第五章-寬帶隙半導體材料課件

第五章

寬帶隙半導體材料ppt課件1光電子材料與器件Optoelectronic

Materials

andDevices寬帶隙半導體材料的優(yōu)勢半導體材料的帶隙寬度(Bandgap)是半導體材料自身固有的基本屬性，半導體材料的帶隙寬度決定了其制成器件的工作溫度區(qū)域和工作光學窗口。第一、二代半導體像Ge、Si、GaAs、InP這些對信息技術發(fā)展起了關鍵推動作用的半導體材料的帶隙都小于2

eV，相應的工作溫區(qū)不超過

250度，工作光學窗口在近紅外以內。ppt課件2隨著信息技術的迅猛發(fā)展，發(fā)展高功率、高頻、高溫電子器件以及短波長光電器件已經(jīng)成為迫切需求，研究發(fā)展寬帶隙半導體，以突破現(xiàn)有半導體器件的工作高溫限制和短波限制。什么是寬帶隙半導體？從學術角度難以對其帶隙寬度范圍給予界定，通常是相對于目前主流半導體材料以及半導體技術應用發(fā)展前景來界定寬帶隙半導體材料的帶隙界限。ppt課件3早先人們把帶隙寬度大于2.2eV的半導體材料稱作“寬帶隙半導體”，近來人們又把寬帶隙半導體定義為超過2.5eV的半導體材料。視的寬隙導體最受重

III族氮化物， 包括GaN，InN，AlN，以及三元合金AlGaN,InGaN，四元合金InGaAlN，都是直接帶隙半導體材料。SiC(2.4~3.1eV)IV-IV族氮化物，包括 和金剛石薄膜(5.5eV)，都是間接帶隙半導體材料。帶

ZnO基氧化物 ，主要是ZnO(3.3~4.0eV)及其三元合金ZnMgO,

ZnCdO,

是直接帶隙半導體材料。半

II-V族化合物，Zn基化合物，如ZnSe(2.67eV),4ZnTe,ZnS(2.67eV)以及其三元、四元合金

ZnMgSSe,是直接帶隙半導體材料。ppt課件制備藍光LED的寬帶隙5ppt課件III族氮化物研究發(fā)展早期對GaN研究重要貢獻的學者：Isamu

AKASAKIHiroshi

AMANOShuji

Nakamura6ppt課件氮化物研究的幾個重大突1986年，日本的科學家Amano和Akasasi利用MOCVD技術在AlN緩沖層上生長得到高質量的GaN薄膜。隨后他們利用低能電子束輻照(LEEBI)技術得到了Mg摻雜的p型GaN樣品，視為GaN研究發(fā)展的另一重大突破。1989年，他們研制出第一個p-n結構的LED。7ppt課件同一時期，日本日亞(Nichia)公司的中村修二

(Nakamura)等人利用低溫GaN緩沖層同樣在藍寶石襯底上得到高質量的GaN薄膜，并采用氮氣(N2)或真空氣氛下退火得到p型GaN。中村等人在隨后短短三年多時間內在GaN基發(fā)光器件方面實現(xiàn)了三大跨越：1994年第一支

GaN基高亮度藍光LED，1995年第一支GaN基藍光LD，1998年連續(xù)工作藍光LD的壽命達到

6000小時。日亞公司也在這個時期實現(xiàn)了GaN基藍綠光LED和LD的商品化。由于中村在藍光

LED領域的出色工作，他被稱為“藍光之父”。8ppt課件部分化合物半導體的帶隙9ppt課件氮化物三元合金的X射線衍射譜10ppt課件寬帶隙半導體材料的特點壓電性與極化效應高熱導率小介電常數(shù)極高臨界擊穿電場耐高溫、抗輻射大激子束縛能巨大能帶偏移11ppt課件寬帶隙半導體材料的技術短波長發(fā)光器件短波長發(fā)光二極管LED短波長激光器LD高溫、高功率、高頻電子器件(HEMT) III族氮化物電子器件SiC電子器件金剛石半導體電子器件探測器紫外探測器、太陽盲紫外探測器、粒子探測器ppt課件12面臨的幾個科學技術問題從總體上來說，寬帶隙半導體材料要達到第一代、第二代半導體技術的水平，還必須解決包括體材料、外延生長、摻雜和器件工藝的一系列基本科學問題，主要包括：缺乏實用性的體單晶材料晶體質量較差，缺陷密度高化學比的偏離與摻雜的不對稱性ppt課件13III族氮化物的晶體結III族氮化物有三種通常的晶體結構：纖鋅礦結構，閃鋅礦結構，巖鹽結構。纖鋅礦結構是III族氮化物的熱力學穩(wěn)定結構。密排原子面的堆垛順序不同：纖鋅礦結構沿著(0001)的堆垛順序為ABABAB；閃鋅礦結構沿著(111)的堆垛為ABCABC。14ppt課件SinO的晶體結C

