第八章半導(dǎo)體材料

1、第八章第八章 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料趙飛趙飛主要內(nèi)容主要內(nèi)容 8.1 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程 8.2 半導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體材料分類 8.3 硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺半導(dǎo)體材料 8.4 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料 砷化鎵、碲鎘汞、半導(dǎo)體陶瓷砷化鎵、碲鎘汞、半導(dǎo)體陶瓷8.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程 半導(dǎo)體材料的發(fā)展與器件緊密相關(guān)與器件緊密相關(guān)?？梢哉f，電子工業(yè)的發(fā)展電子工業(yè)的發(fā)展和半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件對(duì)材料的需求是促進(jìn)半導(dǎo)體材料研究和開拓的強(qiáng)大動(dòng)力;而材料質(zhì)量的提高和新型半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，又優(yōu)化了半導(dǎo)體器件性能，產(chǎn)生新的器件，兩者相互影響，相互促進(jìn)。 1941年用多晶硅多晶硅材料制

2、成檢波器，是半導(dǎo)體材料應(yīng)用的開始； 1950年用切克勞斯基法成功地拉出了鍺單晶鍺單晶，并用它制成了世界第一個(gè)具有放大性能的鍺晶體三極管(點(diǎn)接觸三極管)； 1951年用四氯化硅鋅還原法制出了多晶硅多晶硅; 1952年用直拉法成功地拉出世界上第一根硅單硅單晶晶;同年制出了硅結(jié)型晶體管，從而大大推進(jìn)了半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用和半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展。8.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程 60年代初年代初,出現(xiàn)了出現(xiàn)了硅單晶薄層外延技術(shù)硅單晶薄層外延技術(shù)，特，特別是別是硅平面工藝和平面晶體管硅平面工藝和平面晶體管的出現(xiàn)，以及的出現(xiàn)，以及相繼出現(xiàn)的相繼出現(xiàn)的硅集成電路硅集成電路，對(duì)半導(dǎo)體材料質(zhì)量，對(duì)半導(dǎo)體材料質(zhì)量提出了

3、更高的要求，促使硅材料在提純、拉提出了更高的要求，促使硅材料在提純、拉晶、區(qū)熔等晶、區(qū)熔等單晶制備單晶制備方法方面進(jìn)一步改進(jìn)和方法方面進(jìn)一步改進(jìn)和提高，開始向提高，開始向高純度、高完整性、高均勻性高純度、高完整性、高均勻性和大直徑方向和大直徑方向發(fā)展。發(fā)展。8.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程 與鍺、硅材料發(fā)展并行，化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料的研制也早在50年代初就開始了。 1952年人們發(fā)現(xiàn)A-A族化合物是一種與鍺、硅性質(zhì)類似的半導(dǎo)體材料，其中砷化鎵砷化鎵 ( GaAs )具有許多優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)。 其他化合物半導(dǎo)體材料如A-A族化合物、三元和多元化合物等也先后制備成功。8.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷

4、程 70年代以來，電子技術(shù)以前所未有的速度突飛猛進(jìn)，尤其是微電子技術(shù)的興起，使人類從工業(yè)社會(huì)進(jìn)入信息社會(huì)。 微電子技術(shù)微電子技術(shù)是電子器件與設(shè)備微型化的技術(shù)，一般是指是電子器件與設(shè)備微型化的技術(shù)，一般是指半導(dǎo)半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)體技術(shù)和集成電路技術(shù)。它集中反映出現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，從而出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。 這樣就促使對(duì)半導(dǎo)體材料提出了愈來愈高的要求，使半導(dǎo)體材料的主攻目標(biāo)更明顯地朝著高純度、高均勻性、高完整性、高純度、高均勻性、高完整性、大尺寸方向大尺寸方向發(fā)展。 8.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程 此外，利用多種化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積技術(shù)

5、，可制造一系列薄膜晶體薄膜晶體，其中分子束外延技術(shù)分子束外延技術(shù)可以人為地改變晶體結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)、超晶格、量子阱的出現(xiàn)，改變了人們?cè)O(shè)計(jì)電子器件的思想，半導(dǎo)體材料的發(fā)展，有著光明的前景。8.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程8.2 半導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體材料分類 （1）元素半導(dǎo)體）元素半導(dǎo)體 元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于A族-A族的金屬與非金屬的交界金屬與非金屬的交界處，如Ge , Si , Se(硒) ,Te（碲）等。 （2）化合物半導(dǎo)體）化合物半導(dǎo)體 二元化合物半導(dǎo)體二元化合物半導(dǎo)體 (1) A族和VA族元素組成的A-VA族化合物半導(dǎo)體。 即Al , Ga, In和P, As , Sb（銻）組成的9種A-VA

6、族化合物半導(dǎo)體。 (2) IIB族和A族元素組成的IIB族-A族化合物半導(dǎo)體，即Zn,Cd,Hg與 S, Se,Te組成的12種IIB族-A族化合物半導(dǎo)體，如CdS, CdTe, CdSe等。 A (B/Al/Ga/In/Tl ) A( O/S/Se/Te ) VA_ (N/P/As/ Sb/Bi) IIB (Zn/Cd/Hg )8.2 半導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體材料分類 （2）化合物半導(dǎo)體）化合物半導(dǎo)體 (3) A族元素之間組成的A-A族化合物半導(dǎo)體，如SiC等。 (4) A和A族元素組成的A-A族化合物半導(dǎo)體， 如GeS, GeSe, SnTe , PbS , PbTe等共9種。 (5) VA族

7、和VIA族元素組成的VA族-VIA族化合物半導(dǎo)體， 如AsSe3 , AsTe3 , AsS3 , SbS3等。 A (B/Al/Ga/In/Tl ) A( O/S/Se/Te ) VA_ (N/P/As/ Sb/Bi) IIB (Zn/Cd/Hg ) A(C/Si/Ge/Sn/Pb )多元化合物半導(dǎo)體多元化合物半導(dǎo)體(1)B-A-(VIA)2組成的多元化合物半導(dǎo)體， 如AgGeTe2等。(2) B-A-VIA組成的多元化合物半導(dǎo)體，如AgAsSe2等。(3) (B)2 -II B-IVA-( VIA )4組成的多元化合物半導(dǎo)體，如Cu2CdSnTe4等。 A (B/Al/Ga/In/Tl )

