第5章 获取材料I.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章信息获取材料,信息功能材料,5.1,概述,光电子材料是伴随着“光电子学”和“光电子工业”的产生而迅速发展的新型功能材料，即能够实现,光电转换,的一类功能材料。,由于在光电子学中信息的获取、存储和处理等功能是由,光子,和,电子,联合完成的，而信息的传输则纯粹由光子完成，所以光电子材料是实现光子作为更高频率和速度的信息载体的物质基础，是制作高性能、小型化、集成化的光电子器件的原料。,它主要包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料。,目前信息获取材料主要为光电信息材料，其中最主要的是,光电探测器,材料。,5.2,光电材料的物理基础,半导体与光的相互作用，最为典型与常见的就是光入射到半导体上时，一部分被反射，一部分被吸收或都透射过半导体。,决定这些相互作用的物理基础是能带结构。决定半导体光学性质的最重要的因素,波长，在红外线、可见光的范围内，这是因为几乎所有半导体的带隙能量都处在这个波长范围内。,常用光的波长约为半导体晶格常数的,1000,倍以上，因此半导体的光学性质可以用宏观的晶体光学中的折射率和吸收系数来表达。即电磁波（光）在半导体内传播的现象可以用,Maxwell,电磁方程来表示。,一、半导体与光之间的相互作用,1.,高双折射光纤,假设电磁波的波矢设定为，则介电常数可以这样表示：,这样，复折射率：,2.,半导体和电磁波之间的相互作用,光入射进半导体：入射光子的能量,hv,大于半导体的禁带宽度,Eg,时,将产生吸收。,本征吸收通常指的是带间吸收。半导体本征吸收的特点是在不大的光谱范围内吸收系数突然增大。,本征吸收限,：吸收系数突然增至很大的光波长或频率。可以根据它来确定禁带宽度。,带间吸收跃迁必须满足能量与动量守恒，且有两种跃迁：直接和间接跃迁，相应得出两种不同类型的半导体：,直接,带隙半导体：化合物半导体,GaAs,、,GaSb,、,InP,、,InAs,和,Zn,Cr,Pb,的硫化物；,间接,带隙半导体：,Ce,、,Si,、,GaP,。,二、半导体的光吸收,1.,本征吸收,（,1,）强电场下的本征吸收,夫兰茨凯尔迪什效应：,时，光子隧道效应能带倾斜，且：,电场对吸收系数的影响比较复杂。由于,Stark,效应，强电场时原子发射谱线发生移动和分裂。这些能谱的间距为：,2.,电场、压力和温度对本征吸收的影响,a,为电场方向的晶格常数。,（,2,）压力对本征吸收限的影响,压力改变原子间距，从而改变禁带宽度，进而再改变本征吸收限。（应用：力敏元件）,2.,电场、压力和温度对本征吸收的影响,（,3,）温度的影响,能级粒子数由,Fermi-Dirac,分布函数决定，此函数包括温度和,Fermi,能级。,温度也能通过改变禁带宽度来改变本征吸收限。温度越高，本征吸收限越向低能量方向移动。由以下两种效应引起：,一、在温度升高时，晶体膨胀，晶格原子距离增大，导致禁带宽度减小；,二、温度升高，晶格振动增强，电声作用增强，从而导致允许能带的增宽和禁带宽度的减小。,2.,电场、压力和温度对本征吸收的影响,3.,激子吸收,激子：,如果在能量为的光子作用下，价带的电子受到激发但尚不能进入导带成为自由电子，即仍然受到空穴库仑场的作用，则会形成相互束缚的受激电子空穴对，对外呈中性。这种彼此相互束缚的受激电子和空穴组成的系统称为,激子,。,自由激子是吸收能量为 的光子形成的。,为自由激子的束缚能，也是将自由激子离解为自由电子和自由空穴所需要的能量：,M,为电子和空穴的折合质量。,半导体中可以掺入等价替位式杂质，则可以形成以这个杂质为中心的等电子陷阱或,等电子中心,，它可以束缚激子，所需要的能量比自由激子低一些。由它所束缚的激子可以复合并发射出光子，所以这些杂质中心也称为等电子,复合中心,。,原理：如果杂质原子位于晶格原子之上，则它的电子亲和势较大，可以先束缚一个电子，再利用库仑力吸附一个空穴。,反之，则先束缚一个空穴，再吸附一个电子。,总的效果就是形成等电子中心束缚的激子。,4.,等电子中心束缚激子吸收,杂质能级分为,施主,能级和,受主,能级两种。