化合物半導(dǎo)體材料及器件基礎(chǔ)

1、化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Compound Semiconductor Devices微電子學(xué)院微電子學(xué)院戴顯英戴顯英2013.8化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying第二章第二章 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料 與器件基礎(chǔ)與器件基礎(chǔ) 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1 半導(dǎo)體

2、的分類半導(dǎo)體的分類絕緣體（絕緣體（1018-1010cm），半導(dǎo)體（），半導(dǎo)體（108-10-3cm），金屬（），金屬（10-4-10-8cm） 絕緣體（禁帶寬度絕緣體（禁帶寬度E Eg g大），半導(dǎo)體（禁帶寬度大），半導(dǎo)體（禁帶寬度E Eg g小），金屬（導(dǎo)帶與價帶重疊）?。?，金屬（導(dǎo)帶與價帶重疊） 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1 半導(dǎo)體的分類半導(dǎo)體的分類2.1.1 半導(dǎo)體的特征半導(dǎo)體的特征 室溫下的電導(dǎo)率在室溫下的電導(dǎo)率在10103 3-10-10-8-8S/cmS/cm（或電阻率（或電阻

3、率1010-3-310108 8cmcm） 電導(dǎo)率呈正溫度特性（金屬呈負溫度特性）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）兩種載流子參與導(dǎo)電（金屬只有一種） 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1 半導(dǎo)體的分類半導(dǎo)體的分類2.1.2 半導(dǎo)體的特性半導(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)電能力微量雜質(zhì)含量可以顯著改

4、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214,000cm降至0.2cm以下 適當波長的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力適當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M，當受光照后電阻值可以下降為幾十K 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化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類按照材料的化學(xué)成分

5、和結(jié)構(gòu)特性可將半導(dǎo)體分為：按照材料的化學(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）元素半導(dǎo)體 2）化合物半導(dǎo)體）化合物半導(dǎo)體 3）合金（固溶體）合金（固溶體） 2.1.3 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體C（金剛石）（金剛石）,Si, Ge, Sn 晶格結(jié)構(gòu)：金剛石晶格結(jié)構(gòu)：金剛石能帶結(jié)構(gòu)：間接帶隙能帶結(jié)構(gòu)：間接帶隙Sn: 0.08 eVSn: 0.08 eVGe: 0.67 eVGe: 0.67 eVSi: 1.12 eVSi: 1.12 eV C: 5.50 eV C: 5.50 eV化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)

6、體材料的分類2.1.4 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體-族：由族：由AA的的B B、AlAl、GaGa、InIn與與AA的的N N、P P、AsAs、SbSb形成，形成， 如如GaAsGaAs、InPInP、GaNGaN、BNBN、AlNAlN、GaPGaP、InSbInSb等等1515種。種。-族：由族：由BB的的ZnZn、CdCd、HgHg與與AA族的族的O O、S S、SeSe、TeTe形成，形成， 如如ZnOZnO、ZnSZnS、CdSCdS、CdTeCdTe、HgSHgS、HgSeHgSe、HgTeHgTe等等-族：族：SiCSiC化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-ying

7、Dai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類二元化合物半導(dǎo)體特點：二元化合物半導(dǎo)體特點：1 1）大部分是直接能帶隙）大部分是直接能帶隙 （對光電器件很重要）；（對光電器件很重要）；2 2）有很寬的禁帶寬度）有很寬的禁帶寬度EgEg范圍，但只在離散的點上；范圍，但只在離散的點上；3 3）可以塊狀生長（單晶），并被切成薄片）可以塊狀生長（單晶），并被切成薄片( (晶圓片）。晶圓片）。2.1.4 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體我們還需要更多！我們還需要更多！重要的二元化合物半導(dǎo)體：重要的二元化合物半導(dǎo)體：1 1）GaAsGaAs：第二代半導(dǎo)體：第二代半導(dǎo)體2 2）GaNGaN與與S