ZnO晶體結構與GaN晶體結構類似，同樣存和

在纖鋅礦結構與閃鋅礦結構，目前研究發(fā)Z

現(xiàn)穩(wěn)定結構為纖鋅礦結構。SiC晶體的特征是存在多達200多種的同質異構體，區(qū)別僅在于Si-C雙原子層的堆垛次序不同。常見的結構有3C、4H、6H-SiC。15ppt課件GaN的極性(pola16ppt課件自發(fā)極化和壓電極化17ppt課件纖鋅礦GaN中自發(fā)極化18ppt課件極化誘導界面電荷積累19ppt課件AlGaN/GaN異質20ppt課件外延GaN的襯底材料2ppt課件21GaN異質外延生長ppt課件22III族氮化物與藍寶石23ppt課件異質外延GaN層的臨界24ppt課件GaN外延技術：MOCCompact

2125ppt課件陰極熒光譜(CL)用于26ppt課件橫向外延GaN—降低位27ppt課件ELO-GaN制備長壽28ppt課件HVPE用于GaN厚膜29ppt課件GaN體材料在高亮LE30ppt課件GaN的電學性質31ppt課件III族氮化物的N型摻32ppt課件IIIP族氮化物的型摻33ppt課件GaN在高電場下的輸運34ppt課件GaN是制備微波功率器件的理想材料ppt課件35GaN的光學性質ppt課件36時間PL分辨譜表征Ga37ppt課件GaN基LED結構ppt課件38ppt課件39III族氮化物紫外探測40ppt課件AlGaN光導型探測器41ppt課件氮化物PIN型探測器42ppt課件ZnO基帶半體材寬

1997年ZnO室溫受激發(fā)射現(xiàn)象的報道引發(fā)了ZnO基短波長激子型光電器件應用的研究熱潮；隙

2001年藍寶石基ZnO自組裝納米線陣列紫外受激發(fā)射的實現(xiàn)，引起了人們對ZnO納米材料與器件研究的極大興趣；導

2005年

MBE制備的ZnO基p-i-n同質結LED和MOCVD制備的ZnO基p-n同質結LED的初步實現(xiàn)，讓人們看到了ZnO固體照明和激光工程應用的曙光。ZnO作為寬帶隙半導體、是繼GaN之后近年才引人注目的又一新型寬帶隙半導體材料,也被列入第三代半導體的行列。43ppt課件目前ZnO半導體研究熱初步進展

:

通過

N

單摻或共摻方法可獲得空穴濃度達1019cm-3；P、As和Sb的摻雜可獲得1018cm-3的空穴濃度；初步實現(xiàn)ZnO同質LED。諸多挑戰(zhàn)

:

p

型

ZnO

重復性和穩(wěn)定性較差，空移率較低;

同質ZnO LED

電致發(fā)光效率很低；制備技術主要為MBE、PLD和磁控濺射等方法，不宜制備大面積均勻薄膜ZnO

p型摻雜44ppt課件Znppt課件45工程O

MgZnO合金

纖鋅礦結構

Mg

49%

能帶調節(jié)合

4.6eV-3.3eV

ZnMgO/ZnO量子阱

2DEG金

CdZnO合金

Cd

70%

能帶調節(jié)3.3eV-及

1.85eV

ZnO/ZnCdO/ZnO單量子阱(MOCVD)能

BeZnO合金

BeO直接帶隙(10.6eV)

Be帶

68%

能帶調節(jié)6.0eV-3.3eVZnOSe/ZnOS

能隙彎曲因子大 和Si晶格匹配的ZnOSSe帶隙覆蓋紅外至紫外波段ZnO基納米結構2001年

藍寶石襯底上實現(xiàn)ZnO自組裝納米線陣列紫外受激發(fā)射的實現(xiàn)，引起了人們對ZnO納米材料與器件研究的極大興趣。ppt課件46ZnO的能帶結構ppt課件47ZnO的PL光譜ppt課件48ZnO的制備技術ppt課件49ZnO的器件應用ppt課件50ZnO基PIN發(fā)光二極51ppt課件SiC單晶的能帶結構間接帶隙，Eg=2.4~3.1eV與多形體結構有關52ppt課件SiC晶體制備—升華法1995年，飛利浦實驗室的Lely提出用升華法制備SiC單晶，隨后通過改進Lely法，稱為籽晶升華法或物理氣相傳輸法(PVT),是目前主流SiC晶體制備方法。53ppt課件SiC薄膜的制備化學氣相外延(CVD)54ppt課件SiC的晶體質量和器件55ppt課件SiC制備LED器件ppt課件56SiC基紫外探測器ppt課件57SiC基場效應晶體管ppt課件58總結寬帶隙半導體GaN、ZnO、SiC等作為第三代半導體是發(fā)展高功率、高頻、高溫電子器件以及短波長光電器件的理想材料。寬帶隙半導體材料要必須解決包括體材料、外延生長、摻雜和器件工藝的一系列基本科學問題。研究和發(fā)展寬帶隙半導體材料與器件被公認是占領光電信息技術領域的戰(zhàn)略