前者离导带近，后都离价带近。,光子的作用可以使杂质中心电离，即,光致电离,，并且在吸收光谱上有所反映，但光子的能量不应小于杂质电离能。,5.,能带与杂质能级之间的吸收跃迁,当晶体中同时存在施主杂质和受主杂质时，有一部分受主态被占，而一部分施主态空着。这时可以吸收适当能量的光子，而使电子由受主向施主跃迁。所需要的最低能量为：,6.,受主与施主间的吸收跃迁,（,1,）无选择性自由载流子吸收,所谓,自由载流子,是指那些能够在一个允许能带内自由运动并对外界的作用做出反应的载流子。它可以吸收光子，并跃迁到较高的能级。,通常所说的自由载流子吸收是指载流子的吸收跃迁发生在同一能带或亚能带范围之内。,7.,自由载流子吸收,（,2,）有选择性自由载流子吸收,除了,无选择性,载流子外，还可以在单调增长的吸收曲线上观察到附加的吸收带。是载流子从一个亚能带到另一个亚能带，或同能带中从一个能谷跃迁到另一个能量较高的能谷。,光电效应,是指物质在光的作用之下释放出电子的现象，有外光电效应和内光电效应两类。内外取决于吸收光子后电子是否能够逸出半导体之外。,对于均匀半导体，光作用下发生的电性能变化首先是电导的变化，即,光电导现象,；,对于,p-n,结等存在不均匀性的半导体或者处于一定不均匀条件下的均匀半导体，内光电效应的结果是产生光电势，即,光生伏特效应,。,光电效应是物理上把光信号转化为电信号的重要基础。,三、半导体的光电效应,（,1,）本征光电导和杂质光电导,取决于不同类型的吸收跃迁过程。从价带至导带的跃迁引起的光电导称为,本征光电导,。,实现本征光电导的必要条件是：,杂质能带或允许能带之间的跃迁所引起的光电导称为,杂质光电导,。,1.,光电导,深施主能级的,n,型半导体中，电导率不大；,如果受到量子能量则电子从中性施主能级跳至导带，增加了电导率；,在具有深受主能级的,p,型半导体中，如果，使电子从价带向中性受主跃迁，形成电离受主。,1.,光电导,（,2,）光电导灵敏度,表示光电导体把光转变为电流的能力，通常借助比灵敏度,Sp,来表征，研究表明，它只与材料的性质有关，与外加条件无关。,（,3,）表面对光电导的影响,晶体的表面比内部有更多缺陷和杂质，产生表面复合效应，致使表面的载流子寿命比体内的短很多，直接影响比灵敏度。,1.,光电导,（,4,）噪声,光子噪声、热激噪声、产生,-,复合噪声、陷阱效应噪声、,1/f,噪声。,1.,光电导,内建电场是产生光电势一个主要原因，但是均匀半导体中没有内建电场，必须要有附加条件：电子和空穴的迁移率不同（,丹倍,Dember,效应）、存在外加磁场（光磁电效应）。,（,1,）,p-n,结的光生伏特效应,2.,光生伏特效应,V,为正向偏压,;,I,d,为正向暗电流,;,I,s,为反向饱和电流,.,（,2,）异质结的光生伏特效应,主要应用异质结中存在的宽带材料的“窗口效应”，其光谱灵敏区将是带。,（,3,）,Schottky Barrier,光生伏特效应,金属和半导体相接触，形成空间电荷区，能带发生弯曲。,1,）内光电子发射,2,）光生伏特效应,光电压,:,2.,光生伏特效应,I,sci,为短路光电流,I,sa,为反向饱和电流。,（,4,）体积光生伏特效应,1,）丹倍,(Dember),效应,当光垂直照射在半导体表面，形成从表面到体内的载流子浓度梯度，产生扩散，在光的传播方向产生电势差。,2,）光磁电效应,在半导体外加一个与光线垂直的磁场，使得电子和空穴分开。与,Dember,效应不同，磁扩散电流使得样品在电流方向上发生电荷积累，并且在垂直于光传播和磁场方向建立起电场，引起漂移运动。扩散与漂移是两个相反过程，平衡后，形成稳定的光电压。,2.,光生伏特效应,光电子发射（,光电发射,）是指固体在光的照射下向外发射电子的过程，属于外光电效应，主要应用于光探测器和光电变换领域，还可以用来研究固体材料能带结构（称为光电子能谱技术）。,（,1,）体积光电效应,只要电子具有足以从固体逸出的能量，属于表面效应和,体积效应,的两种光电发射现象可以同时存在。,（,2,）半导体的光电发射阈,使电子离开半导体的最低光子能量，用,E,T,表示。对于重掺杂的,n,型半导体：,3.,光电子发射,（,3,）光电发射的物理过程,光电发射过程主要是一种体积过程。