光电子中的半导体材料

Fe, Pb, La,…
A
对上图所示的晶体结构来讲，由这三个基矢构成的原胞含有一个 原子，其位置在基矢空间中表示为：
A 0a1 0a2 0a3 (0,0,0)

金刚石结构(Si,Ge,C,…)
A A
1 a1 a( j k ) 2 1 a 2 a (i k ) 2 1 a3 a(i j ) 2

光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑“信 息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信传输系统， 其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。 随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、测 距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见光激 光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市 场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十分大，对 低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。我国数十亿 只LED管芯，所有的可见光激光器、高亮度发光管、近红 外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高质量的低阻GaAs 单晶，促进LED管芯、可见光激光器、高亮度发光管和高 效率高效太阳能电池的商品化生产，将有力地发展我国民 族的光电子产业。
1 a1 a( j k ) 2 1 a 2 a (i k ) 2 1 a3 a(i j ) 2
B A
对闪锌矿结构来说，由这三个基矢构成的原胞含有两个 原子，其位置在基矢空间中表示为：
A 0a1 0a2 0a3 (0,0,0)
3）生长温度较低
Basic properties
化学物理性能稳定：
抗氧化、耐潮、耐高温、与人体无抵触
宽带隙：室温下 Eg = 3.37 eV ，在近紫外波段
半导体激光的波长越短，能在光盘上读写信息的密度就越高
可广泛应用于节能半导体白光照明光源 －－ 绿色能源 （汽车灯，路灯，交通信号灯，甚至家庭用灯等） 透明晶体管
LED照明的优点



发光效率高，节省能源 耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的 1/2。 绿色环保 冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少 寿命长 寿命可达10万小时 固体光源、体积小、重量轻、方向性好 单个单元尺寸只有3~5mm 响应速度快，并可以耐各种恶劣条件 低电压、小电流
室温下激子结构稳定,可以实现室温或高温下高效的激子受激发光 激子结合能 Eb = 60 meV (ZnSe: 18 meV, GaN: 25meV)
ZnO半导体材料特点


高温特性，在300℃正常工作（非常适用于 航天、军事和其它高温环境） 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） 高压特性（耐冲击，可靠性高） 大功率（对通讯设备是非常渴望的）
1 3 a1 a( i j) 2 2 1 3 a2 a ( i j) 2 2 a3 ck
Be, Mg, Zn,…
A
A
对上图所示的晶体结构来讲，由这三个基矢构成的原胞含有2个 原子，其位置在基矢空间中表示为：
1 : A 0a1 0a2 0a3 (0,0,0) 2 1 1 2 : A a1 a2 a3 (0.6667 0.33330.5) , , 3 3 2

以硅Si为代表的半导体材料为第一代半导体 材料 以砷化镓GaAs为代表的化合物半导体材料 为第二代半导体材料
以氮化镓GaN、ZnO为代表的宽带隙化合 物半导体材料为第三代半导体材料


半导体光电子材料的晶体结构
半导体材料中，最常见的Bravais格子是fcc格子和hcp格子 • fcc Bravais格子：Si, Ge, GaAs,… • hcp Bravais格子：GaN, ZnO,… 相应的晶体结构： • (fcc)金刚石结构: Si, Ge, C,… • (fcc)闪锌矿(zincblende)结构: GaAs,…


ZnO材料性质及特点与应用
第三代宽禁带光电功能材料的代表之一 ZnSe(1990), SiC(1992), GaN(1994), ZnO(1996) 1）直接带隙的宽禁带半导体材料 2）能隙 3.37eV, 束缚激子能 60 meV,
与其它几种宽禁带发光材料如ZnSe(束缚激子能22 meV), ZnS(40 meV)和GaN (25 meV)相比, ZnO是一种合适的用 于室温或更高温度下的紫外光发射材料
• (hcp)铅锌矿(wurtzite)结构: GaN, ZnO,… 高压下会发生结构相变：zincblende<->wurtzite<->rocksalt
Fcc Bravais格子的基矢
A
1 a1 a( j k ) 2 1 a 2 a (i k ) 2 1 a3 a(i j ) 2
ZnO半导体光电器件应用

