08章-III-V族多元合物半导体汇总课件.ppt

1、根据半导体单晶材料的导电类型根据半导体单晶材料的导电类型异质结异质结反型异质结反型异质结：导电类型相反：导电类型相反同型异质结同型异质结：导电类型相同：导电类型相同反型反型：p-nGe-GaAs 或或 (p)Ge-(n)GaAs, n-pGe-GaAs 或或 (n)Ge-(p)GaAs, p-nGe-Si, p-nSi-GaAs, p-nSi-ZnS, p-nGaAs-GaP, n-pGe-GaAs 等等异质结异质结：两种不同的半导体单晶材料组成的结：两种不同的半导体单晶材料组成的结同型同型：n-nGe-GaAs 或或 (n)Ge-(n)GaAs, p-pGe-GaAs 或或 (p)Ge-(p

2、)GaAs, n-nGe-Si, n-nSi-GaAs, p-pSi-GaP, p-pPbS-Ge 等等）( ）衬底衬底衬底衬底外延层外延层( 2 2( 1aaaf超晶格超晶格是一种新型结构的半导体化合物，超晶格是一种新型结构的半导体化合物，它是它是由两种极薄的不同材料的半导体单晶由两种极薄的不同材料的半导体单晶薄膜周期性地交替生长的多层异质结构薄膜周期性地交替生长的多层异质结构，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。由于这种特殊结构，半导体超晶格中的电由于这种特殊结构，半导体超晶格中的电子子(或空穴或空穴)能量将出现新的量子化现象，以能量将出现新的量子化现象

3、，以致产生许多新的物理性质。致产生许多新的物理性质。EgzEv1 Ev2 Ec2 Ec1图2由于两种材料的禁带宽度由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长不同而引起的沿薄层交替生长方向（方向（z方向）的附加周期势分方向）的附加周期势分布中的势阱称为布中的势阱称为量子阱量子阱。量子阱中电子与块状晶体量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，中电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，量子即表现出量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的载流子失去了垂直于使阱中的载流子失去了垂直于阱壁方向（阱壁方向（z方向）的自由度，方向）的自由度，只在平

4、行于阱壁平面（只在平行于阱壁平面（xy面）面）内有两个自由度，故常称此量内有两个自由度，故常称此量子系统为子系统为二维电子气二维电子气。 GaAs和和AlAs交替叠合而成的半导体超晶格交替叠合而成的半导体超晶格量子阱的应用量子阱红外探测器量子阱红外探测器阱材料的子带中有两个阱材料的子带中有两个子能带子能带，即基态，即基态E1和第一激发态和第一激发态E2 ，在，在材料生长过程中利用掺杂型半导体使子带阱中基态上具有一定的二材料生长过程中利用掺杂型半导体使子带阱中基态上具有一定的二维电子密度，维电子密度， 当入射辐射光子能量为当入射辐射光子能量为h照射到器件接收面上时，照射到器件接收面上时，E1上的

5、电子将被光子激发到上的电子将被光子激发到E2态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成与入射光强度成正比的电信号。与入射光强度成正比的电信号。这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、新型量子阱探

6、测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及其应用领域带来了革命性的发展。其应用领域带来了革命性的发展。 按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质结分为结分为三类三类： 型异质结型异质结: : 窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，EcEc和和EvEv的符号相反。的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒势阱，宽带材

7、料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。，即电子和空穴被约束在同一材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。载流子复合发生在窄带材料一侧。GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs和和InGaAsP/InPInGaAsP/InP都属于这一种。都属于这一种。型异质结型异质结（EcEc和和EvEv的符号相同），的符号相同），分两种：分两种：* *AA类超晶格：类超晶格：材料材料1 1的导带和价带都比材料的导带和价带都比材料2 2的低，禁带是的低，禁带是错开的。材料错开的。材料1 1是电子的势阱，材料是电子的势阱，材料2 2是空穴的势阱。电子和是空穴的势阱。电子和空穴分别约束在两材料中。超晶格具有