可以把它考虑为三个相对独立的过程。,3.,光电子发射,光激发,:,激发特性与半导体的能带结构紧密相关,;,受激电子的扩散,:,受激电子向固体表面扩散并最终到达表面,在该过程中电子发生散射并失去部分能量；,受激电子的逸出,:,受激电子克服电子的亲和势,越过表面势垒,逃逸到真空中。,（,4,）量子效率,为了提高量子发射效率，对半导体材料要求如下：,表面反射系数尽可能低；,电子亲和势尽可能低,（增大逃逸几率）；,较高的光吸收系数；,逃逸深度尽可能大于吸收深度；,禁带宽度要适中：,从光电发射的阈能,E,T,角度来看，,E,g,要小；但从光电子向表面运动时的散射考虑，,E,g,要大（可降低散射几率、增大逃逸几率）。,3.,光电子发射,（,5,）表面条件的影响,1,）能带弯曲,表面态引起并建立空间电荷区，致使能带弯曲。,2,）发射阈和有效电子亲和势的进一步降低,方法,加一层低功能涂层：使得整个半导体的能级相对于表面升高了,DF,或者说使功函数降低了,DF,。,3.,光电子发射,（,6,）半导体的光电发射与能带结构,作为重要的光电效应，光电发射除了光电变换方面的应用外，还可以应用于确定能带结构。,3.,光电子发射,1,）只有被激发到终态高于真空能级的那些受激电子才可能从半导体逸入真空中，发射效率光谱曲线的形状与半导体的能带结构密切相关；,2,）可以测量发射电子的能量分布曲线。,5.3,光电探测器材料的基本特征,光电探测器是将光信号转换成电信号的一族器件。,（,1,）外光电效应（光电发射效应）,入射光子吸收光的物质表面（称为光电阴极）所发生的电子效应称为外光电效应。,（,2,）内光电效应,按工作原理，内光电有光电导型和光伏型，机理主要有本征和非本征的。,1.,光子探测器材料,一、红外探测器材料分类,（,1,）内光电效应,1,）本征型光电导探测器材料,光子能量大于材料的禁带宽度，能将价带中的电子激发到导带上以产生,e-p,对，即产生带间吸收并形成光电导。,1.,光子探测器材料,2,）非本征型光电导探测器材料,光子能量小于材料的禁带宽度，也可能将束缚在杂质能级上的载流子激发到导带或价带中并产生光电导。,主要是利用量子阱子能级间吸收。,1.,光子探测器材料,3,）内光电发射材料（光伏型光电探测器材料）,利用半导体的,p-n,结或,Schottky,结在光的作用下产生光电压或光电流进行光探测。,最典型的例子就是：太阳能电池。,1.,光子探测器材料,利用热效应制作的一种探测器，吸收红外辐射后产生温度变化，同时材料的物理性质发生改变：,体积膨胀：高莱探测器；,电阻变化：测辐射热计；,两种不同温差电动势材料上的电压变化：热电偶材料主要有以下三种：,（,1,）辐射温差电偶与温差电堆材料；,（,2,）测辐射热计用材料；,（,3,）热释电红外探测器用材料。,2.,热探测器材料,（,1,）电流响应度、电压响应度：,（,2,）光电探测器的外量子效率：,二、光电探测器的性能参数,（,3,）光电探测器的暗电流,I,d,与噪声,NEP,表示在,1Hz,的信号带宽上当信噪比,SNR,为,1,时对应的输入光功率。在信号带宽或测量带宽为,B,时，如果,SNR,仍为,1,，则此光功率的,P(W),的下限为：,（,4,）探测率,（,5,）（,3dB,）即功率下降到,1/2,时对应的信号频率,二、光电探测器的性能参数,固体探测器的,2,个基本性质：,（,1,）热平衡自由载流子少；（,2,）陷阱复合中心要少。,符合上述两条件的就只有半导体了。下面是具体的一些要求及其目的：,1.,对电子和空穴有长的漂移长度：达到有效载流子和好的参量分辨率；,2.,禁带宽度大：可工作的温度高，使用范围宽；,3.,低的净杂质浓度：获得较大的耗尽区；,4.,高的原子序数：对,g,有高的探测效率；,5.,理想的晶体生长技术和电接触技术：便于制备探测器。,三、半导体探测器对材料的要求,1.,一般的基本要求,（,1,）硅面垒探测器的,n,型和,p,型硅单晶：,用区熔法制取高纯硅单晶，对它的要求是：,1.,电阻率要高，但补偿温度要低；,2.,mt,积要大；（迁移率和少子寿命）,3.,位错密度要小且均匀，不能存在堆垛层错和位错排；,4.,径向和轴间电阻率的不均匀性应小于,15%,。