先進半導(dǎo)體敏感材料概要.ppt

1、先進半導(dǎo)體敏感材料,1,7.1力敏材料7.2光敏材料7.3磁敏材料7.4熱敏材料7.5氣敏材料7.6射線敏材料7.7其他半導(dǎo)體敏感材料,2,7.1 力敏材料,7.1.1壓阻效應(yīng)力敏材料 半導(dǎo)體晶體受外（應(yīng)）力作用時，其晶格對稱性和晶格常數(shù)會發(fā)生變化，導(dǎo)致其導(dǎo)電機理改變而使電阻R（或電阻率）發(fā)生變化，此即壓阻效應(yīng)，可以近似表示為：,3,材料的壓阻系數(shù)與材料的導(dǎo)電類型、晶向、摻雜濃度、溫度等參數(shù)有關(guān)。 定義標準因子（靈敏度系數(shù)）為： 1954年，吏密斯（Smith C S）首先發(fā)現(xiàn)Si、Ge的壓阻效應(yīng)，世界上第一個基于壓阻效應(yīng)的壓力傳感器是用Si制作的。 壓阻傳感器是半導(dǎo)體傳感器中市場額最大的傳感

2、器。,4,5,Si、Ge、InSb的壓敏效應(yīng)參數(shù),半導(dǎo)體力敏元件（應(yīng)變片）可制出壓力傳感器、加速度傳感器等器件。 SiC也可用于制備高溫壓力傳感器。已有報道工作溫度高達600 的6H-SiC高溫壓力傳感器。 金剛石也是制作高溫壓力傳感器的優(yōu)良材料，受缺乏單晶襯底的限制，其工作溫度僅為300 .,6,7.1.2 壓電效應(yīng)力敏材料,壓電效應(yīng)：晶體在外力作用下，內(nèi)部會產(chǎn)生極化而在某兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷。 利用壓電效應(yīng)也可制備力敏元件。與這一效應(yīng)相關(guān)的材料參數(shù)主要是壓電系數(shù)d和機電耦合系數(shù)K。 在平行于x軸的外應(yīng)力作用下，壓電元件表面產(chǎn)生電荷密度： 轉(zhuǎn)換靈敏度用機電耦合系數(shù)K表示：,7,8,常見

3、半導(dǎo)體壓電材料,7.2 光敏材料,半導(dǎo)體光敏材料主要是利用這類材料所具有的光電導(dǎo)效應(yīng)以制備相應(yīng)的傳感（探測）器件。 光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體表面受到光照時，其電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象。 根據(jù)本征吸收限波長c與材料帶隙Eg的關(guān)系，可以容易地算出半導(dǎo)體光敏材料的吸收限波長（吸收邊）。,9,常見半導(dǎo)體材料的值,10,常見半導(dǎo)體光敏材料的本征吸收限c,7.2.1 可見光波段光敏材料,可見光波段的半導(dǎo)體光敏材料以CdS和CdSe研究得最為深入。在CdS中摻入某種雜質(zhì)還可以提高其靈敏度。 CdSe中摻Cu會形成缺陷中心，它們有較大的俘獲截面，可提高空穴壽命（由10-13-10-7s提高到10-6-10-2s）。從而使所

4、制光敏元件的靈敏度得到較大幅度提高。,11,12,CdS、CdSe材料（所制光敏電阻）主要光敏特性,7.2.2 紅外波段光敏材料,紅外光敏傳感器（紅外探測器）主要利用了半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)（本征光電導(dǎo)、非本征或雜質(zhì)光電導(dǎo)）效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電磁效應(yīng)和光發(fā)射效應(yīng)。 1917年用TlS2制出了第一只光敏電阻。20世紀30年代開始用PbS、PbSe研制紅外探測器。二戰(zhàn)期間，因軍事需求的刺激紅外探測器工藝研究得到快速發(fā)展，并為現(xiàn)代紅外探測器的研制和生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。 20世紀50年代早期，研制成功第一個Ge的非本征光電導(dǎo)探測器，隨GaAs等化合物半導(dǎo)體材料制備工藝的發(fā)展，陸續(xù)研制出基于InSb、HgC

