第5章获取材料II.ppt

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1、第五章信息获取材料第五章信息获取材料信息功能材料信息功能材料5.4 元素半导体光电材料元素半导体光电材料理想的晶体在绝对零度时存在一个空的导带，由一个禁理想的晶体在绝对零度时存在一个空的导带，由一个禁带把导带与填满的价带隔开，随着温度上升，由于热激带把导带与填满的价带隔开，随着温度上升，由于热激发而产生发而产生 n-p 对，引起导电势，这种性质叫做对，引起导电势，这种性质叫做本征半导本征半导电性电性，电子和空穴具有相同的浓度：，电子和空穴具有相同的浓度：一、一、Si 和和 Ge 的结构特征和电学性质的结构特征和电学性质)()2exp(2/3npiigienkTEUTn由此得到：1.本征性质本征

2、性质典型的禁带宽度：典型的禁带宽度：Si 1.12 eV Ge 0.665 eV四方面的特点：四方面的特点：理想的晶体是不存在的，由于实际半导体中化理想的晶体是不存在的，由于实际半导体中化学杂质和结构缺陷或多或少为存在，影响平衡学杂质和结构缺陷或多或少为存在，影响平衡时电子和空穴的相对浓度。但是：时电子和空穴的相对浓度。但是：施主和受主相等浓度导致类似本征材料的状况。施主和受主相等浓度导致类似本征材料的状况。杂质能级如果靠近相应能带边缘，则为杂质能级如果靠近相应能带边缘，则为浅位杂浅位杂质质，反之为，反之为深位杂质深位杂质。前者是。前者是III族和族和V族的全族的全部元素，后者有过渡金属等。部

3、元素，后者有过渡金属等。2.非本征性质非本征性质2innp 热振动、杂质和结构缺陷是晶体周期的不完整性的热振动、杂质和结构缺陷是晶体周期的不完整性的三个方面。三个方面。缺陷的重要性主要在于它们对迁移率、复合和俘获缺陷的重要性主要在于它们对迁移率、复合和俘获现象的影响，主要有现象的影响，主要有点缺陷点缺陷、线缺陷线缺陷和面缺陷。和面缺陷。点缺陷是集中在晶体中单点的结构缺陷，包括空位点缺陷是集中在晶体中单点的结构缺陷，包括空位和填隙等；和填隙等；线缺陷是沿着一条件集中的不完整性，也叫做位错，线缺陷是沿着一条件集中的不完整性，也叫做位错，如：应力作用下产生的某些平面滑移等；如：应力作用下产生的某些平

4、面滑移等；人们对面缺陷的研究知之甚少，相对来说也不太重人们对面缺陷的研究知之甚少，相对来说也不太重要。要。3.晶格的结构缺陷晶格的结构缺陷在实际应用中，电子和空穴的浓度往往是偏离平衡浓度在实际应用中，电子和空穴的浓度往往是偏离平衡浓度的，即所谓的非平衡现象是普遍存在的。的，即所谓的非平衡现象是普遍存在的。如果：如果：那么，可以定义那么，可以定义 t t 为少数载流子寿命。再由为少数载流子寿命。再由Einstein关关系可以得到扩散率和扩散长度：系可以得到扩散率和扩散长度：在最初的半导体晶体中，截流载流子寿命仅受复合过程在最初的半导体晶体中，截流载流子寿命仅受复合过程限制，因为当时注重于减少俘获

5、效应；但是在半导体辐限制，因为当时注重于减少俘获效应；但是在半导体辐射探测器的研究中，往往是由测量出的电荷收集效率来射探测器的研究中，往往是由测量出的电荷收集效率来推导电荷载流子的寿命的。推导电荷载流子的寿命的。4.半导体辐射探测器的有效载流子浓度半导体辐射探测器的有效载流子浓度t/0)(tentnttDDLektD2/1)(/Eg(Si)=1.12 eV Eg(Ge)=0.67 eV，两者的本征型探测器，两者的本征型探测器远不如远不如PbS探测器，所以要引入杂质。探测器，所以要引入杂质。1.非本征非本征 Si 材料的特性材料的特性引入杂质在引入杂质在Si禁带中建立起相应的局部能态，外界红外禁

