宽禁带半导体.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,2021/10/10,*,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,2021/10/10,*,宽带隙半导体的研究现状与展望,应用物理系,2021/10/10,1,以前商务人士总是在抱怨，公司使用的投影机体积太大，跑业务时，投影机是最让他们头痛的地方。最近三菱公司推出一款可以放在手掌上的,DLP,口袋式投影机，它不仅适合个人娱乐，更符合移动商务人士讲求便利、行动自如。,这款口袋式投影机的体积为,121X 47 X 97,（毫米），重,400,克，可以轻松放入用户口袋中,.,?,2021/10/10,2,每日经济新闻,目前我国能源日益紧缺，,LEDs,照明可大大达到节电目的，预计,2010,年我国用电量将达,2.7,万亿度，照明用电量超过,3000,亿度。只要有,1/3,的白炽灯被,LEDs,灯取代，每年就能为国家节省用电近,1000,亿度，相当于一个三峡工程的年发电量。,LEDs?,2021/10/10,3,东方网,-,文汇报,2005,年,1,月,11,日，日本东京高等法院做出判决，要求日亚化学工业公司向蓝色发光二极管发明人中村修二教授支付职务发明报酬,8.43,亿日元。,?,2021/10/10,4,What s the third generation semiconductors(TGS)?,Whats the third luminescence reverlution(TLR)?,The relationship between TGS and TLR,国家半导体照明工程,ZnO,AlN,2021/10/10,5,什么是第三代半导体,(TGS)?,第一代半导体,:,以,Si,为代表,(,以,Si,Ge,等元素半导体为主）；,第二代半导体：以,GaAs,为代表（以,GaAs,，,InGaAs,等合金化合物半导体为主）；,第三代半导体,:,以,GaN,为代表（以,GaN,InGaN,ZnO,SiC,等合金化合物为主）；,2021/10/10,6,Si,GaAs,GaN,晶格结构,金刚石结构,闪锌矿结构,纤锌矿结构,带隙宽度,Eg(eV),1.244(300K),1.153,(0K),1.42(300K),3.39(300K),3.50(0K,),带隙类型,间接,直接,直接,晶格常数,(nm),a=0.5431,a=0.5653,a=0.3189,c=0.5182,密度,2.33 g/cm,3,5.26g/cm,3,6.1g/cm,3,熔点,(K),1490,1510,1770,热导率,(w/cm.K),k,=1.313,k,=0.46,k,=1.13,2021/10/10,7,2021/10/10,8,-V,族,GaN,基系列半导体材料，主要包括,GaN,、,AlN,、,InN,、,AlGaN,、,InGaN,和,AlGaInN,等。室温直接带隙宽度分别为,InN,（,0.7eV,）、,GaN,（,3.4eV,）、,AlN,（,6.2eV,），三元合金的带隙变化,0.7eV-6.2eV,所对应的光谱变化范围从紫外光延伸到红外光波区域，称之为全光谱材料。,2021/10/10,9,GaN,室温电子迁移率可达,1000m2/(V,S),。,GaN,基系列半导体材料具有强的原子键、化学稳定性好，在室温下不溶于水、酸和碱；,GaN,基半导体也是坚硬的高熔点材料，熔点高达约,1770,。,GaN,具有高的电离度，在,III-V,族化合物中是最高的（,0.5,或,0.43,）。,2021/10/10,10,GaN,基材料的器件应用,1,、发光器件（,LEDs,LDs);,2,、场效应晶体管,;,3,、紫外光探测器,;,4,、微波波导,5,、光存储器件,.,2021/10/10,11,Whats the third luminescence reverlution(TLR)?,火的产生,照明领域的第一次革命，标志着人类从那时起有了可控的光源；,1879,年，爱迪生发明了第一只白炽灯（碳丝），开始了照明领域的第二次革命，同时也拉开了人类现代文明的序幕；,（先天性缺陷：,钨丝加热耗电大，灯泡易碎，高压不安全,等）,2021/10/10,12,1962,年，第一只半导体,发光二极管,（,LEDs,Luminesence Electron Diode),问世，,孕育着,照明领域将发生第三次革命（气体发光,固体发光）；,2021/10/10,13,发光二极管,（,LEDs,）,属于固体,冷光源,。是由半导体材料做成的,p-n,结，在正向偏压下以自发辐射的形式进行发光的发光器件,;,它象一块汉堡包，中间层是一种将电能转换为可见光的半导体材料，上下两层是电极，光的颜色根据材料的不同而有变化。,2021/10/10,14,At the junction,free electrons from the N-type material fill holes from the P-type material.This creates an insulating layer in the middle of the diode called the depletion zone.,发光二极管的基本原理（,1,）,2021/10/10,15,When the negative end of the circuit is hooked up to the N-type layer and the positive end is hooked up to P-type layer,electrons and holes start moving and the depletion zone