第五章-寬帶隙半導(dǎo)體材料課件

第五章寬帶隙半導(dǎo)體材料光電子材料與器件OptoelectronicMaterialsandDevices1可編輯課件PPT寬帶隙半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)半導(dǎo)體材料的帶隙寬度(Bandgap)是半導(dǎo)體材料自身固有的基本屬性，半導(dǎo)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(xué)窗口。第一、二代半導(dǎo)體像Ge、Si、GaAs、InP這些對(duì)信息技術(shù)發(fā)展起了關(guān)鍵推動(dòng)作用的半導(dǎo)體材料的帶隙都小于2eV，相應(yīng)的工作溫區(qū)不超過(guò)250度，工作光學(xué)窗口在近紅外以內(nèi)。隨著信息技術(shù)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(zhǎng)光電器件已經(jīng)成為迫切需求，研究發(fā)展寬帶隙半導(dǎo)體，以突破現(xiàn)有半導(dǎo)體器件的工作高溫限制和短波限制。2可編輯課件PPT什么是寬帶隙半導(dǎo)體？從學(xué)術(shù)角度難以對(duì)其帶隙寬度范圍給予界定，通常是相對(duì)于目前主流半導(dǎo)體材料以及半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用發(fā)展前景來(lái)界定寬帶隙半導(dǎo)體材料的帶隙界限。早先人們把帶隙寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料稱作“寬帶隙半導(dǎo)體”，近來(lái)人們又把寬帶隙半導(dǎo)體定義為超過(guò)2.5eV的半導(dǎo)體材料。3可編輯課件PPT最受重視的寬帶隙半導(dǎo)體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(dǎo)體材料。IV-IV族氮化物，包括SiC(2.4~3.1eV)和金剛石薄膜(5.5eV)，都是間接帶隙半導(dǎo)體材料。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(dǎo)體材料。II-V族化合物，Zn基化合物，如ZnSe(2.67eV),ZnTe,ZnS(2.67eV)以及其三元、四元合金ZnMgSSe,是直接帶隙半導(dǎo)體材料。4可編輯課件PPT制備藍(lán)光LED的寬帶隙半導(dǎo)體5可編輯課件PPTIII族氮化物研究發(fā)展早期對(duì)GaN研究重要貢獻(xiàn)的學(xué)者：IsamuAKASAKIHiroshiAMANOShujiNakamura6可編輯課件PPT氮化物研究的幾個(gè)重大突破1986年，日本的科學(xué)家Amano和Akasasi利用MOCVD技術(shù)在AlN緩沖層上生長(zhǎng)得到高質(zhì)量的GaN薄膜。隨后他們利用低能電子束輻照(LEEBI)技術(shù)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(gè)p-n結(jié)構(gòu)的LED。7可編輯課件PPT同一時(shí)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(lán)寶石襯底上得到高質(zhì)量的GaN薄膜，并采用氮?dú)?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(shí)間內(nèi)在GaN基發(fā)光器件方面實(shí)現(xiàn)了三大跨越：1994年第一支GaN基高亮度藍(lán)光LED，1995年第一支GaN基藍(lán)光LD，1998年連續(xù)工作藍(lán)光LD的壽命達(dá)到6000小時(shí)。日亞公司也在這個(gè)時(shí)期實(shí)現(xiàn)了GaN基藍(lán)綠光LED和LD的商品化。由于中村在藍(lán)光LED領(lǐng)域的出色工作，他被稱為“藍(lán)光之父”。8可編輯課件PPT部分化合物半導(dǎo)體的帶隙寬度9可編輯課件PPT氮化物三元合金的X射線衍射譜10可編輯課件PPT寬帶隙半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)壓電性與極化效應(yīng)高熱導(dǎo)率小介電常數(shù)極高臨界擊穿電場(chǎng)耐高溫、抗輻射大激子束縛能巨大能帶偏移11可編輯課件PPT寬帶隙半導(dǎo)體材料的技術(shù)應(yīng)用短波長(zhǎng)發(fā)光器件