5、dTe（MCT）、鉛鹽化合物及其固溶體、-族化合物基固溶體等材料的紅外探測器、量子阱紅外探測器及各種紅外焦平面陣列等。,13,紅外探測器按其工作模式或機理可分為四類：本征、非本征、光發(fā)射、量子阱或光電導(dǎo)（PC）、光伏（PV）、光電磁（PEM）、量子阱（QW）探測器。,14,紅外光探測器分類及所用主要材料,15,各類半導(dǎo)體紅外光探測器比較,探測率：探測器敏感面積為1cm2，噪聲等效帶寬為1Hz的響應(yīng)率與方均噪聲電壓或電流之比，單位為cmHz1/2/W. MCT材料是1959年首先報道的，是目前應(yīng)用最廣泛的紅外光探測器材料。 MCT材料的主要特點：材料與器件優(yōu)值/G（為吸收系數(shù)，G為熱產(chǎn)生速率）較

6、大，比自由載流子探測器和AlGaAs/GaAs量子阱器件大幾個數(shù)量級；探測波長范圍大，可制備出紅外波段內(nèi)任何波長的探測器，可制面多色（多波長）探測器；MCT的晶格常數(shù)基本上與組分無關(guān)。在各種可變帶隙固溶體半導(dǎo)體材料中，MCT是惟一帶隙可覆蓋整個紅外波段而其晶格常數(shù)又保持不變的半導(dǎo)體材料，這是MCT相對于其他半導(dǎo)體材料的一個主要優(yōu)點。,16,17,MCT紅外探測器具有量子效率高、光電導(dǎo)增益和響應(yīng)率較高、響應(yīng)時間短、頻率響應(yīng)寬等特點，用MCT還制出了可探測微弱信號的（10.6 m）紅外外差探測器和（3-5 m）、（8-14 m）的掃積探測器。 InSb材料制備工藝比MCT成熟，廣泛用于制備3-5

7、m波段探測器。器件工作模式有PC、PV和PEM三種。 InSb紅外光探測主要性能,鉛鹽化合物PbS、PbSe均為本征光電導(dǎo)紅外探測器材料，PbS廣泛用于制備1-3 m探測器，其器件制備工藝簡單，成本低。,18,鉛鹽紅外光探測器的主要性能,Si和Ge是主要的非本征紅外（光電導(dǎo)）探測器材料帶隙大小適中。,19,低背景應(yīng)用時某些Si、Ge紅外探測器的主要性能,在各種量子阱紅外探測器中，AlGaAs/GaAs多量子阱（MQW）器件工藝最為成熟，是大面積紅外焦平面陳列（IRFPA）和長波紅外成像系統(tǒng)的優(yōu)先器件之一，已制出工作于3-5 m 、8-14 m的雙色AlGaAs/GaAs MQW紅外探測器。,2

8、0,量子阱、超晶格（SL）紅外光探測器材料,其他紅外探測器材料 半導(dǎo)體紅外光探測器材料的種類繁多，除上述材料外，還有InAs（1-3 m）、InGaAs（1-1.65 m）、HgZnTe（3-12 m）、HgMnTe（2-10 m）、PbSnTe（8-14 m）、InAsPSb（2-5 m）、 InGaAsSb（2-5 m）等。 異質(zhì)結(jié)材料，如MCT/Si、SiGe/Si、PbS/Si、CdS/PbS、PbSSe/PbS、PbSnTe/PbTe、CdSSe/Ge等。 在Si襯底上，以GaAs和CdTe為緩沖層制出了工作于3-10 m波段的多種MCT/Si探測器。 SiGe/Si異質(zhì)結(jié)探測器可工

9、作于3-5 m和8-14 m兩個波段。,21,7.2.3 短波長（紫外）光敏材料,在紫外光探測（傳感）技術(shù)方面，一些“舊”的探測器，如照相膜、氣體光電離探測器和光發(fā)射探測器等已被半導(dǎo)體光探測器所取代，因半導(dǎo)體探測器有更高的靈敏度、體積小、可靠性高、易于操作并能給出更多、更精確的光度學(xué)信息。 Si和GaAs材料工藝技術(shù)已非常成熟或相當(dāng)成熟，采用這些材料并結(jié)合一些特殊器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)制出對紫外光有良好響應(yīng)的光電探測器，也易于批量生產(chǎn)。已制出高量子效率的利用紫外光探測的 Si光二極管。,22,采用寬帶隙材料可對短波長光有較好的響應(yīng)。一方面，可充分利用寬帶隙材料所具有的對可見光盲或陽光盲的特性提高器件的搞