disappears,发光二极管的基本原理（,2,）,2021/10/10,16,When the positive end of the circuit is hooked up to the N-type layer and the negative end is hooked up to the P-type layer,free electrons collect on one end of the diode and holes collect on the other.The depletion zone gets bigger,发光二极管的基本原理（,3,）,2021/10/10,17,LEDs have several advantages over conventional incandescent lamps.For one thing,they dont have a filament that will burn out,so they last much longer.Additionally,their small plastic bulb makes them a lot more durable.They also fit more easily into modern electronic circuits.,2021/10/10,18,发光二极管的优点,：,节 能,耗电量为普通白炽灯的,（白,炽,灯发光利用率低，红外、,紫外光部分被白白浪费掉了）,寿 命 长,10,万小时,=,使用,50,年（按,5,小时,/,天计）,应用灵活,可以做成点、线、面各种形,式的轻、薄、短、小各种产品；,2021/10/10,19,环 保,由于光谱中没有紫外线和红外线，既没,有热量，也没有辐射，属于典型的绿色照,明光源，而且废弃物可回收，没有污染；,控制方便,只要调整电流，就可以随意调光，不同光,色的组合变化多端，利用时序控制电路，,更能达到丰富多彩的动态变化效果。,2021/10/10,20,The relationship between TGS and TLR?,1962,年,1991,年，只有发红光的,LEDs,，,多被用在一些装饰等领域，充当辅助光源的角色，未被用于日常照明。（？）,无蓝光、绿光,LEDs ,更无白光,LEDs(?),原子发光 半导体发光,E=hv,E=hv,上能级,下能级,导带,价带,2021/10/10,21,2021/10/10,22,GaN-based semiconductors,InN,GaN,AlN and their alloys(InGaN,AlGaN,AlGaInN);,Energy band gap,（能带）,:,InN-0.7 eV,GaN-3.4 eV,AlN-6.2 eV,Their alloys:from 0.7 eV to 6.2 eV-,cover the wavelength from 200 nm(ultraviolet)to 868 nm(infrared);,(,波长,=1.23967x10,3,eV.nm,),2021/10/10,23,GaN,基本物理特性,GaN,纤锌矿结构,立方结构,带隙能量,Eg,Eg(300k)=3.39 eV,Eg(1.6k)=3.50 eV,Eg(300k),=3.2-3.3eV,温度系数,dEg/dT=-6.010,-4,eV/k,压力系数,dEg/dP=4.210,-3,eV/kbar,晶格常数,a=0.3189nm,c=0.5185nm,a=0.452nm,热膨胀系数,a/a=5.5910,-6,/k c/c=3.1710,-6,/k,热导率,k=1.3w/cm.k,折射率,n(1eV)=2.33,n(3.38eV)=2.67,n(3eV)=2.5,介电常数,0,9,5.35,2021/10/10,24,2021/10/10,25,随着半导体材料生长技术的突破和,P,型,GaN,的成功制备,1991,年世界上第一个蓝光,GaN,LEDs,在日本日亚工业公司问世,标志着新一代,LEDs,的研制、开发和应用进入了一个新的时期；,2021/10/10,26,国家半导体照明工程,2003,年,6,月,17,日科技部联合六部委和十四个地方政府，从国家层面上启动了半导体照明工程，以抢时间、赶速度、和大力度为三个原则打造具有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业；,2003,年,10,月，,“,十五,”,国家科技攻关计划,“,半导体照明产业化技术开发,”,重大项目开始启动；,已启动上海、大连、北京、南昌四大示范基地；,2021/10/10,27,国家半导体照明工程,总体目标：抓住照明革命的历史机遇，瞄准成熟的产业技术（低成本技术），以,近期解决市场应用和产品的性价比，中远期培育新兴的大功率通用照明（白光）产业为目标,，以应用促发展、解决产业化的关键技术和原创性核心技术，,形成一批专利、培育一批企业、建设一批基地，形成有自主知识产权的标准体系，最终发展成为具有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业,。,2021/10/10,28,国家半导体照明工程,具体目标：,解决功率型半导体芯片设计、功率型,LED,封装技术及荧光粉等封装材料制备等产业化关键技术，开发出市场急需的特殊照明应用产品，形成原创性核心技术和一批专利。建立具有自主知识产权的半导体照明评价标准和知识产权联盟。建设半导体照明特色产业与应用示范基地，培养一批掌握核心技术的高技术产业。