,2.,硅单晶,（,2,）用于制备硅锂漂移探测器的,p,型硅单晶：,对晶格的完整性要求高，因为用,p,型,Si,制备漂移探测器时有一个锂漂移过程，而在锂漂移过程中锂离子易与氧及空位等结合而构成不同的复合体，阻挠锂离子移动，导致补偿达到不够的宽度，所以要求：,1.,基硼电阻率高，不掺杂；,2.,径向均匀性好；,3.,寿命大于,500,微秒；,4.,氧含量小于,2*10,15,cm,-2,2.,硅单晶,（,3,）用于制备薄的,dE/dx,外延探测器的材料,1,）对外延层材料的要求：,电阻率与衬底电阻率之比要大于,10000,；电阻率均匀；它与衬底层之间有一明显的突变交界面；衬底材料的电阻率较小；,2,）对化合物半导体材料的要求：,较高的平均原子序数；较宽的禁带宽度；较高的纯度和完整性；较大的,mt,积。,2.,硅单晶,5.4,元素半导体光电材料,典型的禁带宽度：,Si 1.12 eV Ge 0.665 eV,理想的晶体在绝对零度时存在一个空的导带，由一个禁带把它一填满的价带隔开，随着温度上升，由于热激发而产生,e-p,对，引起导电势，这种性质叫做,本征半导电性,，电子和空穴具有相同的浓度：,一、,Si,和,Ge,的结构特征和电学性质,1.,本征性质,实际上理想的晶体是不存在的，化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。导带中的电子数：,如果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,浅位杂质,，反之为,深位杂质,。前者是,III,族和,V,族的全部元素，后者有过渡金属等。,2.,非本征性质,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。,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,点缺陷,、,线缺陷,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，如：应力作用下产生的某些平面滑移等；,人们对面缺陷的研究知之甚少，相对来说也不太重要。,3.,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的，即所谓的非平衡现象是普遍存在的。,如果：,那么，可以定义,t,为少数载流子寿命。再由,Einstein,关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,E,g,(Si)=1.12 eV E,g,(Ge)=0.67 eV,，两者的本征型探测器远不如,PbS,探测器，所以要引入杂质。,1.,非本征,Si,材料的特性,引入杂质在,Si,禁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到导带或满带的电子或空穴跃迁有关。,2.,非本征,Si,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：,热成像技术，红外探测器。,二、非本征硅红外探测器材料,5.5 III-V,族化合物半导体光电材料,GaAs,的禁带宽度比,Si,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,Si,中电子的,5,倍。,GaAs,为闪锌矿结构，密度为,5.307g/cm,-3,，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。其禁带中浅杂质电离能小。,一、,GaAs,体系光电薄膜的量子阱、超晶格结构,1.GaAs,材料的特性,GaAs,单晶的制备主要有：,GaAs,的合成，,As,蒸气压的控制。图为水平舟生长法。,（,1,）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场称为量子阱。