8、 A( O/S/Se/Te ) VA_ (N/P/As/ Sb/Bi) IIB (Zn/Cd/Hg ) A(C/Si/Ge/Sn/Pb) B ( Cu/Ag/Au )8.2 半導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體材料分類 （3）固溶體半導(dǎo)體）固溶體半導(dǎo)體固溶體是由二個(gè)或多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶固溶體是由二個(gè)或多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合而成。合而成。又有二元系和三元系之分，如IVA-IVA組成的Ge-Si固溶體; A-A組成的Bi(鉍)-Sb(銻)固溶體。 由三種組元互溶的固溶體有:(A-A)-(A-A)組成的三元化合物固溶體，如GaAs-GaP組成的鎵砷磷砷磷(GaAs1-xPx)固溶體(B

9、-A)-(B-A)組成的，如HgTe-CdTe兩個(gè)二元化合物組成的連續(xù)固溶體碲鎘汞連續(xù)固溶體碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)等。8.2 半導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體材料分類 8.3 硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺半導(dǎo)體材料 1、硅和鍺性質(zhì)、硅和鍺性質(zhì)物理性質(zhì)：物理性質(zhì)：硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。兩者相比，鍺的金屬性更顯著。鍺的室溫本征電阻率約為50.cm，而硅的約為2.3 x 105.cm，硅在切割時(shí)易碎裂?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：化學(xué)穩(wěn)定性：硅和鍺在常溫下化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，但升高溫度時(shí)，很容易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以在自然界沒有游離狀態(tài)的硅和鍺存在。酸穩(wěn)定性：酸穩(wěn)定性： 鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，

10、但能溶于熱的濃硫酸、濃硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。 硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF - HNO3混合酸所溶解，因而半導(dǎo)體工業(yè)中常用此混合酸作為硅的腐蝕液。硅比鍺易與堿起反應(yīng)。硅與金屬作用能生成多種硅化物硅與金屬作用能生成多種硅化物，這些硅化物具有導(dǎo)電性良好、耐高溫、抗電遷移等特性，可以用于制備大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路內(nèi)部的引線、電阻等。鍺和硅都具有金剛石結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵為共價(jià)鍵。鍺的室溫電子遷移率為3800cm2/v.s,硅為1800cm2/v.s, 鍺的禁帶寬度為0.66eV，硅的禁帶寬度為1.12ev. 雜質(zhì)雜質(zhì)對(duì)鍺、硅電學(xué)性質(zhì)的影響與雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置密切相關(guān)。 在鍺、

11、硅中的雜質(zhì)可分為兩類:一類是一類是A族或族或A族元素族元素，它們?cè)阪N、硅中只有一個(gè)能級(jí)，且電離能小，一個(gè)雜質(zhì)原子只起一個(gè)受主或施主作用，A族雜質(zhì)起受主作用使材料呈族雜質(zhì)起受主作用使材料呈P型導(dǎo)電，型導(dǎo)電，A族雜質(zhì)施主作用，使材料呈族雜質(zhì)施主作用，使材料呈n型導(dǎo)電。型導(dǎo)電。另一類是除另一類是除AA族以外的雜質(zhì)。族以外的雜質(zhì)。 A (B/Al/Ga/In/Tl ) VA_ (N/P/As/ Sb/Bi)8.3硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺半導(dǎo)體材料 2. 硅和鍺晶體的制備硅和鍺晶體的制備 生長(zhǎng)鍺、硅單晶的方法很多，目前鍺鍺主要用直拉法直拉法，硅硅除了直拉法之外還用懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法。直拉法：直拉法：又稱

12、( Czochralski)法，簡(jiǎn)稱CZ法。它是生長(zhǎng)元素和 A- V A族化合物半導(dǎo)體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩堝內(nèi)，引入籽晶在盛有熔硅或鍺的坩堝內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：由直拉法生長(zhǎng)的單晶，由于坩堝與材料反應(yīng)和電阻加熱爐氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大雜質(zhì)含量較大，生長(zhǎng)高純單晶困難。區(qū)熔法：區(qū)熔法： 工業(yè)上將區(qū)域提純與晶體生長(zhǎng)結(jié)合起來，可制取高純單晶，這就是區(qū)熔法。區(qū)熔法。在高純石墨舟前端放上籽晶，后面放上原

13、料錠。建立熔區(qū)，將在高純石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料錠。建立熔區(qū)，將原料錠與籽晶一端熔合后，移動(dòng)熔區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長(zhǎng)。原料錠與籽晶一端熔合后，移動(dòng)熔區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長(zhǎng)。8.3 硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺半導(dǎo)體材料 3、硅和鍺的主要用途、硅和鍺的主要用途 目前科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體材料種類很多，并且正在不斷開拓他們的應(yīng)用領(lǐng)域，但在目前的電子工業(yè)中使用的半導(dǎo)體材料主要還是硅硅，它是制造大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料。8.3硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺半導(dǎo)體材料 小容量整流器小容量整流器取代真空管和硒整流器，用于收音機(jī)、電視機(jī)、通訊設(shè)備及各種電子儀表的直流供電裝置?？煽毓枋谴笕萘空髌骺煽?/p>

14、硅是大容量整流器，具有工作效率高、工作溫度高、反向電壓高等優(yōu)點(diǎn)。晶體二極管晶體二極管既能檢波又能整流。晶體三極管晶體三極管具有對(duì)信號(hào)起放大和開關(guān)作用，在各種無線電裝置中作為放大器和振蕩放大器和振蕩器器。晶體管較真空管具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐振、耐沖擊、啟動(dòng)快、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。將成千上萬個(gè)分立的晶體管、電阻、電容等元件、采用掩蔽、光刻、擴(kuò)散等工藝，把它們“雕刻”在一個(gè)或幾個(gè)尺寸很小的晶片上集結(jié)成完整的電路，為各種計(jì)測(cè)儀器、通信遙控、遙測(cè)等設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和超小型化開辟了廣闊前景。集成電集成電路路的出現(xiàn)是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)飛躍。利用超純硅對(duì)1-7 m紅外光透過率高達(dá)90%

15、-95%這一特性，制作紅外聚焦透鏡紅外聚焦透鏡，用以對(duì)紅外輻射目標(biāo)進(jìn)行夜視跟蹤、照相等。8.3 硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺半導(dǎo)體材料 晶體二極管晶體二極管為一個(gè)由為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài) 二極管的主要特性是單向?qū)щ娦裕簿褪窃谡螂妷旱淖饔孟?，?dǎo)通電阻很??；而在反向電壓作用下導(dǎo)通電阻極大或無窮大。 正因?yàn)槎O管具有上述特性，無繩電話機(jī)中常把它用在整流、隔離、穩(wěn)壓、極性保護(hù)、編碼控制、調(diào)頻調(diào)制和靜噪

16、等電路中。 晶體三極管晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。 三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，三極管的電路符號(hào)有兩種：有一個(gè)箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭朝外的是NPN型三極管，而箭頭朝內(nèi)的是PNP型。實(shí)際上箭頭所指的方向是電流的方向。從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。三極管具有三個(gè)電極。二極管是由一個(gè)三極管具有三個(gè)電極。二極管是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的，而三結(jié)構(gòu)成的，

