獲取材料I課件

第五章信息獲取材料信息功能材料5.1概述光電子材料是伴隨著“光電子學(xué)”和“光電子工業(yè)”的產(chǎn)生而迅速發(fā)展的新型功能材料，即能夠?qū)崿F(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的一類功能材料。由于在光電子學(xué)中信息的獲取、存儲(chǔ)和處理等功能是由光子和電子聯(lián)合完成的，而信息的傳輸則純粹由光子完成，所以光電子材料是實(shí)現(xiàn)光子作為更高頻率和速度的信息載體的物質(zhì)基礎(chǔ)，是制作高性能、小型化、集成化的光電子器件的原料。它主要包括光源和信息獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲(chǔ)材料以及信息處理和運(yùn)算材料。目前信息獲取材料主要為光電信息材料，其中最主要的是光電探測器材料。5.2光電材料的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體與光的相互作用，最為典型與常見的就是光入射到半導(dǎo)體上時(shí)，一部分被反射，一部分被吸收或都透射過半導(dǎo)體。決定這些相互作用的物理基礎(chǔ)是能帶結(jié)構(gòu)。決定半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)的最重要的因素——波長，在紅外線、可見光的范圍內(nèi)，這是因?yàn)閹缀跛邪雽?dǎo)體的帶隙能量都處在這個(gè)波長范圍內(nèi)。常用光的波長約為半導(dǎo)體晶格常數(shù)的1000倍以上，因此半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)可以用宏觀的晶體光學(xué)中的折射率和吸收系數(shù)來表達(dá)。即電磁波（光）在半導(dǎo)體內(nèi)傳播的現(xiàn)象可以用Maxwell電磁方程來表示。一、半導(dǎo)體與光之間的相互作用1.高雙折射光纖光入射進(jìn)半導(dǎo)體：入射光子的能量hv大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí),將產(chǎn)生吸收。本征吸收通常指的是帶間吸收。半導(dǎo)體本征吸收的特點(diǎn)是在不大的光譜范圍內(nèi)吸收系數(shù)突然增大。本征吸收限：吸收系數(shù)突然增至很大的光波長或頻率。可以根據(jù)它來確定禁帶寬度。帶間吸收躍遷必須滿足能量與動(dòng)量守恒，且有兩種躍遷：直接和間接躍遷，相應(yīng)得出兩種不同類型的半導(dǎo)體：直接帶隙半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體GaAs、GaSb、InP、InAs和Zn,Cr,Pb的硫化物；間接帶隙半導(dǎo)體：Ce、Si、GaP。二、半導(dǎo)體的光吸收1.本征吸收（1）強(qiáng)電場下的本征吸收夫蘭茨－凱爾迪什效應(yīng)：時(shí)，光子隧道效應(yīng)能帶傾斜，且：電場對(duì)吸收系數(shù)的影響比較復(fù)雜。由于Stark效應(yīng)，強(qiáng)電場時(shí)原子發(fā)射譜線發(fā)生移動(dòng)和分裂。這些能譜的間距為：2.電場、壓力和溫度對(duì)本征吸收的影響a為電場方向的晶格常數(shù)。（2）壓力對(duì)本征吸收限的影響壓力改變?cè)娱g距，從而改變禁帶寬度，進(jìn)而再改變本征吸收限。（應(yīng)用：力敏元件）2.電場、壓力和溫度對(duì)本征吸收的影響3.激子吸收激子：如果在能量為的光子作用下，價(jià)帶的電子受到激發(fā)但尚不能進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，即仍然受到空穴庫侖場的作用，則會(huì)形成相互束縛的受激電子－空穴對(duì)，對(duì)外呈中性。這種彼此相互束縛的受激電子和空穴組成的系統(tǒng)稱為激子。自由激子是吸收能量為的光子形成的。為自由激子的束縛能，也是將自由激子離解為自由電子和自由空穴所需要的能量：Mτ

