《獲取材料II》PPT課件.ppt

1、第五章信息獲取材料,信息功能材料,5.4 元素半導(dǎo)體光電材料,理想的晶體在絕對零度時(shí)存在一個(gè)空的導(dǎo)帶，由一個(gè)禁帶把導(dǎo)帶與填滿的價(jià)帶隔開，隨著溫度上升，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生 n-p 對，引起導(dǎo)電勢，這種性質(zhì)叫做本征半導(dǎo)電性，電子和空穴具有相同的濃度：,一、Si 和 Ge 的結(jié)構(gòu)特征和電學(xué)性質(zhì),1. 本征性質(zhì),典型的禁帶寬度： Si 1.12 eV Ge 0.665 eV 四方面的特點(diǎn)：,理想的晶體是不存在的，由于實(shí)際半導(dǎo)體中化學(xué)雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷或多或少為存在，影響平衡時(shí)電子和空穴的相對濃度。但是： 施主和受主相等濃度導(dǎo)致類似本征材料的狀況。 雜質(zhì)能級如果靠近相應(yīng)能帶邊緣，則為淺位雜質(zhì)，反之為深位雜質(zhì)。

2、前者是III族和V族的全部元素，后者有過渡金屬等。,2. 非本征性質(zhì),熱振動(dòng)、雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷是晶體周期的不完整性的三個(gè)方面。 缺陷的重要性主要在于它們對遷移率、復(fù)合和俘獲現(xiàn)象的影響，主要有點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。 點(diǎn)缺陷是集中在晶體中單點(diǎn)的結(jié)構(gòu)缺陷，包括空位和填隙等； 線缺陷是沿著一條件集中的不完整性，也叫做位錯(cuò)，如：應(yīng)力作用下產(chǎn)生的某些平面滑移等； 人們對面缺陷的研究知之甚少，相對來說也不太重要。,3. 晶格的結(jié)構(gòu)缺陷,在實(shí)際應(yīng)用中，電子和空穴的濃度往往是偏離平衡濃度的，即所謂的非平衡現(xiàn)象是普遍存在的。 如果： 那么，可以定義 t 為少數(shù)載流子壽命。再由Einstein關(guān)系可以得到擴(kuò)散率和擴(kuò)

3、散長度： 在最初的半導(dǎo)體晶體中，截流載流子壽命僅受復(fù)合過程限制，因?yàn)楫?dāng)時(shí)注重于減少俘獲效應(yīng)；但是在半導(dǎo)體輻射探測器的研究中，往往是由測量出的電荷收集效率來推導(dǎo)電荷載流子的壽命的。,4. 半導(dǎo)體輻射探測器的有效載流子濃度,Eg(Si) = 1.12 eV Eg(Ge) = 0.67 eV，兩者的本征型探測器遠(yuǎn)不如PbS探測器，所以要引入雜質(zhì)。 1.非本征 Si 材料的特性 引入雜質(zhì)在Si禁帶中建立起相應(yīng)的局部能態(tài)，外界紅外輻射會(huì)引起雜質(zhì)能級的光激勵(lì)，光電導(dǎo)響應(yīng)與這些能級到導(dǎo)帶或滿帶的電子或空穴躍遷有關(guān)。 2.非本征 Si 探測器的特點(diǎn) 硅的介電系數(shù)低，具有合適能級的雜質(zhì)的溶解性高，所以能夠制成紅

4、外吸收系數(shù)較大的非本征型硅探測器。 3.非本征硅探測器的應(yīng)用： 熱成像技術(shù)，紅外探測器。,二、非本征硅紅外探測器材料,5.5 III-V族化合物半導(dǎo)體光電材料,GaAs的禁帶寬度比Si稍微高一點(diǎn)，有利于制作在較高溫度下的器件；其遷移率較高，約是Si中電子的5倍。 GaAs為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，密度為5.307g/cm-3，主要為共價(jià)鍵形式。能帶結(jié)構(gòu)為直接躍遷型，有較高的發(fā)光效率。其禁帶中淺雜質(zhì)電離能小。,一、GaAs體系光電薄膜的量子阱、超晶格結(jié)構(gòu)1. GaAs材料的特性,GaAs單晶的制備主要有：GaAs的合成，As蒸氣壓的控制。圖為水平舟生長法。,（1）半導(dǎo)體超晶格、量子阱的概念 能夠?qū)﹄娮拥倪\(yùn)動(dòng)