17、而三極管由兩個(gè)極管由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，共用的一個(gè)電極成為三極管的結(jié)構(gòu)成，共用的一個(gè)電極成為三極管的基極基極（用字母（用字母b表示）。表示）。其他的兩個(gè)電極成為其他的兩個(gè)電極成為集電極（用字母集電極（用字母c表示）和發(fā)射極（用字母表示）和發(fā)射極（用字母e表示）。表示）。由于不同的組合方式，由于不同的組合方式，形成了一種是形成了一種是NPN型型的三極管，另一種是的三極管，另一種是PNP型型的三極管。的三極管。由兩種或兩種以上元素由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比以確定的原子配比形成的化合物并形成的化合物并具有確定的禁帶寬度和具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)等等半導(dǎo)體性質(zhì)半導(dǎo)體性質(zhì)的化合物稱為的

18、化合物稱為化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料。砷化鎵砷化鎵（GaAs）作為半導(dǎo)體家族的一個(gè)新秀，已迅速成長(zhǎng)為僅次于硅的重要的半導(dǎo)體電子材料。砷化鎵在當(dāng)代光電子產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。砷化鎵材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具備誘人的優(yōu)良特性。用砷化鎵制成的晶體管的開關(guān)晶體管的開關(guān)速度比硅晶體管快速度比硅晶體管快14倍，倍，用這樣的晶體管可以制造出速度更快、功能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)。以砷化鎵為代表的-族半導(dǎo)體的最大特點(diǎn)是其光電特性光電特性，即在光照或外加電場(chǎng)光照或外加電場(chǎng)的情況下，電子激發(fā)釋放出光能的情況下，電子激發(fā)釋放出光能。它的光發(fā)射效率比其他半導(dǎo)體材料高，用它不僅可以制作發(fā)光二極管發(fā)光二極管、光探測(cè)器，而且還能制備

19、半導(dǎo)體激光器，廣泛應(yīng)用于光通信、光計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)，開發(fā)前景令人鼓舞。 8.4 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-砷化鎵砷化鎵砷化鎵性質(zhì)砷化鎵性質(zhì)砷化鎵的晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦型閃鋅礦型，每個(gè)原子和周圍最近鄰的四個(gè)其它原子發(fā)生鍵合。砷化鎵的化學(xué)鍵和能帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺不同，其禁帶寬度比硅、鍺都大禁帶寬度比硅、鍺都大。砷化鎵具有雙能谷導(dǎo)帶雙能谷導(dǎo)帶，在外電場(chǎng)下電子在能谷中躍遷，遷移率變化，電子轉(zhuǎn)移后電流隨電場(chǎng)增大而減小，產(chǎn)生“負(fù)阻效應(yīng)”。砷化鎵的介電常數(shù)和電子有效質(zhì)量均小，電子遷移率高，是一種特性比較全面兼有多方面優(yōu)點(diǎn)的材料。 砷化鎵材料的制備砷化鎵材料的制備 砷化鎵材料的制備主要有從熔體中生長(zhǎng)體單晶和外

20、延生長(zhǎng)薄層單晶從熔體中生長(zhǎng)體單晶和外延生長(zhǎng)薄層單晶等方法。 砷化鎵單晶的制備砷化鎵單晶的制備主要采用兩種方法。一種一種是在石英管密封系統(tǒng)中裝有砷源，通過調(diào)節(jié)砷源溫度來控制系統(tǒng)中的砷壓。這種方法包括水平舟區(qū)熔法、定向結(jié)晶法、溫度梯度法、磁拉法和水平舟區(qū)熔法、定向結(jié)晶法、溫度梯度法、磁拉法和浮區(qū)熔煉法浮區(qū)熔煉法等。另一種另一種是將熔體用某種液體覆蓋，并在壓力大于砷化鎵離解壓的氣氛中合成拉晶，稱為液體封閉直拉法液體封閉直拉法。目前國(guó)內(nèi)外在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用水平區(qū)熔法和液封直拉法水平區(qū)熔法和液封直拉法制備砷化鎵體單晶。8.4 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-砷化鎵砷化鎵 砷化鎵膜材料主要通過外延技術(shù)

21、外延技術(shù)制備。主要外延方法有氣相外延、液相外延和氣束外延氣相外延、液相外延和氣束外延。 砷化鎵外延工藝具有生長(zhǎng)溫度低、原料能得到有效生長(zhǎng)溫度低、原料能得到有效提純、雜質(zhì)污染少、可控?fù)诫s提純、雜質(zhì)污染少、可控?fù)诫s等特點(diǎn)，可以得到任意厚度、完整性好和均勻性好的外延片。8.4 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-砷化鎵砷化鎵n晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)：在適當(dāng)?shù)囊r底：在適當(dāng)?shù)囊r底(一般是一般是單晶單晶片片)上，在合上，在合 適的條適的條件下沿襯底的件下沿襯底的結(jié)晶結(jié)晶軸方向軸方向生長(zhǎng)生長(zhǎng)一層晶格一層晶格結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)完整完整 的的單晶薄層單晶薄層的方法。的方法。n由于由于外延外延薄膜薄膜技術(shù)技術(shù)在在半

22、導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件、 集成光學(xué)集成光學(xué)、紅外技術(shù)紅外技術(shù)和和激光技術(shù)激光技術(shù)等方面的廣泛應(yīng)用，晶等方面的廣泛應(yīng)用，晶 體體外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng)技術(shù)技術(shù)發(fā)展發(fā)展很快。很快。n 根據(jù)根據(jù)襯底材料與外延層在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的區(qū)別襯底材料與外延層在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的區(qū)別，外，外 延生長(zhǎng)可分為延生長(zhǎng)可分為同同質(zhì)外延和質(zhì)外延和異質(zhì)外延異質(zhì)外延。n同質(zhì)外延是襯底材料與同質(zhì)外延是襯底材料與 外延層為同一種材料，外延層為同一種材料，異質(zhì)外延異質(zhì)外延則是不同的則是不同的材料。材料。n晶體晶體外延外延 生長(zhǎng)的工藝生長(zhǎng)的工藝種類種類很多，常用的有很多，常用的有氣相外延氣相外延法、法、分子束分子束外外 延延法和法和液相外延液相外延