,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,（,2,）半导体超晶格、量子阱的能带结构特点,量子阱和超晶格能带结构，特别是能带在异质结处的形状，对其量子效应起着决定性的作用，而能带结构又取决组成材料的物理化学性能以及界面附近的晶体结构。,2.,半导体超晶格、量子阱材料,（,3,）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：晶格匹配量子阱与超晶格 和 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、组分比渐变超晶格与量子阱 和 调制掺杂的量子阱与超晶格。,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,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（,HEMT,），异质结双极晶体管（,HBT,），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,（,1,）,I,类红外超晶格材料,利用量子遂穿效应，形成垂直于层面的电流超晶格材料。,AlGaAs/GaAs,3.,超晶格量子阱红外探测器材料,（,1,）,I,类红外超晶格材料,量子红外探测器（,QWIP,）,是利用较宽带材料制作的，并且采用了量子阱结构。,3.,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,由于,InAsSb,和,InSb,之间的晶格常数相关较大，因些属于应变超晶格结构。,3.,超晶格量子阱红外探测器材料,InAsSb/InSb,（,2,）,II,类应变红外超晶格材料,:,用,MBE,或,MOCVD,工艺在衬底上生长缓冲层。这种材料应用如下特点：,键强度好，结构稳定；,均匀性好；,波长易控制；,有效质量大；,隧道电流小；,3.,超晶格量子阱红外探测器材料,（,3,）,III,类红外超晶格材料,以,Hg,为基础的超晶格材料。交替生长,HgTe,和,CdTe,薄层。特点如下：,3.,超晶格量子阱红外探测器材料,禁带宽度和响应截止波长由,HgTe,层厚度控制；,有效质量比较大；,p,型,HgTe-CdTe,超晶格有极高的迁移率。,InSb,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。,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。,提纯工艺和单晶制备工艺的发展，到上个世纪中期，用优质,InSb,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、从多元线列向,IRFPA,发展的过程。,InSb,薄膜有同质外延与异质外延之分，前者已经有人用磁控溅射法和,MBE,法进行了生长。,二、,InSb,光电材料特性,GaN,基,III-V,族氮化物宽带隙半导体通常是,GaN,、,AlN,和,InN,等材料。禁带宽度一般在,2eV,以上。,其结构上具有多型性，上面三种通常都表现为纤锌矿,2H,型结构，也可以形成亚稳态的,3C,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,MBE,方法。,GaN,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：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。,三、,GaN,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,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,GaN,有着完美的晶格匹配和热匹配。,SiC,、,MgO,和,ZnO,等是与氮化物匹配性较好的材料。,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宝石衬底可以有效地改善薄膜质量。,缓冲层有,GaN,和,AlN,两种，外延生长用,AlN,作为缓冲层可以提高薄膜质量。