5、產(chǎn)生某種約束并使其能量量子化的勢場稱為量子阱。 半導(dǎo)體的超晶格結(jié)構(gòu)與多量子阱結(jié)構(gòu)相似。,2.半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料,（2）半導(dǎo)體超晶格、量子阱的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 量子阱和超晶格能帶結(jié)構(gòu)，特別是能帶在異質(zhì)結(jié)處的形狀，對其量子效應(yīng)起著決定性的作用，而能帶結(jié)構(gòu)又取決組成材料的物理化學(xué)性能以及界面附近的晶體結(jié)構(gòu)。,2. 半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料,（3）半導(dǎo)體超晶格、量子阱的分類 按組成材料的晶格匹配程度可分為：晶格匹配量子阱與超晶格 和 應(yīng)變量子阱與超晶格。 按組成材料的成分來分：固定組分量子阱與超晶格、組分比漸變超晶格與量子阱 和 調(diào)制摻雜的量子阱與超晶格。 一維、二維、三維量子阱與超晶格。 （4）半

6、導(dǎo)體超晶格、量子阱的一般應(yīng)用 超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路； 高電子遷移率晶格管（HEMT），異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT），量子阱激光器、光雙穩(wěn)態(tài)器件（SEED）。,2. 半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料,（1）I類紅外超晶格材料 利用量子遂穿效應(yīng)，形成垂直于層面的電流超晶格材料。 AlGaAs/GaAs,3.超晶格量子阱紅外探測器材料,（1）I類紅外超晶格材料 量子紅外探測器（QWIP）是利用較寬帶材料制作的，并且采用了量子阱結(jié)構(gòu)。,3.超晶格量子阱紅外探測器材料,（1）II類應(yīng)變紅外超晶格材料 由于InAsSb和InSb之間的晶格常數(shù)相關(guān)較大，因些屬于應(yīng)變超晶格結(jié)構(gòu)。,3. 超晶格量子阱紅

7、外探測器材料,InAsSb/InSb,（2）II類應(yīng)變紅外超晶格材料: 用MBE或MOCVD工藝在襯底上生長緩沖層。這種材料應(yīng)用如下特點(diǎn)： 鍵強(qiáng)度好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； 均勻性好； 波長易控制； 有效質(zhì)量大； 隧道電流??；,3.超晶格量子阱紅外探測器材料,（3）III類紅外超晶格材料 以 Hg 為基礎(chǔ)的超晶格材料。交替生長HgTe和CdTe薄層。特點(diǎn)如下：,3.超晶格量子阱紅外探測器材料,禁帶寬度和響應(yīng)截止波長由HgTe層厚度控制； 有效質(zhì)量比較大； p型HgTe-CdTe超晶格有極高的遷移率。,InSb是一種直接躍遷型窄帶寬化合物半導(dǎo)體，具有電子遷移率高和電子有效質(zhì)量小的特點(diǎn)。 它適于制備光伏型、光

