第七章 三五族化合物半导体资料讲解
第七章_三五族化合物半导体讲解
用途：（1）制备超晶格结构； （2）生长具有多层结构的薄膜外延层---各种异质结。
化学束外延CBE
CLVPE生长优点：设备简单，可以沉积出高纯 外延材料 缺点：由于GaCl是在源区由化学反应生成 的，其分压重现性较差 HVPE
HVPE生长GaAs
体系：Ga-HCl-AsH3-H2 主要反应 优点：Ga（GaCl）和As4（AsH3 ）的输入量可以 分别控制，并且AsH3的输入可以在Ga源的下游，因此不 存在Ga源饱和的问题，所以Ga源稳定 CLVPE、HVPE生长GaAs中Si沾污
• 基本原理 RnM+XHn→MX+nRH 或 RnM+XR’n→MX+n(R-R’n) R、R’为烷基，M为II、III族元素；X为V、 VI族元素
MOVPE设备
气体处理系统（源供给系统、气体输运和流 量控制系统） 反应室（反应室加热及温度控制系统） 尾气处理 安全防护及毒气报警系统 控制系统
化学气相沉积（CVD）
化学气相沉积（CVD）也称为气相外延 （Vapor－phase epitaxy，VPE）， 是通过气体化合物间的化学作用而形成外延层的工艺，CVD工 艺包括 • 常压化学汽相淀积(APCVD)(Atmospheric pressure CVD) • 低压化学汽相淀积(LPCVD) • 等离子增强化学汽相淀积(PECVD)(Plasma Enhanced CVD) • 金属有机化学气相沉积（MOCVD） • 激光化学气相沉积等
化合物半导体ppt课件
高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源；
短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及紫外探测器。
信号与系统
❖近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别 是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功 率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。 ❖于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体 材料的研究，如金刚石、SiC、GaN、ZnO和AlN 等。 ❖这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的 物理和化学性能。
信号与系统
主要半导体材料基本特性
物理量
带隙宽度(eV) 能带类型
击穿场强(MV/cm) 电子迁移率 (cm2/V s) 空穴迁移率 (cm2/V s)
热导率(W/cm K) 饱和电子漂移速
度(107 cm /s) 晶格常数 (Å)
Si 1.12 间接 0.3 1350
480
1.3 1
5.43
Ge 0.67 间接 0.1 3900
纳米ZnO和ZnO薄膜也成为研究热点
FESEM images of flower-shaped ZnO nanostructures seen composed of hexagonal ZnO nanorods
Side view and top view of ZnO nanorods
信号与系统
王中林
❖1987年获亚利桑那州立大学物理学博士学位，现为美国佐治亚理工学院董事讲席讲 授、工程学杰出讲席教授、纳米结构表征中心主任。
❖他是中国科学院外籍院士，美国物理学会、美国科学促进会会士、美国显微镜学会 和美国材料研究学会的会士（fellow）
❖在美国《科学》杂志发表论文10篇，英国《自然》杂志3篇，在《自然》子刊上发表 6篇。他发表的学术论文已被引用43,000次以上，是该校百年来单篇论文引用次数最多 的论文作者和该校有史以来个人论文引用总次数之第一名。是世界上在材料和纳米技 术论文引用次数最多的前五位作者之一。
半导体材料第7章-III-V族化合物半导体的外延生长
蒸镀
电子束蒸镀
蒸镀
电子束蒸镀
电子束通过5-10kV的电场加速后，聚焦并打到待蒸发材料表面，电子束将 能 量传递给待蒸发材料使其熔化，电子束迅速损失能量。 电子束蒸发系统的核心部件：
电子束枪（热阴极和等离子体电子）
电子束聚焦方式：静电聚焦和磁偏转聚焦 电子束产生后，需要对他进行聚焦而使其能够直接打到被蒸发材料的表 面。
溅镀
射频溅射
交变电场中振荡的电子具有足够 高的能量产生离化碰撞，达到放电 自持； 溅射系统需要在电源与放电室之 间配备阻抗匹配网。
常用频率13.56 MHz；
靶材上形成自偏压效应； 沉积绝缘材料非常有效； 溅射电源电压有效降低； 适用金属、绝缘体、半导体薄膜 制备。 典型参数： 气压１Pa； 靶电压1000V； 靶电流密度1mA/cm2； 薄膜沉积0.5mm/min
溅镀