10、干擾能力；另一方面，可利用寬帶隙材料的高化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫特性制成適用于惡劣環(huán)境工作的紫外光電探測器。 寬帶隙紫外光探測器材料主要有GaN基材料、SiC、金剛石等。具有良好性能的PV型GaN紫外光探測器已經(jīng)商品化。,23,1992年首次制出AlGaN PC型紫外光探測器，在365 nm波長時，峰值響應(yīng)率（似應(yīng)為電流靈敏度）為1000 A/W。 1995年，用CVD工藝制出了PC型金剛石紫外光探測器，它對200 nm波長光的響應(yīng)比對可見光的響應(yīng)大106，暗電流小于0.1 nA。 1964年，用3C-SiC制出了PV型紫外光探測器（光二極管），250 nm波長時，最大響應(yīng)率72 mA/W，量子效率

11、36%。一般SiC光二極管在250-300 nm時，響應(yīng)率為150-240 mA/W，量子效率在60%以上。,24,7.2.4 光電二極管材料,在受到光照的pn結(jié)上加上反向電壓，則反向電流比不加光照時大。這種二極管可把光信號變成光電流信號，常用作光通信中的光電轉(zhuǎn)換元件。它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、暗電流小、噪聲低等特點。 利用Si、Ge等材料還可制備了同雪崩光電二極管（有高速響應(yīng)和放大功能）和光電晶體管（有放大功能）等光敏器件。,25,光電二極管用材料及其基本性能,7.2.5 光電導(dǎo)膜材料,利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)，可制成光電導(dǎo)攝像管。光電導(dǎo)膜是其關(guān)鍵元件。 照度系數(shù) 由正式給出其物理意義：

12、,26,27,常見半導(dǎo)體光電導(dǎo)膜材料主要性能,磁敏傳感元件是將磁學(xué)量信號轉(zhuǎn)換為電信號或以磁場為媒介將其他非電物理量轉(zhuǎn)換為電信號的元件。 利用半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)可制出霍爾器件、磁阻器件、磁敏二極管和磁敏三極管等傳感器件。,28,7.3 磁敏材料,霍爾器件是利用半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)制作的。20世紀50年代就制出了霍爾器件并很快實現(xiàn)商品化。20世紀70年代初期就制成了單片Si集成霍爾板（是一種最基本的半導(dǎo)體磁敏器件）。 Si、GaAs是良好的霍爾板材料。這兩種材料所制霍爾板最大電壓相對靈敏度分別為0.11/T和0.63/T，實測值分別為0.07/T和0.2/T。 半導(dǎo)體霍爾器件具有結(jié)構(gòu)簡單、無觸

13、點、頻帶寬、動態(tài)特性好等特點，在磁場測量、功率測量、電能測量、自動控制與保護、微位移測量、壓力測量等方面得到廣泛應(yīng)用。,29,7.3.1 霍爾器件材料,30,半導(dǎo)體霍爾器件用材料及所制器件性能,7.3.2 磁阻器件材料,磁阻器件是利用半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)，是一種電阻隨磁場的變化而變化的效應(yīng)（包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)）。 磁阻定義為有磁場時與無磁場時材料的電阻或電阻率的比值： 磁阻器件的性能主要取決于材料的遷移率和元件的形狀，為了得到較好的磁阻性能，常選擇純度和遷移率較高的半導(dǎo)體材料（主要是InSb和InAs），以利用其物理磁阻效應(yīng)。,31,有磁場與無磁場時材料的電阻率比與遷移率和磁感應(yīng)強度B

14、之間的關(guān)系為： 1988年，Baibich等人在由Fe、Cr交替沉積而形成的納米多層膜中，發(fā)現(xiàn)了超過50的MR，且為各向同性、負效應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱為巨磁電阻 (Giant Magntoresistance，GMR)效應(yīng)。 1992年，Berkowitz等人在Cu-Co等顆粒膜中也觀察到GMR效應(yīng)。,32,1993年，Helmolt等人在類鈣鐵礦結(jié)構(gòu)的稀土Mn氧化物中觀察到R/R可達103106的超巨磁阻效應(yīng)，又稱龐磁阻效應(yīng)(Colossal Magnetoresistance，CMR)。 1995年，Moodera等人觀察到磁性隧道結(jié)在室溫下大于10的隧道巨磁電阻效應(yīng)(Tunnel Magne

