2015第2次课-第二章半导体异质结的组成与生长ppt课件.ppt

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1、第二章半导体异质结的组成与生长问题？立方晶与六方晶的区别与联系维达定理半导体合金材料（用途）MOCVDMBE自组织生长RHEED第一节材料的一般特性第二节异质结界面的晶格失配第三节金属有机物化学气相外延生长第四节分子束外延法（MBE）内容(1)晶格结构立方晶六方晶晶格常数:Si:5.43A,Ge:5.658AGaAs:5.56A,GaN:c=5.189Å,a=3.192Å第一节材料的一般特性1晶格结构1双原子层堆积2偶极层2立六方结构3六方晶GaN的极性(0001)N-FaceGa-Face(0001)两个面具有不同的表面结构、组成和化学特性,薄膜生长、掺杂和所含缺陷也有着极大的影响氧氢的

2、吸附化学腐蚀特性也恰恰相反,氧、铝等杂质则更易于进入氮面的氮化稼薄镁的引入会导致薄膜极性的变化。4氮化镓材料的极化5晶体结构测量例对于c=5.189,(0002)面d=c/l=2.59452dsin=nq=arcsin(l/2d)=arcsin(1.5443/5.189)=17.312q=34.62deg6半导体合金材料把两种半导体A和B混合成合金时，（1）混合材料的晶体结构。（2）原子在合金材料内的分布状况。设x为材料A的量，形成AxB1-x时，有以下几种情况：#两种材料分布在材料的不同区域，形成分凝相。在每个合金点上，A原子占据的概率为x,B原子占据的概率为(1-x).形成随机合金

3、材料。A原子和B原子按一定规则形成周期结构，形成超晶格。在三元合金情况下,如GaAlAs,GaAlN,InGaN.禁带宽度随组分.Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(InN)*(1-x)–b*x*(1-x)Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)禁带宽度的经验公式b适用范围InGaN3.2(strained)X<0.20AlGaN0.25(strained)X<0.25InGaN3.8(unstrained)X<0.20Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179对直接禁带半导体材料，材料

4、的禁带宽度满足：AlGaAs,AlGaN,InGaN.等应用广泛,波长调节光限制载流子限制第二节异质结界面的晶格失配晶格匹配：异质结的两种材料的晶格常数要尽可能匹配。1悬挂键2界面态3由界面态引起的非辐射复合。为什么要晶格匹配：悬挂键密度等于交界处键密度之差.SL包含在这个面中的键数为2.可以看出，在（111）面上，异质结界面态密度最小。然而实际的器件结构中，由于（110）面易于解理这一性质，常常利用它来作光学谐振腔面。相应地，与其垂直的（100）常被用来作外延生长的异质结界面。因而，其界面态密度相对于其它晶面要高一些。=2.31=2.83=4第三节金属有机物化学气相外延生长制造衬底材料加

5、工制成晶片GaN外延生长制成外延晶片LED晶片制造制成LED晶粒LED晶粒封装制成LED成品蓝宝石Al2O3衬底GaN缓冲层n型GaN层InGaN量子阱发光层p型GaN层外延片外延层衬底层外延片晶体生长过程是物质从其它相转变为结晶相的过程晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种，即气相、液相和固相。由气相、液相固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。液相生长:液体固体气相生长:气体固体DepositionofalayeronasubstratewhichmatchesthecrystallineorderofthesubstrateHomoepitaxyGrowthofalay

6、erofthesamematerialasthesubstrateSionSiHeteroepitaxyGrowthofalayerofadifferentmaterialthanthesubstrateGaAsonSiEpitaxialgrowth:材料外延生长技术直拉法是生长元素和III-V族化合物半导体体单晶的主要方法。该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。液相外延生长的基础是溶质在液态溶剂内的溶解度随温度降低而减少。因此一个饱和溶液，在它与单晶衬底接触后被冷却时，如条件适宜，就会有溶质析出，析

7、出的溶质就外延生长在衬底上。这里所述的外延，是指在晶体结构和晶格常数与生长层足够相似的单晶衬底上生长，使相干的晶格结构得以延续液相外延MOCVD金属有机物化学气相沉积（MetalorganicChemicalVapor-phaseDeposition）也称为MOVPE（金属有机物气相外延MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）。它是在60年代末由Manasevit提出。已成为介观物理、半导体材料和器件