磁控溅射 磁控溅射原理 在溅射装置中的靶材附近加入磁场，垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材 表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，增加电子运动的路径，提高电子 与气体分子的碰撞几率和电离过程。
溅镀
磁控溅射特征
降低溅射工作气压，可到0.5Pa左右；
电离效率高，提高了靶电流密度和溅射效率，降低靶电压；
2.合成溶质扩散法 SSD(synthesis solute diffusion) 步骤：坩锅中盛Ga，Ga表面温度在1100℃～1150℃，坩锅 底部籽晶处在1000～1050℃，P源温度在420℃，这时产生约 105Pa的P蒸汽， GaP可以稳定生长。开始时，P蒸气与处于 高温的Ga液表面反应生成GaP膜。此GaP膜将溶解于下面的Ga 液中，并向坩锅底部扩散，由于坩锅底部温度较低，最后超 过GaP溶解度时，就会析出晶体。如果P源足够，最后将Ga液 全部转变成GaP晶体。如果有籽晶，则会沿着籽晶逐渐长大 成大晶粒。 SSD法最大有点是生长晶体中的S坑少，而且合成与晶体生 长都在常压下进行，并且掺杂的杂质Te，S的有效分凝系数 比通常由熔体生长时大3～4倍，因此所得到的晶体中杂质分 布比较均匀，但是生长速度比较慢而且多数情况下只得到多 晶。
7 iii-v
a0 aGaAs x aInAs (1 x)
即可从GaAs的5.653 Å 变化到InAs的6.059 Å。
3
三元系AxB1-xC的 带隙表示为
Eg( x) (1 x) EgBC xEgAC cx(1 x)
C为能带弯曲的参量 如组成多元化合物的两个二元化合物分别为直接 跃迁与间接跃迁型时，所组成的多元化合物因组 分不同而属于直接跃迁或间接跃迁型，而且多元 化合物的直接跃迁的禁带宽度有可能大于组成该 多元化合物的二元化合物的禁带宽度。
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组分突变法：外延生长时，不是一次生长出厚的外延 层，而是生长几个不同厚度的薄外延层，利用两层间 的交界面，使部分位错拐弯，降低外延层表面位错密 度。
*如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态 （即衬底晶格常数小于外延层）这种方法有效。反之 处于伸张状态时，不但位错密度不能降低反而增加。
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6.2 III-V族化合物半导体材料的制备方法
够大时，它将通过在界面处形成位错而释放，所形 成的位错称失配位错。 实验表明，异质结外延层中，晶格失配引起的位错 密度可达107 ～108/cm2 ，甚至达到1010/cm2 ， 如果发光器件的有源区中有如此之高的位错，其发 光效率将大大降低。
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异质结外延生长时，应变能是随着外延层的厚 度增加而增加的。 外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚度称 之为“临界厚度”。 进行异质结外延生长时，如果其厚度不超过临界 厚度，那么外延层是完整的没有失配位错，也可 通过界面缓变和突变两种方法来减少失配位错。
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缓变法：异质外延生长时，缓慢地改变其多元化合物的组 分，使晶格常数逐渐变化到要求值。 例，在GaAs衬底上生长GaAs0.6P0.4时，先生长一层过 渡层，此层内的组分P由0变到0.4。
化合物半导体材料课件
启哥的化合物半导体材料课程什么是化合物半导体第二代化合物半导体行业详解（砷化镓&磷化铟）0102030405总结第三代化合物半导体行业详解（碳化硅&氮化镓）第四代化合物半导体行业详解（氮化铝&氧化镓）什么是化合物半导体材料？它们有什么共同点和特点？•通常我们把硅和锗这样的单一元素半导体材料，称为第一代半导体材料，硅也是最常见用量最大的半导体材料，通常95%左右的半导体器件，都是由硅材料加工而来。
•如果该半导体材料，由两种或者两种以上的不同元素组成，统称为“化合物半导体”，比如碳化硅（SiC），氮化镓（GaN），氧化镓（Ga2O3）等。
•这些化合物半导体在特殊的应用领域比如光电，射频，功率，传感器等方面有着独特的优势，这些领域化合物半导体材料由于其自身材料特性的关系，用它做的器件有着远比硅材料做的器件有更强的性能。
•因此在硅材料逐渐逼近材料极限，再无潜力可挖的情况下，这些化合物材料渐渐被行业所重视，在新的舞台上展露头脚。
•比如近年来的碳化硅功率半导体逐渐替代硅功率在电动汽车，光伏，风电等领域大量应用，砷化镓器件做的各类射频器件，早已完成对硅材料的替代。