短波長(zhǎng)發(fā)光二極管LED

短波長(zhǎng)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(dǎo)體電子器件探測(cè)器

紫外探測(cè)器、太陽(yáng)盲紫外探測(cè)器、粒子探測(cè)器12可編輯課件PPT面臨的幾個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題從總體上來(lái)說(shuō)，寬帶隙半導(dǎo)體材料要達(dá)到第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)的水平，還必須解決包括體材料、外延生長(zhǎng)、摻雜和器件工藝的一系列基本科學(xué)問(wèn)題，主要包括：缺乏實(shí)用性的體單晶材料晶體質(zhì)量較差，缺陷密度高化學(xué)比的偏離與摻雜的不對(duì)稱性13可編輯課件PPTIII族氮化物的晶體結(jié)構(gòu)III族氮化物有三種通常的晶體結(jié)構(gòu)：纖鋅礦結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)，巖鹽結(jié)構(gòu)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)是III族氮化物的熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。密排原子面的堆垛順序不同：纖鋅礦結(jié)構(gòu)沿著(0001)的堆垛順序?yàn)锳BABAB；閃鋅礦結(jié)構(gòu)沿著(111)的堆垛為ABCABC。14可編輯課件PPTSiC和ZnO的晶體結(jié)構(gòu)ZnO晶體結(jié)構(gòu)與GaN晶體結(jié)構(gòu)類似，同樣存在纖鋅礦結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)，目前研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。SiC晶體的特征是存在多達(dá)200多種的同質(zhì)異構(gòu)體，區(qū)別僅在于Si-C雙原子層的堆垛次序不同。常見的結(jié)構(gòu)有3C、4H、6H-SiC。15可編輯課件PPTGaN的極性(polarity)16可編輯課件PPT自發(fā)極化和壓電極化17可編輯課件PPT纖鋅礦GaN中自發(fā)極化的來(lái)源18可編輯課件PPT極化誘導(dǎo)界面電荷積累19可編輯課件PPTAlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣20可編輯課件PPT外延GaN的襯底材料221可編輯課件PPTGaN異質(zhì)外延生長(zhǎng)22可編輯課件PPTIII族氮化物與藍(lán)寶石襯底的失配23可編輯課件PPT異質(zhì)外延GaN層的臨界厚度24可編輯課件PPTGaN外延技術(shù)：MOCVD和MBECompact2125可編輯課件PPT陰極熒光譜(CL)用于缺陷表征26可編輯課件PPT橫向外延GaN—降低位錯(cuò)密度27可編輯課件PPTELO-GaN制備長(zhǎng)壽命激光器28可編輯課件PPTHVPE用于GaN厚膜外延29可編輯課件PPTGaN體材料在高亮LED應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)30可編輯課件PPTGaN的電學(xué)性質(zhì)31可編輯課件PPTIII族氮化物的N型摻雜32可編輯課件PPTIII族氮化物的P型摻雜33可編輯課件PPTGaN在高電場(chǎng)下的輸運(yùn)性質(zhì)34可編輯課件PPTGaN是制備微波功率器件的理想材料35可編輯課件PPTGaN的光學(xué)性質(zhì)36可編輯課件PPT時(shí)間分辨PL譜表征GaN質(zhì)量37可編輯課件PPTGaN基LED結(jié)構(gòu)38可編輯課件PPT39可編輯課件PPTIII族氮化物紫外探測(cè)器40可編輯課件PPTAlGaN光導(dǎo)型探測(cè)器41可編輯課件PPT氮化物PIN型探測(cè)器42可編輯課件PPTZnO基寬帶隙半導(dǎo)體材料1997年ZnO室溫受激發(fā)射現(xiàn)象的報(bào)道引發(fā)了ZnO基短波長(zhǎng)激子型光電器件應(yīng)用的研究熱潮；2001年藍(lán)寶石基ZnO自組裝納米線陣列紫外受激發(fā)射的實(shí)現(xiàn)，引起了人們對(duì)ZnO納米材料與器件研究的極大興趣；2005年MBE制備的ZnO基p-i-n同質(zhì)結(jié)LED和MOCVD制備的ZnO基p-n同質(zhì)結(jié)LED的初步實(shí)現(xiàn)，讓人們看到了ZnO固體照明和激光工程應(yīng)用的曙光。ZnO作為寬帶隙半導(dǎo)體、是繼GaN之后近年才引人注目的又一新型寬帶隙半導(dǎo)體材料,也被列入第三代半導(dǎo)體的行列。43可編輯課件PPT目前ZnO半導(dǎo)體研究熱點(diǎn)

