BBIN BBIN宝盈集团02半导体材料

　　• 硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆。 两者相比，锗的金属性更显著，硅在切割时易碎 裂。 • 锗的室温本征电阻率约为50Ω·cm，而硅的约为 2.3×105Ω·cm。 • 锗和硅都具有金刚石结构，化学键为共价键。 • 锗的室温电子迁移率为3800cm2/v· s，硅为 1800cm2/v· s。 • 锗的禁带宽度为0.66ev，硅的禁带宽度为1.12ev。

　　• C）光学特性：GaN室温禁带宽度为3.4 eV，是优良的短波光电子材料，其发光 特性一般是在低温(2 K、l2 K、15 K或 77 K)下获得。

　　• 早在20世纪30年代Johnson等人就采用金属镓和 氨气反应，得到了GaN小晶粒和粉末．此后人 们尝试多种方法来制备氮化镓薄膜． • 目前，金属有机气相沉积(MOCVD)、分子束 外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)已经成为 制备GaN薄膜的主流工艺，其中MOCVD使用 的最为广泛，这种方法已经用来制备商用高亮 度蓝光二极管． • 研究者们一直在探索新的工艺方法来制备更高 质量的CaN薄膜。

　　• 上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的 发明及其硅集成电路的研制成功，导致 了电子工业革命； • 上世纪70年代初石英光导纤维材料和 GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技 术迅速发展并逐步形成了高新技术产业， 使人类进入了信息时代。

　　• 超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱 材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计 思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工 程”发展到“能带工程”。 • 纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原 子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造 功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响 着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式， 彻底改变人们的生活方式。

　　• B）化学特性：GaN具有强硬度、抗常规 湿法腐蚀的特点．在室温下，它不溶于 水、酸和碱，但能缓慢地溶于热的碱性 溶液．虽然经过许多研究者的努力，但 是目前尚未确立一种合适的湿法刻蚀工 艺，现在主要用等离子体工艺进行刻 蚀．

　　– 1、本征半导体能带结构 – 2、半导体的导电机理 – 3、半导体的分类

　　由价带，导 带，禁带组 成。禁带宽 度Eg比较窄， 一般在1ev左 右。

　　• 半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空 导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导 电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴， 空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相 反的方向运动而传导正电荷。 • 因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动， 电子和空穴都是半导体中导电的载流子。激发 既可以是热激发，也可以是非热激发，通过激 发，半导体中产生载流子，从而导电。

　　• 目前GaN主要用来制造高速微波器件， 电荷耦合器件(CCD)，动态存储器 (DRAM)，高亮度蓝色和绿色发光管和紫 外光电探测器。

　　• 半导体异质结、超晶格和量子阱材料统 称为半导体微结构材料。 • 由两种不同半导体材料所组成的结，称 为异质结。 • 两种或两种以上不同材料的薄层周期性 地交替生长，构成超晶格。 • 当两个同样的异质结背对背接起来，构 成一个量子阱。

　　• 砷化镓膜材料主要通过外延技术制备。 包括气相外延、液相外延和气束外延。 砷化镓外延工艺具有生长温度低、原料 能得到有效提纯、杂质污染少、可控掺 杂等特点，可以得到任意厚度、完整性 好和均匀性好的外延片。

　　• 发光二极管：具有发光效率高、低电压、小电 流、低功耗、高速响应和高亮度等特性，易与 晶体管和集成电路相匹配，用作固体显示器、 讯号显示、文字数字显示等器件。 • 隧道二极管：具有高迁移率和短寿命等特性， 用于计算机开关时，速度快、时间短。 • 场效应晶体管：振荡频率目前已达数百干兆赫 以上．主要用于微波及毫米波放大、振荡、调 制和高速逻辑电路等方面。

　　1）砷化镓性质 • 砷化镓的晶体结构是闪锌矿型，每个原子和周围 最近邻的四个其它原子发生键合。 • 砷化镓的化学键和能带结构与硅、锗不同，其禁 带宽度比硅、锗都大。 • 砷化镓具有双能谷导带，在外电场下电子在能谷 中跃迁．迁移率变化，电子转移后电流随电场增 大而减小，产生“负阻效应”。 • 砷化镓的介电常数和电子有效质量均小，电子迁 移率高，是一种特性比较全面兼有多方面优点的 材料。

　　• 异质外延生长是指不相同材料相互之间 的外延生长，A1xGa1-xAs／GaAs表示外 延薄膜/衬底；x，(1-x)分别代表A1，Ga 的相对含量。

　　• 杂质对锗、硅电学性质的影响与杂质能级在禁 带中的位臵密切相关。在锗、硅中的杂质可分 为两类： • 一类是ⅢA族或ⅤA族元素，它们在锗、硅中 只有一个能级，且电离能小，一个杂质原子只 起一个受主或施主作用，ⅢA族杂质起受主作 用使材料呈p型导电，ⅤA族杂质起施主作用， 使材料呈n型导电。 • 另一类是除ⅢA或ⅤA族以外的杂质。