為電子和空穴的折合質(zhì)量。半導(dǎo)體中可以摻入等價(jià)替位式雜質(zhì)，則可以形成以這個(gè)雜質(zhì)為中心的等電子陷阱或等電子中心，它可以束縛激子，所需要的能量比自由激子低一些。由它所束縛的激子可以復(fù)合并發(fā)射出光子，所以這些雜質(zhì)中心也稱為等電子復(fù)合中心。原理：如果雜質(zhì)原子位于晶格原子之上，則它的電子親和勢較大，可以先束縛一個(gè)電子，再利用庫侖力吸附一個(gè)空穴。反之，則先束縛一個(gè)空穴，再吸附一個(gè)電子?？偟男Ч褪切纬傻入娮又行氖`的激子。4.等電子中心束縛激子吸收雜質(zhì)能級(jí)分為施主能級(jí)和受主能級(jí)兩種。前者離導(dǎo)帶近，后都離價(jià)帶近。光子的作用可以使雜質(zhì)中心電離，即光致電離，并且在吸收光譜上有所反映，但光子的能量不應(yīng)小于雜質(zhì)電離能。5.能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間的吸收躍遷（1）無選擇性自由載流子吸收所謂自由載流子是指那些能夠在一個(gè)允許能帶內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)并對(duì)外界的作用做出反應(yīng)的載流子。它可以吸收光子，并躍遷到較高的能級(jí)。通常所說的自由載流子吸收是指載流子的吸收躍遷發(fā)生在同一能帶或亞能帶范圍之內(nèi)。7.自由載流子吸收（2）有選擇性自由載流子吸收除了無選擇性載流子外，還可以在單調(diào)增長的吸收曲線上觀察到附加的吸收帶。是載流子從一個(gè)亞能帶到另一個(gè)亞能帶，或同能帶中從一個(gè)能谷躍遷到另一個(gè)能量較高的能谷。光電效應(yīng)是指物質(zhì)在光的作用之下釋放出電子的現(xiàn)象，有外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。內(nèi)外取決于吸收光子后電子是否能夠逸出半導(dǎo)體之外。對(duì)于均勻半導(dǎo)體，光作用下發(fā)生的電性能變化首先是電導(dǎo)的變化，即光電導(dǎo)現(xiàn)象；對(duì)于p-n結(jié)等存在不均勻性的半導(dǎo)體或者處于一定不均勻條件下的均勻半導(dǎo)體，內(nèi)光電效應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生光電勢，即光生伏特效應(yīng)。光電效應(yīng)是物理上把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的重要基礎(chǔ)。三、半導(dǎo)體的光電效應(yīng)（1）本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)取決于不同類型的吸收躍遷過程。從價(jià)帶至導(dǎo)帶的躍遷引起的光電導(dǎo)稱為本征光電導(dǎo)。實(shí)現(xiàn)本征光電導(dǎo)的必要條件是：雜質(zhì)能帶或允許能帶之間的躍遷所引起的光電導(dǎo)稱為雜質(zhì)光電導(dǎo)。1.光電導(dǎo)（2）光電導(dǎo)靈敏度表示光電導(dǎo)體把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯哪芰?，通常借助比靈敏度Sp來表征，研究表明，它只與材料的性質(zhì)有關(guān)，與外加條件無關(guān)。（3）表面對(duì)光電導(dǎo)的影響晶體的表面比內(nèi)部有更多缺陷和雜質(zhì)，產(chǎn)生表面復(fù)合效應(yīng)，致使表面的載流子壽命比體內(nèi)的短很多，直接影響比靈敏度。1.光電導(dǎo)（4）噪聲光子噪聲、熱激噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、陷阱效應(yīng)噪聲、1/f噪聲。1.光電導(dǎo)內(nèi)建電場是產(chǎn)生光電勢一個(gè)主要原因，但是均勻半導(dǎo)體中沒有內(nèi)建電場，必須要有附加條件：電子和空穴的遷移率不同（丹倍Dember效應(yīng)）、存在外加磁場（光磁電效應(yīng)）。（1）p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)

