半导体光电子材料.ppt

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1、半导体光电子材料半导体光电子材料第一页，编辑于星期六：十九点 十一分。半导体材料的分代半导体材料的分代n n以硅以硅Si为代表的半导体材料为第一代半导体为代表的半导体材料为第一代半导体材料材料n n以砷化镓以砷化镓GaAs为代表的化合物半导体材料为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料为第二代半导体材料n n以氮化镓以氮化镓GaN、ZnO为代表的宽带隙化合为代表的宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料物半导体材料为第三代半导体材料 第二页，编辑于星期六：十九点 十一分。n n电子器件和光电子器件应用是半导体材料最重要电子器件和光电子器件应用是半导体材料最重要的两大应用领域。的两大应用领域。

2、n n重要的光电子材料：重要的光电子材料：GaAs、ZnO、GaN、InP等。等。化合物化合物晶体结晶体结构构带隙带隙n ni iu un nu up pGaAsGaAs闪锌矿闪锌矿1.421.421.3101.3106 685008500320320GaPGaP闪锌矿闪锌矿2.272.27150150120120GaNGaN纤锌矿纤锌矿3.43.49009001010InAsInAs闪锌矿闪锌矿0.350.358.1108.110141433003300450450InPInP闪锌矿闪锌矿1.351.356.9106.9107 754005400150150InNInN纤锌矿纤锌矿2.052

3、.0544004400AlNAlN纤锌矿纤锌矿6.246.243003001414第三页，编辑于星期六：十九点 十一分。主要化合物半导体及其用途主要化合物半导体及其用途领域领域领域领域材材材材 料料料料器器器器 件件件件用用用用 途途途途微电子微电子微电子微电子GaAsGaAs、InPInP 超高速超高速超高速超高速 IC IC电脑电脑电脑电脑GaAsGaAs FET FET携带电话携带电话携带电话携带电话光电子光电子光电子光电子GaAs InP SbInAsGaAs InP SbInAs LD LD光通讯光通讯光通讯光通讯GaAsGaAs 红外红外 LED LED遥控耦合器遥控耦合器遥控耦合

4、器遥控耦合器GaPGaP、GaAsGaAs、GaAsPGaAsP、GaAlAsGaAlAs、InGaAlPInGaAlP LEP LEP红外显示器红外显示器红外显示器红外显示器CdTeCdTe、CdZnTeCdZnTe、HgCdTeHgCdTe热成像仪热成像仪热成像仪热成像仪InSbInSb、CdTeCdTe、HgCdTeHgCdTe、PbSPbS、PbZnTePbZnTe红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器GaAsGaAs、InPInP、GaSbGaSb太阳能电池太阳能电池太阳能电池太阳能电池第四页，编辑于星期六：十九点 十一分。半导体材料中，最常见的Bravais格子是fcc格子和hc

5、p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,(hcp)铅锌矿(wurtzite)结构:GaN,ZnO,高压下会发生结构相变：zincblendewurtziterocksalt半导体光电子材料的晶体结构半导体光电子材料的晶体结构第五页，编辑于星期六：十九点 十一分。Fcc Bravais格子的基矢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：AAFe,Pb,La,第六页，编辑于星期六：十

6、九点 十一分。金刚石结构(Si,Ge,C,)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：AA第七页，编辑于星期六：十九点 十一分。闪锌矿结构(GaAs,)AB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：第八页，编辑于星期六：十九点 十一分。盐岩(rocksalt)结构对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：AB第九页，编辑于星期六：十九点 十一分。hcp Bravais格子的基矢Be,Mg,Zn,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

7、中表示为：AA第十页，编辑于星期六：十九点 十一分。铅锌矿(wurtzite)结构(GaN,ZnO,)ABAB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：理想值：u=3/8第十一页，编辑于星期六：十九点 十一分。GaAs能带结构能带结构第十二页，编辑于星期六：十九点 十一分。GaAs材料特点材料特点n n砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频高频”传输使传输使用的晶片，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

8、容，符合信息量大，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。现代远程通讯要求。n n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，产生来越弱，产生“声音不清楚声音不清楚”甚至甚至“收不到信号收不到信号”的情形，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。率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不佳的障碍。n n砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于避砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误

9、，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度高度200200o oC C，不易因高频所产生的热能影响到产品稳定性。，不易因高频所产生的热能影响到产品稳定性。第十三页，编辑于星期六：十九点 十一分。砷化镓与硅元件特性比较砷化镓与硅元件特性比较砷化镓砷化镓硅硅最大频率范围最大频率范围2 2300GHz300GHz1GHz1GHz最大操作温度最大操作温度200200o oC C120120o oC C电子迁移速率电子迁移速率