23、法。法。 氣相外延法氣相外延法利用利用化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積方法在單晶襯底上方法在單晶襯底上 生長(zhǎng)單晶薄膜的生長(zhǎng)單晶薄膜的方法。方法。 液相外延法液相外延法在生長(zhǎng)過程中，首先將在生長(zhǎng)過程中，首先將溶質(zhì)溶質(zhì)溶解在溶溶解在溶 劑中形成均勻的劑中形成均勻的溶液溶液，然后將溶液緩慢地冷卻以達(dá)到飽，然后將溶液緩慢地冷卻以達(dá)到飽 和點(diǎn)，此時(shí)在和點(diǎn)，此時(shí)在浸入浸入溶液的溶液的襯底上即有固相析出并形成薄襯底上即有固相析出并形成薄 膜。膜。 分子束外延分子束外延法對(duì)普通的法對(duì)普通的真空真空沉積技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和沉積技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和 提高而形成的一提高而形成的一種薄膜制備技術(shù)。其生長(zhǎng)過程如下種薄膜制備技術(shù)。其生長(zhǎng)過程

24、如下:在在 超真空條件下超真空條件下，構(gòu)成外延層，構(gòu)成外延層的組分同時(shí)的組分同時(shí)從不同的原料源從不同的原料源 直接直接蒸發(fā)蒸發(fā)沉積到襯底表面上形成薄膜。沉積到襯底表面上形成薄膜。 與液相外延和氣與液相外延和氣 相外延生長(zhǎng)相外延生長(zhǎng)相比相比，分子束外延所用溫度低得多，分子束外延所用溫度低得多，這在生這在生 長(zhǎng)一些具有特殊性能的外延層時(shí)尤其有利。長(zhǎng)一些具有特殊性能的外延層時(shí)尤其有利。 砷化鎵的主要用途砷化鎵的主要用途 由砷化鎵制備的發(fā)光二極管發(fā)光二極管具有發(fā)光效率高、低電壓、小電流、低功耗、高速響應(yīng)和高亮度等特性，易與晶體管和集成電路相匹配，用作固體顯示器、訊號(hào)顯示、文字?jǐn)?shù)字顯示等器件。 砷化鎵隧

25、道二極管隧道二極管具有高遷移率和短壽命等特性，用于計(jì)算機(jī)開關(guān)時(shí)，速度快、時(shí)間短。 砷化鎵是制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管最合適的材料，振蕩頻率目前已達(dá)數(shù)百千兆赫以上，主要用于微波及毫米波放大、振蕩、調(diào)制和高速邏輯電路等方面。8.4 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-砷化鎵砷化鎵 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED，是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能 。 由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。 磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。隧道二

26、極管隧道二極管隧道效應(yīng)是隧道效應(yīng)是1958年日本年日本江崎玲於奈江崎玲於奈在研究在研究重?fù)诫s鍺重?fù)诫s鍺PN結(jié)結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，故時(shí)發(fā)現(xiàn)的，故隧道二極管又稱隧道二極管又稱江崎二極管江崎二極管。這一發(fā)現(xiàn)揭示了。這一發(fā)現(xiàn)揭示了固體中電子隧道效應(yīng)固體中電子隧道效應(yīng)的物的物理原理，江崎為此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。理原理，江崎為此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。 隧道二極管通常是隧道二極管通常是在重?fù)诫s在重?fù)诫s N型（或型（或 P型）的半導(dǎo)體片上用型）的半導(dǎo)體片上用快速合金工藝形成高摻雜的快速合金工藝形成高摻雜的PN結(jié)結(jié)而制成的；其摻雜濃度必而制成的；其摻雜濃度必須須使使PN結(jié)能帶圖中費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入結(jié)能帶圖中費(fèi)米能級(jí)

27、進(jìn)入N型區(qū)的導(dǎo)帶和型區(qū)的導(dǎo)帶和P型區(qū)的價(jià)型區(qū)的價(jià)帶；帶；PN結(jié)的厚度還必須足夠?。ńY(jié)的厚度還必須足夠?。?50埃左右），埃左右），使使電子能夠電子能夠直接從直接從N型層穿透型層穿透PN結(jié)勢(shì)壘進(jìn)入結(jié)勢(shì)壘進(jìn)入P型層型層。這樣的結(jié)又稱隧道。這樣的結(jié)又稱隧道結(jié)。結(jié)。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管.由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管也稱為單極型晶體管.它屬于它屬于電壓控制型半導(dǎo)體電壓控制型半導(dǎo)體器件器件. 特點(diǎn)特點(diǎn):具有輸入電阻高（具有輸入電阻高（108109）

28、、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者.作用作用:場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大放大.由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合因此耦合電容可以容量較小電容可以容量較小,不必使用電解電容器不必使用電解電容器.場(chǎng)效應(yīng)管可以用作場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)電子開關(guān). 場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換.常用于多級(jí)

29、放大器常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換的輸入級(jí)作阻抗變換.場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻.場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源用作恒流源. 碲鎘汞碲鎘汞是由碲、鎘和汞三元素構(gòu)成的一種化合物材料。是由碲、鎘和汞三元素構(gòu)成的一種化合物材料。 它們分屬于它們分屬于B族和族和A族元素。族元素。 該材料的物理性質(zhì)隨組分該材料的物理性質(zhì)隨組分x的變化可連續(xù)地的變化可連續(xù)地從金屬性變到半從金屬性變到半導(dǎo)體導(dǎo)體，即隨著，即隨著x的增大，其的增大，其禁帶寬度從禁帶寬度從HgTe的負(fù)值過渡到的負(fù)值過渡到CdTe的正值。的正值。 Hg1-xCdx Te晶體材料通過晶體材料通過HgTe和

30、和CdTe所含的克分子比，所含的克分子比，可隨意改變材料的能隙寬度可隨意改變材料的能隙寬度。 8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-碲鎘汞材料碲鎘汞材料 用途：用途：可制成高速響應(yīng)器件，滿足高頻調(diào)制、外差可制成高速響應(yīng)器件，滿足高頻調(diào)制、外差探測(cè)和光通迅要求。探測(cè)和光通迅要求。另外，Hg1-xCdx Te的固有氧化表面態(tài)密度低于109，適于制作金屬金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體半導(dǎo)體(MIS)或金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)型的器件。 HgCdTe是繼硅、砷化鎵等材料之后的是繼硅、砷化鎵等材料之后的第三代應(yīng)用第三代應(yīng)用最廣泛的電子材料。最廣泛的電子材料。8.4化合物半導(dǎo)體材料

31、化合物半導(dǎo)體材料-碲鎘汞材料碲鎘汞材料磷化銦磷化銦(InP)是由是由A族元素銦（族元素銦（In）和）和A族元素磷（族元素磷（P）化合而成的一）化合而成的一種種-A族化合物半導(dǎo)體。族化合物半導(dǎo)體。晶體呈深灰色晶體呈深灰色,分子量分子量145.8。它具有閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)。它具有閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)5.869A，常溫下禁帶寬度，常溫下禁帶寬度1.35eV，直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)射波長(zhǎng)，直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)射波長(zhǎng)0.92m。主要用來制造主要用來制造微波振蕩器、發(fā)光和激光器件微波振蕩器、發(fā)光和激光器件。InP材料具有材料具有電子遷移率電子遷移率高、禁帶寬度大高、禁帶寬度大、能帶結(jié)構(gòu)是直