2.光生伏特效應(yīng)V為正向偏壓;Id為正向暗電流;Is為反向飽和電流.（4）體積光生伏特效應(yīng)1）丹倍(Dember)效應(yīng)當(dāng)光垂直照射在半導(dǎo)體表面，形成從表面到體內(nèi)的載流子濃度梯度，產(chǎn)生擴(kuò)散，在光的傳播方向產(chǎn)生電勢差。2）光磁電效應(yīng)在半導(dǎo)體外加一個(gè)與光線垂直的磁場，使得電子和空穴分開。與Dember效應(yīng)不同，磁擴(kuò)散電流使得樣品在電流方向上發(fā)生電荷積累，并且在垂直于光傳播和磁場方向建立起電場，引起漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散與漂移是兩個(gè)相反過程，平衡后，形成穩(wěn)定的光電壓。2.光生伏特效應(yīng)光電子發(fā)射（光電發(fā)射）是指固體在光的照射下向外發(fā)射電子的過程，屬于外光電效應(yīng)，主要應(yīng)用于光探測器和光電變換領(lǐng)域，還可以用來研究固體材料能帶結(jié)構(gòu)（稱為光電子能譜技術(shù)）。（1）體積光電效應(yīng)只要電子具有足以從固體逸出的能量，屬于表面效應(yīng)和體積效應(yīng)的兩種光電發(fā)射現(xiàn)象可以同時(shí)存在。（2）半導(dǎo)體的光電發(fā)射閾使電子離開半導(dǎo)體的最低光子能量，用ET表示。對(duì)于重?fù)诫s的n型半導(dǎo)體：3.光電子發(fā)射（3）光電發(fā)射的物理過程光電發(fā)射過程主要是一種體積過程?？梢园阉紤]為三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程。3.光電子發(fā)射光激發(fā):

激發(fā)特性與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān);受激電子的擴(kuò)散:

受激電子向固體表面擴(kuò)散并最終到達(dá)表面,在該過程中電子發(fā)生散射并失去部分能量；受激電子的逸出:

受激電子克服電子的親和勢,越過表面勢壘,逃逸到真空中。（5）表面條件的影響

1）能帶彎曲表面態(tài)引起并建立空間電荷區(qū)，致使能帶彎曲。

2）發(fā)射閾和有效電子親和勢的進(jìn)一步降低方法—加一層低功能涂層：使得整個(gè)半導(dǎo)體的能級(jí)相對(duì)于表面升高了DF或者說使功函數(shù)降低了DF。3.光電子發(fā)射（6）半導(dǎo)體的光電發(fā)射與能帶結(jié)構(gòu)作為重要的光電效應(yīng)，光電發(fā)射除了光電變換方面的應(yīng)用外，還可以應(yīng)用于確定能帶結(jié)構(gòu)。3.光電子發(fā)射1）只有被激發(fā)到終態(tài)高于真空能級(jí)的那些受激電子才可能從半導(dǎo)體逸入真空中，發(fā)射效率光譜曲線的形狀與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；2）可以測量發(fā)射電子的能量分布曲線。2）非本征型光電導(dǎo)探測器材料光子能量小于材料的禁帶寬度，也可能將束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的載流子激發(fā)到導(dǎo)帶或價(jià)帶中并產(chǎn)生光電導(dǎo)。主要是利用量子阱子能級(jí)間吸收。1.光子探測器材料3）內(nèi)光電發(fā)射材料（光伏型光電探測器材料）利用半導(dǎo)體的p-n結(jié)或Schottky結(jié)在光的作用下產(chǎn)生光電壓或光電流進(jìn)行光探測。最典型的例子就是：太陽能電池。1.光子探測器材料利用熱效應(yīng)制作的一種探測器，吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫度變化，同時(shí)材料的物理性質(zhì)發(fā)生改變：體積膨脹：高萊探測器；電阻變化：測輻射熱計(jì)；兩種不同溫差電動(dòng)勢材料上的電壓變化：熱電偶材料主要有以下三種：（1）輻射溫差電偶與溫差電堆材料；（2）測輻射熱計(jì)用材料；（3）熱釋電紅外探測器用材料。2.熱探測器材料（1）電流響應(yīng)度、電壓響應(yīng)度：（2）光電探測器的外量子效率：二、光電探測器的性能參數(shù)（3）光電探測器的暗電流Id與噪聲NEP表示在1Hz的信號(hào)帶寬上當(dāng)信噪比SNR為1時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入光功率。在信號(hào)帶寬或測量帶寬為B時(shí)，如果SNR仍為1，則此光功率的P(W)的下限為：（4）探測率（5）（－3dB）即功率下降到1/2時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率二、光電探測器的性能參數(shù)固體探測器的2個(gè)基本性質(zhì)：（1）熱平衡自由載流子少；（2）陷阱復(fù)合中心要少。符合上述兩條件的就只有半導(dǎo)體了。下面是具體的一些要求及其目的：

