Ⅲ族氮化物半导体材料

Zhe Chuan Feng Taiwan University，ChinaⅢ-Nitride SemiconductorMaterials2006，428pp．Hardcover

USDl20.00ISBN 1-86094-636-4Imperial College Press

Ⅲ族氮化物半导体材料(Al，In，Ga)N，(包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN和AIlnGaN等)是性能优良、适宜制作半导体光电子和电子器件的材料。用这种材料研究发展的高功率、高亮度的蓝-绿-白发光管和蓝光激光器以及其他电子器件和光电子器件近几年来均有很大突破，有的已形成了产业。预期在本世纪内氮化物基的发光管有可能置换传统的钨丝灯，这在照明领域是一次革命，将会极大地影响人们的生活。

此书共有12章，每章作者均是该领域的专家。全书内容包括了Ⅲ-N科学和技术的基础和各个重要的方面，主要内容有：1Ⅲ族氮化物材料的氢化物汽相外延；2Ⅲ族氮化物材料外延的平面MOVPE技术；3GaN和相关材料外延的紧耦合喷头MOCVD技术；4Ⅲ-N材料的分子束外延；5非极性GaN薄膜和异质结的生长和特性；6InN的高压CVD生长、适时和非原位持性；7对InN新的认识；8

AlxGal-xN合金(x=O-1)的生长和光/电特性；9MOCVD lnGaN/GaN量子阱结构的光学研究；1O掺SiInGaN/GaN 量子阱结构的簇状纳米结构和光学特性；11Ⅲ族氮化物的微结构和纳米结构；12稀释氮化物半导体研究的新进展。

此书介绍了Ⅲ族氮化物材料的一些重要性能和关键生长技术，指出了21世纪以来Ⅲ族氮化物半导体的最新进展和还有待研究解决的问题。适合从事Ⅲ族氮化物领域的研究、教学、工程技术人员以及研究生、大学生阅读和参考。

孔梅影，研究员

(中国科学院半导体研究所)

Kong Meiying，Professor

(Institute of Semiconductors，

the Chinese Academy of Sciences)

半导体材料发展情况

实用标准文案 1、硅材料从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smart cut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al 引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

半导体材料课程教学大纲

半导体材料课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称：半导体材料所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业限选学分： 3 （二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。（四）教材：杨树人《半导体材料》主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》二、课程内容与安排第一章半导体材料概述第一节半导体材料发展历程第二节半导体材料分类第三节半导体材料制备方法综述第二章硅和锗的制备第一节硅和锗的物理化学性质第二节高纯硅的制备第三节锗的富集与提纯

第三章区熔提纯第一节分凝现象与分凝系数第二节区熔原理第三节锗的区熔提纯第四章晶体生长第一节晶体生长理论基础第二节熔体的晶体生长第三节硅、锗单晶生长第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷第一节硅、锗晶体中杂质的性质第二节硅、锗晶体的掺杂第三节硅、锗单晶的位错第四节硅单晶中的微缺陷第六章硅外延生长第一节硅的气相外延生长第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制第三节硅的异质外延第七章化合物半导体的外延生长第一节气相外延生长（VPE）第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）第三节分子束外延生长（MBE）第四节其他外延生长技术第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂第四节 InP、GaP等的制备及应用第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料第一节氮化物半导体材料特性及应用第二节氮化物半导体材料的外延生长第三节碳化硅材料的特性及应用第十章其他半导体材料

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。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过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的

半导体材料

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在纯硅中掺入少许的硼（最外层有三个电子），就反而少了一个电子，而形成一个电洞（hole），这样就形成P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷）。目录 [隐藏] ?1概观 ?2半导体的能带结构 o 2.1能量-动量色散 ?3载子的产生与复合 ?4半导体的掺杂 o 4.1掺杂物 o 4.2载子浓度 o 4.3掺杂对半导体能带结构的影响 ?5半导体材料的制造 ?6应用 ?7延伸阅读 o7.1材料 o7.2物理学 o7.3工业 ?8参考资料 ?9相关条目 ?10外部链接 o10.1半导体行业网站

[

Diamantstruktur Diamantstruktur Zinkblendestruktur (Elementarzelle)

