化合物半导体材料与器件基础.ppt

化合物半导体器件 Dai Xian-ying 化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院戴显英2013.8 Dai Xian-ying 第二章 化合物半导体材料 与器件基础 半导体材料的分类 化合物半导体材料的基本特性 Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 2.1 半导体的分类 绝缘体（1018-1010Ωcm），半导体（108-10-3Ωcm），金属（10-4-10-8Ωcm） 绝缘体（禁带宽度Eg大），半导体（禁带宽度Eg小），金属（导带与价带重叠） Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 2.1 半导体的分类 2.1.1 半导体的特征 室温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-3～108Ωcm） 电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性） 两种载流子参与导电（金属只有一种） Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 2.1 半导体的分类 2.1.2 半导体的特性 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变 Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为： 1）元素半导体 2）化合物半导体 3）合金（固溶体） 2.1.3 元素半导体 C（金刚石）,Si, Ge, Sn 晶格结构：金刚石 能带结构：间接带隙 Sn: 0.08 eV Ge: 0.67 eV Si: 1.12 eV C: 5.50 eV Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 2.1.4 化合物半导体 Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形成， 如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。 Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形成， 如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等 Ⅳ-Ⅳ族：SiC Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 二元化合物半导体特点： 1）大部分是直接能带隙 （对光电器件很重要）； 2）有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上； 3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片(晶圆片）。 2.1.4 化合物半导体 我们还需要更多！ 重要的二元化合物半导体： 1）GaAs：第二代半导体 2）GaN与SiC:第三代半导体(宽禁带半导体） Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 2.1.5 合金半导体 二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、 InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1-YAsXSb1-X 合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。 特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。 Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 2.1.5 合金半导体 三元合金的禁带宽度与晶格常数关系 三元合金变化趋势： ①晶格常数： 与组分呈线性关系 ②禁带宽度： 与组分呈二次方关系 ③有效质量： 与合金组分成二次方 和单调关系 三元合金半导体：由二元化合物和一种元素组成 Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类 2.1.5 合金半导体 三元或四元合金半导体的基片（衬底）： 二元化合物半导体，如 GaAs、InP 异质结构： 晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度Eg不同。 三元合金半导体： 与二元不匹配；但一个例外，AlGaAs与GaAs晶格匹配。 四元合金半导体： 容易与二元衬底匹配 Dai Xian-ying 2.1 半导体材料的分类