10、高高低低抗辐射性抗辐射性高高低低具光能具光能是是否否高频下使用高频下使用杂讯少杂讯少杂讯多，不易克杂讯多，不易克服服功率耗损功率耗损小小高高元件大小元件大小小小大大材料成本材料成本高高低低产品良率产品良率低低高高第十四页，编辑于星期六：十九点 十一分。GaAs应用应用第十五页，编辑于星期六：十九点 十一分。n n光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑“信息高速信息高速信息高速信息高速公路公路公路公路”的主干，大于的主干，大于的主干，大于的主干，大于2

11、.5G2.5G比特比特比特比特/秒的光通信传输系统，其收发系秒的光通信传输系统，其收发系秒的光通信传输系统，其收发系秒的光通信传输系统，其收发系统均需要采用统均需要采用统均需要采用统均需要采用GaAsGaAs超高速专用电路。超高速专用电路。超高速专用电路。超高速专用电路。n n随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LEDLED、测距、测距、测距、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、近红玩具

12、、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见光激光器、近红玩具、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，还有外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求，还有外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求，还有外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求，还有GaAsGaAs基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错GaAsGaAs产产产产业的需求十分巨大而迫切。我国数十亿只业的需求十分巨大而迫切。我国数十

13、亿只业的需求十分巨大而迫切。我国数十亿只业的需求十分巨大而迫切。我国数十亿只LEDLED管芯，所有的可管芯，所有的可管芯，所有的可管芯，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，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，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，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因此生产高质量的低阻因此生产高质量的低阻因此生产高质量的低阻GaAsGaAs单晶，促进单晶，促进单晶，促进单晶，促进LEDLED管芯、可见光激光管芯、可见光激光管芯、可见光激光管芯、可见光激光器、高亮度发光管和高

14、效率高效太阳能电池的商品化生产，将有器、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。力地发展我国民族的光电子产业。力地发展我国民族的光电子产业。力地发展我国民族的光电子产业。第十六页，编辑于星期六：十九点 十一分。ZnO材料性质及特点与应用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第三代宽禁带光电功能材料的代表之一 ZnSe(1990),(1990),SiCSiC(1992),GaNGaN(1994),(1994),ZnO(1996(

15、1996)1 1）直接带隙的宽禁带半导体材料）直接带隙的宽禁带半导体材料）直接带隙的宽禁带半导体材料）直接带隙的宽禁带半导体材料2 2）能隙）能隙）能隙）能隙 3.37eV 3.37eV1,束缚激子能束缚激子能束缚激子能束缚激子能 60 meV,60 meV,与其它几种宽禁带发光材料如与其它几种宽禁带发光材料如与其它几种宽禁带发光材料如与其它几种宽禁带发光材料如ZnSe(ZnSe(束缚激子能束缚激子能束缚激子能束缚激子能22 meV),22 meV),ZnS(40 meV)ZnS(40 meV)和和和和GaN(25 meV)GaN(25 meV)相比相比相比相比,ZnO,ZnO是一种合适的用是

16、一种合适的用是一种合适的用是一种合适的用 于室温或更高温度下的紫外光发射材料于室温或更高温度下的紫外光发射材料于室温或更高温度下的紫外光发射材料于室温或更高温度下的紫外光发射材料 3 3）生长温度较低）生长温度较低）生长温度较低）生长温度较低第十七页，编辑于星期六：十九点 十一分。Introductionn nDirect,wide bandgap Direct,wide bandgap n nBulk ZnO(n-type)commercially available Bulk ZnO(n-type)commercially available n nGrown on inexpensive

17、 substrates at low Grown on inexpensive substrates at low temperaturestemperaturesn nHigh exciton binding energyHigh exciton binding energyn nHeterojunction by substitution in Zn-site Heterojunction by substitution in Zn-site n nCd 3.0 eVCd 3.0 eVn nMg 4.0 eVMg 4.0 eVn nNanostructures demonstratedNa

18、nostructures demonstratedn nFerromagnetism at practical TFerromagnetism at practical Tc c when when doped with transition metals doped with transition metals n nObstacleObstacle:good quality,reproducible:good quality,reproducible p-typep-typeGaNZnOBandgap(eV)3.43.3e(cm2/V-sec)220200h(cm2/V-sec)105-5