（Pauli exclusion principle），同一个量子态内不能有两个电子，已经被填满的能带无法导电，因为该能带内的所有量子态都已经被电子占据，所以半导体材料的传导带不会被电子占满，让电子可以在其中的量子态间移动。费米-狄拉克分布。在价带内的电子获得能量后便可跃升到传导带，而这便会在价带内留下一个空缺，也就是所谓的“电洞”（electron holes）。传导带中的电子和价带中的电洞都对电流传递有贡献，电洞本身不会移动，但是其它电子可以移动到这个电洞上面，等效于电洞本身往反方向移动。相对于带负电的电子，电洞的电性为正电。由化学键结的观点来看，获得足够能量、进入传导带的电子也等于有足够能量可以打破电子与固体原子间的共价键（covalent bonds），而变成自由电子，进而对电流传导做出贡献。半导体和导体之间有个显著的不同是半导体的电流传导同时来自电流与电洞的贡献，而导体的费米能阶（Fermi level）则已经在传导带内，因此电子不需要很大的能量即可找到空缺的量子态供其跳跃、造成电流传导。固体材料内的电子能量分布遵循费米-狄拉克分布（Fermi-Dirac Distribution）。在绝对零度时，材料内电子的最高能量即为费米能阶，当温度高于绝对零度时，费米能阶为所有能阶中，被电子占据机率等于0.5的能阶。半导体材料内电子能量分布为温度的函数也使其导电特性受到温度很大的影响，当温度很低时，可以跳到传导带的电子较少，因此导电性也会变得较差。 [编辑]能量-动量色散上述关于能带结构的内容为了简化，因此跳过了一个重要的现象，称为“能量的色散”（dispersion of energy）。同一个能带内之所以会有不同能量的量子态，原因是能带的电

Ⅲ族氮化物半导体材料

Ⅲ族氮化物半导体材料 Zhe Chuan Feng Taiwan University ，ChinaⅢ-Nitride SemiconductorMaterials2006 ，428pp．Hardcover USDl20.00ISBN 1-86094-636-4Imperial College Press Ⅲ族氮化物半导体材料(Al ，In，Ga)N，(包括GaN、InN 、AlN 、InGaN 、AlGaN 和AIlnGaN 等)是性能优良、适宜制作半导体光电子和电子器件的材料。用这种材料研究发展的高功率、高亮度的蓝-绿-白发光管和蓝光激光器以及其他电子器件和光电子器件近几年来均有很大突破，有的已形成了产业。预期在本世纪内氮化物基的发光管有可能置换传统的钨丝灯，这在照明领域是一次革命，将会极大地影响人们的生活。此书共有12 章，每章作者均是该领域的专家。全书内容包括了Ⅲ-N 科学和技术的基础和各个重要的方面，主要内容有：1 Ⅲ族氮化物材料的氢化物汽相外延； 2 Ⅲ族氮化物材料外延的平面MOVPE 技术；3 GaN 和相关材料外延的紧耦合喷头MOCVD 技术；4 Ⅲ-N 材料的分子束外延； 5 非极性GaN 薄膜和异质结的生长和特性； 6 InN 的高压CVD 生长、适时和非原位持性； 7 对InN 新的认识；8

AlxGal-xN 合金(x=O-1) 的生长和光/电特性；9 MOCVD lnGaN/GaN 量子阱结构的光学研究；1O 掺SiInGaN/GaN 量子阱结构的簇状纳米结构和光学特性；11 Ⅲ族氮化物的微结构和纳米结构；12 稀释氮化物半导体研究的新进展。此书介绍了Ⅲ族氮化物材料的一些重要性能和关键生长技术，指出了21 世纪以来Ⅲ族氮化物半导体的最新进展和还有待研究解决的问题。适合从事Ⅲ族氮化物领域的研究、教学、工程技术人员以及研究生、大学生阅读和参考。孔梅影，研究员 (中国科学院半导体研究所) Kong Meiying ，Professor (Institute of Semiconductors ， the Chinese Academy of Sciences)