常见化合物半导体材料基础理化特性Ge GaAs InP SiC（4H）GaN AIN Ga2O3（β型）禁带宽度 1.120.67 1.43 1.3 3.3 3.34 6.1 4.9相对介电常数11.71613.112.59.79.88.510击穿场强0.30.10.60.5 2.5 3.328热导率 1.50.580.550.7 2.7 2.1 3.20.13-0.23电子迁移率14003900850054008501200135300能带特性间接间接直接直接间接直接间接间接•通常我们把禁带宽度大于2.2eV的宽禁带的碳化硅和氮化镓称为第三代半导体材料，而大于4eV的超宽禁带以及超窄禁带的材料称为第四代半导体材料，第三第四代这只是通俗说法，业内只提宽禁带，超宽禁带和超窄禁带。
7_III—V族化合物半导体的能带结构
各种化合物的导带电子有效质量不同. 1. 平均原子序数高的化合物中(能带变形），有效质量较小。 各种化合物的重空穴有效质量却相差很少。 2. 原子序数较高的化合物，禁带宽度较窄，在禁带宽度最窄的 III—V族化合物中，由于价带和导带的相互作用使得导带底不呈 抛物线形状。
1．锑化铟的能带结构 锑化铟的导带极小值位于 k＝0处，极小位附近的等能面是球 形的。但是，极小值处E（k）曲线的曲率很大，因而导带底电子 有效质量很小，室温下mn*＝0. 0135m0。随着能量的增加，曲率迅 速下降，因而能带是非抛物线形的。
锑化铟的价带包含三个能带， 一个重空穴带V1， 一个轻空穴带V2 由自旋-轨道耦合所分裂出来的第三个能带V3， 20K时重空穴有效质量沿[111]，[110]，[100] 方向分别为0.44m0，0.42m0和0.32m0，轻空穴有 效质量为0.0160m0。 重空穴带的极大值偏离布里渊区中心，约为 布里渊区中心至布里渊区边界距离的0.3%，其能 值比k=0处的能量高10-4eV，由于这两个值很小， 因而可以认为价带极大值位于k=0， 价带的自旋-轨道裂距约为0.9eV。 室温下禁带宽度为0.18eV，0K时0.2355eV。 可以看出，锑化铟的能带结构和最简单的能 带模型很相似，能带极值都位于布里渊区中心。
间接带隙半导体:导带和价带的极值处于不同的k空间，跳跃是间 接的。 间接跳跃过程除了发射光子还有声子。
问题：硅，锗，砷化镓是什么类型的半导体？
人们已利用混合晶体的禁带宽度随组分变化的特性制备发光 或激光器件。 光二极管(LED)，当x=0.38~0.40时，室温下禁带宽度在 1.84~1.94eV范围，其能带结构类似砷化镓，当导带电子与价带空 穴复合时可以发出波长在6400~6800A范围内的红光。 调节的x、y部分，以研制1.3~1.6μm红外光的所谓长波长激光 器是当前很活跃的研究领域。
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们的日常生活中，半导体扮演着至关重要的角色。
从智能手机、电脑到汽车、家电，几乎所有的现代电子设备都离不开半导体。
那么，究竟什么是半导体呢？简单来说，半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
导体，比如金属，具有良好的导电性，而绝缘体，如塑料、橡胶等，则几乎不导电。
半导体的独特之处在于，它的导电性可以通过控制杂质的含量和施加外部条件（如电场、光照、温度等）来改变。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
其中，硅是目前应用最广泛的半导体材料，这是因为它在地球上的储量丰富，且具有良好的物理和化学性质。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，正是这些特性使得它们在电子领域得到了广泛的应用。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著的改变。
利用这一特性，可以制成热敏电阻，用于温度测量、温度控制等方面。
2、光敏特性在光照的作用下，半导体的导电性会增强。
基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入少量的杂质元素，可以显著改变其导电性。
例如，在硅中掺入磷元素可以形成 N 型半导体，掺入硼元素则形成 P 型半导体。
三、半导体的制造工艺要将半导体材料制成可用的电子器件，需要经过一系列复杂的制造工艺。
1、晶圆制备首先，需要从硅矿石中提炼出高纯度的硅，并将其制成单晶硅锭。
然后，通过切割等工艺将硅锭加工成薄而圆的晶圆。
2、光刻这是半导体制造中非常关键的一步。
通过在晶圆表面涂上光刻胶，然后用紫外线透过掩膜版对光刻胶进行曝光，未曝光的光刻胶会被去除，从而在晶圆表面形成所需的图案。
3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上形成电路的微观结构。
4、掺杂通过离子注入等方法，向晶圆中掺入杂质，形成不同类型的半导体区域。