8、iC:SiC:第三代半導(dǎo)體第三代半導(dǎo)體( (寬禁帶半導(dǎo)體）寬禁帶半導(dǎo)體）化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體二元合金半導(dǎo)體：二元合金半導(dǎo)體：SiSi1-x1-xGeGex x三元合金半導(dǎo)體：三元合金半導(dǎo)體：AlAlx xGaGa1-x1-xAsAs、AlAlx xGaGa1-x1-xN N、 InInx xGaGa1-x1-xAsAs、InIn1-x1-xAlAlx xAsAs等等四元合金半導(dǎo)體：四元合金半導(dǎo)體：InInY YGaGa1-Y1-YAsAsX XP P1-X1

9、-X and Al and AlY YGaGa1-Y1-YAsAsX XSbSb1-X1-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。元素組成三元或四元合金（固溶體）半導(dǎo)體。特點：特點：1 1）組分可調(diào)；）組分可調(diào)； 2 2）禁帶寬度隨組分連續(xù)可調(diào)；）禁帶寬度隨組分連續(xù)可調(diào)； 3 3）晶格常數(shù)隨組分連續(xù)可調(diào)。）晶格常數(shù)隨組分連續(xù)可調(diào)。化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體

10、三元合金的禁帶寬度與晶格常數(shù)關(guān)系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：三元合金變化趨勢：晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：與組分呈線性關(guān)系與組分呈線性關(guān)系禁帶寬度：禁帶寬度：與組分呈二次方關(guān)系與組分呈二次方關(guān)系有效質(zhì)量：有效質(zhì)量：與合金組分成二次方與合金組分成二次方和單調(diào)關(guān)系和單調(diào)關(guān)系三元合金半導(dǎo)體：三元合金半導(dǎo)體：由二元化合物和一種元素組成由二元化合物和一種元素組成化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體三元或四元合金半導(dǎo)體的基片（襯底）：三元或四元合金半導(dǎo)體的基片（襯底）：

11、二元化合物半導(dǎo)體，如二元化合物半導(dǎo)體，如 GaAs、InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)： 晶格常數(shù)要與襯底相同，且禁帶寬度晶格常數(shù)要與襯底相同，且禁帶寬度EgEg不同。不同。三元合金半導(dǎo)體：三元合金半導(dǎo)體： 與二元不匹配；但一個例外，與二元不匹配；但一個例外，AlGaAsAlGaAs與與GaAsGaAs晶格匹配。晶格匹配。四元合金半導(dǎo)體：四元合金半導(dǎo)體： 容易與二元襯底匹配容易與二元襯底匹配化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體四元合金半導(dǎo)體：四元合金半導(dǎo)體： 1 1）兩種元素是同族元素

12、，）兩種元素是同族元素，如如AlAly yGaGa1-y1-yAsAsx xSbSb1-x 1-x 、 InIny yGaGa1-y1-yAsAsx xP P1-x 1-x 等等2 2）三種元素是同族元素，三種元素是同族元素，如如InIny yGaGa1-y1-yAlAlx xAsAs1-x1-x等等InGaAsP and AlGaAsSbInGaAsP and AlGaAsSb 四元合金半導(dǎo)體禁帶寬度與晶格常數(shù)四元合金半導(dǎo)體禁帶寬度與晶格常數(shù)合金舉例：如圖所示合金舉例：如圖所示1）AlGaAs:AlAs+GaAs2）InPAs:InAs+InP3）AlGaAsSb:AlGaSb+ AlGaA

13、s4）InGaAsP:GaAsP+GaInP化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體四元：四元：GaGay yInIn1-y1-yAsAsx xSbSb1-x1-x：化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體四元：四元：InGaAlAsInGaAlAs化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)

14、體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體四元：四元：GaAlInPGaAlInP and andGaAlAsPGaAlAsP化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體四元：四元：AlGaInNAlGaInN化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.1 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類2.1.5 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體重要的三元和四元合金重要的三元和四元合金AlGaAsAlGaAs（GaAsGaAs基片）基片）: : HBT HBT