半导体材料的发展现状与趋势

的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，

半导体材料的分类及应用

半导体材料的分类及应用能源、材料与信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。材料方面, 电子材料的进展尤其引人注目。以大规模和超大规模集成电路为核心的电脑的问世极大地推动了现代科学技术各个方面的发展,一个又一个划时代意义的半导体生产新工艺、新材料和新仪器不断涌现, 并迅速变成生产力和生产工具, 极大地推动了集成电路工业的高速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成电路和微处理器, 无论是在集成度和稳定可靠性的提高方面, 还是在生产成本不断降低方面都上了一个又一个新台阶,有力地促进了人类在生物工程、航空航天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的全面发展, 也大大地方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平, 是衡量一个国家的经济实力和科技进步的主要标志之一, 然而半导体材料又是集成电路发展的一个重要基石。“半体体材料”作为电子材料的代表, 在生产实践的客观需求刺激下, 科技工作者已经发现了数以千计的具有半导体特性的材料, 并正在卓有成效在研究、开发和利用各种具有特殊性能的材料。 1 元素半导体周期表中有12 种具有半导体性质的元素( 见下表) 。但其中S、P、As、Sb 和I 不稳定, 易发挥; 灰Sn 在室温下转变为白Sn, 已金属; B、C 的熔点太高, 不易制成单晶; T e 十分稀缺。这样只剩下Se、Ge 和Si 可供实用。半导体技术的早期( 50 年代以前) 。表1 具有半导体性质的元素

周期ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA B C S i P S Ge As S e S n Sb Te I Se 曾广泛地用作光电池和整流器, 晶体管发明后,Ge 迅速地兴起, 但很快又被性能更好的Si 所取代。现在Se 在非晶半导体器件领域还保留一席之地, Ge 在若干种分立元件( 低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器等) 中还被应用, 而Si 则一直是半导体工作的主导材料, 这种情况预计到下个世纪初也不会改变。Si 能成为主角的原因是: 含量极其丰富( 占地壳的27%) , 提纯与结晶方便; 禁带宽度1. 12eV, 比Ge 的0. 66eV 大, 因而Si 器件工作温度高; 更重要的是SiO2 膜的纯化和掩蔽作用, 纯化作用使器件的稳定性与可靠性大为提高,掩蔽作用使器件的制和实现了平面工艺, 从而实现了大规模自动化的工业生产和集成化, 使半导体分立器件和集成电路以其低廉的价格和卓越的性能迅速取代了电子管, 微电子学取代了真空电子学, 微电子工程成为当代产业中的一支生力军。据报导, 1995 年世界半导体器件销售额为1464 亿美元, 硅片销费量约为30. 0 亿平方英寸, 1996 年市场规模为1851 亿美元, 增长了26. 4%, 消费硅片则达33. 46 亿平方英寸。硅材料分为多晶硅, 单晶硅和非晶硅。单晶硅分为直拉单晶硅( CZ) 、区熔单晶硅( FZ) 和外延单晶硅片( EPI) 。其中, CZ 单晶

半导体材料

半导体材料应用前景调研报告 1.前言随着科技的进步，半导体材料的研究与发展越来越受到人们的重视与青睐，从小小的光伏电池与LED灯，到雷达与红外探测器，无论是我们日常的生活中，还是包含国际顶尖技术的设备中，都有着半导体材料的影子。在材料领域里，半导体材料作为科学家们重点研究的对象，在现代社会中不断散发着光和热，使这个世界变得更加美好。 2.半导体材料的应用（1）半导体照明技术发光二极管，是一种半导体固体发光器件，是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。半导体照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。半导体照明具有高效、节能、环保、易维护等显著特点，是实现节能减排的有效途径，已逐渐成为照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革命。目前LED已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等，开始应用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等，随着单个LED亮度和发光效率的提高，即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD显示器背光源等，因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。（2）光伏电池太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应

工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应原理工作的太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴--电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。无枯竭危险；绝对干净（无污染，除蓄电池外）；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短；供电系统工作可靠等优点。但是太阳能电池成本还很高：比许多绿色/再生能源高很多，无法以合理成本提供大量需求。未来可以期待科学家及工程师们不断的研究，再加上半导体产业技术的进步，太阳能电池的效率也逐渐增加，而且发电系统的单位成本也正逐年下降。因此，随着太阳能电池效率的增加、成本的降低以及环保意识的高涨，太阳能电池的成本可望大幅降低。也可以利用便宜的镜子将阳光反射至昂贵的高效能太阳能电池(需注意散热)，可以发电降低成本。（3）集成电路材料构成的PN结的单向导电性质，可以用其作出具有一定大小的逻辑电路。集成电路是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比和罗伯特·诺伊思。有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

III族氮化物的电学特性

III族氮化物的电学特性在半导体产业的发展中, 一般将Si、Ge 称为第一代电子材料; 而将GaA s、InP、GaP、InA s、A lA s 及其合金等称为第二代电子材料; 宽禁带(E g> 213eV ) 半导体材料近年来发展十分迅速, 成为第三代电子材料, 主要包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN 等。同第一、二代电子材料相比(表1) , 宽禁带半导体材料具有禁带宽度大, 电子漂移饱和速度高, 介电常数小, 导热性能好等特点, 非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件; 而利用其特有的禁带宽度, 还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。（参考文献1：GaN——第三代半导体的曙光，梁春广，张冀，半导体学报，第20卷第2期） III族氮化物, 主要包括GaN、A lN、InN (E g< 213V )、A lGaN、Ga InN、A l InN 和A lGa InN 等, 其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围. 在通常条件下, 它们以六方对称性的铅锌矿结构存在, 但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在. 两种结构的主要差别在于原子层的堆积次序不同, 因而电学性质也有显著差别.

