第五章 宽带隙半导体材料

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ZnO的器件应用
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ZnO基PIN发光二极管LED
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SiC单晶的能带结构
间接带隙， Eg=2.4~3.1eV 与多形体结构有关
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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
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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”。
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制备蓝光LED的宽带隙半导体
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III族氮化物研究发展
早期对GaN研究重要贡 献的学者： Isamu AKASAKI Hiroshi AMANO Shuji Nakamura
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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。
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。
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SiC和ZnO的晶体结构
ZnO晶体结构与GaN晶体结构类似，同样存
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(2.4~3.1eV)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(3.3~4.0eV)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。
极化诱导界面电荷积累
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AlGaN/GaN异质结中的二维电子气
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外延GaN的衬底材料
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GaN异质外延生长
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III族氮化物与蓝宝石衬底的失配
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异质外延GaN层的临界厚度
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GaN外延技术：MOCVD和MBE
Compact 21
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阴极荧光谱(CL)用于缺陷表征
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横向外延GaN—降低位错密度
目前ZnO半导体研究热点
ZnO p型掺杂
初步进展: 通过N单掺或共掺方法可获得空穴浓度 达 1019cm-3 ； P 、 As 和 Sb 的掺杂可获得 1018cm-3 的空穴浓度；初步实现ZnO同质LED。
诸多挑战 : p型ZnO重复性和稳定性较差，空穴迁 移率较低; 同质ZnO LED电致发光效率很低；制 备技术主要为 MBE 、 PLD 和磁控溅射等方法， 不宜制备大面积均匀薄膜
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。
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GaN的极性(polarity)
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自发极化和压电极化
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纤锌矿GaN中自发极化的来源
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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。
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接下来课程安排
下周一，11月15日停课一次(参加在南大举
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ZnO合金及能带工程
MgZnO合金 纤锌矿结构 Mg 49% 能带调节 4.6eV-3.3eV ZnMgO/ZnO量子阱 2DEG CdZnO合金 Cd 70% 能带调节3.3eV1.85eV ZnO/ZnCdO/ZnO单量子阱(MOCVD) BeZnO合金 BeO直接带隙(10.6eV) 68% 能带调节6.0eV-3.3eV Be
ZnOSe/ZnOS 能隙弯曲因子大 和Si晶格匹 配的ZnOSSe带隙覆盖红外至紫外波段
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ZnO基纳米结构
2001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。
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ZnO的能带结构
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ZnO的PL光谱
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ZnO的制备技术
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GaN基LED结构
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源自文库
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III族氮化物紫外探测器
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AlGaN光导型探测器
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氮化物PIN型探测器
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ZnO基宽带隙半导体材料
ZnO作为宽带隙半导体、是继GaN之后近年才引 人注目的又一新型宽带隙半导体材料,也被列入第 三代半导体的行列。 1997年 ZnO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； 2001年 蓝宝石基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； 2005年 MBE制备的ZnO基p-i-n同质结LED和 MOCVD制备的ZnO基p-n同质结LED的初步实现 ，让人们看到了ZnO固体照明和激光工程应用的 曙光。 43
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。
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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。
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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
光电子材料与器件
Optoelectronic Materials and Devices
第五章 宽带隙半导体材料
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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
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ELO-GaN制备长寿命激光器
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HVPE用于GaN厚膜外延
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GaN体材料在高亮LED应用中优势
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GaN的电学性质
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III族氮化物的N型掺杂
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III族氮化物的P型掺杂
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GaN在高电场下的输运性质
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GaN是制备微波功率器件的理想材料
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GaN的光学性质
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时间分辨PL谱表征GaN质量
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部分化合物半导体的带隙宽度
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氮化物三元合金的X射线衍射谱
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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
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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
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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
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III族氮化物的晶体结构
主流SiC晶体制备方法。
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SiC薄膜的制备
化学气相外延(CVD)
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SiC的晶体质量和器件进展
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SiC制备LED器件
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SiC基紫外探测器
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SiC基场效应晶体管
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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。
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。
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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