8、空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙间接带隙的特点，跃的特点，跃迁几率小，如迁几率小，如GaAs/AlAsGaAs/AlAs超晶格。超晶格。BB类超晶格：类超晶格：禁带错开更大禁带错开更大, ,窄带材料的导带底和价带顶窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中，都位于宽带材料的价带中，有金属化现象，如有金属化现象，如InAs/GaSb InAs/GaSb 超晶格。超晶格。类超晶格：类超晶格：其中一种材料具有零带隙。组成超晶格后，由其中一种材料具有零带隙。组成超晶格后，由于它的电子有效质量为负，将形成界面态。于它的电子有效质量为负，将形成界面态。典型的例子是典型的例子是HgTe/CdT

9、eHgTe/CdTe超晶格。超晶格。1. 分子束外延技术分子束外延技术MBEMolecular beam epitaxy2. 金属有机化合物汽相沉积技术（金属有机化合物汽相沉积技术（MOCVD)Matal organic compound chemical vapor deposition掺杂超晶格掺杂超晶格 在同一种半导体中，在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料新型人造周期性半导体结构的材料。优点优点: :(1)(1)任何一种半导体材料只要很好任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以做成超晶格。控制掺杂类型都可以

10、做成超晶格。(2)(2)多层结构的完整性非常好多层结构的完整性非常好，由，由于掺杂量一般较小，所以杂质引于掺杂量一般较小，所以杂质引起的晶格畸变也较小。因此，掺起的晶格畸变也较小。因此，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面。样明显的异质界面。(3) (3) 掺杂超晶格的掺杂超晶格的有效能隙可以有效能隙可以具有从零到未调制的基体材料能具有从零到未调制的基体材料能量隙之间的任何值量隙之间的任何值，取决于对各，取决于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。分层厚度和掺杂浓度的选择。利用电离杂质中心产生的静电势在晶体中形成周期性变利用电离杂质中心产生的静电势在晶体中形成周期

11、性变化的势，例如化的势，例如n-i-n-in-i-n-i结构超晶格。结构超晶格。多维超晶格多维超晶格 一维超晶格与体单晶比较具有许多不同的性质，这些特点一维超晶格与体单晶比较具有许多不同的性质，这些特点来源于它把电子和空穴限制在二维平面内而产生量子力学效应。来源于它把电子和空穴限制在二维平面内而产生量子力学效应。进一步发展这种思想，进一步发展这种思想，把载流子再限制在低维空间中，可能会把载流子再限制在低维空间中，可能会出现更多的新的光电特性。出现更多的新的光电特性。用用MBEMBE法生长多量子阱结构或单量法生长多量子阱结构或单量子阱结构，通过光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点。子阱结构，通过

12、光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点。GaNGaN和和ZnOZnO量子阱的应用量子阱的应用发光二极管（发光二极管（LEDLED）激光器（激光器（LDLD）19981998年，年，TangTang等报道了生长在蓝宝石（等报道了生长在蓝宝石（00010001）上的）上的ZnOZnO外延层室温下产生的激光外延层室温下产生的激光发射，产生激光的阈值仅为发射，产生激光的阈值仅为24 kW/cm224 kW/cm2。（图。（图1 1）20002000年，年，OhtomoOhtomo等报道了生长在晶格匹配等报道了生长在晶格匹配ScAlMgO4ScAlMgO4衬底上的衬底上的ZnO/Zn1-xMgxOZnO/

13、Zn1-xMgxO超晶超晶格格高于室温（高于室温（373 K373 K）的受激发射，所需的阈值泵浦能量极低（）的受激发射，所需的阈值泵浦能量极低（11 kW/cm211 kW/cm2）。）。20072007年，年，RyuRyu等研制出等研制出ZnO/ZnBeOZnO/ZnBeO薄膜型激光二极管，薄膜型激光二极管，首次报道了首次报道了ZnO MQWsZnO MQWs的紫外的紫外电注入激光发射。电注入激光发射。最近，最近，SadofevSadofev等报道了等报道了ZnCdO/(Zn,Mg)OZnCdO/(Zn,Mg)O量子阱结构量子阱结构在光泵浦下的室温激光行为。在光泵浦下的室温激光行为。（图（