15、toresistance，TMR)效應(yīng)。 1997年，全球首個基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。,33,7.3.3 磁敏二極管和磁敏三極管材料,半導(dǎo)體磁敏二極管和磁敏三極管是繼霍爾器件、磁阻器件之后發(fā)展起來的磁電轉(zhuǎn)換器件。 磁敏二極管的磁靈敏度可達1000 mV(mAT)，比霍爾器件高出數(shù)百倍甚至數(shù)千倍、體積小、電路結(jié)構(gòu)簡單、可識別磁場的極性等特點。 磁敏二極管和磁敏三極管廣泛用于無觸點電位器、無觸點開關(guān)、無刷直流電機、漏磁探測儀、地磁探測儀等領(lǐng)域。,34,35,npn型Ge磁敏三極管的磁電特

16、性曲線，ic為基極恒流（Ib=3 mA） 條件下集電極電流的變化。,36,7.4 熱敏材料,熱敏器件主要是利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的熱敏電阻。這些熱敏器件具有靈敏度高、體積小、成本低等優(yōu)點，廣泛用于溫度自動控制電路、家用電器、汽車等方面。 利用半導(dǎo)體材料制成的pn結(jié)型熱敏器件得到迅速發(fā)展，主要有熱敏二極管、熱敏晶體管（溫敏管）及集成溫度傳感器，還有紅外溫度傳感器等。,這種熱敏電阻材料大都為金屬氧化物基半導(dǎo)體陶瓷，按熱敏電阻（率）與溫度的關(guān)系大體上分為三種類型：正溫度系數(shù)（PTC）型、負溫度系數(shù)（NTC）型和臨界溫度電阻器（CTR）型。,37,三類半導(dǎo)體陶瓷材料的電阻充與溫度的關(guān)系,7.4.1 半

17、導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻材料,7.4.2 硅溫敏電阻,Si溫敏電阻具有體積小、使用溫度范圍寬（-55-175 ）、準確度高、可靠性高等特點，大量用于溫度計電子電路的溫度補償、過熱保護電路及微機設(shè)備等方面。,38,硅溫敏電阻的阻-溫特性,二極管正向電壓與溫度的關(guān)系,7.4.3 溫敏二極管,半導(dǎo)體pn結(jié)的工作特性與溫度密切相關(guān)，其正向壓降與溫度變化呈線性關(guān)系。溫敏二極管就是利用這一特性制成的。 一般用Si、Ge、GaAs、SiC等材料制作溫敏二極管。GaAs溫敏二極管主要用于低溫測量，SiC則主要用于高溫測量；Si溫敏二極管則用于常溫測量。 溫敏二極管具有線性度好、自熱特性好、成本低等優(yōu)點，廣泛用于溫度傳

18、感器、換能器、溫度補償、自動控制、報警器等方面。,39,7.5 氣敏材料,自20世紀60年代初利用金屬氧化物半導(dǎo)體材料（SnO2等）研制成功可檢測可燃性氣體的氣敏傳感器以來，在實際應(yīng)用中得到迅速發(fā)展。 這類氣敏傳感器具有靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，廣泛用于氣體檢漏、報警、防災(zāi)、測量分析等方面。,40,7.5.1 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料,金屬氧化物半導(dǎo)體材料所制氣敏元件的基本傳感原理是當(dāng)半導(dǎo)體表面吸附被檢測氣體后，引起電學(xué)性質(zhì)（如電導(dǎo)率）發(fā)生變化而達到檢測目的，因而也稱為電導(dǎo)控制型氣敏元件。 電導(dǎo)控制型氣敏元件又可分為表面電導(dǎo)控制型和體電導(dǎo)控制型兩種。前者主要有SnO2、ZnO等氣敏元件