15、，場效應(yīng)管，光電器件，場效應(yīng)管，光電器件GaAsPGaAsP（GaAsGaAs基片）基片）: :紅色、琥珀色發(fā)光二極管紅色、琥珀色發(fā)光二極管HgCdTeHgCdTe（CdTeCdTe基片）基片）: : 紅外成像儀紅外成像儀InGaAsP, InGaAlAsInGaAsP, InGaAlAs（InPInP基片）基片）: :光纖通訊用光電器件光纖通訊用光電器件InGaAlAs (InPInGaAlAs (InP基片基片):): 同上同上InGaAsInGaAs（GaAs, InPGaAs, InP）: : 電阻接點，量子勢阱電阻接點，量子勢阱InGaAsP InGaAsP （GaAsGaAs）:

16、: 紅，紅外激光器，探測器紅，紅外激光器，探測器GaInAlN (GaInAlN (不同基片不同基片):): 綠，藍，紫外發(fā)光二極管，激光器綠，藍，紫外發(fā)光二極管，激光器化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying第二章第二章 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料 與器件基礎(chǔ)與器件基礎(chǔ) 半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性2.2.1 晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu) 圖圖2.3 金

17、剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)(a)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)(b)1）閃鋅礦結(jié)構(gòu)）閃鋅礦結(jié)構(gòu)(a)(b)大多數(shù)的大多數(shù)的-族和族和-族族化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體與金剛石結(jié)構(gòu)相似：每個原子與金剛石結(jié)構(gòu)相似：每個原子與鄰近四個原子形成四面體結(jié)與鄰近四個原子形成四面體結(jié)構(gòu)（鍵），又稱類金剛石；構(gòu)（鍵），又稱類金剛石；與金剛石結(jié)構(gòu)不同：每個原與金剛石結(jié)構(gòu)不同：每個原子鄰近是四個異類原子；子鄰近是四個異類原子；混合鍵：共價鍵占優(yōu)?；旌湘I：共價鍵占優(yōu)?；衔锇雽?dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性2）纖鋅礦結(jié)構(gòu)）纖鋅礦

18、結(jié)構(gòu) 圖圖2.4 (a)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，纖鋅礦結(jié)構(gòu)，(b)四面體四面體(a)(b)-族的族的ZnSZnS、ZnSeZnSe、CdSCdS等都可等都可以閃鋅礦和纖鋅礦兩種方式結(jié)晶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)；與閃鋅礦相似：正四面體結(jié)構(gòu)；與閃鋅礦不同：六方對稱（閃鋅與閃鋅礦不同：六方對稱（閃鋅礦是立方對稱）；礦是立方對稱）；纖鋅礦結(jié)構(gòu)更適合原子間電負性纖鋅礦結(jié)構(gòu)更適合原子間電負性差別大、化學(xué)鍵極性強的化合物差別大、化學(xué)鍵極性強的化合物半導(dǎo)體，如半導(dǎo)體，如GaNGaN；混合鍵：離子鍵占優(yōu)。混合鍵：離子鍵占優(yōu)?；衔锇雽?dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xi

19、an-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性2.2.2 晶格常數(shù)晶格常數(shù)圖圖2.6 III-V族合金半導(dǎo)體的晶格常數(shù)隨組分比族合金半導(dǎo)體的晶格常數(shù)隨組分比x變化的情況變化的情況 晶格常數(shù)與合金晶格常數(shù)與合金組分：組分：服從服從Vegard關(guān)關(guān)系，即系，即aAB=aAx+aB(1-x) -線性插值關(guān)系線性插值關(guān)系 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性晶格常數(shù)與禁帶寬度晶格常數(shù)與禁帶寬度 元素與元素與化合物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)與禁帶寬度化合物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)與禁