1.對(duì)電子和空穴有長的漂移長度：達(dá)到有效載流子和好的參量分辨率；

2.禁帶寬度大：可工作的溫度高，使用范圍寬；

3.低的凈雜質(zhì)濃度：獲得較大的耗盡區(qū)；

4.高的原子序數(shù)：對(duì)g有高的探測效率；

5.理想的晶體生長技術(shù)和電接觸技術(shù)：便于制備探測器。三、半導(dǎo)體探測器對(duì)材料的要求1.一般的基本要求（1）硅面壘探測器的n型和p型硅單晶：用區(qū)熔法制取高純硅單晶，對(duì)它的要求是：

1.電阻率要高，但補(bǔ)償溫度要低；

2.mt

積要大；（遷移率和少子壽命）

3.位錯(cuò)密度要小且均勻，不能存在堆垛層錯(cuò)和位錯(cuò)排；

4.徑向和軸間電阻率的不均勻性應(yīng)小于15%。2.硅單晶（2）用于制備硅鋰漂移探測器的p型硅單晶：對(duì)晶格的完整性要求高，因?yàn)橛胮型Si制備漂移探測器時(shí)有一個(gè)鋰漂移過程，而在鋰漂移過程中鋰離子易與氧及空位等結(jié)合而構(gòu)成不同的復(fù)合體，阻撓鋰離子移動(dòng)，導(dǎo)致補(bǔ)償達(dá)到不夠的寬度，所以要求：

1.基硼電阻率高，不摻雜；

2.徑向均勻性好；

3.壽命大于500微秒；

4.氧含量小于2*1015cm-22.硅單晶（3）用于制備薄的dE/dx外延探測器的材料

1）對(duì)外延層材料的要求：電阻率與襯底電阻率之比要大于10000；

電阻率均勻；

它與襯底層之間有一明顯的突變交界面；

襯底材料的電阻率較?。?/p>

2）對(duì)化合物半導(dǎo)體材料的要求：較高的平均原子序數(shù)；

較寬的禁帶寬度；

較高的純度和完整性；

較大的mt積。2.硅單晶5.4元素半導(dǎo)體光電材料典型的禁帶寬度：Si1.12eVGe0.665eV理想的晶體在絕對(duì)零度時(shí)存在一個(gè)空的導(dǎo)帶，由一個(gè)禁帶把它一填滿的價(jià)帶隔開，隨著溫度上升，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生e-p對(duì)，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)

實(shí)際上理想的晶體是不存在的，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(duì)濃度。導(dǎo)帶中的電子數(shù)：如果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(jí)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)。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(duì)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(duì)面缺陷的研究知之甚少，相對(duì)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)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)=1.12eVEg(Ge)=0.67eV，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(jí)的光激勵(lì)，光電導(dǎo)響應(yīng)與這些能級(jí)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(jí)的雜質(zhì)的溶解性高，所以能夠制成紅外吸收系數(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5.5III-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)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(duì)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/GaAs3.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?。?.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(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)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5.6IV-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)

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“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)”，它們?cè)贛ODFET、HBT、MOSFET等應(yīng)用很廣泛。

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(duì)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。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(jí)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(duì)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(duì)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HgCdTeII-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?。唬?）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HgCdT