19、，與被測氣體接觸后，其表面電導(dǎo)（率）發(fā)生變化；后者如-Fe2O3氣敏元件，與被測氣體接觸后使材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而使其體電導(dǎo)發(fā)生變化。,41,42,金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料及其應(yīng)用,7.5.2 MOS型氣敏元件材料,MOS型氣敏元件主要是單晶Si半導(dǎo)體材料所制MOS場效應(yīng)器件和所制隧道效應(yīng)制成的金屬/半導(dǎo)體氣敏二極管，它利用催化金屬吸附和分解氣體分子，形成極性分子（或原子）的偶極層，使金屬/半導(dǎo)體間的功函數(shù)發(fā)生變化而使所制氣敏元件的電壓-電流特性發(fā)生變化。 催化金屬柵-氧化物-半導(dǎo)體氣敏元件的靈敏度和選擇性主要取決于金屬柵的成分、微觀結(jié)構(gòu)和器件的工作溫度等。這類氣敏元件屬于電壓控制型器件。

20、 利用Si單晶所制元件有Pd-MOS電容、Pt-MOS電容等幾種類型，可分別用于H2、H2S、CH4、CO、乙醇、乙烯、丙烯、乙炔、NH3等氣體的檢測；,43,利用InP材料可制出Pd-Si3N4-InP電容器，Pd-InP型氣敏元件，可分別用于不同濃度H2的檢測。 將納米技術(shù)用于氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，由于納米粉體所具有的高活性表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，會進一步提高其氣敏特性，即提高其探測靈敏度和選擇性。,44,7.6 射線敏材料,放射線，如射線、射線和射線入射到半導(dǎo)體表面上，會在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子-空穴對，從而可將放射線能量轉(zhuǎn)換成電信號。 當(dāng)被測的初始基本粒子進入半導(dǎo)體時，它可在10-11s 極

21、短時間內(nèi)損失其能量，這能量傳遞給半導(dǎo)體中的電子使其電離產(chǎn)生電子-空穴對，電子也可獲得足夠的能量去誘發(fā)次級電離（間接產(chǎn)生電子-空穴對）。 射線、射線可產(chǎn)生直接電離，x射線、 射線和中子射線大都產(chǎn)生“間接”電離。,45,46,常見半導(dǎo)體射線敏材料的有關(guān)性質(zhì),1949年麥凱（Mckay K G）首次利用射線照射pn結(jié)二極管時觀察到輸出信號，從此陸續(xù)開發(fā)了一些pn結(jié)型探測器，如Au-Si面壘型探測器、Li-漂移（Si: Li, Ge:Li）型探測器，平面p-i-n型探測器等。 半導(dǎo)體輻射探測器主要是Si、Ge、HgI2、CdTe等?？赡苤瞥鲈谑覝叵率褂玫妮椛涮綔y器材料還有AlSb、Bi2S3、GaSe

22、、PbI2、ZnSe、ZnTe和CdZnTe等。這些材料大都生長困難，成品率低、產(chǎn)品少、價格高，限制了它們的應(yīng)用。,47,7.7 其他半導(dǎo)體敏感材料,濕敏傳感器 生物敏傳感器 聲表面波傳感器 光纖傳感器 智能傳感器,48,4）外延層轉(zhuǎn)移,1. 將硅片進行陽極氧化形成多孔硅層 2. 外延和熱氧化，在多孔硅上外延生長單晶硅層，再在其上形成氧化層 3. 鍵合，將器件片與支撐片鍵合，然后進行減薄和在氫氣氣氛中退火提高鍵合強度 外延生長SOI層，層厚度易于控制，厚度均勻性較好，并減少晶體中的原生缺陷，有利于提高器件的成品率。,49,外延層轉(zhuǎn)移示意圖,陽極氧化,多孔硅,外延,單晶硅,熱氧化,SiO2,鍵合,減薄,腐蝕,氫氣退火,50,5.3.3 GaAs/Si異質(zhì)外延材料,微電子電路與光電器件的單片集成使人們注意開發(fā)“混合”半導(dǎo)體材料工藝。其典型材料就是GaAs/Si異質(zhì)外延材料。 GaAs/Si異質(zhì)外延材料具有如下優(yōu)點：把最先進、最成熟的Si微電子學(xué)工藝與GaAs的優(yōu)良光電性能結(jié)合起來；可使用高質(zhì)量、大面積、低價格的Si片及成熟的加工工藝和設(shè)