32、接躍遷和呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)等硅、鍺材料不、能帶結(jié)構(gòu)是直接躍遷和呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)等硅、鍺材料不具備的特性；同時(shí)具備的特性；同時(shí), InP的高電場(chǎng)電子漂移速度比砷化鎵高的高電場(chǎng)電子漂移速度比砷化鎵高,適合制造高速適合制造高速高頻器件。高頻器件。 8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-磷化銦材料磷化銦材料8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 半導(dǎo)體陶瓷是指導(dǎo)電性能介于半導(dǎo)體陶瓷是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷和和絕緣介質(zhì)陶瓷絕緣介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，其之間的一類材料，其電阻率介于電阻率介于10-4-10-7之間。之間。 一般是由一種或數(shù)種金屬氧化物，采用陶瓷制備工藝制一般是由一種或

33、數(shù)種金屬氧化物，采用陶瓷制備工藝制成的多晶半導(dǎo)體材料。成的多晶半導(dǎo)體材料。 這種半導(dǎo)體的特性與通常單晶這種半導(dǎo)體的特性與通常單晶(如硅、鍺如硅、鍺)半導(dǎo)體相比有半導(dǎo)體相比有很大差別，因而研究方法及理論也不盡相同。很大差別，因而研究方法及理論也不盡相同。 主要有以下幾點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn): (1) 半導(dǎo)體陶瓷的半導(dǎo)體陶瓷的化學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜化學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜，易產(chǎn)生化學(xué)，易產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比的偏計(jì)量比的偏移移，在晶格中形成固有點(diǎn)，在晶格中形成固有點(diǎn)缺陷缺陷，這種點(diǎn)缺陷濃度不僅與溫度及，這種點(diǎn)缺陷濃度不僅與溫度及環(huán)境氧分壓有關(guān)，而且與外來環(huán)境氧分壓有關(guān)，而且與外來雜質(zhì)雜質(zhì)濃度緊密相連濃度緊密相連; (2) 構(gòu)

34、成半導(dǎo)體陶瓷的氧化物分子多數(shù)是構(gòu)成半導(dǎo)體陶瓷的氧化物分子多數(shù)是離子鍵離子鍵，這類材料中，這類材料中載流子的遷移機(jī)理載流子的遷移機(jī)理較鍺、硅等半導(dǎo)體更為較鍺、硅等半導(dǎo)體更為復(fù)雜復(fù)雜; (3) 半導(dǎo)體陶瓷材料是半導(dǎo)體陶瓷材料是多晶材料多晶材料，存在，存在晶界晶界是其重要特征。由是其重要特征。由于晶界的化學(xué)、物理特性十分復(fù)雜，許多物理效應(yīng)都是晶界引于晶界的化學(xué)、物理特性十分復(fù)雜，許多物理效應(yīng)都是晶界引起。起?；衔锇雽?dǎo)體與單晶半導(dǎo)體比較：化合物半導(dǎo)體與單晶半導(dǎo)體比較： 1、 PTC半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 PTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷熱敏半導(dǎo)體陶瓷，是指一類具有正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)的半導(dǎo)體陶瓷材料。 典型的PT

35、C半導(dǎo)體陶瓷材料系列有BaTiO3或以或以BaTiO3為基為基的的(Ba, Sr, Pb)TiO3固溶半導(dǎo)體陶瓷材料，氧化釩等材料及以固溶半導(dǎo)體陶瓷材料，氧化釩等材料及以氧化鎳為基的多元半導(dǎo)體陶瓷材料等。氧化鎳為基的多元半導(dǎo)體陶瓷材料等。 以BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷最具代表性，也是當(dāng)前研究得最成熟，最成熟，實(shí)用范圍最寬實(shí)用范圍最寬的PTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料。 BaTiO3 陶瓷是一種典型的鐵電材料，常溫電阻率大于1012 ，相對(duì)介電系數(shù)高于104。 1955年，海曼等人發(fā)現(xiàn)在純凈的BaTiO3陶瓷中引入微量的稀土元素，其常溫電阻率可下降到10-2 104 。 與此同時(shí)，若溫度超過材料的

36、居里溫度，則電阻率在幾十度的溫度范圍內(nèi)能增大3-10個(gè)數(shù)量級(jí)，即產(chǎn)生PTC效應(yīng)效應(yīng)( T提高，提高，R增大增大)，PTC是positive temperature coefficient 的縮寫。 圖8-10為PTC陶瓷的電阻率隨溫度的變化關(guān)系，若溫度繼續(xù)升高，電阻率又逐漸降低。 BaTiO3(ABO3)晶格為典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，鋇離子處在A位，鈦離子處在B位。在純凈的BaTiO3材料中引入微量稀土元素引入微量稀土元素作為施主雜質(zhì)可使材料半導(dǎo)化。 施主雜質(zhì)取代方式大致有三種， 一是一是A位取代位取代，即與Ba2+半徑相近，化合價(jià)高于2價(jià)的元素取代; 二是二是B位取代位取代，即與Ti4+

37、半徑相當(dāng)，化合價(jià)高于4價(jià)的元素取代Ti4+; 三是雙位取代三是雙位取代，即加入多種離子，同時(shí)取代Ba2+和Ti4 +。無論采用哪種取代方式，雜質(zhì)的總引入量一般都應(yīng)控制在0.5%mol內(nèi)。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 不摻雜BaTiO3陶瓷在還原氣氛中燒結(jié)，也可獲得常溫電阻率很低的半導(dǎo)體陶瓷材料，但這種半導(dǎo)體陶瓷不具有PTC效應(yīng)。 即使施主摻雜BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷，其PTC效應(yīng)也與燒成氣氛效應(yīng)也與燒成氣氛有明顯的依賴關(guān)系，有明顯的依賴關(guān)系， 只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于900的氧化氣氛中熱處理，樣品才呈現(xiàn)PTC效應(yīng)， 在還原氣氛中燒成，則沒有PTC效應(yīng)。8.4化