初步進(jìn)展:通過(guò)N單摻或共摻方法可獲得空穴濃度達(dá)1019cm-3；P、As和Sb的摻雜可獲得1018cm-3的空穴濃度；初步實(shí)現(xiàn)ZnO同質(zhì)LED。諸多挑戰(zhàn):p型ZnO重復(fù)性和穩(wěn)定性較差，空穴遷移率較低;同質(zhì)ZnOLED電致發(fā)光效率很低；制備技術(shù)主要為MBE、PLD和磁控濺射等方法，不宜制備大面積均勻薄膜ZnOp型摻雜44可編輯課件PPTZnO合金及能帶工程

MgZnO合金纖鋅礦結(jié)構(gòu)Mg49%能帶調(diào)節(jié)4.6eV-3.3eVZnMgO/ZnO量子阱2DEGCdZnO合金Cd70%能帶調(diào)節(jié)3.3eV-1.85eVZnO/ZnCdO/ZnO單量子阱(MOCVD)BeZnO合金B(yǎng)eO直接帶隙(10.6eV)Be68%能帶調(diào)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45可編輯課件PPTZnO基納米結(jié)構(gòu)2001年藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)ZnO自組裝納米線陣列紫外受激發(fā)射的實(shí)現(xiàn)，引起了人們對(duì)ZnO納米材料與器件研究的極大興趣。46可編輯課件PPTZnO的能帶結(jié)構(gòu)47可編輯課件PPTZnO的PL光譜48可編輯課件PPTZnO的制備技術(shù)49可編輯課件PPTZnO的器件應(yīng)用50可編輯課件PPTZnO基PIN發(fā)光二極管LED51可編輯課件PPTSiC單晶的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙，Eg=2.4~3.1eV與多形體結(jié)構(gòu)有關(guān)52可編輯課件PPTSiC晶體制備—升華法1995年，飛利浦實(shí)驗(yàn)室的Lely提出用升華法制備SiC單晶，隨后通過(guò)改進(jìn)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。53可編輯課件PPTSiC薄膜的制備化學(xué)氣相外延(CVD)54可編輯課件PPTSiC的晶體質(zhì)量和器件進(jìn)展55可編輯課件PPTSiC制備LED器件56可編輯課件PPTSiC基紫外探測(cè)器57可編輯課件PPTSiC基場(chǎng)效應(yīng)晶體管58可編輯課件PPT總結(jié)寬帶隙半導(dǎo)體GaN、ZnO、SiC等作為第三代半導(dǎo)體是發(fā)展高功率、高頻、高溫電子器件以及短波長(zhǎng)光電器件的理想材料。寬帶隙半導(dǎo)體材料要必須解決包括體材料、外延生長(zhǎng)、摻雜和器件工藝的一系列基本科學(xué)問(wèn)題。研究和發(fā)展寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件被公認(rèn)是占領(lǐng)光電信息技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。目前已經(jīng)涌現(xiàn)了一批商業(yè)化實(shí)用器件，在軍民應(yīng)用領(lǐng)域起到重要作用。59可編輯課件PPT接下來(lái)課