,采用低温,GaN,缓冲层生长,GaN,薄膜同样可以提高质量。,2.III-V,族氮化物衬底材料的选择,对于半导体材料而言，,Si,材料及相关工艺技术已经极其成熟，,GaAs,材料的发展也已达到相当完善的程度。由于这些材料的禁带宽度不够，对其在紫外波段的应用带来了很大的限制。,采用禁较宽的材料可望在较短的波长下获得较好的响应，它的应用除了物理、化学和医学等方面的应用外，还在探测火焰、紫外剂量检测、高密度光储存系统中的数据读出、气体的探测和监测得到广泛应用。,它的优点：可以充分利用宽禁带材料自然具有的可见光盲和阳光盲的特性，提高器件的抗干扰能力；利用该材料的高化学稳定性和耐高温特性制成适用于恶劣环境的紫外探测器。,3.GaN,材料在紫外光电探测器上的应用,5.6 IV-IV,族化合物及其它化合物半导体光电材料,SiGe/Si,异质结构和超晶格是近年来兴趣的新型半导体材料，它具有许多独特的物理性质和重要的应用价值，并且与,Si,的微电子工艺技术兼容，是“第二代,Si,材料”。,（,1,）晶格常数,一、锗硅合金（,SiGe,）异质结和超晶格结构,1.SiGe,异质结构材料基本性质,（,2,）晶格失配率,Ge,与,Si,的晶格失配率为,4.2%,，,Si,1-x,Ge,x,合金与,Si,这；之间的晶格失配率为：,（,3,）应变与应变能,不产生失配位错的应变层外延生长称为“共度生长”或“赝晶生长”。厚度为,t,的应变层的弹性能量为：,（,4,）应变层临界厚度,应变层厚度应有一个临界值。,1.SiGe,异质结构材料基本性质,GeSi,材料的载流子迁移率高、能带可测、禁带宽度易于通过改变组分加以精确调节，被称为“第二代,Si,微电子技术”，它们在,MODFET,、,HBT,、,MOSFET,等应用很广泛。,Si,和,GeSi,存在能隙差，可以提高,Si/GeSi,异质结的高频性能。,Si/GeSi,异质结的禁带偏移只限于价带，不必像,III-V,族材料那样为了消除导带偏移引起的不利影响而不得采取界面组分等特殊措施。,合金材料制备可用多外延方法生长：,Si-MBE,、,CBE,和超低压,CVD,（,UHV/CVD,）三种，其中最后一种有较大优势。,2.SiGe/Si,异质结构和超晶格材料的特性和制备,用,MBE,生长工艺在,p,型,Si(100),衬底上生长,Ge,x,Si,1-x,层，然后进行高浓度掺杂，使能带达到简并状态。,3.Ge,x,Si,1-x,/Si,异质结构内光电子发射长波红外探测器材料,PtSi,是,20,世纪,80,年代初发展起来的,1-5,微米波段红外探测器材料。,二、硅基硅化铂异质薄膜,二元金属硅化物系的相图中常有多个平衡相。金属,-Si,体系的相图中，一般会出现,3,种以上的硅化物，,PtSi,最早研究成功的。,1.,金属硅化物形成机理,针对金属硅化物的形成机理已有多种模型提出。填隙模型认为金属原子可以通过填隙形式扩散到硅中，使硅的最近原子数增加，这种增加所引起的电荷交换减弱了硅共价键，使其向金属键转化。,1.,金属硅化物形成机理,Pt,是过渡金属，,Pt,原子通过,d-s,杂化构成晶体，,Si,是通过,s-p,杂化构成晶体的。,PtSi,的动力学表明，在低于,300,摄氏度时，,Pt,2,Si,相形成，高于,300,摄氏度时，,PtSi,相生长。,若,PtSi,厚度为,d,，则其与扩散系数,D,、退火时间,t,之间的关系为：,在一级相变中组分变化是不连续的，即新相的形成必须通过成核才能发生。不同相的成核势垒不同。动力学认为成核势垒同激活能给出。,2.PtSi,的生长动力学,对,PtSi,形成和生长影响最大的因素是退火温度和衬底温度。,PtSi,薄膜的热稳定性及必性能与膜厚之间也存在一一定关系。,人们发现晶向、晶粒大小、电阻、光谱反射及热稳定性强烈依赖于膜厚，薄膜性能变坏的温度随膜厚度增加而增加。,硅基超薄膜的质量是影响器件性能的关键因素之一，而,Pt,金属膜的沉积和退火工艺对固相反应,PtSi,薄膜的质量有显著影响。,研究单一温度退火、三步扩散炉退火和快速热退火等方法。