8、導(dǎo)型和光磁電型三種工作方式的探測器，各自有不同的特點(diǎn)優(yōu)勢。 提純工藝和單晶制備工藝的發(fā)展，到上個(gè)世紀(jì)中期，用優(yōu)質(zhì)InSb單晶制備單元光電探測器已達(dá)到背景限。 紅外光電技術(shù)的發(fā)展使其經(jīng)歷了從單元向多元、從多元線列向紅外焦平面陣列 IRFPA發(fā)展的過程。 InSb薄膜有同質(zhì)外延與異質(zhì)外延之分，前者已經(jīng)有人用磁控濺射法和MBE法進(jìn)行了生長。,二、InSb光電材料特性,GaN基III-V族氮化物寬帶隙半導(dǎo)體通常是GaN、AlN和InN等材料。禁帶寬度一般在2eV以上。 其結(jié)構(gòu)上具有多型性，上面三種通常都表現(xiàn)為纖鋅礦2H型結(jié)構(gòu)，也可以形成亞穩(wěn)態(tài)的3C結(jié)構(gòu)。氮化物材料的外延生長主要是基于金屬有機(jī)物氣相外延

9、和MBE方法。 GaN是直接帶隙材料，在禁帶寬度以上材料的光吸收系數(shù)增加很快，因此表面效應(yīng)影響較大，設(shè)計(jì)和制造時(shí)要注意。 III-V族氮化物用于紫外光電探測器的另一個(gè)特點(diǎn)是：此材料可以用外延生長方法形成三元合金體系，并改變?nèi)逶氐慕M分比例。,三、GaN光電薄膜特性及其在紫外探測中的應(yīng)用1. III-V族氮化物材料的特性,為了獲得高質(zhì)量的薄膜，需要有一種理想的襯底材料，它應(yīng)該與GaN有著完美的晶格匹配和熱匹配。SiC、MgO和ZnO等是與氮化物匹配性較好的材料。 藍(lán)寶石，具有六角對稱性，容易加工，雖然與GaN之間的晶格失配較大，但適當(dāng)?shù)木彌_層的藍(lán)寶石襯底可以有效地改善薄膜質(zhì)量。 緩沖層有GaN

10、和AlN兩種，外延生長用AlN作為緩沖層可以提高薄膜質(zhì)量。 采用低溫GaN緩沖層生長GaN薄膜同樣可以提高質(zhì)量。,2. III-V族氮化物襯底材料的選擇,對于半導(dǎo)體材料而言，Si材料及相關(guān)工藝技術(shù)已經(jīng)極其成熟，GaAs材料的發(fā)展也已達(dá)到相當(dāng)完善的程度。由于這些材料的禁帶寬度不夠，對其在紫外波段的應(yīng)用帶來了很大的限制。 采用禁較寬的材料可望在較短的波長下獲得較好的響應(yīng)，它的應(yīng)用除了物理、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用外，還在探測火焰、紫外劑量檢測、高密度光儲存系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)讀出、氣體的探測和監(jiān)測得到廣泛應(yīng)用。 它的優(yōu)點(diǎn)：可以充分利用寬禁帶材料自然具有的可見光盲和陽光盲的特性，提高器件的抗干擾能力；利用該材

11、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)境的紫外探測器。,3. GaN材料在紫外光電探測器上的應(yīng)用,5.6 IV-IV族化合物及其它化合物半導(dǎo)體光電材料,SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格是近年來興趣的新型半導(dǎo)體材料，它具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)和重要的應(yīng)用價(jià)值，并且與Si的微電子工藝技術(shù)兼容，是“第二代Si材料”。 （1）晶格常數(shù) Si1-xGex,一、鍺硅合金（SiGe）異質(zhì)結(jié)和超晶格結(jié)構(gòu)1. SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料基本性質(zhì),（2）晶格失配率 Ge與Si的晶格失配率為4.2%，Si1-xGex合金與Si這；之間的晶格失配率為： （3）應(yīng)變與應(yīng)變能 不產(chǎn)生失配位錯(cuò)的應(yīng)變層外延生長稱為“共度生長”或

