宽带隙半导体材料.ppt

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1、第五章宽带隙半导体材料光电子材料与器件OptoelectronicMaterialsandDevices1宽带隙半导体材料的优势半导体材料的带隙宽度(Bandgap)是半导体材料自身固有的基本属性，半导体材料的带隙宽度决定了其制成器件的工作温度区域和工作光学窗口。第一、二代半导体像Ge、Si、GaAs、InP这些对信息技术发展起了关键推动作用的半导体材料的带隙都小于2eV，相应的工作温区不超过250度，工作光学窗口在近红外以内。随着信息技术的迅猛发展，发展高功率、高频、高温电子器件以及短波长光电器件已经成为迫切需求，研究发展宽带隙半导体，以突破现有半导体器件的工作高温限制和短波限制

2、。2什么是宽带隙半导体？从学术角度难以对其带隙宽度范围给予界定，通常是相对于目前主流半导体材料以及半导体技术应用发展前景来界定宽带隙半导体材料的带隙界限。早先人们把带隙宽度大于2.2eV的半导体材料称作“宽带隙半导体”，近来人们又把宽带隙半导体定义为超过2.5eV的半导体材料。3最受重视的宽带隙半导体III族氮化物，包括GaN，InN，AlN，以及三元合金AlGaN,InGaN，四元合金InGaAlN，都是直接带隙半导体材料。IV-IV族氮化物，包括SiC(2.4~3.1eV)和金刚石薄膜(5.5eV)，都是间接带隙半导体材料。ZnO基氧化物，主要是ZnO(3.3~4.0eV)及其

3、三元合金ZnMgO,ZnCdO,是直接带隙半导体材料。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,是直接带隙半导体材料。4制备蓝光LED的宽带隙半导体5III族氮化物研究发展早期对GaN研究重要贡献的学者：IsamuAKASAKIHiroshiAMANOShujiNakamura6氮化物研究的几个重大突破1986年，日本的科学家Amano和Akasasi利用MOCVD技术在AlN缓冲层上生长得到高质量的GaN薄膜。随后他们利用低能电子束辐照(LEEBI)技术得到了Mg掺杂的p型GaN样品，视为GaN

4、研究发展的另一重大突破。1989年，他们研制出第一个p-n结构的LED。7同一时期，日本日亚(Nichia)公司的中村修二(Nakamura)等人利用低温GaN缓冲层同样在蓝宝石衬底上得到高质量的GaN薄膜，并采用氮气(N2)或真空气氛下退火得到p型GaN。中村等人在随后短短三年多时间内在GaN基发光器件方面实现了三大跨越：1994年第一支GaN基高亮度蓝光LED，1995年第一支GaN基蓝光LD，1998年连续工作蓝光LD的寿命达到6000小时。日亚公司也在这个时期实现了GaN基蓝绿光LED和LD的商品化。由于中村在蓝光LED领域的出色工作，他被称为“蓝光之父”。8部分化合物半导

5、体的带隙宽度9氮化物三元合金的X射线衍射谱10宽带隙半导体材料的特点压电性与极化效应高热导率小介电常数极高临界击穿电场耐高温、抗辐射大激子束缚能巨大能带偏移11宽带隙半导体材料的技术应用短波长发光器件短波长发光二极管LED短波长激光器LD高温、高功率、高频电子器件(HEMT)III族氮化物电子器件SiC电子器件金刚石半导体电子器件探测器紫外探测器、太阳盲紫外探测器、粒子探测器12面临的几个科学技术问题从总体上来说，宽带隙半导体材料要达到第一代、第二代半导体技术的水平，还必须解决包括体材料、外延生长、掺杂和器件工艺的一系列基本科学问题，主要包括：缺乏实用性的体单晶材料晶体质量较差，缺

6、陷密度高化学比的偏离与掺杂的不对称性13III族氮化物的晶体结构III族氮化物有三种通常的晶体结构：纤锌矿结构，闪锌矿结构，岩盐结构。纤锌矿结构是III族氮化物的热力学稳定结构。密排原子面的堆垛顺序不同：纤锌矿结构沿着(0001)的堆垛顺序为ABABAB；闪锌矿结构沿着(111)的堆垛为ABCABC。14SiC和ZnO的晶体结构ZnO晶体结构与GaN晶体结构类似，同样存在纤锌矿结构与闪锌矿结构，目前研究发现稳定结构为纤锌矿结构。SiC晶体的特征是存在多达200多种的同质异构体，区别仅在于Si-C双原子层的堆垛次序不同。常见的结构有3C、4H、6H-SiC。15GaN的极性(pola

7、rity)16自发极化和压电极化17纤锌矿GaN中自发极化的来源18极化诱导界面电荷积累19AlGaN/GaN异质结中的二维电子气20外延GaN的衬底材料212GaN异质外延生长22III族氮化物与蓝宝石衬底的失配23异质外延GaN层的临界厚度24GaN外延技术：MOCVD和MBE25Compact21阴极荧光谱(CL)用于缺陷表征26横向外延GaN—降低位错密度27ELO-GaN制备长寿命激光器28HVPE用于GaN厚膜外延29GaN体材料在高亮LED应用中优势30