06章-Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体课案.ppt

半导体材料;第六章　III－V族化合物半导体;III-V族化合物半导体是由周期表中IIIA和VA族元素化合而成。 几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。 　　1952年Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半导体，而且某些化合物半导体如GaAs、InP等具有Ge、Si所不具备的优越特性(如电子迁移率高、禁带宽度大等等)，可以在微波及光电器件领域有广泛的应用，因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。 　　但是，由于这些化合物中含有易挥发的Ⅴ族元素，材料的制备远比Ge、Si等困难。到50年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生长出了GaAs、InP单晶，但由于晶体太小不适于大规模的研究。 　　1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半导体晶体，1965~1968年Mullin等人第一次用三氧化二硼(B2O3)做液封剂，用LEC法生长了GaAs、InP等单晶材料，为以后生长大直径、高质量Ⅲ-Ⅴ族单晶打下了基础。 ;6-1-1 Ⅲ-V族化合物半导体的晶体结构;闪锌矿型结构; Zn2+(Ga)分布于晶胞之角顶及所有面的中心。 S2-(As)位于晶胞所分成的八个小立方体中的四个小立方体的中心。;　　在闪锌矿结构中，Ⅲ族元素原子与V族元素原子的价电子数是不等的，关于它们之间价键的形成机构有几种说法。 　　一种认为是由V族原子的5个价电子中拿出一个给Ⅲ族原子，然后它们相互作用产生sp3杂化，形成类似金刚石结构的共价键。 　　例如，GaAs的Ga原子得到一个价电子变成Ga-，As原子给出一个价电子变成As+离子。它们按上述说法键合时，虽说是以共价键为主，但由于Ga-和As+离子的电荷作用而具有离子键性质；　;（a）碳的sp3杂化轨道； （b）甲烷正四面体模型;　　另一种认为在闪锌矿型晶体结构中，除Ga-和As+形成的共价键外，还有Ga3+和As3-形成的离子键，因此Ⅲ-V族化合物的化学键属于混合型。 由于离子键作用，电子云的分布是不均匀的，它有向V族移动的趋向，即产生极化现象。这样导致在V族原子处出现负有效电荷，Ⅲ族原子处出现正有效电荷。;　　Ⅲ-V族化合物??导体的离子键成分与其组成的Ⅲ族和V族原子的电负性之差有关。两者差越大，离子键成分就越大，而共价键成分就越小。 　　例如，GaP的Ga原子的电负性是1.6，P原子电负性是2.1，它们相差0.5。由课本的化合物原子电负性差与离子键的成分关系图（图6-2）可查出相对应的离子键成分为7.5％，也就是说GaP中共价键成分可能是92.5％。 　　但GaP为闪锌矿型，最靠近Ga原子的P原子共有四个，而Ga原子的价电子只有3个，所以Ga原子只能和3个P原子形成共价键，因此从整个晶体来考虑，共价键成分应等于92.5×3／4=71％，所以离子键成分占29％。;　　纤维锌矿结构为：六方晶系、六角密堆积结构，离子键起主要作用。 ;6-1-2 Ⅲ一V族化合物半导体的能带结构;Ⅲ一V族化合物半导体的能带结构;　在室温下，电子处在主能谷中，因为在室温时电子从晶体那里得到的能量只有0.025eV，很难跃迁到X处导带能谷中去。 　电子在主能谷中有效质量较小(m=0.07m0)，迁移率大；而在次能谷中，有效质量大(m=1.2m0)，迁移率小，但状态密度比主能谷大。 　　当外电场超过一定值时，电子可由迁移率大的主能谷转移到迁移率较小的次能谷，而出现电场增大电流减小的负阻现象，这是制作体效应微波二极管的基础。 ;Ⅲ一V族化合物半导体的能带结构;GaP的能带结构;GaP发光机理;GaP发光机理; 若晶体中掺入周期表中同族的元素（价电子数相同），它们处于替代位置，由于其对电子吸引力的大小不同，会吸引电子和空穴，晶体中这类元素称为等电子陷阱。 　　例如GaP中掺入氮时，氮原子取代磷原子的位置而呈电中性。但氮原子的电子亲合力比磷原子大，因此氮原子可俘获一个电子而带负电，由于库仑力的作用，带负电的氮原子又吸引一个空穴而形成束缚激子状态。产生这种束缚是方阱束缚，是一种短程力，即阱内有力，阱外无力，作用只限于阱宽，因此束缚使陷阱内电子局限在一个局部的范围。 　　根据量子力学的测不准关系△p△x≥h，当电子的△x十分小时，它的动量变动范围就很大，即是扩展了，也就是在是k=0处也会有一定数目的电子，这些电子便可不借声子的帮助而直接跃迁，从而大大提高了发光效率。 ;光波长（颜色）的控制;红、橙、黄、绿、蓝、靛(青）、紫 红：780-630nm 橙：630-590nm 黄：590-550nm 绿：(550-490nm), 蓝：(490-440nm), 紫