38、合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 實(shí)驗(yàn)表明，PTC效應(yīng)主要在降溫過程降溫過程中形成。高溫?zé)傻臉悠?，直接淬火至室溫，不呈現(xiàn)PTC效應(yīng);降溫速率越慢，降溫速率越慢，PTC效應(yīng)越大。效應(yīng)越大。 BaTiO3單晶半導(dǎo)體不呈現(xiàn)PTC效應(yīng)，而把單晶半導(dǎo)體粉碎后燒成陶瓷，則呈現(xiàn)很大的PTC效應(yīng)，因而證明PTC效應(yīng)來源效應(yīng)來源于多晶半導(dǎo)體晶界。于多晶半導(dǎo)體晶界。 BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷材料中引入微量微量Mn, Cr, Fe等作受主雜質(zhì)，可明顯提高PTC效應(yīng);但引人Na, Cu , Al等作受主雜質(zhì)，卻只能提高室溫電阻率，而不能提高件PTC效應(yīng)。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)

39、體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 PTC材料所具有的獨(dú)特電阻率隨溫度的變化關(guān)系，使其應(yīng)用十分廣泛。目前主要用于溫度自控，過電流和過熱保護(hù)、彩溫度自控，過電流和過熱保護(hù)、彩電消磁、馬達(dá)啟動(dòng)、液面深度探測(cè)電消磁、馬達(dá)啟動(dòng)、液面深度探測(cè)等方面。 8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 2、NTC半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù) ( NTC , Negative Temperature Coefficient )熱敏半導(dǎo)體陶瓷是研究最早、生產(chǎn)最成熟、應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體陶瓷之一。 這類熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料大都是用錳、鈷、鎳、鐵等過渡金屬錳、鈷、鎳、鐵等過渡金屬氧化物氧化物按一定比例混合，采用

40、陶瓷工藝制備而成，溫度系數(shù)通常在-1%6%左右。 按使用溫區(qū)可分為低溫(-60300)、中溫(300600)及高溫(大于600)三種類型。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 NTC半導(dǎo)體陶瓷一般為尖晶石結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu)，其通式為AB2O4，式中A一般為二價(jià)正離子，B為三價(jià)正離子,O為氧離子。 實(shí)際上尖晶石結(jié)構(gòu)的單位晶胞中共有8個(gè)A離子，16個(gè)B離子和32個(gè)氧離子。由于氧離子的半徑較大，故由氧離子密堆積而成，金屬離子則位于氧離子的間隙中。 氧離子間隙有兩種: 一是正四面體間隙, A離子處于此間隙中; 另一個(gè)是正八面體間隙，由B離子占據(jù)； 這種正常結(jié)構(gòu)狀態(tài)稱為正尖晶石正尖晶

41、石結(jié)構(gòu)，即A2+B23+O42- 。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 通式通式AB2O4型，是型，是離子晶體離子晶體中的一個(gè)大類。中的一個(gè)大類。A為二價(jià)為二價(jià)陽離子陽離子，如，如Mg2+，F(xiàn)e2+，CO2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+，Cd2+等；等；B為三價(jià)陽離子，如為三價(jià)陽離子，如Al3+，F(xiàn)e3+，CO3+，Cr3+，Ga3+等。等。結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)中O2-離子離子作立方緊密堆積，其中作立方緊密堆積，其中A離子填充在離子填充在四面體四面體空隙中，空隙中，B離離子在子在八面體八面體空隙中，即空隙中，即A2+離子為離子為4配位，而配位，而B3+為為6配位。配位。 當(dāng)全

42、部A位被B離子占據(jù)，而B位則由A、B離子各半占據(jù)時(shí)，稱為反尖晶石反尖晶石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)式可表示為: 。 當(dāng)只有部分A位被B離子占據(jù)時(shí)，稱為半反尖晶石半反尖晶石結(jié)構(gòu)。只有全反尖晶石結(jié)構(gòu)及半反尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物才是半導(dǎo)體。只有全反尖晶石結(jié)構(gòu)及半反尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物才是半導(dǎo)體。 NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料通常都以以MnO為主材料，同時(shí)引入為主材料，同時(shí)引入CaO, NiO, CuO, FeO等氧化物等氧化物，使其在高溫下形成半反或半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)全反尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 常溫?zé)崦舭雽?dǎo)瓷材料主要有含錳二元系氧化物含錳二元系氧化物半導(dǎo)體陶瓷系

43、、MnO-NiO-O2系、MnO-FeO-O2系及Mn-CuO-O2系等。 含錳三元系含錳三元系熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料主要有Mn-Co-Ni系、Mn-FeP-Ni系和Mn-Co- Cu系等。 高溫?zé)崦舨牧现饕?.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 高溫?zé)崦舨牧吓c常溫?zé)崦舨牧喜煌?，由于其工作溫度很高，材料本身有可能發(fā)生不可逆的化學(xué)變化引起老化。高溫?zé)崦舨牧弦诉x擇接近化學(xué)計(jì)量比，離解能大的氧化物制備。 NTC半導(dǎo)體陶瓷已廣泛用于電路的溫度補(bǔ)償、電路的溫度補(bǔ)償、控溫和測(cè)溫傳感器的制作控溫和測(cè)溫傳感器的制作，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和工業(yè)上高溫設(shè)備的溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)及家用電器、防止公害污染

44、的溫度檢測(cè)等方面應(yīng)用。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 3、CTR半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷負(fù)溫度系數(shù)臨界電阻負(fù)溫度系數(shù)臨界電阻CTR( Critical Temperature resister)是利用材料從半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)時(shí)電阻的急劇變化而制成，故稱為急變溫度熱敏電阻急變溫度熱敏電阻。主要是以V2O5為基礎(chǔ)半導(dǎo)體陶瓷材料為基礎(chǔ)半導(dǎo)體陶瓷材料。這類材料常摻雜稀土氧化物摻雜稀土氧化物來改善其性能。 8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 V2O5陶瓷材料先在一定程度的還原氣氛下，于陶瓷材料先在一定程度的還原氣氛下，于800900溫度熱處理，然后

45、再粉碎、形成小顆粒，最后在溫度熱處理，然后再粉碎、形成小顆粒，最后在1000左左右的溫度下，在適當(dāng)還原氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，冷卻時(shí)采用急冷右的溫度下，在適當(dāng)還原氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，冷卻時(shí)采用急冷工藝制成具有四價(jià)工藝制成具有四價(jià)V4+離子的離子的VO2陶瓷。陶瓷。 所制成的所制成的VO2陶瓷材料在陶瓷材料在63-67之間存在著急變臨界溫度，之間存在著急變臨界溫度，該該急變溫度的變化精度在急變溫度的變化精度在1 ,溫度系數(shù)變化在溫度系數(shù)變化在-30-100 102-1之間之間，響應(yīng)速度為，響應(yīng)速度為10 s,室溫下的電阻值在室溫下的電阻值在1I00K之間。之間。 8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)

