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第五章第五章 宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料光电子材料与器件Optoelectronic Materials and Devices1绪2宽带隙半导体材料的优势宽带隙半导体材料的优势半导体材料的带隙宽度(Bandgap)是半导体材料自身固有的基本属性，半导体材料的带隙宽度决定了其制成器件的工作温度区域和工作光学窗口。第一、二代半导体像Ge、Si、GaAs、InP这些对信息技术发展起了关键推动作用的半导体材料的带隙都小于2 eV，相应的工作温区不超过250度，工作光学窗口在近红外以内。随着信息技术的迅猛发展，发展高功率、高频、高温电子器件以及短波长光电器件已经成为迫切需求，研究发展宽带隙半导体，以突破现有半导体器件的工作高温限制和短波限制。2绪论2024/11/2 周六什么是宽带隙半导体？什么是宽带隙半导体？从学术角度难以对其带隙宽度范围给予界定，通常是相对于目前主流半导体材料以及半导体技术应用发展前景来界定宽带隙半导体材料的带隙界限。早先人们把带隙宽度大于2.2eV的半导体材料称作“宽带隙半导体”，近来人们又把宽带隙半导体定义为超过2.5eV的半导体材料。3绪论2024/11/2 周六最受重视的宽带隙半导体最受重视的宽带隙半导体III族氮化物，包括GaN，InN，AlN，以及三元合金AlGaN,InGaN，四元合金InGaAlN，都是直接带隙半导体材料。IV-IV族氮化物，包括SiC(2.43.1eV)和金刚石薄膜(5.5eV)，都是间接带隙半导体材料。ZnO基氧化物，主要是ZnO(3.34.0eV)及其三元合金ZnMgO,ZnCdO,是直接带隙半导体材料。II-V族化合物，Zn基化合物，如ZnSe(2.67eV),ZnTe,ZnS(2.67eV)以及其三元、四元合金ZnMgSSe,是直接带隙半导体材料。4绪论2024/11/2 周六制备蓝光LED的宽带隙半导体5绪论2024/11/2 周六III族氮化物研究发展早期对GaN研究重要贡献的学者：Isamu AKASAKIHiroshi AMANOShuji Nakamura6绪论2024/11/2 周六氮化物研究的几个重大突破1986年，日本的科学家Amano和Akasasi利用MOCVD技术在AlN缓冲层上生长得到高质量的GaN薄膜。随后他们利用低能电子束辐照(LEEBI)技术得到了Mg掺杂的p型GaN样品，视为GaN研究发展的另一重大突破。1989年，他们研制出第一个p-n结构的LED。7绪论2024/11/2 周六同一时期，日本日亚(Nichia)公司的中村修二(Nakamura)等人利用低温GaN缓冲层同样在蓝宝石衬底上得到高质量的GaN薄膜，并采用氮气(N2)或真空气氛下退火得到p型GaN。中村等人在随后短短三年多时间内在GaN基发光器件方面实现了三大跨越：1994年第一支GaN基高亮度蓝光LED，1995年第一支GaN基蓝光LD，1998年连续工作蓝光LD的寿命达到6000小时。日亚公司也在这个时期实现了GaN基蓝绿光LED和LD的商品化。由于中村在蓝光LED领域的出色工作，他被称为“蓝光之父”。