6、带中建立起相应的局部能态，外界红外辐射会引起杂质能级的光激励，光电导响应与这些能级辐射会引起杂质能级的光激励，光电导响应与这些能级到导带或满带的电子或空穴跃迁有关。到导带或满带的电子或空穴跃迁有关。2.非本征非本征 Si 探测器的特点探测器的特点硅的介电系数低，具有合适能级的杂质的溶解性高，所硅的介电系数低，具有合适能级的杂质的溶解性高，所以能够制成红外吸收系数较大的非本征型硅探测器。以能够制成红外吸收系数较大的非本征型硅探测器。3.非本征硅探测器的应用：非本征硅探测器的应用：热成像技术，红外探测器。热成像技术，红外探测器。二、非本征硅红外探测器材料二、非本征硅红外探测器材料5.5 III-V

7、族化合物半导体光电材料族化合物半导体光电材料GaAs的禁带宽度比的禁带宽度比Si稍微高一点，有利于制作在较高温稍微高一点，有利于制作在较高温度下的器件；其迁移率较高，约是度下的器件；其迁移率较高，约是Si中电子的中电子的5倍。倍。GaAs为闪锌矿结构，密度为为闪锌矿结构，密度为5.307g/cm-3，主要为共价键，主要为共价键形式。能带结构为直接跃迁型，有较高的发光效率。其形式。能带结构为直接跃迁型，有较高的发光效率。其禁带中浅杂质电离能小。禁带中浅杂质电离能小。一、一、GaAs体系光电薄膜的量子阱、超晶格结构体系光电薄膜的量子阱、超晶格结构1.GaAs材料的特性材料的特性GaAs单晶的制备主

8、要有：单晶的制备主要有：GaAs的合成，的合成，As蒸气压蒸气压的控制。图为水平舟生长的控制。图为水平舟生长法。法。（1）半导体超晶格、量子阱的概念）半导体超晶格、量子阱的概念能够对电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势能够对电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势场称为量子阱。场称为量子阱。半导体的超晶格结构与多量子阱结构相似。半导体的超晶格结构与多量子阱结构相似。2.半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料（2）半导体超晶格、）半导体超晶格、量子阱的能带结构特量子阱的能带结构特点点量子阱和超晶格能带量子阱和超晶格能带结构，特别是能带在结构，特别是能带在异质结处的形状，对异质结

9、处的形状，对其量子效应起着决定其量子效应起着决定性的作用，而能带结性的作用，而能带结构又取决组成材料的构又取决组成材料的物理化学性能以及界物理化学性能以及界面附近的晶体结构。面附近的晶体结构。2.半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料（3）半导体超晶格、量子阱的分类）半导体超晶格、量子阱的分类 按组成材料的晶格匹配程度可分为：晶格匹配量子阱按组成材料的晶格匹配程度可分为：晶格匹配量子阱与超晶格与超晶格 和和 应变量子阱与超晶格。应变量子阱与超晶格。按组成材料的成分来分：固定组分量子阱与超晶格、按组成材料的成分来分：固定组分量子阱与超晶格、组分比渐变超晶格与量子阱组分比渐变超晶格与量子

10、阱 和和 调制掺杂的量子阱与超调制掺杂的量子阱与超晶格。晶格。一维、二维、三维量子阱与超晶格。一维、二维、三维量子阱与超晶格。（4）半导体超晶格、量子阱的一般应用）半导体超晶格、量子阱的一般应用 超高速、超高频微电子器件和单片集成电路；超高速、超高频微电子器件和单片集成电路；高电子迁移率晶格管（高电子迁移率晶格管（HEMT），异质结双极晶体管），异质结双极晶体管（HBT），量子阱激光器、光双稳态器件（），量子阱激光器、光双稳态器件（SEED）。）。2.半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料（1）I类红外类红外超晶格材料超晶格材料利用量子遂穿利用量子遂穿效应，形成垂效应，形成垂直于层面

11、的电直于层面的电流超晶格流超晶格材料。材料。AlGaAs/GaAs3.超晶格量子阱红外探测器材料超晶格量子阱红外探测器材料vcgggEEAEBEE)()(（1）I类红外超晶格材料类红外超晶格材料量子红外探测器（量子红外探测器（QWIP）是利用较宽带材料制作的，是利用较宽带材料制作的，并且采用了量子阱结构。并且采用了量子阱结构。3.超晶格量子阱红外探测器材料超晶格量子阱红外探测器材料（1）II类应变红外超晶格材料类应变红外超晶格材料由于由于InAsSb和和InSb之间的晶格常数相关较大，因些属于之间的晶格常数相关较大，因些属于应变超晶格结构。应变超晶格结构。3.超晶格量子阱红外探测器材料超晶格量