蓝光激光器（BLD）
蓝光DVD，双面双密度容量为20G，取代现有红 光DVD，是以后数字电视存储的必由之路 激光打印和显示，生物医疗仪器和设备 ，光谱测 量系统 可用于军事领域，450～550nm的蓝-绿光波段对海 水是透光的，所以BLD可通过空间卫星、机载平 台直接用来对海底潜艇通信，大大提高潜艇的隐 蔽性和保密性。这是军事部门长久渴望实现的技 术手段。
美国
5％白炽灯及55％日光灯被白 光LED取代
每年节省350亿美元电 费。
每年减少7.55亿吨二氧化 碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上的 原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯被 白光LED取代
节省110亿度电，约合1 座核电厂发电量。
半导体材料的分代
B
A
对rocksalt结构来说，由这三个基矢构成的原胞含有两个 原子，其位置在基矢空间中表示为：
A 0a1 0a2 0a3 (0,0,0)
1 1 1 B a1 a2 a3 (0.5,0.5,0.5) 2 2 2




hcp Bravais格子的基矢
1 1 1 B a1 a2 a3 (0.25,0.25,0.25) 4 4 4




盐岩(rocksalt)结构
1 a1 a( j k ) 2 1 a 2 a (i k ) 2 1 a3 a(i j ) 2
铅锌矿(wurtzite)结构(GaN,ZnO,…)
1 a1 a( j 2 1 a2 a ( j 2 a3 ck 3 j) 2 3 j) 2
B A
对铅锌矿结构来说，由这三个基矢构成的原胞含有四个 原子，其位置在基矢空间中表示为： 1 : A 0a1 0a2 0a3 (0,0,0) 2 : B 0a1 0a2 ua3 (0,0, u ) 2 1 1 3 : A a1 a2 a3 (0.6667 0.33330.5) , , 3 3 2 2 1 1 4 : B a1 a2 ( u )a3 (0.6667 0.33330.5 u ) , , 3 3 2

近年来,宽禁带半导体材料ZnO的研究已经引起 了人们广泛的关注。ZnO是直接宽带隙(室温下 3.37eV)半导体材料,激子束缚能(60meV)高,远大 于室温热能(26 meV),因而理论上可以在室温条 件下获得高效的紫外激子发光和激光。ZnO具 有高的熔点和热稳定性,良好的机电耦合性能,较 低的电子诱生缺陷,而且原料易得廉价、无毒性。 作为短波长发光器件、低阈值紫外激光器的一 种全新的候选材料,ZnO已经成为当今半导体发 光材料与器件研究中新的热点。
发光二极管中的半导体材料
组员：韩进涛 09272034 陈泽君 09272032
发光二极管 (LED)

发光二极管LightEmitting Diode 是由数 层很薄的掺杂半导体材 料制成。
当通过正向电流时，n区 电子获得能量越过PN结 的禁带与p区的空穴复合 以光的形式释放出能量。

发光二 级管作 为装饰 已悄然 兴起
d
B A
理想值：u=3/8
u c/ d
GaAs材料特点

砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频”传 输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品质好， 可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合传输影音 内容，符合现代远程通讯要求。 一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号 越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号”的情 形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输 时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不佳的 障碍。 砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于避 免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。另外，环 境温度过高时电子迁移速率会降低，但砷化镓材料操作温 度高度200oC，不易因高频所产生的热能影响到产品稳定性。

参考文献


微电子学材料自编讲义 《薄膜材料——制备原理、技术应用》 （第2版） 唐伟忠著，冶金工业出版社 《半导体材料》 康晋峰
小组分工分工

韩进涛09272034：材料收集、PPT初期制作 陈泽君09272032：材料收集、PPT后期润色
谢谢~~
LED应用


半导体白光照明 车内照明 交通信号灯 装饰灯 大屏幕全彩色显示系统 太阳能照明系统 其他照明领域 紫外、蓝光激光器 高容量蓝光DVD、激光打 印和显示、军事领域等
LED照wenku.baidu.com灯将珠宝行照的美轮美奂
半导体照明是21世纪最具发展前景 的高技术领域之一
地区＼条件· 效益 条件 能源节约 降低二氧化碳排放
对金刚石结构来说，由这三个基矢构成的原胞含有两个 原子，其位置在基矢空间中表示为： 1 : A 0a1 0a2 0a3 (0,0,0) 1 1 1 2 : A a1 a2 a3 (0.25,0.25,0.25) 4 4 4
闪锌矿结构(GaAs,…)