46、體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 這種熱敏電阻的特性是其電流電流-電阻特性電阻特性與溫度溫度有一定依賴關(guān)系，在急變溫度附近，電壓峰值有很大的在急變溫度附近，電壓峰值有很大的變化，變化，因而具有溫度開關(guān)特性溫度開關(guān)特性。用CTR半導(dǎo)體陶瓷材料制成的傳感器在火災(zāi)報(bào)警、溫度報(bào)警火災(zāi)報(bào)警、溫度報(bào)警方面有很大用途，在固定溫度控制和測(cè)溫方面也有許多優(yōu)點(diǎn)，其可靠性高，反應(yīng)時(shí)間快。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 4、壓敏半導(dǎo)體陶瓷、壓敏半導(dǎo)體陶瓷壓敏半導(dǎo)體陶瓷是指壓敏半導(dǎo)體陶瓷是指材料所具有的電阻值，在一定電流范圍電阻值，在一定電流范圍內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷，用這類

47、陶瓷制成的元器件又稱非線性電阻器非線性電阻器，它在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾乎在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾乎無電流流過，當(dāng)超過臨界電壓時(shí)，電阻急劇變低，隨著電壓無電流流過，當(dāng)超過臨界電壓時(shí)，電阻急劇變低，隨著電壓的少許增加，電流會(huì)迅速增大的少許增加，電流會(huì)迅速增大，其特性曲線如圖8-11所示。具有這種特殊非線性特性的材料包括硅、鍺等單晶半導(dǎo)體包括硅、鍺等單晶半導(dǎo)體及等半導(dǎo)體陶瓷，其中以ZnO半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷的特性最佳。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 ZnO是一種由是一種由天然的紅鋅礦天然的紅鋅礦原料制出的原料制出的六方晶系纖鋅六方晶系纖鋅結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化

48、物，其化學(xué)鍵型處于離子鍵與共價(jià)鍵的中間鍵型狀的氧化物，其化學(xué)鍵型處于離子鍵與共價(jià)鍵的中間鍵型狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是氧離子以六角密堆氧離子以六角密堆的方式排列，而的方式排列，而鋅離子鋅離子(Zn2+)填入于半數(shù)由填入于半數(shù)由O2-緊密排列所形成的緊密排列所形成的四面體空四面體空隙中隙中，而，而O2-密堆所形成的密堆所形成的八面體空隙則是全空的八面體空隙則是全空的，正負(fù)，正負(fù)離子的離子的配位數(shù)均為配位數(shù)均為4.8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 ZnO的許多性質(zhì)，包括電性質(zhì)，尤其是電導(dǎo)電導(dǎo)率主要來源于晶體的缺陷結(jié)構(gòu)率主要來源于晶體的缺陷結(jié)構(gòu)。 ZnO的

49、纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中存在大量易于容納填隙鋅離子的相當(dāng)大尺寸的空隙; 鋅在ZnO晶體中的擴(kuò)散系數(shù)比氧在ZnO中的擴(kuò)散系數(shù)高。8.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料-半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 8.5 半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超晶格超晶格量子阱材料量子阱材料微結(jié)構(gòu)材料微結(jié)構(gòu)材料1異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)由兩種不同半導(dǎo)由兩種不同半導(dǎo)體材料所組成的體材料所組成的結(jié)。結(jié)。2超晶格超晶格兩種或兩種以上兩種或兩種以上不同材料的薄層不同材料的薄層周期性地交替生周期性地交替生長(zhǎng)。長(zhǎng)。3量子阱量子阱當(dāng)兩個(gè)同樣的異當(dāng)兩個(gè)同樣的異質(zhì)結(jié)背對(duì)背接起質(zhì)結(jié)背對(duì)背接起來。來。I.材料科學(xué)家借助于分子束外延材料科學(xué)家借

50、助于分子束外延(MBE)，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)及其他工藝，在及其他工藝，在GaAs , InP及及Si襯底上制備出形形色色的襯底上制備出形形色色的天然晶體中所不存在的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料天然晶體中所不存在的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料。II.固體物理學(xué)家在對(duì)超晶格的超周期性和量子限制效應(yīng)的研究中，發(fā)固體物理學(xué)家在對(duì)超晶格的超周期性和量子限制效應(yīng)的研究中，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)了不同尋常的輸運(yùn)性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)不同尋常的輸運(yùn)性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì);III.應(yīng)用物理學(xué)家改變了電子器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)應(yīng)用物理學(xué)家改變了電子器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)由由“摻雜工程摻雜工程”走向走向“能帶工

51、程能帶工程”，進(jìn)而制造了許多新型器件，從而進(jìn)而制造了許多新型器件，從而將微電子和光電子領(lǐng)域推向一個(gè)引人入勝的境界。將微電子和光電子領(lǐng)域推向一個(gè)引人入勝的境界。 半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的意義半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的意義 1、異質(zhì)薄層材料、異質(zhì)薄層材料 p-n結(jié)是在一塊半導(dǎo)體單晶中用摻雜的辦法做成兩個(gè)導(dǎo)電類型結(jié)是在一塊半導(dǎo)體單晶中用摻雜的辦法做成兩個(gè)導(dǎo)電類型不同的部分。不同的部分。 把本征半導(dǎo)體的兩側(cè)分別摻入施主型和受主型雜質(zhì)，或者將一塊n型和一塊p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，兩者的界面及其相鄰的區(qū)域就稱為PN結(jié)。 PN結(jié)的最大特性就是單向?qū)щ娦越Y(jié)的最大特性就是單向?qū)щ娦浴?同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)：一般一般p-n結(jié)的兩邊是用同

52、一種材料做結(jié)的兩邊是用同一種材料做成成(如如Si , Ge , GaAs)稱為稱為同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)。 異質(zhì)結(jié)：異質(zhì)結(jié)：如把兩種不同的半導(dǎo)體材料做成一塊如把兩種不同的半導(dǎo)體材料做成一塊單晶，稱單晶，稱異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)。 兩材料兩材料禁帶寬度的不同禁帶寬度的不同以及其它以及其它特性的差異特性的差異，使異質(zhì)結(jié)具有一系列同質(zhì)結(jié)所沒有的特性，在使異質(zhì)結(jié)具有一系列同質(zhì)結(jié)所沒有的特性，在器件設(shè)計(jì)上將得到某些同質(zhì)結(jié)不能實(shí)現(xiàn)的功能。器件設(shè)計(jì)上將得到某些同質(zhì)結(jié)不能實(shí)現(xiàn)的功能。 外延技術(shù)外延技術(shù)：氣相外延、液相外延和氣束外延氣相外延、液相外延和氣束外延。 外延工藝具有生長(zhǎng)溫度低、原料能得到有效生長(zhǎng)溫度低、原料能得到有效提純