5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片并提供与外部电路的连接接口。
四、半导体在集成电路中的应用集成电路是半导体技术的重要应用领域。
化合物半导体权威解释
化合物半导体权威解释化合物半导体权威解释引言在科技发展的当今世界中，半导体技术无疑扮演着重要的角色，而其中又以化合物半导体备受瞩目。
化合物半导体是指由两个或多个元素组成的化合物，具备半导体特性。
本文将着重解释化合物半导体的概念、特性，以及其在科技领域的应用。
第一部分：化合物半导体的概念和特性1. 什么是化合物半导体？化合物半导体是由两个或多个元素通过化学反应形成的半导体材料。
与纯硅等单一元素半导体相比，化合物半导体由于其特殊的组合结构，具备一系列优越的性质。
2. 化合物半导体的特性2.1 带隙化合物半导体相较于单一元素半导体具有更大的能带隙。
能带隙指的是价带（valence band）和导带（conduction band）之间的能量差。
这使得化合物半导体能够在更广泛的光谱范围内吸收和发射光线，具备更高的光电转化效率。
2.2 良好的载流子迁移率化合物半导体因为其晶格结构和成分的差异，具备较高的载流子迁移率。
这意味着电子和空穴在化合物半导体中移动的速度更快，使得器件具备更高的工作效率和响应速度。
2.3 高饱和漂移速度饱和漂移速度是指在电场作用下，载流子达到饱和速度时的漂移速度。
化合物半导体由于其特殊的晶格结构和较大的能带隙，使得饱和漂移速度更高，从而在高频电子器件中具备更好的性能。
第二部分：化合物半导体的应用领域1. 太阳能电池化合物半导体因为其良好的光电转化效率和光吸收能力，成为太阳能电池领域的重要材料。
III-V族化合物半导体如氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）可以实现高效率的光电转化。
2. 光电子器件化合物半导体在光电子器件领域有广泛的应用，例如激光二极管、光电传感器和光纤通信等。
砷化镓和磷化铟是典型的化合物半导体材料，具备优异的光电性能，使得这些器件能够实现高效率的光传输和信号处理。
3. 高速晶体管化合物半导体晶体管因为其较高的饱和漂移速度，被广泛应用于高速和高频电子器件中。
砷化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）在通信和雷达系统中具备优异的性能，成为主流技术之一。
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化学气相沉积（CVD）
化学气相沉积（CVD）也称为气相外延 （Vapor－phase epitaxy，VPE）， 是通过气体化合物间的化学作用而形成外延层的工艺，CVD工
外延生长
外延是在单晶上生长一层同质或异质的薄膜层。
薄膜制备技术
❖ 1．物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）
❖ 2．化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）
❖ 3．氧化法（高压氧化法） ❖ 4．电镀法 ❖ 5．涂敷、沉淀法
❖ 经过数十年的发展，CVD已经成为半导体 生产过程中最重要的薄膜沉积方法。PVD的 应用大都局限在金属膜的沉积上；而CVD几 乎所有的半导体元件所需要的薄膜，不论是 导体，半导体，或者介电材料，都可以沉积。
CVD工艺特点：
（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点。 因此减 轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了 缺陷 生成; 设备简单，重复性好； （2）薄膜的成分精确可控； （3）淀积速率一般高于PVD（如蒸发、溅射等） （4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。 （5）极佳的覆盖能力
MOCVD
分子束外延法(MBE－Molecular Beam Epitaxy)
在超真空（10-6~10-9Pa）容器内蒸发金属，获得金 属分子束，并使之碰撞在基片上进行外延生长。 ➢ 优点：生长真空度高、温度低和生长速度小。 ➢ 不足之处：成本昂贵且不适用于同时多个衬底生长。
特点: (a)它是个超高真空的物理淀积过程，不考虑化学反应和质 量传输，膜的组份 和杂质浓度因源而调整；(b)它的温度最低，有效控制自掺杂和衬底热分解 (c) 测试设备先进，生长速度严格控制，低达每分钟几十纳米。
在目前的VLSI及ULSI生产过程中，除了 某些材料还在用溅镀法之外，如铝硅铜合金 及钛等，所有其他的薄膜均用CVD法来沉积。
物理气相淀积(PVD)