8绪论2024/11/2 周六部分化合物半导体的带隙宽度9绪论2024/11/2 周六氮化物三元合金的X射线衍射谱10绪论2024/11/2 周六宽带隙半导体材料的特点宽带隙半导体材料的特点压电性与极化效应高热导率小介电常数极高临界击穿电场耐高温、抗辐射大激子束缚能巨大能带偏移11绪论2024/11/2 周六宽带隙半导体材料的技术应用宽带隙半导体材料的技术应用短波长发光器件 短波长发光二极管LED 短波长激光器LD高温、高功率、高频电子器件(HEMT)III族氮化物电子器件 SiC电子器件 金刚石半导体电子器件探测器 紫外探测器、太阳盲紫外探测器、粒子探测器12绪论2024/11/2 周六面临的几个科学技术问题面临的几个科学技术问题从总体上来说，宽带隙半导体材料要达到第一代、第二代半导体技术的水平，还必须解决包括体材料、外延生长、掺杂和器件工艺的一系列基本科学问题，主要包括：缺乏实用性的体单晶材料晶体质量较差，缺陷密度高化学比的偏离与掺杂的不对称性13绪论2024/11/2 周六III族氮化物的晶体结构族氮化物的晶体结构III族氮化物有三种通常的晶体结构：纤锌矿结构，闪锌矿结构，岩盐结构。纤锌矿结构是III族氮化物的热力学稳定结构。密排原子面的堆垛顺序不同：纤锌矿结构沿着(0001)的堆垛顺序为ABABAB；闪锌矿结构沿着(111)的堆垛为ABCABC。14绪论2024/11/2 周六SiC和ZnO的晶体结构ZnO晶体结构与GaN晶体结构类似，同样存在纤锌矿结构与闪锌矿结构，目前研究发现稳定结构为纤锌矿结构。SiC晶体的特征是存在多达200多种的同质异构体，区别仅在于Si-C双原子层的堆垛次序不同。常见的结构有3C、4H、6H-SiC。15绪论2024/11/2 周六GaN的极性(polarity)16绪论2024/11/2 周六自发极化和压电极化17绪论2024/11/2 周六纤锌矿GaN中自发极化的来源18绪论2024/11/2 周六极化诱导界面电荷积累19绪论2024/11/2 周六AlGaN/GaN异质结中的二维电子气20绪论2024/11/2 周六外延GaN的衬底材料212绪论2024/11/2 周六GaN异质外延生长22绪论2024/11/2 周六III族氮化物与蓝宝石衬底的失配23绪论2024/11/2 周六异质外延GaN层的临界厚度24绪论2024/11/2 周六GaN外延技术：MOCVD和MBE25Compact 21Compact 21绪论2024/11/2 周六阴极荧光谱(CL)用于缺陷表征26绪论2024/11/2 周六横向外延GaN降低位错密度27绪论2024/11/2 周六ELO-GaN制备长寿命激光器28绪论2024/11/2 周六HVPE用于GaN厚膜外延29绪论2024/11/2 周六GaN体材料在高亮LED应用中优势30绪论2024/11/2 周六GaN的电学性质31绪论2024/11/2 周六III族氮化物的N型掺杂32绪论2024/11/2 周六III族氮化物的P型掺杂33绪论2024/11/2 周六GaN在高电场下的输运性质34绪论2024/11/2 周六GaN是制备微波功率器件的理想材料35绪论2024/11/2 周六GaN的光学性质36绪论2024/11/2 周六时间分辨PL谱表征GaN质量37绪论2024/11/2 周六GaN基LED结构38绪论2024/11/2 周六39绪论2024/11/2 周六III族氮化物紫外探测器40绪论2024/11/2 周六AlGaN光导型探测器41绪论2024/11/2 周六氮化物PIN型探测器42绪论2024/11/2 周六ZnO基宽带隙半导体材料1997年年 ZnO室温受激发射现象的报道引发了室温受激发射现象的报道引发了ZnO基短波长激子型光电器件应用的研究热潮；基短波长激子型光电器件应用的研究热潮；2001年年 蓝宝石基蓝宝石基ZnO自组装纳米线阵列紫外受自组装纳米线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们对激发射的实现，引起了人们对ZnO纳米材料与器纳米材料与器件研究的极大兴趣；件研究的极大兴趣；2005年年 MBE制备的制备的ZnO基基p-i-n同质结同质结LED和和MOCVD制备的制备的ZnO基基p-n同质结同质结LED的初步实现，的初步实现，让人们看到了让人们看到了ZnO固体照明和激光工程应用的曙固体照明和激光工程应用的曙光。