化合物半導(dǎo)體材料與器件基礎(chǔ)

DaiXian-ying化合物半導(dǎo)體器件

CompoundSemiconductorDevices

微電子學(xué)院(xuéyuàn)

戴顯英

2013.8精品資料DaiXian-ying第二章化合物半導(dǎo)體材料

與器件(qìjiàn)基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類化合物半導(dǎo)體材料(cáiliào)的基本特性精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1半導(dǎo)體的分類(fēnlèi)絕緣體（1018-1010Ωcm），半導(dǎo)體（108-10-3Ωcm），金屬（10-4-10-8Ωcm）

絕緣體（禁帶寬度Eg大），半導(dǎo)體（禁帶寬度Eg?。?，金屬（導(dǎo)帶與價帶重疊）精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1半導(dǎo)體的分類(fēnlèi)2.1.1半導(dǎo)體的特征室溫下的電導(dǎo)率在103-10-8S/cm（或電阻率10-3～108Ωcm）電導(dǎo)率呈正溫度特性（金屬呈負溫度特性）兩種載流子參與導(dǎo)電（金屬只有一種）

精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1半導(dǎo)體的分類(fēnlèi)2.1.2半導(dǎo)體的特性溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強，電阻率下降如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應(yīng)地降低50%左右微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力以純硅中每100萬個硅原子摻進一個Ⅴ族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時硅的純度仍高達99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下適當(dāng)波長的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十MΩ，當(dāng)受光照后電阻值可以下降為幾十KΩ此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場、磁場等的作用而改變精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類按照(ànzhào)材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特性可將半導(dǎo)體分為：1）元素半導(dǎo)體2）化合物半導(dǎo)體3）合金（固溶體）2.1.3元素半導(dǎo)體C（金剛石）,Si,Ge,Sn晶格結(jié)構(gòu)：金剛石能帶結(jié)構(gòu)：間接帶隙Sn:0.08eVGe:0.67eVSi:1.12eVC:5.50eV精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.4化合物半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In與ⅤA的N、P、As、Sb形成(xíngchéng)，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15種。Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg與ⅥA族的O、S、Se、Te形成(xíngchéng)，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等Ⅳ-Ⅳ族：SiC精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類二元化合物半導(dǎo)體特點：1）大部分是直接(zhíjiē)能帶隙（對光電器件很重要）；2）有很寬的禁帶寬度Eg范圍，但只在離散的點上；3）可以塊狀生長（單晶），并被切成薄片(晶圓片）。2.1.4化合物半導(dǎo)體我們還需要更多！重要的二元化合物半導(dǎo)體：1）GaAs：第二代半導(dǎo)體2）GaN與SiC:第三代半導(dǎo)體(寬禁帶半導(dǎo)體）精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體二元合金半導(dǎo)體：Si1-xGex三元合金半導(dǎo)體：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、

InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等四元合金半導(dǎo)體：InYGa1-YAsXP1-XandAlYGa1-YAsXSb1-X

合金半導(dǎo)體：不是化合物；由二元化合物和一種或兩種普通元素組成三元或四元合金（固溶體）半導(dǎo)體。特點：1）組分可調(diào)；

2）禁帶寬度隨組分連續(xù)可調(diào)；

3）晶格常數(shù)隨組分連續(xù)可調(diào)。精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體三元合金的禁帶寬度與晶格常數(shù)關(guān)系三元合金變化趨勢：①晶格常數(shù)：與組分呈線性關(guān)系②禁帶寬度：與組分呈二次方關(guān)系③有效質(zhì)量：與合金組分成二次方和單調(diào)關(guān)系三元合金半導(dǎo)體：由二元化合物和一種元素組成精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體三元或四元合金半導(dǎo)體的基片（襯底）：二元化合物半導(dǎo)體，如GaAs、InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)：晶格常數(shù)要與襯底相同，且禁帶寬度Eg不同。三元合金半導(dǎo)體：與二元不匹配；但一個例外，AlGaAs與GaAs晶格匹配。四元合金半導(dǎo)體：

容易與二元襯底匹配精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體四元合金半導(dǎo)體：1）兩種元素是同族元素，如AlyGa1-yAsxSb1-x、

InyGa1-yAsxP1-x等2）三種元素是同族元素，如InyGa1-yAlxAs1-x等InGaAsPandAlGaAsSb

四元合金半導(dǎo)體禁帶寬度與晶格常數(shù)合金舉例：如圖所示1）AlGaAs:AlAs+GaAs2）InPAs:InAs+InP3）AlGaAsSb:AlGaSb+AlGaAs4）InGaAsP:GaAsP+GaInP精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體四元：GayIn1-yAsxSb1-x：精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體四元：InGaAlAs精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體四元：GaAlInPandGaAlAsP精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體四元：AlGaInN精品資料DaiXian-ying2.1半導(dǎo)體材料(cáiliào)的分類2.1.5合金(héjīn)半導(dǎo)體重要的三元和四元合金AlGaAs（GaAs基片）:HBT，場效應(yīng)管，光電器件GaAsP（GaAs基片）:紅色、琥珀色發(fā)光二極管HgCdTe（CdTe基片）:

紅外成像儀InGaAsP,InGaAlAs（InP基片）:光纖通訊用光電器件InGaAlAs(InP基片):

同上InGaAs（GaAs,InP）:

電阻接點，量子勢阱InGaAsP（GaAs）:

紅，紅外激光器，探測器GaInAlN(不同基片):

綠，藍，紫外發(fā)光二極管，激光器精品資料DaiXian-ying第二章化合物半導(dǎo)體材料(cáiliào)

與器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的分類化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性2.2.1晶格(jīnɡɡé)結(jié)構(gòu)

圖2.3金剛石結(jié)構(gòu)(a)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)(b)1）閃鋅礦結(jié)構(gòu)(a)(b)大多數(shù)的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體與金剛石結(jié)構(gòu)相似：每個原子與鄰近四個原子形成四面體結(jié)構(gòu)（鍵），又稱類金剛石；與金剛石結(jié)構(gòu)不同：每個原子鄰近是四個異類原子；混合鍵：共價鍵占優(yōu)。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料(cáiliào)的基本特性2）纖鋅礦結(jié)構(gòu)(jiégòu)

圖2.4(a)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，(b)四面體(a)(b)Ⅱ-Ⅵ族的ZnS、ZnSe、CdS等都可以閃鋅礦和纖鋅礦兩種方式結(jié)晶與閃鋅礦相似：正四面體結(jié)構(gòu)；與閃鋅礦不同：六方對稱（閃鋅礦是立方對稱）；纖鋅礦結(jié)構(gòu)更適合原子間電負性差別大、化學(xué)鍵極性強的化合物半導(dǎo)體，如GaN；混合鍵：離子鍵占優(yōu)。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性2.2.2晶格(jīnɡɡé)常數(shù)圖2.6III-V族合金半導(dǎo)體的晶格常數(shù)隨組分比x變化的情況晶格常數(shù)與合金組分：服從Vegard關(guān)系，即aAB=aAx+aB(1-x)

--線性插值關(guān)系

精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性晶格(jīnɡɡé)常數(shù)與禁帶寬度元素與化合物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)與禁帶寬度同類型半導(dǎo)體：晶格常數(shù)大的，其禁帶寬度小。

Si與GaP、AlPGe與GaAs、AlAs

晶格常數(shù)匹配

思考題：1）為什么要晶格匹配？2）如何能夠?qū)崿F(xiàn)晶格匹配？精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料(cáiliào)的基本特性閃鋅礦的

III-V族和II-VI族化合物半導(dǎo)體晶格(jīnɡɡé)常數(shù)與禁帶寬度注：Z=閃鋅礦，W=纖鋅礦，i=間接能隙，d=直接能隙精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性纖維(xiānwéi)鋅礦III-V族和II-VI族，鉛鹽（IV-VI族），IV族元素晶格常數(shù)與禁帶寬度

注：W=纖鋅礦，R=巖鹽，D=金剛石，i=間接能隙，d=直接能隙精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料(cáiliào)的基本特性2.2.3晶體(jīngtǐ)的化學(xué)鍵和極化圖2.7本征砷化鎵的基本鍵表示圖元素半導(dǎo)體，Si：只有共價價鍵；化合物半導(dǎo)體：既有共價鍵，又有離子鍵。（又稱極性半導(dǎo)體）例如，GaAs:1)As失去一個價電子給Ga;2)As和Ga外層價電子進行SP3軌道雜化，形成4個共價鍵。極化：As為負電荷中心、Ga為正電荷中心。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性1）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)及其主要(zhǔyào)特點能量/eV能量/eV圖2.9硅(a)和砷化鎵(b)的能帶結(jié)構(gòu)2.2.4能帶結(jié)構(gòu)精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性1）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)(jiégòu)及其主要特點能量/eV圖2.9砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)2.2.4能帶結(jié)構(gòu)①直接躍遷型：導(dǎo)帶極小值在k=0處，價帶極大值近似在k=0處；②具有負阻特性：在【111】方向具有雙能谷；當(dāng)外電場超過某個閾值，電子可能由遷移率大的主能谷轉(zhuǎn)移到遷移率小的次能谷，出顯電場增大而電流減小現(xiàn)象。③Eg大：1.43eV,制作高頻、大功率器件；更正：p19第4、5行，【100】應(yīng)為【111】。精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料的基本(jīběn)特性2）銻化銦的能帶結(jié)構(gòu)(jiégòu)及其主要特點①直接躍遷型：導(dǎo)帶極小值在k=0處，電子有效質(zhì)量小；②導(dǎo)帶呈非拋物線性：極小值處E(k)曲線的曲率很大，隨能量的增加，曲率迅速下降；③Eg小：0.23eV,制作遠紅外檢波器、高靈敏光電池、波長在2.0-7.5μm的紅外線濾光器等；精品資料DaiXian-ying2.2化合物半導(dǎo)體材料(cáiliào)的基本特性3）GaP的能帶結(jié)構(gòu)(jiégòu)及其主要特點①間接躍遷型：導(dǎo)帶極小值在【100】方向Χ處；②某些雜質(zhì)在GaP中可形成發(fā)光輻射復(fù)合中心，使GaP可由間接躍遷轉(zhuǎn)化為直接躍遷；③Eg大：2.25e