,3.Pt/Si,退火工艺,PtSi,具有正交结构（,MnP,型），每个单胞内含,4,个,Pt,原子和,4,个,Si,原子，晶格常数,a=0.593nm,，,b=0.360nm,，,c=0.560nm.,界面模型如下：,4.PtSi/Si,界面研究,HgCdTe II-VI,族固溶体为代表的是第四代半导体材料，它的工作频率已经推广到红外波段以外。,(Hg,1-x,Cd,x,Te,，,MCT,）是一种窄带宽的三元化合物半导体，具有如下特点：,（,1,）禁带宽度,Eg,是组分,x,和温度,T,的函数；,三、,HgCdTe,红外探测器材料,1.,材料的特点,（,2,）是一种本征半导体材料，其光吸收系数比非本征半导体材料大得多；,（,3,）热激发速率小；,（,4,）有较小的电子有效质量、很高的电子迁移率、较低的本征载流子浓度和较小的介电常数；,（,5,）热膨胀系数与硅接近。,这种材料的应用十分广泛，人们已研制出了光导型与光伏型探测器。,1.Hg,1-x,Cd,x,Te,材料的特点,40,多年来，,MCT,晶体一直是最受重视的红外探测器材料。其薄膜材料制备采用了,MBE,和,MOCVD,技术。,HgCdTe,单晶的制备是比较困难的：,2.Hg,1-x,Cd,x,Te,材料的制备,（,1,）,HgTe-CdTe,赝二元系的相图中液相线与固相线之间有显著的差别；,（,2,）熔体化学计量配比的偏离容易引起,Te,组元过剩；,（,3,）汞蒸气压工艺控制困难；,（,4,）晶体中,Hg-Te,的键合力弱；,（,5,）晶体的径向组分均匀性明显依赖于固液界面的形状。,（,1,）,HgCdTe,异质结材料,（,2,）,HgCdTe,双色与多色红外探测器材料,（,3,）以硅为衬底的,HgCdTe,薄膜材料,3.HgCdTe,红外焦平面探测器薄膜材料,（,1,）,CdTe,晶体材料,主要的晶体生长工艺有：布里奇曼法、高压釜布里奇曼工艺和改进的控制蒸发技术。,（,2,）,CZT,晶体材料,用,CZT,材料作衬底外延,MCT,薄膜的优点是：“零失配”，利于优质薄膜的生长；它位错密度比,CdTe,晶体低一个数量级；衬底制备工艺要容易。,（,3,）,CdTe,和,CZT,薄膜材料,随着,MCT FPA,技术的发展，对,MCT,薄膜材料提出了大面积、组分均匀的要求，而作为衬底的材料，获得大面积单晶衬底相当困难。因此，人们利用先进的,MBE,技术，在大直径的,CdTe,、,CZT,基片上，生长了薄膜材料。,4.HgCdTe,薄膜外延衬底材料,5.7,非制冷型红外探测器材料,由单晶小薄片的热电晶体所制成。具有自发极化特性，它在自然条件下，内部某些分子的正负电荷重心不重合，形成一个固有偶极矩，在垂直于极轴的两个端面上出现大小相等、符号相反的面束缚电荷。,当温度变化时，晶体中离子间的距离和键角发生变化，从而使偶极矩极化强度及面束缚电荷发生变化，结果造成过剩电荷，在垂直极轴的两个端面出现微小电压，当用导线连接时就会产生热电流。,一、热释电红外探测器材料,1.,热释电红外探测器的工作原理,（,1,）响应率,R,V,定义：,2.,性能参数分析,可见，当入射辐射的调制频率为零时，响应率也为零，这说明热释电探测器是一种交流器件。,（,2,）噪声、噪声等效功率和探测率,噪声主要包括温度噪声、热噪声和放大器噪声。,探测率为：,2.,性能参数分析,非制冷型,VO,2,热敏电阻焦平面探测器材料,:,电阻灵敏度的温度系数：,对于半导体材料：,二、测微辐射热计红外探测器材料,1.,工作原理,通常是以电桥电路形式工作的。,热敏电阻测辐射热计的信号公式：,1.,热敏电阻测辐射热计的工作原理,（,1,）响应率,可以看出，为了提高响应率，偏压,E,、电阻温度系数,a,T,要大，,G,和,H,值要小。但偏压不能任意大，因为,E,大，偏流就大，元件的焦耳热也随之增大，噪声也大，一般取值在,50,微安左右。,（,2,）频率响应,热敏电阻测辐射热计的响应率可改写为：,2.,热敏电阻测辐射热计的性能,（,3,）噪声和探测率,主要包括热噪声、温度噪声和,1/f,噪声：,探测率为：只有热噪声和温度噪声起作用时：,2.,热敏电阻测辐射热计的性能,作 业 题,简述磁存储的基本过程和原理。,简述光盘存储的基本原理和工作过程。,从光盘存储技术的发展，论述光存储技术对材料的要求和当前高密度光盘发展的技术瓶颈。,