,2021/10/10,29,2021/10/10,30,景观照明市场,建筑装饰、室内装饰、旅,游景点装饰等；,汽车市场,是,LED,应用发展最快的市场,仪表盘、空调、音响等指示,灯、车灯等；,交通信号灯市场,上海市已明文规定：新安装,的交通信号灯一律采用,LEDs,；,2021/10/10,31,户外大屏幕显示,上海东方明珠塔、北京,广外大街三公里长的景观装饰,特殊工作照明和军事应用,野外作业、防,爆、矿山、军事行动等；,其他应用,玩具、礼品、手电筒、装饰灯,等；,2021/10/10,32,Fundamental Research on GaN-Based Materials and Related Devices,History,Material Growth,Physics Properties,Device Physics,Theoretical Research,Device Design and manufactory,2021/10/10,33,AlN,2021/10/10,34,AlN,纤锌矿结构,AlN,闪锌矿结构,AlN,熔岩结构,2021/10/10,35,AlN,具有三种晶体结构：密排六方纤维锌矿结构（,hexagonal wurtzite,）、闪锌矿结构（,zinc,blende,）和熔岩结构（,rock,salt,）。密排六方纤维锌矿结构为,AlN,的稳定相，其晶格常数,a,的值在,3.110,3.113,之间，而,c,的值在,4.978,4.982,之间；静态介电常数为,8.5,，高频介电常数在,4.84,4.86,之间；光学声子的能量为,113meV,；其带结构为直接带隙结构，带宽为,6.2eV,。,闪锌矿结构为亚稳定结构，其晶格常数,a,4.38,。熔岩结构为高压相（在高压的条件下才出现），其晶格常数,a,的室温值在,4.043,4.045,之间。,2021/10/10,36,AlN,的热学和化学性能,AlN,属于陶瓷，具有极高的硬度，非常高的熔点，其熔点高于,2000,，可以用来作为熔化铝，锡、镓等金属的坩埚，电解槽衬里及马弗管、喷嘴用的耐火材料；,AlN,的热导率非常高，其理论值为,3.2Wcm,-1,K,-1 41,，在室温时的测量值为,2.84 Wcm,-1,K,-1,；,2021/10/10,37,在室温时，,AlN,的各向热膨胀系数非常接近，其各向热膨胀系数分别为,=4.2 x 10,-6,K,-1,和,=5.3 x 10,-6,K,-1 6,，其值与硅和,GaAs,的热膨胀系数非常接近。由于其优良的导热和绝缘性能以及与硅非常相近的热膨胀系数，使得,AlN,非常适合做集成电路的基片，这有利于集成电路的散热，尤其对现在集成电路的集成程度越来越高和越来越微型化的电子芯片来说，就更是非它莫属。,2021/10/10,38,AlN,其他的一些热学性能参数如下：,其德拜温度为,980K,；热扩散系数为,1.47 cm,2,s,-1,；,300K,时的比热为,0.73Jg,-1,-1,，在,300K,到,1800K,的温度范围，其比热的温度系数为,1.097+7.9910,-5,T,0.35810,5,T,-2,，在,1800K,到,2700K,的温度范围内，其比热的温度系数为,0.892+0.18810,-3,T,。,2021/10/10,39,AlN,的应用,A1N,具有多方面的综合优异性能，在许多领域均有广阔的应用前景。目前，,A1N,主要用作大规模集成电路和半导体电子器件的基片、封装材料以及制作紫外探测器（日盲探测器）。,基片和封装材料除了要求具有良好的绝缘性和足够的强度外，还要求材料具有以下的特性：,(1),导热性能好，以便迅速带走电路运作时产生的热量。,(2),热膨胀系数与硅接近，以避免产生大的热应力。,(3),介电常数和介电损耗低，以降低信号传递的延迟时间。,2021/10/10,40,ZnO,2021/10/10,41,ZnO,直接带隙,3.37eV(300K),与,GaN,和,SiC,相比，来源丰富，价格低廉,ZnO,带隙宽度可通过二价离子（如,Mg,2,+,等）取代,Zn2+,而连续可调，如带隙可随,Mg,组分的变化在,3.37eV(ZnO),到,7.8eV(MgO),只见连续可调！,2021/10/10,42,97,年,ZnO,薄膜光泵浦紫外激光的获得和多晶,ZnO,薄膜自形成谐振腔激光的出现，极大地鼓舞了人们的研究热情，使得,ZnO,材料成为继,GaN,之后，宽禁带半导体光电材料领域研究的热点之一。,2021/10/10,43,一透明导电,ZnO,薄膜,透明导电氧化物（,transparent condactive oxide,简称,TCO,）薄膜主要包括,In,、,Sb,、,Zn,和,Cd,的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电 特性，广泛地应用于太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。透明导电薄膜以掺锡氧化铟（,tin-dopedindium oxide,简称,ITO,）为代表，研究与应用较为广泛、成熟，在美日等国已产业化生产。近年来,ZnO,薄膜的研究不断深入，掺铝的,ZnO,薄膜（简称,AZO,）被认为是最有发展潜力的材料之一。,TCO,薄膜的制备工艺以磁控溅射法最为成熟，为进一步改善薄膜性质，各种高新技术不断被引入，制备工艺日趋多样化。,2021/10/10,44,二高质量,P-ZnO,薄膜的制备,实现,ZnO,基光电器件的关键技术是制备出优质的,p,型,ZnO,薄膜。本征,ZnO,是一种,n,型半导体，必须通过受主掺杂才能实现,p,型转变。但是由于氧化锌中存在较多本征施主缺陷，对受主掺杂产生高度自补偿作用，并且受主杂质固溶度很低，难以实现,p,型转变，导致无法制得半导体器件的核心氧化锌,p-n,结结构，极大地限制了氧化锌基光电器件的开发应用。,p,型,ZnO,的研究一直是国际上的研究热点。,2021/10/10,45,谢谢！,2021/10/10,46,