表2给出了两种结构的A lN、GaN 和InN 在300K 时的带隙宽度和晶格常数. GaN是III族氮化物中的基本材料, 也是目前研究最多的III族氮化物材料。 GaN 材料非常坚硬, 其化学性质非常稳定, 在室温下不溶于水、酸和碱, 其融点较高, 约为1700℃。 GaN 的电学性质是决定器件性能的主要因素。电子室温迁移率目前可以达900cm2/(V ·s)。在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN 样品存在较高(> 1018/ cm 3) 的n 型本底载流子浓度, 现在较好的GaN 样品的本底n 型载流子浓度可以降到1016/ cm 3 左右. 由于n 型本底载流子浓度较高, 制备p 型GaN 样品的技术难题曾经一度限制了GaN 器件的发展. 1988 年A kasak i 等人首先通过低能电子束辐照( IEEB I) , 实现掺M g 的GaN 样品表面p 2型化, 随后N akamura 采用热退火处理技术, 更好更方便地实现了掺M g 的GaN 样品的p2型化, 目前已经可以制备载流子浓度在1011～ 1020/cm3 的p2型GaN 材料。不同生长压力下的GaN薄膜表现出相异的电学性能，即在500Torr 下生长的样品通常表现出更高的载流子浓度（（4.6～6.4）×1016cm-3）

氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术

氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术张国义１，李树明２北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣 ‘２北大董光科技酣青曩公司北囊１∞耵１ｉ盲謦。莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄．众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业群。其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示．光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平标志是使通讯速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术．对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的实现。事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问题。它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开始．在世纪之交得以确认。那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术．ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们的性质根接近。三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。它们的禁带宽度基本符合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙．以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构 ?１７?

InN半导体材料及器件研究进展

InN半导体材料及器件研究进展摘要：InN是性能优良的三五族化合物半导体材料，在光电子领域有着非常重要的应用价值，因此一直是国际国内研究的焦点。这里，就InN材料的制备方法、P型掺杂、电学特性、光学特性、高温退火特性、器件的研究应用以及研究的最新进展进行了综述。关键词：InN 制备特性应用太赫兹辐射进展 1.引言：三族氮化物半导体材料GaN、AlN、InN是性能优越的半导体材料。在光电子器件方面已有重要的应用，在光电集成、超高速微电子器件及集成电路上也有十分广阔的前景。但是因为InN具有低得离解温度，要求低温生长，而作为氮源的NH3的分解温度较高，这是InN生长的一对矛盾。其次，对已氮化銦材料生长又缺少与之匹配的衬底材料，使得高质量氮化銦材料生长特别困难，有没有什么进展。后来的理论研究表明，InN 具有极高的漂移速度和电子渡越速度以及最小的有效电子质量。同时电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理想的高速、高频晶体管材料。最近研究表明：InN的禁带宽度也许是0.7eV左右，而不是先前普遍接受的1.9eV，所以通过调节合金组分可以获得从 0.6eV（InN）到6.2eV（AlN）的连续可调直接带隙，这样利用单一体系的材料就可以制备覆盖从近红外到深紫外光谱范围的光电器件。因此，InN有望成为长波长半导体光电器件、全彩显示、高效率太阳能电池的优良半导体材料。理论研究表明，1nN材料在Ⅲ族氮化物半导体材料中具有最高的迁移率（室温下最大的迁移率是14000 平方厘米/V s）、峰值速率、电子漂移速率和尖峰速度（4.3×107cm/s）以及具有最小的有效电子质量m*=0.05m0。这些特性使得InN在高频率，高速率晶体管的应用上有着非常独特的优势。然而，由于InN的制备和检测都比较困难，对其研究和应用还很不完善。尽管如此，随着材料生长技术的不断发展进步以及材料生长工艺的提高，现在已经可以在不同衬底材料上外延生长得到质量较好的InN薄膜单晶材料，同时，由于测量技术的进一步提高，使得InN材料的研究和应用迈进了很大一步。一些相关的应用研究和器件也已有很多报道：如用作异质结场效应管，气体/液体传感器，异质结太阳能电池的透明传导窗口材料，InN/Si p-n结；InN薄膜已经被尝试着作为Li离子薄膜电池的阳极；还有InN热电器件以及太赫兹发射器件；InN的欧姆接触也已经被证实，InN/GaN的肖特基接触也已经实现；对于P型掺杂方面，也取得了显著成果；此外，InN具有很高的折射率(>3)，还可以应用到光子晶体的设计中。鉴于InN材料有如此重要的应用价值以及最近来自国际和国内的诸多报道，本文对InN 材料的最新研究进展，包括电学、光学性质及其应用方面做些归纳和总结。 2.InN材料的最新研究进展 2.1InN材料的制备

