化合物半导体材料与器件基础 ppt课件
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Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1 半导体的分类 2.1.1 半导体的特征 • 室温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-
3～108Ωcm） • 电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性） • 两种载流子参与导电（金属只有一种）
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
Dai Xian-ying
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices
Dai Xian-ying
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1 半导体的分类
绝缘体（1018-1010Ωcm），半导体（108-10-3Ωcm），金属（10-4-10-8Ωcm） 绝缘体（禁带宽度Eg大），半导体（禁带宽度Eg小），金属（导带与价带重叠）
重要的二元化合物半导体：
1）GaAs：第二代半导体 2）GaN与SiC:第三代半导体(宽禁带半导体）
二元化合物半导体特点：
1）大部分是直接能带隙 （对光电器件很重要）； 2）有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上； 3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片(晶圆片）。
我们还需要更多！
Dai Xian-ying
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
重要的三元和四元合金 AlGaAs（GaAs基片）: HBT，场效应管，光电器件 GaAsP（GaAs基片）:红色、琥珀色发光二极管 HgCdTe（CdTe基片）: 红外成像仪 InGaAsP, InGaAlAs（InP基片）:光纤通讯用光电器件 InGaAlAs (InP基片): 同上 InGaAs（GaAs, InP）: 电阻接点，量子势阱 InGaAsP （GaAs）: 红，红外激光器，探测器 GaInAlN (不同基片): 绿，蓝，紫外发光二极管，激光器
2.1 半导体的分类
2.1.2 半导体的特性
• 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地
降低50%左右 • 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷） 为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温 下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 • 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
四元合金半导体：
容易与二元衬底匹配
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
InGaAsP and AlGaAsSb
四元合金半导体： 1）两种元素是同族元素， 如AlyGa1-yAsxSb1-x 、
InyGa1-yAsxP1-x 等 2）三种元素是同族元素， 如InyGa1-yAlxAs1-x等
InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1YAsXSb1-X
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元合金半导体：由二元化合物和一种元素组成
三元合金变化趋势：
①晶格常数： 与组分呈线性关系 ②禁带宽度： 与组分呈二次方关系 ③有效质量： 与合金组分成二次方 和单调关系
Dai Xian-ying
三元合金的禁带宽度与晶格常数关系
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元或四元合金半导体的基片（衬底）：
二元化合物半导体，如 GaAs、InP
异质结构：
晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度Eg不同。
三元合金半导体：
与二元不匹配；但一个例外，AlGaAs与GaAs晶格匹配。
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。
特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。
二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗 电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ • 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为： 1）元素半导体 2）化合物半导体 3）合金（固溶体）
成， 如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。
Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形 成，
如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等 Ⅳ-Ⅳ族：SiC
DБайду номын сангаасi Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.4 化合物半导体
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： InGaAlAs
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
2.1.3 元素半导体
C（金刚石）,Si, Ge, Sn
晶格结构：金刚石 能带结构：间接带隙
Sn: 0.08 eV Ge: 0.67 eV Si: 1.12 eV C: 5.50 eV
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
Ⅲ2-.1Ⅴ.4族：化由合Ⅲ物A半的B导、体Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形
合金举例：如图所示 1）AlGaAs:AlAs+GaAs 2）InPAs:InAs+InP 3）AlGaAsSb:AlGaSb+
AlGaAs 4）InGaAsP:GaAsP+GaInP
Dai Xian-ying
四元合金半导体禁带宽度与晶格常数
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GayIn1-yAsxSb1-x：
2.1 半导体材料的分类
2.1 半导体的分类 2.1.1 半导体的特征 • 室温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-
3～108Ωcm） • 电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性） • 两种载流子参与导电（金属只有一种）
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
Dai Xian-ying
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices
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第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1 半导体的分类
绝缘体（1018-1010Ωcm），半导体（108-10-3Ωcm），金属（10-4-10-8Ωcm） 绝缘体（禁带宽度Eg大），半导体（禁带宽度Eg小），金属（导带与价带重叠）
重要的二元化合物半导体：
1）GaAs：第二代半导体 2）GaN与SiC:第三代半导体(宽禁带半导体）
二元化合物半导体特点：
1）大部分是直接能带隙 （对光电器件很重要）； 2）有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上； 3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片(晶圆片）。
我们还需要更多！
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
重要的三元和四元合金 AlGaAs（GaAs基片）: HBT，场效应管，光电器件 GaAsP（GaAs基片）:红色、琥珀色发光二极管 HgCdTe（CdTe基片）: 红外成像仪 InGaAsP, InGaAlAs（InP基片）:光纤通讯用光电器件 InGaAlAs (InP基片): 同上 InGaAs（GaAs, InP）: 电阻接点，量子势阱 InGaAsP （GaAs）: 红，红外激光器，探测器 GaInAlN (不同基片): 绿，蓝，紫外发光二极管，激光器
2.1 半导体的分类
2.1.2 半导体的特性
• 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地
降低50%左右 • 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷） 为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温 下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 • 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
四元合金半导体：
容易与二元衬底匹配
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
InGaAsP and AlGaAsSb
四元合金半导体： 1）两种元素是同族元素， 如AlyGa1-yAsxSb1-x 、
InyGa1-yAsxP1-x 等 2）三种元素是同族元素， 如InyGa1-yAlxAs1-x等
InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1YAsXSb1-X
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元合金半导体：由二元化合物和一种元素组成
三元合金变化趋势：
①晶格常数： 与组分呈线性关系 ②禁带宽度： 与组分呈二次方关系 ③有效质量： 与合金组分成二次方 和单调关系
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三元合金的禁带宽度与晶格常数关系
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元或四元合金半导体的基片（衬底）：
二元化合物半导体，如 GaAs、InP
异质结构：
晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度Eg不同。
三元合金半导体：
与二元不匹配；但一个例外，AlGaAs与GaAs晶格匹配。
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。
特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。
二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗 电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ • 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为： 1）元素半导体 2）化合物半导体 3）合金（固溶体）
成， 如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。
Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形 成，
如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等 Ⅳ-Ⅳ族：SiC
DБайду номын сангаасi Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.4 化合物半导体
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： InGaAlAs
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
2.1.3 元素半导体
C（金刚石）,Si, Ge, Sn
晶格结构：金刚石 能带结构：间接带隙
Sn: 0.08 eV Ge: 0.67 eV Si: 1.12 eV C: 5.50 eV
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2.1 半导体材料的分类
Ⅲ2-.1Ⅴ.4族：化由合Ⅲ物A半的B导、体Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形
合金举例：如图所示 1）AlGaAs:AlAs+GaAs 2）InPAs:InAs+InP 3）AlGaAsSb:AlGaSb+
AlGaAs 4）InGaAsP:GaAsP+GaInP
Dai Xian-ying
四元合金半导体禁带宽度与晶格常数
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GayIn1-yAsxSb1-x：