20、帶寬度同類型半導(dǎo)體：同類型半導(dǎo)體：晶格常數(shù)大的，晶格常數(shù)大的，其禁帶寬度小。其禁帶寬度小。 Si與與GaP、AlPGe與與GaAs、AlAs 晶格常數(shù)匹配晶格常數(shù)匹配 思考題：思考題：1）為什么要晶）為什么要晶格匹配？格匹配？2）如何能夠?qū)崳┤绾文軌驅(qū)崿F(xiàn)晶格匹配？現(xiàn)晶格匹配？化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性閃鋅礦的閃鋅礦的 III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體晶格常數(shù)與禁帶寬度晶格常數(shù)與禁帶寬度 注：注： Z=Z=閃鋅礦閃鋅礦 ，W=W=纖鋅

21、礦，纖鋅礦，i=i=間接能隙，間接能隙，d=d=直接能隙直接能隙化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性纖維鋅礦纖維鋅礦 III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族，鉛鹽（族，鉛鹽（IV-VIIV-VI族），族），IVIV族元素族元素 晶格常數(shù)與禁帶寬度晶格常數(shù)與禁帶寬度 注：注： W=W=纖鋅礦，纖鋅礦，R=R=巖鹽，巖鹽，D=D=金剛石，金剛石，i=i=間接能隙，間接能隙，d=d=直接能隙直接能隙化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-yin

22、g 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性2.2.3 晶體的化學(xué)鍵和極化晶體的化學(xué)鍵和極化圖圖2.7 本征砷化鎵的基本鍵表示圖本征砷化鎵的基本鍵表示圖 元素半導(dǎo)體，元素半導(dǎo)體，SiSi：只有共價價鍵；：只有共價價鍵；化合物半導(dǎo)體：既有共價鍵，又有化合物半導(dǎo)體：既有共價鍵，又有離子鍵。（又稱極性半導(dǎo)體）離子鍵。（又稱極性半導(dǎo)體）例如，例如，GaAs:1)AsGaAs:1)As失去一個價電子失去一個價電子給給Ga;2)AsGa;2)As和和GaGa外層價電子進行外層價電子進行SPSP3 3軌道雜化，形成軌道雜化，形成4 4個共價鍵。個共價鍵。極化：極化：AsAs為負電荷中心、

23、為負電荷中心、GaGa為正電荷中心。為正電荷中心?；衔锇雽?dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性1）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)及其主要特點）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)及其主要特點2101234gE價帶111100導(dǎo)帶能量/eVSip動量01234gE價帶111100導(dǎo)帶能量/eVGaAsE0.31 p動量圖圖2.9 硅硅(a)和砷化鎵和砷化鎵(b)的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu) 2.2.4 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性

24、化合物半導(dǎo)體材料的基本特性1）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)及其主要特點）砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)及其主要特點01234gE價帶111100導(dǎo)帶能量/eVGaAsE0.31 p動量圖圖2.9 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 2.2.4 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)直接躍遷型：導(dǎo)帶極小值在直接躍遷型：導(dǎo)帶極小值在k=0k=0處，處，價帶極大值近似在價帶極大值近似在k=0k=0處處；具有負阻特性：在具有負阻特性：在【111111】方向具方向具有雙能谷；當外電場超過某個閾值，有雙能谷；當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，出顯電場增到遷移率小的次能谷，出顯電場增大而電流減小現(xiàn)象。大而電流減小現(xiàn)象。EgEg大：大：1.43eV,1.43eV,制作高頻、大功率制作高頻、大功率器件；器件；更正：更正：p19p19第第4 4、5 5行，行，【100100】應(yīng)為應(yīng)為【111111】。化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Dai Xian-yingDai Xian-ying 2.2 化合物半導(dǎo)體材料的基本特性化合物半導(dǎo)體材料的基本特性2）銻化銦的能帶結(jié)構(gòu)及其主要特點）銻化銦的能帶結(jié)構(gòu)及其主要特點 直接躍遷型：導(dǎo)帶極小值在直接躍遷型：導(dǎo)帶極小值在k=0k=0處，處，電子有效質(zhì)量??；電子有效質(zhì)量?。粚?dǎo)帶呈非拋物線性：極小值處導(dǎo)帶呈