❖ 蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的 能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽 原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同， 有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种
艺包括 ❖ 常压化学汽相淀积(APCVD)(Atmospheric pressure CVD) ❖ 低压化学汽相淀积(LPCVD) ❖ 等离子增强化学汽相淀积(PECVD)(Plasma Enhanced
CVD) ❖ 金属有机化学气相沉积（MOCVD） ❖ 激光化学气相沉积等
CVD法的基本原理和过程 化学气相沉积是利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应，生成固态
与常规的氯化物输运外延（VPE）相比，MOCVD具有下列一系列优 （1）、适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体； （2）、非常适合于生长各种异质结构材料； （3）、可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡； （4）、生长易于控制； （5）、可以生长纯度很高的材料； （6）、外延层大面积均匀性良好； （7）、可以进行大规模生产。
它是利用金属有机物为原料，在单晶衬底上外延生长各种 器件结构材料，如太阳能电池，半导体激光器，发光管， 各种微电子器件，探测器等材料
它能生长高质量的具有原子层或近于原子层的突变界面， 是分子束外延的竟争者。
❖ 金属有机化学汽相淀积（MOCVD）是在汽相外延 生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型汽相外 延生长技术。它采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物 和Ⅴ族元素的氢化物等作为晶体生长原料，以热分 解反应方式在衬底上进行汽相外延，生长各种Ⅲ-Ⅴ 族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的 薄膜层单晶材料。MOCVD是在常压或低压 （≈10kPa）下于通H2的冷壁石英反应器中进行， 衬 气底通温 过度 温为 度可60控0-的80液0体℃源，鼓用泡射携频带加金热属石有墨机支物架到，生H2 长区。一般的MOCVD设备都由源供给系统、气体 输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾 气处理和安全防护及毒气报警系统构成。
➢ 液相外延生长法应用较早，现已逐渐被其他新方 法（如MOCVD法及MBE法）所取代。
优点 生长设备比较简单； 生长速率快； 外延材料纯度比较高； 掺杂剂选择范围较广泛； 外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； 成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； 操作安全。 缺点 当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难；由 于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；外 延层的表面形貌一般不如气相外延的好。
➢ MOCVD工艺主要通过金属有机化合物在热分解 瞬间实现与有关元素的化合、结晶并形成薄膜。
➢ 改进的MOCVD法－光激励外延法，利用水银灯 进行照射，使金属有机化合物发生光激励反应。 已被用来制作异质结及超晶格等新型元件。
液相外延法（LPE－Liquid Phase Epitaxy）
液相外延法是由过冷合金液相(或过饱和合金液相)， 在晶片表面析出，使之形成外延层。
用途：（1）制备超晶格结构； （2）生长具有多层结构的薄膜外延层---各种异质结。
沉积物的过程。CVD在本质上是一种材料的合成过程，其主要步骤有： （1）反应剂被携带气体进入反应器后，在基体材料表面附近形成边界后，然 后在主气流中的反应剂越过边界扩散型材料表面。 （2）反应剂被吸附在基体材料表面，并进行化学反应。 （3）化学反应生成的固态物质，即所需要的沉积物，在基体材料表面成核， 生长成薄膜。 （4）反应后的气相产物离开基体材料表面，扩散回边界层，并随输运气体排 出反应室。
MOCVD与另一种新型外延技术--分子束外延（MBE）相比，不仅 具有MBE所能进行的超薄层、陡界面外延生长的能力，而且还具 有设备简单、操作方便、便于大规模生产等特点，因而比MBE具 有更大的实用价值。
砷化镓气相外延
➢ 砷化镓气相外延又可分为氯化物法、砷烷—镓源 法、金属有机化合物(MOCVD)法和改进了的 MOCVD法－光激励外延法等。