12、“贗晶生長”。厚度為 t 的應(yīng)變層的彈性能量為： （4）應(yīng)變層臨界厚度 應(yīng)變層厚度應(yīng)有一個(gè)臨界值。,1. SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料基本性質(zhì),GeSi 材料的載流子遷移率高、能帶可測、禁帶寬度易于通過改變組分加以精確調(diào)節(jié)，被稱為“第二代Si微電子技術(shù)” 。 Si和GeSi存在能隙差，可以提高Si/GeSi異質(zhì)結(jié)的高頻性能。 Si/GeSi異質(zhì)結(jié)的禁帶偏移只限于價(jià)帶，不必像III-V族材料那樣為了消除導(dǎo)帶偏移引起的不利影響而不得采取界面組分等特殊措施。 合金材料制備可用多外延方法生長：Si-MBE、CBE和超低壓CVD（UHV/CVD）三種，其中最后一種有較大優(yōu)勢。,2. SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶

13、格材料的特性和制備,用MBE生長工藝在p型Si(100)襯底上生長GexSi1-x層，然后進(jìn)行高濃度摻雜，使能帶達(dá)到簡并狀態(tài)。,3. GexSi1-x/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)光電子發(fā)射長波紅外探測器材料,PtSi是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的1-5微米波段紅外探測器材料。,二、硅基硅化鉑異質(zhì)薄膜,二元金屬硅化物系的相圖中常有多個(gè)平衡相。金屬-Si體系的相圖中，一般會(huì)出現(xiàn)3種以上的硅化物，PtSi最早研究成功的。,1.金屬硅化物形成機(jī)理,針對金屬硅化物的形成機(jī)理已有多種模型提出。填隙模型認(rèn)為金屬原子可以通過填隙形式擴(kuò)散到硅中，使硅的最近原子數(shù)增加，這種增加所引起的電荷交換減弱了硅共價(jià)鍵，使其向金屬鍵轉(zhuǎn)化

14、。,1.金屬硅化物形成機(jī)理,Pt 是過渡金屬，Pt原子通過d-s雜化構(gòu)成晶體，Si 是通過s-p雜化構(gòu)成晶體的。 PtSi的動(dòng)力學(xué)表明，在低于300攝氏度時(shí)，Pt2Si相形成，高于300攝氏度時(shí)，PtSi相生長。 若PtSi厚度為d，則其與擴(kuò)散系數(shù)D、退火時(shí)間t之間的關(guān)系為： 在一級相變中組分變化是不連續(xù)的，即新相的形成必須通過成核才能發(fā)生。不同相的成核勢壘不同。動(dòng)力學(xué)認(rèn)為成核勢壘同激活能給出。,2.PtSi的生長動(dòng)力學(xué),對PtSi形成和生長影響最大的因素是退火溫度和襯底溫度。 PtSi薄膜的熱穩(wěn)定性及必性能與膜厚之間也存在一一定關(guān)系。 人們發(fā)現(xiàn)晶向、晶粒大小、電阻、光譜反射及熱穩(wěn)定性強(qiáng)烈依賴

15、于膜厚，薄膜性能變壞的溫度隨膜厚度增加而增加。 硅基超薄膜的質(zhì)量是影響器件性能的關(guān)鍵因素之一，而Pt金屬膜的沉積和退火工藝對固相反應(yīng)PtSi薄膜的質(zhì)量有顯著影響。 研究單一溫度退火、三步擴(kuò)散爐退火和快速熱退火等方法。,3.Pt/Si退火工藝,PtSi具有正交結(jié)構(gòu)（MnP型），每個(gè)單胞內(nèi)含4個(gè)Pt原子和4個(gè)Si原子，晶格常數(shù)a=0.593nm，b=0.360nm，c=0.560nm. 界面模型如下：,4. PtSi/Si界面研究,HgCdTe II-VI族固溶體為代表的是第四代半導(dǎo)體材料，它的工作頻率已經(jīng)推廣到紅外波段以外。 (Hg1-xCdxTe，MCT）是一種窄帶寬的三元化合物半導(dǎo)體，具有如