14、图2 2）图图1图图2RyuRyu等首次报道了采用混合束沉积等首次报道了采用混合束沉积（HBDHBD）技术生长出以）技术生长出以ZnO/ZnBeO ZnO/ZnBeO MQWMQW作为有源层的作为有源层的ZnO LEDZnO LED。19961996年又成功研制了电注入条件下蓝宝石衬底的年又成功研制了电注入条件下蓝宝石衬底的InGaNInGaN多量子阱结构多量子阱结构蓝光蓝光LDLD，实现了直到当时为止最短波长的半导体。实现了直到当时为止最短波长的半导体。两年后，该小组在两年后，该小组在GaNGaN衬底上生长了寿命达衬底上生长了寿命达到到10104 4小时以上，峰值波长为小时以上，峰值波长为4

15、10nm410nm，输出功，输出功率为率为smwsmw的的InGaN/GaN/AIGaNInGaN/GaN/AIGaN蓝紫光多量子阱蓝紫光多量子阱LDLD。19991999年初，日亚公司宣布开始商用化生产年初，日亚公司宣布开始商用化生产输出功率为输出功率为smwsmw，峰值波长为，峰值波长为400nm400nm的蓝紫的蓝紫光光LDLD，并在，并在20012001年开始批量生产以作为下年开始批量生产以作为下一代一代DVDDVD光盘的光源。光盘的光源。19951995年，年，NakamuraNakamura带领日亚研究小组采用带领日亚研究小组采用InGaN/AlGaNInGaN/AlGaN单量子结

16、构单量子结构，通过改，通过改变变InGaNInGaN中中InIn的组分含量实现了蓝紫光、蓝光、绿光和黄光的组分含量实现了蓝紫光、蓝光、绿光和黄光LEDLED。最近，采用最近，采用InAlGaNInAlGaN四元合金多量子阱四元合金多量子阱，提高了提高了GaN LEDGaN LED深紫外发光效率。结构右深紫外发光效率。结构右图所示。图所示。 初期研究超晶格材料时，除了初期研究超晶格材料时，除了A1A1x xGaGa1-x1-xAsAsGaAsGaAs体系以体系以外，对其他物质形成的超晶格的研究工作不多。外，对其他物质形成的超晶格的研究工作不多。原因：原因：晶格常数相差很大，会引起薄膜之间产生失配

17、位错晶格常数相差很大，会引起薄膜之间产生失配位错而得不到良好质量的超晶格材料。而得不到良好质量的超晶格材料。解决方法：解决方法：当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶体生长时反当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶体生长时反而不容易产生位错而不容易产生位错。即，在弹性形变限度之内的超薄膜中，。即，在弹性形变限度之内的超薄膜中，晶格本身发生应变而阻止缺陷的产生。因此，巧妙地利用晶格本身发生应变而阻止缺陷的产生。因此，巧妙地利用这种性质，可制备出晶格常数相差较大的两种材料所形成这种性质，可制备出晶格常数相差较大的两种材料所形成的应变超晶格。的应变超晶格。SiGeSiGeSiSi是典型应变超晶格材料是典型应变超晶格

18、材料，随着能带结构的变化，随着能带结构的变化，载流子的有效质量可能变小，可提高载流子的迁移率，可载流子的有效质量可能变小，可提高载流子的迁移率，可做出比一般做出比一般SiSi器件更高速工作的电子器件。器件更高速工作的电子器件。22112222211221/11hGhGhfGahGhGhfGaa 式中，式中，ai，Gi，hi分别为原材料的晶格常数、刚性系数、薄层厚度；分别为原材料的晶格常数、刚性系数、薄层厚度；f为晶为晶格失配度，由格失配度，由f值的正、负可知应变超晶格属于压缩应变和伸张应变超晶格。值的正、负可知应变超晶格属于压缩应变和伸张应变超晶格。例如，对例如，对InxGa1-xAsInP来