　　（1）按成分分 • 可分为元素半导体和化合物半导体。 • 元素半导体又可分为本征半导体和杂质 半导体。 • 化合物半导体又可分为合金、化合物、 陶瓷和有机高分子四种半导体。

　　（2）按掺杂原子的价电子数分 • 可分为施主型(又叫电子型或n型)和受主 型(又叫空穴型或P型)。 • 前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价 电子，后者正好相反。

　　（3）按晶态分 • 可分为结晶、微晶和非晶半导体。 – 此外，还有按半导体能带结构和电子 跃迁状态来分类。

　　• 元素半导体大约有十几种处于族ⅢA-ⅦA族的 金属与非金属的交界处，如Ge，Si，Se，Te等。 但是其中具备实用价值的元素半导体材料只有 硅、锗和硒。 • 硒是最早使用的， • 硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅 材料由于具有许多优良持性， • 绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。

　　• p-n结是在一块半导体单晶中用掺杂的办法做 成两个导电类型不同的部分。一般p-n结的两 边是用同一种材料做成(如Si,Ge，GaAs)称为 同质结。如把两种不同的半导体材料做成一块 单晶，称异质结。

　　• 两种材料禁带宽度的不同以及其它特性 的差异，使异质结具有一系列同质结所 没有的特性，在器件设计上将得到某些 同质结不能实现的功能，

　　• 由直拉法生长的单晶，由于坩锅与材料反应和 电阻加热炉气氛的污染，杂质含量较大，生长 高阻单晶困难。 • 工业上将区域提纯与晶体生长结合起来，可制 取高纯单晶，这就是区熔法。 • 在高纯石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料锭。 建立熔区，将原料锭与籽晶一端熔合后，移动 熔区，单晶便在舟内生长。

　　• 目前锗主要用直拉法，硅除了直拉法之外还用 悬浮区熔法。 • 直拉法又称(Czochralski)法．简称CZ法。它是 生长元素和ⅢA-ⅤA族化合物半导体单晶的主 要方法。该法是在盛有熔硅或锗的坩锅内，引 入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将 籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按 籽晶的方向长大。

　　• 1969年，江崎和朱兆样提出由两种不同 带隙的超薄层构成的一维周期性结构， 即人工半导体超晶格，并设想了两种不 同类型的结构：掺杂超晶格和组分超晶 格。 • 半导体超晶格概念促进了刚刚出现的 MBE和MOCVD薄膜生长新技术的不断 改进和提高，这也是自p-n结、晶体管发 明以来，半导体科学的一次重大突破。

　　• 砷化镓材料的制备主要有从熔体中生长体单晶 和外延生长薄层单晶等方法。 • 砷化镓单晶的制备主要采用水平区熔法和液封 直拉法两种方法。 • 水平区熔法，在石英管密封系统中装有砷源。 通过调节砷源温度来控制系统中的砷压。 • 液体封闭直拉法，是将熔体用某种液体覆盖， 并在压力大于砷化镓离解压的气氛中合成拉晶。

　　• 1963年，为了改进当时GaAs结型激光器的高 阈值电流问题，Kroemer建议把一个窄带隙半 导体夹在两个宽带隙之间，从而提高注人效率 和增加载流子限制，首次明确提出异质结概念。 • 1968年，约飞技术物理所和贝尔实验室相继研 制出异质结构激光器。 • 1970年，使AlGaAs/GaAs DH激光器实现室温 受激发射，从而拉开由均匀材料向半导体微结 构材料变革的序幕。

　　• • • • • • • • （1）半导体材料的发展及其意义 （2）半导体材料及其物理基础 （3）元素半导体材料 （4）化合物半导体材料 （5）微结构半导体材料 （6）非晶态半导体材料 （7）陶瓷半导体材料 （8）半导体材料的应用

　　• 硅和锗在常温下化学性质是稳定的．但升高温 度时，很容易同氧、氯等多种物质发生化学反 应，所以在自然界没有游离状态的硅和锗存在。 • 锗不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸、 浓硝酸、王水及HF-HNO3 混合酸中。硅不于 盐酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF-HNO3 混 合酸所溶解。 • 硅比锗易与碱起反应。硅与金属作用能生成多 种硅化物。

　　• 目前科学家们已经发现的半导体材料种类很多， 并且正在不断开拓他们的应用领域，但在目前 的电子工业中使用的半导体材料主要还是硅， 它是制造大规模集成电路最关键的材料。 • 整流器 • 放大器和振荡器 • 集成电路 • 光学材料

　　• • • • 1、二元化合物半导体 2、多元化合物半导体 3、砷化镓 4、氮化镓

　　• 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ-V族宽带隙化合物 半导体材料，具有高发光效率、高热导率、耐 高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特 性，是目前世界上先进的半导体材料之一。 • GaN是优良的光电子材料，可以实现从红外到 紫外全可见光范围的光发射和红、黄、蓝三原 色具备的全光固体显示，可用来制备蓝波段的 激光器(LD)、大功率器件和高温器件，紫外光 可用于大气层外空间的探测，短波长可使激光 打印，光盘存储更细微化、高密度化，GaN基 材料将会带来IT行业存储技术的革命。