

為了提高氧化鋅薄膜中的載流子濃度，可以采取適當摻雜的方法來實現(xiàn)。作為第Ⅱ-Ⅵ族化合物的氧化鋅，可以摻入Ⅲ族元素B、Al、In、Ga或者由氧缺位來改善其導電性。在這些摻雜中，研究得最多的n型摻雜劑是Al、Ga和In。采用Al摻雜制得的ZnO:Al薄膜電阻率可達到10-4cm，而摻Ga，In制得的薄膜的電阻率一般為10-3cm。2/4/202334§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體

摻入Al時，由于鋁的離子半徑(RAl=0.060nm)比鋅的離子半徑(RZnO=0.096nm)小，Al原子容易成為替位原子而占據Zn原子的位置。每個Al3+離子對Zn2+離子的替換提供一個導電電子。

在ZnO中摻雜Al之后可以形成

ZAO(ZnO:Al)薄膜，導電性能大幅度提高，電阻率可降低到10-4cm

，可見光透射率達90%。這種性能完全可以與ITO薄膜相媲美。2/4/202335§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體3)P型摻雜的ZnOZnO的p型摻雜是目前面臨的難題。一些位于填隙位置上的本征點缺陷或者雜質原子會有補償作用，即摻雜時極易產生與雜質類型相反的缺陷。這些缺陷通過形成深能級陷阱來抵消替位原子形成的淺受主能級。晶格弛豫也會使得雜質能級在禁帶中位于很深的位置，一些特定的p型摻雜元素溶解度較低，限制了非本征載流子濃度的提高，這些原因都造成了p型摻雜以及p-n結制備的困難。2/4/202336§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體ZnO薄膜的發(fā)光特性引起人們的關注。由于室溫下ZnO的禁帶寬度為3.37eV，理論上具備藍光或紫外光發(fā)射的本領。最近幾年人們開始致力于利用ZnO薄膜研制短波長發(fā)光二極管和激光器。隨著平板顯示器件的興起，研究人員也試圖將ZnO研制成一種低壓高效的綠色熒光薄膜材料。但是實驗結果表明，ZnO薄膜可實現(xiàn)多種譜帶的光發(fā)射，其能帶結構較為復雜。(4)ZnO材料的光致發(fā)光2/4/202337§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體ZnO薄膜典型的光致發(fā)光有兩個發(fā)光帶：一個是窄的紫外光帶，另一個是寬的綠-黃光帶。窄的紫外峰在380nm(3.3eV)附近，寬的深能級發(fā)射在大約490(2.52eV)～550nm(2.25eV)左右。2/4/202338§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體研究人員均認為375nm附近的紫外峰其來源于近帶邊的激子躍遷，其發(fā)光強度與薄膜的結晶質量、化學配比有關。結晶質量好的薄膜發(fā)射紫外光的強度高。對于ZnO薄膜在可見光區(qū)的發(fā)光機理至今還沒有統(tǒng)一的說法，有的認為可見光來源于與結構缺陷和雜質相關的深能級發(fā)射，其中所有的結構缺陷都是來自薄膜生長過程中氧供給量不足，即鋅和氧的化學計量比失衡。2/4/202339§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體(4)ZnO薄膜的制備所有能制備半導體材料的方法都能制備ZnO薄膜，主要有：化學氣相沉積法、磁控濺射法、溶膠-凝膠法、電化學沉積法、分子束外延法、激光脈沖沉積法等。其中溶膠-凝膠法、電化學沉積法無需真空設備，可大幅降低了制作成本，簡化工藝。2/4/202340§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體(5)ZnO薄膜的應用

1)太陽能電池

ZnO薄膜尤其是AZO薄膜，具有優(yōu)異的透明導電性能。ZnO薄膜主要是作為透明電極和窗口材料用于太陽能電池，ZnO受到高能粒子輻射損傷較小，因此特別適合于太空中使用。2/4/202341§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體

2)可作為GaN的緩沖層

ZnO作為緩沖層有很多優(yōu)點：一方面，ZnO與GaN具有相似的晶格特性，利用ZnO作為襯底或緩沖層可獲得高質量的GaN薄膜，尤其是C軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜；另一方面，ZnO薄膜的n型摻雜，使其具有良好的電學特性，用其作襯底或緩沖層比用其它材料好得多。2/4/202342§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體3)熱鏡利用透明導電薄膜對光波所具有的選擇性(即在可見光區(qū)的高透過性和紅外光區(qū)的高反射性)之特性,使之廣泛應用于熱鏡涂層。對于寒冷工作環(huán)境下使用的視窗或太陽能收集器的觀察窗，如航空航天飛行器、建筑物的玻璃視窗等，該涂層將反射內部的IR，使熱量保持在一封閉的空間里起熱屏蔽的作用;而對于冷藏裝置，如冰箱、太陽能電池等，該窗口材料將反射掉IR，起到減反射涂層的作用，具有很好的隔熱節(jié)能效果。對于應用于大面積的窗口材料來講，出于成本的考慮，AZO薄膜將是熱鏡的最佳選擇。2/4/202343§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體4)紫外探測器利用ZnO的寬禁帶和高光電導特性，可制作紫外探測器。早期的研究表明，ZnO的光反應包括快速和慢速兩個過程：電子－空穴對的產生過程及氧吸收和光解吸過程。對玻璃襯底上沉積的ZnO薄膜的研究表明，后者起主要作用。2/4/202344§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體

5)LDZnO激子束縛能為60meV，是GaN的2倍，室溫下并不離化，而在高密度3倍頻YAG:Nd的353nm脈沖激光激發(fā)下，可以產生紫外受激發(fā)射。用激子復合來代替電子－空穴對的復合，可使受激發(fā)射的閾值降至240kW/cm2，激子發(fā)射溫度可達550℃，而且單色性很好。2/4/202345§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體6)制作聲表面波器件ZnO薄膜作為一種壓電材料，它以其所具有較高的機電耦合系數(shù)和低介電常數(shù)，使其在超聲換能器、Bragg偏轉器、頻譜分析器、高頻濾波器、高速光開關及微機械上有相當廣泛的用途。ZnO薄膜是制作高頻表面聲波器件的首選材料。2/4/202346§10化合物半導體材料

10.2

II-VI族化合物半導體7)LED

ZnO是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，通過與CdO，MgO組成的混晶薄膜能夠得到可調的帶隙(2.8~4.2eV)，覆蓋了從紅光到紫光的光譜范圍，有望開發(fā)出紫外、綠光、藍光等多種發(fā)光器件，而且ZnO是直接帶隙半導體，能以帶間直接躍遷的方式獲得高效率的輻射復合。2/4/202347§14固體的光學性質與固體中的光電現(xiàn)象(3)例1有n型CdS正方形晶體,邊長為1mm,厚為0.1mm,其長波吸收限為5.110-7m,今用光強度為1mW/cm2的紫色光(=4.09610-7m)照射正方形表面,量子產額為=1.設光生空穴全部被陷,光生電子壽命n=10