19、说，这两种材料间有一个晶格匹配点，来说，这两种材料间有一个晶格匹配点，x=0.53。当当z0.53时时f0产生压缩应变；产生压缩应变；x0.53时时f0为伸张应变，所以，利用为伸张应变，所以，利用InxGa1-xAsInP体系，可以生长伸张应变、压缩应变和补偿应变超晶格。体系，可以生长伸张应变、压缩应变和补偿应变超晶格。8-7 能带工程超晶格量子阱结构的主要特征是，超晶格量子阱结构的主要特征是，载流子载流子(电子或空电子或空穴穴)的运动在生长方向上受到限制的运动在生长方向上受到限制。因此，量子阱的光电。因此，量子阱的光电性质不同于体材料而呈现出许多新特点。性质不同于体材料而呈现出许多新特点。利

20、用不同材料，可以使带隙发生变化利用不同材料，可以使带隙发生变化(比如变大、变比如变大、变小，甚至为零小，甚至为零)，有效质量的各向异性也可以差几个量级，有效质量的各向异性也可以差几个量级，子能带的带隙也可以随意调节，这就孕育着一系列新器件子能带的带隙也可以随意调节，这就孕育着一系列新器件的产生由于人工材料的特点可以人为控制，设计新型半导的产生由于人工材料的特点可以人为控制，设计新型半导体超晶格结构又称为体超晶格结构又称为“人工能带工程人工能带工程”。由两种材料组成的量子阱，超晶格的导带和由两种材料组成的量子阱，超晶格的导带和价带具有不连续的特性也称价带具有不连续的特性也称带偏移特性带偏移特性。

21、其大小。其大小是是由组成它的两种材料的电子亲和势决定由组成它的两种材料的电子亲和势决定的。的。材料的电子亲和势指的是材料的电子亲和势指的是使材料中的自由电子逸使材料中的自由电子逸出该材料时应赋予的能量出该材料时应赋予的能量。-V族化合物半导体族化合物半导体材料组成元素的电子亲和势相差较大，所以它们材料组成元素的电子亲和势相差较大，所以它们的电子亲和势的差异也较大。的电子亲和势的差异也较大。例如例如GaAIAs的电子亲和势比的电子亲和势比GaAs的大，它们形的大，它们形成异质结后，导带偏移：成异质结后，导带偏移：Ec = XGa0.7AI0.3As XGaAs = 0.243 eV 价带的偏移可

22、由下式得到：价带的偏移可由下式得到： Ev = Eg一一Ec = 0.131 eV 式中，式中，Eg为构成异质结的两种材料的带隙差。为构成异质结的两种材料的带隙差。 导带和价带的带偏移是形成量子阱必备的条件之一，但导带和价带的带偏移是形成量子阱必备的条件之一，但是有些半导体材料，它们的电子亲和势相差不大，有些宽是有些半导体材料，它们的电子亲和势相差不大，有些宽带隙材料的电子亲和势比窄带隙材料的亲和势小。在这种带隙材料的电子亲和势比窄带隙材料的亲和势小。在这种结构材料中，量子阱只对价带中空穴有作用而对注入导带结构材料中，量子阱只对价带中空穴有作用而对注入导带的电子，则几乎没有阱的束缚作用，因此不能充分发挥量的电子，则几乎没有阱的束缚作用，因此不能充分发挥量子阱作用。子阱作用。 运用带偏移工程运用带偏移工程j可指导我们选择制作量子阱的材料，可指导我们选择制作量子阱的材料，调制量子阱的阱深调制量子阱的阱深(垒高垒高)，实现人工结构的改性，实现人工结构的改性 优化量优化量子阱器件结构，改善器件特性。子阱器件结构，改善器件特性。 能带工程的内容非常丰富，它的建立运甩和完善为光能带工程的内容非常丰富，它的建立运甩和完善为光电器件特别是光集成和光电集成回路发展奠定了基础电器件特别是光集成和光电集成回路发展奠定了基础