19、0me 0.27mo0.24momh 0.8mo0.59moExciton binding2860energy(meV)Potential ApplicationsUV/Blue optoelectronicsTransparent transistorsNanoscale detectorsSpintronic devices第十八页，编辑于星期六：十九点 十一分。化学物理性能稳定：化学物理性能稳定：化学物理性能稳定：化学物理性能稳定：抗氧化、耐潮、耐高温、与人体无抵触抗氧化、耐潮、耐高温、与人体无抵触抗氧化、耐潮、耐高温、与人体无抵触抗氧化、耐潮、耐高温、与人体无抵触宽带隙：宽带隙：室温下

20、室温下室温下室温下 E Eg g=3.37 eV =3.37 eV，在近紫外波段，在近紫外波段，在近紫外波段，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可广泛应用于节能半导体白光照明光源绿色能源可广泛应用于节能半导体白光照明光源绿色能源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）（汽车灯，路灯，交通信号灯，甚至家庭用灯等）（汽车灯，路灯

21、，交通信号灯，甚至家庭用灯等）（汽车灯，路灯，交通信号灯，甚至家庭用灯等）透明晶体管透明晶体管透明晶体管透明晶体管室温下激子结构稳定室温下激子结构稳定室温下激子结构稳定室温下激子结构稳定,可以实现可以实现可以实现可以实现室温或高温下高效的激子受激发光室温或高温下高效的激子受激发光室温或高温下高效的激子受激发光室温或高温下高效的激子受激发光激子结合能激子结合能激子结合能激子结合能 E Eb b=60 meV =60 meV(ZnSe:18 meV,GaN:25meV)(ZnSe:18 meV,GaN:25meV)Basic properties第十九页，编辑于星期六：十九点 十一分。n n高温特

22、性，在高温特性，在300正常工作（非常适用于正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）航天、军事和其它高温环境）n n耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）n n高压特性（耐冲击，可靠性高）高压特性（耐冲击，可靠性高）n n大功率（对通讯设备是非常渴望的）大功率（对通讯设备是非常渴望的）ZnO半导体材料特点半导体材料特点第二十页，编辑于星期六：十九点 十一分。n n近年来近年来,宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料ZnO的研究已经引起的研究已经引起了人们广泛的关注。了人们广泛的关注。ZnO是直接宽带隙是直接宽带隙(室温下室温下3.37eV)半导体材料半导体材料

23、,激子束缚能激子束缚能(60meV)高高,远大远大于室温热能于室温热能(26 meV),因而理论上可以在室温条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。件下获得高效的紫外激子发光和激光。ZnO具具有高的熔点和热稳定性有高的熔点和热稳定性,良好的机电耦合性能良好的机电耦合性能,较较低的电子诱生缺陷低的电子诱生缺陷,而且原料易得廉价、无毒性。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种全新的候选材料,ZnO已经成为当今半导体发已经成为当今半导体发光材料与器件研究中新的热点。光材料与器件研究中新的热点。第二

24、十一页，编辑于星期六：十九点 十一分。射频溅射沉积装置示意图射频溅射沉积装置示意图 第二十二页，编辑于星期六：十九点 十一分。JGP450型多靶磁控溅射仪型多靶磁控溅射仪（控制箱）（控制箱）第二十三页，编辑于星期六：十九点 十一分。真空溅射室及氮气等离子体辉光放真空溅射室及氮气等离子体辉光放电图电图第二十四页，编辑于星期六：十九点 十一分。p-n Junction Diode-Growth and StructureFull backside ohmic contactBulk ZnO(0.5 mm,n 1017 cm-3)Buffer n-ZnO PLD film(0.8 m)Zn0.9Mg

25、0.1O:P0.02 PLD film(1.4 m)Circular ohmic contact(50 to 375 m diameter)vPulsed laser deposition(PLD)v(0001)bulk ZnO substratevZn0.9Mg0.01O:P0.02 targetvKrF excimer laser ablation sourcewLaser repetition rate:1 HzwLaser pulse energy density:3 J-cm-2vGrowth:400 C,O2 overpressure of 20 mTorrvOhmic conta

26、cts:w p-ZnMgO:Pt/Au(200/800)w n-ZnO:Ti/Al/Pt/Au 200/400/200/800)w Annealed at 200 C,1 min,N2 ambient Undoped buffer layer necessary for good rectifying behavior第二十五页，编辑于星期六：十九点 十一分。p-n Junction Diode-IV CharacteristicsMeasured at room temp:VRB 9.0 VJs 4.610-9 Acm-2Vf4.0 VRON 14.5 m cm-2第二十六页，编辑于星期六：