光。43ZnO作为作为宽带隙半导体宽带隙半导体、是是继继GaN之后近年才引之后近年才引人注目的人注目的又一又一新型宽带隙半导体材料新型宽带隙半导体材料,也被列入第也被列入第三代半导体的行列三代半导体的行列。绪论2024/11/2 周六目前ZnO半导体研究热点初初步步进进展展:通通过过N单单掺掺或或共共掺掺方方法法可可获获得得空空穴穴浓浓度度达达1019cm-3；P、As和和Sb的的掺掺杂杂可可获获得得1018cm-3的空穴浓度；初步实现的空穴浓度；初步实现ZnO同质同质LED。诸诸多多挑挑战战:p型型ZnO重重复复性性和和稳稳定定性性较较差差，空空穴穴迁迁移移率率较较低低;同同质质ZnO LED电电致致发发光光效效率率很很低低；制制备备技技术术主主要要为为MBE、PLD和和磁磁控控溅溅射射等等方方法法，不宜制备大面积均匀薄膜不宜制备大面积均匀薄膜44ZnO p型掺杂型掺杂绪论2024/11/2 周六ZnO合金及能带工程 45lMgZnO合金合金 纤锌矿结构纤锌矿结构 Mg 49%能带调节能带调节4.6eV-3.3eV ZnMgO/ZnO量子阱量子阱 2DEG lCdZnO合金合金 Cd 70%能带调节能带调节3.3eV-1.85eV ZnO/ZnCdO/ZnO单量子阱单量子阱(MOCVD)lBeZnO合金合金 BeO直接带隙直接带隙(10.6eV)Be 68%能带调节能带调节6.0eV-3.3eVlZnOSe/ZnOS 能隙弯曲因子大能隙弯曲因子大 和和Si晶格匹配晶格匹配的的ZnOSSe带隙覆盖红外至紫外波段带隙覆盖红外至紫外波段绪论2024/11/2 周六ZnO基纳米结构2001年年 蓝宝石衬底上实现ZnO自组装纳米线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们对ZnO纳米材料与器件研究的极大兴趣。46绪论2024/11/2 周六ZnO的能带结构47绪论2024/11/2 周六ZnO的PL光谱48绪论2024/11/2 周六ZnO的制备技术49绪论2024/11/2 周六ZnO的器件应用50绪论2024/11/2 周六ZnO基PIN发光二极管LED51绪论2024/11/2 周六SiC单晶的能带结构52间接带隙，间接带隙，Eg=2.43.1eV与多形体结构有关与多形体结构有关绪论2024/11/2 周六SiC晶体制备升华法1995年，飞利浦实验室的Lely提出用升华法制备SiC单晶，随后通过改进Lely法，称为籽晶升华法或物理气相传输法(PVT),是目前主流SiC晶体制备方法。53绪论2024/11/2 周六SiC薄膜的制备化学气相外延(CVD)54绪论2024/11/2 周六SiC的晶体质量和器件进展55绪论2024/11/2 周六SiC制备LED器件56绪论2024/11/2 周六SiC基紫外探测器57绪论2024/11/2 周六SiC基场效应晶体管58绪论2024/11/2 周六总结宽带隙半导体GaN、ZnO、SiC等作为第三代半导体是发展高功率、高频、高温电子器件以及短波长光电器件的理想材料。宽带隙半导体材料要必须解决包括体材料、外延生长、掺杂和器件工艺的一系列基本科学问题。研究和发展宽带隙半导体材料与器件被公认是占领光电信息技术领域的战略制高点。目前已经涌现了一批商业化实用器件，在军民应用领域起到重要作用。59绪论2024/11/2 周六接下来课程安排下周一，11月15日停课一次(参加在南大举行的会议)。大家利用时间查阅文献和收集资料完成课程论文，形式不限，可为课程总结，文献综述，研究计划等，论文格式、体量可参考学术期刊论文，期末考试前交给学习委员。11月22日至12月27日，由陈鹏教授讲授光电子器件相关内容。2011年1月进行期末考试。60绪论2024/11/2 周六