北京大学GaN半导体课件..ppt

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） MOCVD MBE 自组织生长 RHEED 主要有两类： 立方晶 cubic 六方晶 wurtzite 晶格常数: Si:5.43A, Ge:5.658A GaAs:5.56A, GaN: c=5.189A,a=3.192A 2 半导体合金材料 例1 第二节 异质结界面的晶格失配 第四节分子束外延法（MBE） MBE生长 （1）表面净化 加温 GaAs 573 oC 离子照射 H原子照射。 赫伯特-克勒默-个人概述 ???? ?赫伯特-克勒默，来自美国加利福尼亚大学，他于1952年获得德国哥丁根大学理论物理学硕士学位，毕业后一直致力于研究半导体设备。1963年，他提出了双异质结构激光的概念，是这一领域的先驱之一，他所提出的概念远远超出了当时在半导体领域的研究水平。八十年代时，这种理念和相应的技术才被大量应用开来。在到美国加利福尼亚大学从事实验研究之后，他研究出多种实用半导体技术，涵盖了高性能设备、材料研究、固态物理等诸多新兴领域。出色的研究成果曾为他赢得了多项国内外大奖 1 MBE特点： MOCVD:1030 OC MBE: 700OC 2生长条件：V/III ratio，衬底温度。 In situ Si RHEED 像 高能电子衍射 Reflection High Energy Electron Diffraction Growth mechanisms Self Assembed structures 量子点激光器 量子点探测器 芯片白光 * * 预备知识 1960年前后，最早由 H.Kroemer 和 Zh.I.Alferou 等提出异质结构的概念。 阿耳费罗夫与克勒默(Kroemer)分享2ooo年诺贝尔物理学奖。 1970年，贝尔实验室的潘尼希（Ｍorton Panish）和哈亚希(Izuo Hayashi)成功地实现了双异质结半导体激光器的室温连续工作。 第一章 半导体异质结简介 同质结：由同一种半导体材料不同掺杂区构成的结。 如p-n结。 异质结： 由不同半导体材料构成的结。 同型异质结 (nN, pP) 异型异质结 (nP or pN) 异质结构概念 半导体激光器 具有不同禁带的材料构成的异质结，在能带图上形成局域化的跳变。这种势能错开提供了一个可控制载流子的势垒。提高注入效率。 能带错开可以用来将载流子限制在所需的区域。例如半导体激光器中的双异质结。 通过选择异质结两边的材料，可以控制在发光的区域（直接禁带材料）、吸收光的区域和透明的区域（窗口层）。 异质结两边具有不同折射率的材料，可以用来构成波导，将光限制在选择的区域。 异质结的用途： n1 n2 n2 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 第一节 材料的一般特性 信息电子等方面的应用需要，如通讯，显示等 半导体器件：发光，探测， 半导体材料选择：Si， Ge， GaAs，GaN 衬底 n型区 p型区 有源区 衬底的选取 有源区材料的选取: l(mm)=1.24/Eg(eV) (2.1.1) 特定波长可通过调节Eg获得。 不同材料Eg不同 合金 量子阱 材料的实现； 外延生长 质量评价 结构特性：XRD 光学特性: PL 电学特性:霍尔， I-V 1 晶格结构 形成异质结 1双原子层堆积 2 偶极层 立六方结构 1 稳态与亚稳态 2 与衬底的关系，Si衬底技术 3 相的混入与抑制 4 超晶格？ (0001) GaN的生长极性（Polarity of Wurtzite GaN） N-Face Ga-Face (0001) 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(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x + Eg(AlN)*(1-x) – b*x*(1-x) superlattice Phase separation A B A B 对直接禁带半导体材料，材料的禁带宽度满足： Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x + Eg(InN)*(1-x) – b*x*(1-x) Eg(GaxAl1-xN)=Eg