27、十九点 十一分。ZnO半导体光电器件应用半导体光电器件应用n n蓝光激光器（蓝光激光器（BLD）蓝光蓝光蓝光蓝光DVDDVD，双面双密度容量为，双面双密度容量为，双面双密度容量为，双面双密度容量为20G20G，取代现有红，取代现有红，取代现有红，取代现有红 光光光光DVDDVD，是以后数字电视存储的必由之路，是以后数字电视存储的必由之路，是以后数字电视存储的必由之路，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激光打印和显示，生物医疗仪器和设备激光打印和显示，生物医疗仪器和设备激光打印和显示，生物医疗仪器和设备 ，光谱测量系，光谱测量系，光谱测量系，光谱测量系统统统统 可用

28、于军事领域，可用于军事领域，450550nm的蓝的蓝-绿光波段对海绿光波段对海水是透光的，所以水是透光的，所以BLD可通过空间卫星、机载平台可通过空间卫星、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。和保密性。这是军事部门长久渴望实现的技术手段。第二十七页，编辑于星期六：十九点 十一分。发光二极管发光二极管(LED)n n发光二极管发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层是由数层很薄的掺杂半导体材料制很薄的掺杂半导体材料制成。成。n n当通过正向电流时，当通过正向电流时，n区区

29、电子获得能量越过电子获得能量越过PN结结的禁带与的禁带与p区的空穴复合区的空穴复合以光的形式释放出能量。以光的形式释放出能量。第二十八页，编辑于星期六：十九点 十一分。LED照明的优点照明的优点n n发光效率高，节省能源发光效率高，节省能源发光效率高，节省能源发光效率高，节省能源n n耗电量为同等亮度白炽灯的耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的，荧光灯的1/2。n n绿色环保绿色环保n n冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少n n寿命长寿命长寿命长寿命长n n寿命可达寿命可达10万小时万小时n n固体光源、体积小、重量轻、方向性好固

30、体光源、体积小、重量轻、方向性好n n单个单元尺寸只有单个单元尺寸只有单个单元尺寸只有单个单元尺寸只有35mm35mmn n响应速度快，并可以耐各种恶劣条件响应速度快，并可以耐各种恶劣条件n n低电压、小电流低电压、小电流低电压、小电流低电压、小电流第二十九页，编辑于星期六：十九点 十一分。LED应用应用n n半导体白光照明半导体白光照明n n车内照明车内照明n n交通信号灯交通信号灯n n装饰灯装饰灯n n大屏幕全彩色显示系统大屏幕全彩色显示系统n n太阳能照明系统太阳能照明系统n n其他照明领域其他照明领域n n紫外、蓝光激光器紫外、蓝光激光器 高容量蓝光高容量蓝光DVDDVD、激光打印、

31、激光打印和显示、军事领域等和显示、军事领域等第三十页，编辑于星期六：十九点 十一分。半导体照明是半导体照明是21世纪最具发展前景的世纪最具发展前景的高技术领域之一高技术领域之一地区条件地区条件地区条件地区条件 效益效益效益效益 条件条件条件条件 能源节约能源节约能源节约能源节约 降低二氧化碳排放降低二氧化碳排放降低二氧化碳排放降低二氧化碳排放 美国美国美国美国 5 5白炽灯及白炽灯及白炽灯及白炽灯及5555日光灯被日光灯被日光灯被日光灯被白光白光白光白光LEDLED取代取代取代取代 每年节省每年节省每年节省每年节省350350亿美元电亿美元电亿美元电亿美元电费。费。费。费。每年减少每年减少每年

32、减少每年减少7.557.55亿吨二氧化亿吨二氧化亿吨二氧化亿吨二氧化碳排放量。碳排放量。碳排放量。碳排放量。日本日本日本日本 100100白炽灯被白光白炽灯被白光白炽灯被白光白炽灯被白光LEDLED取取取取代代代代 可少建可少建可少建可少建1-21-2座核电厂。座核电厂。座核电厂。座核电厂。每年节省每年节省每年节省每年节省1010亿公升以上亿公升以上亿公升以上亿公升以上的原油消耗。的原油消耗。的原油消耗。的原油消耗。台湾台湾台湾台湾 2525白炽灯及白炽灯及白炽灯及白炽灯及100100日光灯日光灯日光灯日光灯被白光被白光被白光被白光LEDLED取代取代取代取代 节省节省节省节省110110亿度电，约合亿度电，约合亿度电，约合亿度电，约合1 1座核电厂发电量。座核电厂发电量。座核电厂发电量。座核电厂发电量。第三十一页，编辑于星期六：十九点 十一分。