16、下特點(diǎn)： （1）禁帶寬度Eg是組分x和溫度T的函數(shù)；,三、HgCdTe紅外探測器材料1.材料的特點(diǎn),（2）是一種本征半導(dǎo)體材料，其光吸收系數(shù)比非本征半導(dǎo)體材料大得多； （3）熱激發(fā)速率??； （4）有較小的電子有效質(zhì)量、很高的電子遷移率、較低的本征載流子濃度和較小的介電常數(shù)； （5）熱膨脹系數(shù)與硅接近。 這種材料的應(yīng)用十分廣泛，人們已研制出了光導(dǎo)型與光伏型探測器。,1. Hg1-xCdxTe材料的特點(diǎn),40多年來，MCT晶體一直是最受重視的紅外探測器材料。其薄膜材料制備采用了MBE和MOCVD技術(shù)。HgCdTe單晶的制備是比較困難的：,2.Hg1-xCdxTe材料的制備,（1）HgTe-CdTe

17、贗二元系的相圖中液相線與固相線之間有顯著的差別； （2）熔體化學(xué)計(jì)量配比的偏離容易引起Te組元過剩； （3）汞蒸氣壓工藝控制困難； （4）晶體中Hg-Te的鍵合力弱； （5）晶體的徑向組分均勻性明顯依賴于固液界面的形狀。,（1）HgCdTe異質(zhì)結(jié)材料 （2）HgCdTe雙色與多色紅外探測器材料 （3）以硅為襯底的HgCdTe薄膜材料,3. HgCdTe紅外焦平面探測器薄膜材料,（1）CdTe晶體材料 主要的晶體生長工藝有：布里奇曼法、高壓釜布里奇曼工藝和改進(jìn)的控制蒸發(fā)技術(shù)。 （2）CZT晶體材料 用CZT材料作襯底外延MCT薄膜的優(yōu)點(diǎn)是：“零失配”，利于優(yōu)質(zhì)薄膜的生長；它位錯(cuò)密度比CdTe晶體

18、低一個(gè)數(shù)量級；襯底制備工藝要容易。 （3）CdTe和CZT薄膜材料 隨著MCT FPA技術(shù)的發(fā)展，對MCT薄膜材料提出了大面積、組分均勻的要求，而作為襯底的材料，獲得大面積單晶襯底相當(dāng)困難。因此，人們利用先進(jìn)的MBE技術(shù)，在大直徑的CdTe、CZT基片上，生長了薄膜材料。,4. HgCdTe薄膜外延襯底材料,5.7 非制冷型紅外探測器材料,由單晶小薄片的熱電晶體所制成。具有自發(fā)極化特性，它在自然條件下，內(nèi)部某些分子的正負(fù)電荷重心不重合，形成一個(gè)固有偶極矩，在垂直于極軸的兩個(gè)端面上出現(xiàn)大小相等、符號相反的面束縛電荷。 當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體中離子間的距離和鍵角發(fā)生變化，從而使偶極矩極化強(qiáng)度及面束縛電荷發(fā)生變化，結(jié)果造成過剩電荷，在垂直極軸的兩個(gè)端面出現(xiàn)微小電壓，當(dāng)用導(dǎo)線連接時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱電流。,一、熱釋電紅外探測器材料1.熱釋電紅外探測器的工作原理,（1）響應(yīng)率RV 定義：,2.性能參數(shù)分析,可見，當(dāng)入射輻射的調(diào)制頻率為零時(shí)，響應(yīng)率也為零，這說明熱釋電探測器是一種交流器件。,（2）噪聲、噪聲等效功率和探測率 噪聲主要包括溫度噪聲、熱噪聲和放大器噪聲。 探測率為：,2.性能參數(shù)分析,非制冷型VO2熱敏電阻焦平面探測器材料: 電阻靈敏度的溫度系數(shù)： 對于半導(dǎo)體材料：,二、測微輻射熱計(jì)紅外探測器材料1. 工作原理,通常是以電橋電路形式工作的。 熱敏電阻測輻射熱計(jì)的信號公式：,