12、子阱红外探测器材料InAsSb/InSbvcgEEE（2）II类应变红外超晶格类应变红外超晶格材料材料:用用MBE或或MOCVD工艺在工艺在衬底上生长缓冲层。这种衬底上生长缓冲层。这种材料应用如下特点：材料应用如下特点：键强度好，结构稳定；键强度好，结构稳定；均匀性好；均匀性好；波长易控制；波长易控制；有效质量大；有效质量大；隧道电流小；隧道电流小；3.超晶格量子阱红外探测器材料超晶格量子阱红外探测器材料（3）III类红外超晶格材料类红外超晶格材料以以 Hg 为基础的超晶格材料。交替生长为基础的超晶格材料。交替生长HgTe和和CdTe薄层。薄层。特点如下：特点如下：3.超晶格量子阱红外探测器材

13、料超晶格量子阱红外探测器材料禁带宽度和响应禁带宽度和响应截止波长由截止波长由HgTe层厚度控制；层厚度控制；有效质量比较大；有效质量比较大；p型型HgTe-CdTe超晶格有极高的超晶格有极高的迁移率。迁移率。InSb是一种直接跃迁型窄带宽化合物半导体，具有是一种直接跃迁型窄带宽化合物半导体，具有电子迁移率高和电子有效质量小的特点。电子迁移率高和电子有效质量小的特点。它适于制备光伏型、光导型和光磁电型三种工作方它适于制备光伏型、光导型和光磁电型三种工作方式的探测器，各自有不同的特点优势。式的探测器，各自有不同的特点优势。提纯工艺和单晶制备工艺的发展，到上个世纪中期，提纯工艺和单晶制备工艺的发展，

14、到上个世纪中期，用优质用优质InSb单晶制备单元光电探测器已达到背景限。单晶制备单元光电探测器已达到背景限。红外光电技术的发展使其经历了从单元向多元、从红外光电技术的发展使其经历了从单元向多元、从多元线列向多元线列向红外焦平面阵列红外焦平面阵列 IRFPAIRFPA发展的过程。发展的过程。InSb薄膜有同质外延与异质外延之分，前者已经有薄膜有同质外延与异质外延之分，前者已经有人用磁控溅射法和人用磁控溅射法和MBE法进行了生长。法进行了生长。二、二、InSb光电材料特性光电材料特性 GaN基基III-V族氮化物宽带隙半导体通常是族氮化物宽带隙半导体通常是GaN、AlN和和InN等材料。禁带宽度一

15、般在等材料。禁带宽度一般在2eV以上。以上。其结构上具有多型性，上面三种通常都表现为纤锌其结构上具有多型性，上面三种通常都表现为纤锌矿矿2H型结构，也可以形成亚稳态的型结构，也可以形成亚稳态的3C结构。氮化物结构。氮化物材料的外延生长主要是基于金属有机物气相外延和材料的外延生长主要是基于金属有机物气相外延和MBE方法。方法。GaN是直接带隙材料，在禁带宽度以上材料的光吸是直接带隙材料，在禁带宽度以上材料的光吸收系数增加很快，因此表面效应影响较大，设计和制收系数增加很快，因此表面效应影响较大，设计和制造时要注意。造时要注意。III-V族氮化物用于紫外光电探测器的另一个特点是：族氮化物用于紫外光电

16、探测器的另一个特点是：此材料可以用外延生长方法形成三元合金体系，并改此材料可以用外延生长方法形成三元合金体系，并改变三族元素的组分比例。变三族元素的组分比例。三、三、GaN光电薄膜特性及其在紫外探测中的应用光电薄膜特性及其在紫外探测中的应用1.III-V族氮化物材料的特性族氮化物材料的特性 为了获得高质量的薄膜，需要有一种理想的衬为了获得高质量的薄膜，需要有一种理想的衬底材料，它应该与底材料，它应该与GaN有着完美的晶格匹配和热有着完美的晶格匹配和热匹配。匹配。SiC、MgO和和ZnO等是与氮化物匹配性较等是与氮化物匹配性较好的材料。好的材料。蓝宝石，具有六角对称性，容易加工，虽然与蓝宝石，具有六角对称性，容易加工，虽然与GaN之间的晶格失配较大，但适当的缓冲层的蓝之间的晶格失配较大，但适当的缓冲层的蓝宝石衬底可以有效地改善薄膜质量。宝石衬底可以有效地改善薄膜质量。缓冲层有缓冲层有GaN和和AlN两种，外延生长用两种，外延生长用AlN作为作为缓冲层可以提高薄膜质量。缓冲层可以提高薄膜质量。采用低温采用低温GaN缓冲层生长缓冲层生长GaN薄膜同样可以提薄膜同样可以提高质量。高质量。2.I