53、、雜質(zhì)污染少、可控?fù)诫s提純、雜質(zhì)污染少、可控?fù)诫s等特點(diǎn)，可以得到任意厚度、完整性好和均勻性好的外延片。異質(zhì)薄層材料異質(zhì)薄層材料異質(zhì)外延生長(zhǎng)異質(zhì)外延生長(zhǎng)n晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)：在適當(dāng)?shù)囊r底：在適當(dāng)?shù)囊r底(一般是一般是單晶單晶片片)上，在合上，在合 適的條件下沿襯底的適的條件下沿襯底的結(jié)晶結(jié)晶軸方向軸方向生長(zhǎng)生長(zhǎng)一層晶格一層晶格結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)完整完整 的的單單晶薄層晶薄層的方法。的方法。n根據(jù)根據(jù)襯底材料與外延層在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的區(qū)別襯底材料與外延層在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的區(qū)別，外，外 延生長(zhǎng)延生長(zhǎng)可分為可分為同質(zhì)外延和同質(zhì)外延和異質(zhì)外延異質(zhì)外延。n同質(zhì)外延是襯底材料與同質(zhì)外延是襯底材料與 外延層為同

54、一種材料，外延層為同一種材料，異質(zhì)外延異質(zhì)外延則則是不同的材料。是不同的材料。異質(zhì)薄層材料異質(zhì)薄層材料異質(zhì)外延生長(zhǎng)異質(zhì)外延生長(zhǎng) 異質(zhì)外延生長(zhǎng)異質(zhì)外延生長(zhǎng)是指是指不相同材料相互之間的外不相同材料相互之間的外延生長(zhǎng)延生長(zhǎng)。 AlxGa1-xAs/GaAs表示表示外延薄膜外延薄膜/襯底襯底; x,1-x分別代表分別代表Al, Ga的的相對(duì)含量。相對(duì)含量。2、超晶格、超晶格p1970年美國(guó)IBM實(shí)驗(yàn)室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念。p他們?cè)O(shè)想如果用兩種晶格匹配很好的半導(dǎo)體材料交替地生交替地生長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)，每層材料的厚度在每層材料的厚度在100nm以下以下，則，則電子沿生電子沿生長(zhǎng)方向的運(yùn)

55、動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生振蕩長(zhǎng)方向的運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生振蕩，可用于制造微波微波器件器件。p半導(dǎo)體量子阱和超晶格的出現(xiàn)標(biāo)志著人們不僅可以利用自然界中已存在的半導(dǎo)體，而且p人們對(duì)這種新型的半導(dǎo)體材料進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)了許多新的物理現(xiàn)象，并且制成了許多性能比由體材料制成的器件更好的器件。由于量子阱、超晶格是由兩種材料組成的，所以可選擇由于量子阱、超晶格是由兩種材料組成的，所以可選擇不同的材料，設(shè)計(jì)不同的材料，設(shè)計(jì)具有不同禁帶寬度和光學(xué)性質(zhì)具有不同禁帶寬度和光學(xué)性質(zhì)的量子的量子阱、超晶格，制作新型的光電器件，這稱為阱、超晶格，制作新型的光電器件，這稱為“能帶剪裁能帶剪裁工程工程”。 n 超晶格結(jié)構(gòu)超晶格結(jié)構(gòu)就是就是外

56、延層在生長(zhǎng)方向上的周期排列外延層在生長(zhǎng)方向上的周期排列。n 在在GaAs襯底上有一個(gè)由襯底上有一個(gè)由100nm的的Al0.5Ga0.5As層和層和10nm的的GaAs層組成的重復(fù)結(jié)構(gòu)，層組成的重復(fù)結(jié)構(gòu)， Al0.5Ga0.5As(100nm)/GaAs(10nm)/ Al0.5Ga0.5As(100nm)/GaAs(10nm)/ /GaAsn 因因AlGaAs組成在生長(zhǎng)方向具有周期性，所以該結(jié)構(gòu)組成在生長(zhǎng)方向具有周期性，所以該結(jié)構(gòu)稱為超晶格結(jié)構(gòu)。稱為超晶格結(jié)構(gòu)。 n 稱其為超晶格是因?yàn)樗姆Q其為超晶格是因?yàn)樗木Ц裰芷诓⒉皇侨Q于材料的晶格晶格周期并不是取決于材料的晶格常數(shù)常數(shù)(=0.5nm)

57、，而是取決于交替子層的重復(fù)周期，而是取決于交替子層的重復(fù)周期，與電子與電子平均自由程相關(guān)的平均自由程相關(guān)的超晶格周期對(duì)于能否產(chǎn)生量子效應(yīng)是一個(gè)超晶格周期對(duì)于能否產(chǎn)生量子效應(yīng)是一個(gè)重要參量重要參量。 可見，超晶格材料是兩種不同組元以幾個(gè)納米到幾十個(gè)可見，超晶格材料是兩種不同組元以幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米的薄層交替生長(zhǎng)并保持嚴(yán)格周期性的納米的薄層交替生長(zhǎng)并保持嚴(yán)格周期性的多層膜多層膜，事實(shí)上就，事實(shí)上就是特定形式的是特定形式的層狀精細(xì)復(fù)合材料層狀精細(xì)復(fù)合材料。摻雜超晶格摻雜超晶格多維超晶格多維超晶格超晶格種類超晶格種類 組分超晶格組分超晶格應(yīng)變超晶格應(yīng)變超晶格 組分超晶格組分超晶格 在超晶格結(jié)構(gòu)中，如

58、果在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格，見下圖。，見下圖。 在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬具有不同的禁帶寬度度，在異質(zhì)界面處將，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)發(fā)生能帶的不連續(xù)。 摻雜超晶格摻雜超晶格 摻雜超晶格是摻雜超晶格是在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料。見下圖。見下圖。 在在n型摻雜層，施主原

59、子提供電子，在型摻雜層，施主原子提供電子，在p型摻雜層，受主型摻雜層，受主原子束縛電子，這種電子電荷分布的結(jié)果，產(chǎn)生系列的原子束縛電子，這種電子電荷分布的結(jié)果，產(chǎn)生系列的拋物拋物線形勢(shì)阱線形勢(shì)阱。 摻雜超晶格的優(yōu)點(diǎn)：摻雜超晶格的優(yōu)點(diǎn)： 任何任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。 多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小(107-109cm3)，所以所以雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中。因此，摻雜超晶格中沒有象沒有象組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面。組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面。 摻雜超晶格的摻雜超晶格的有效能量隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能有效能量隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，量隙之間的任何值，取決于對(duì)取決于對(duì)各分層厚度和摻雜濃度各分層厚度和摻雜濃度的選擇。的選擇。 多維超晶格多維超晶格 一維超晶格與體單晶比較