(完整版)半导体材料及特性

地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。无机化合物半导体：四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。半导体材料 ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族

III族氮化物外延片晶格常数测试方法送审稿-中国有色金属

ICS29.045 H 80 中华人民共和国国家标准 GB/T XXXXX—201X III族氮化物外延片晶格常数测试方法Test method for lattice constant of III-Nitride Epitaxial Layers （送审稿）（本稿完成日期：2012.11.23） 201X-XX-XX发布201X-XX-XX实施

前言本标准根据GB/T 1.1-2009给出的规则起草。本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分会（SAC/TC203/SC2）归口。本标准由中国科学院半导体研究所负责起草。本标准主要起草人：孙宝娟、赵丽霞、王军喜、曾一平、李晋闽。本标准为首次制定。

III族氮化物外延片晶格常数测试方法 1 范围本标准规定了利用高分辨X射线衍射对Ⅲ族氮化物外延片晶格参数的测试方法。本标准适用于在氧化物（Al2O3、ZnO等）或者半导体衬底（GaN、Si、GaAs、SiC等）上外延生长的氮化物(Ga, In, Al)N单层或多层异质外延片晶格参数的测量。其它异质外延片晶格参数的测量也可参考。 2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T24576-2009 高分辨率X射线衍射测量GaAs衬底生长的AlGaAs中Al成分的试验方法 3 定义 3.1 ω 入射光和样品表面之间的角度。 3.2 2θ 探测器与入射光之间的角度。 3.3 χ 倾斜样品的轴，由样品表面和衍射平面相交而成。 3.4 Phi 使样品绕样品表面法线做面内旋转的轴。 3.5 Bragg angle布拉格角θB 一单色平面波入射到一个完整晶体的晶面（hkl），当入射到相邻两原子面的两束X射线的反射光束光程差为X射线波长的整数倍时产生衍射，即2d sinθB=nλ，这就是著名的Bragg方程。其中，λ是X射线的波长；d是晶面（hkl）的面间距；θB是X射线产生衍射时入射光线与反射面之间的角度，即Bragg angle布拉格角θB。 3.6 ω-2θ或2θ-ω

Ⅲ族氮化物电子器件

Ⅲ族氮化物半导体电子器件除光电子器件外，Ⅲ族氮化物（又称GaN基）半导体另一个主要的应用领域是高温、高频、高功率及高压电子器件。他们在无线通信、国防、电力系统等领域具有重大应用价值，是半导体器件研究开发的重要目标。自从1993年国际上第一只Al x Ga1-x N/GaN异质结场效应晶体管研制成功后(1), 该领域成为国际上半导体研究的又一热点，研究水平取得了突飞猛进的进展(2,3)。但由于一系列的材料、器件及相关的物理问题尚未根本解决，目前依然处于实验室研究探索阶段，离开产业化还有距离。下面分三个方面介绍该领域的研究进展和面临的各种科学、技术问题。 4.4.1 Ⅲ族氮化物半导体应用于电子器件的优势 Ⅲ族氮化物半导体材料被认为是最适合，也最有希望应用于高温、高频、高功率及高压电子器件研制的固体材料，这是由这一材料体系的一系列优异物理性质决定的。首先，也是最基本的特点，GaN、AlN及其三元合金Al x Ga1-x N是一类宽带隙半导体，GaN禁带宽度室温下为3.4 eV，AlN 禁带宽度室温下更高达6.2 eV。决定半导体器件最高工作温度的主要因素之一是材料的禁带宽度。因此，GaN基器件的最高工作温度远高于Si和 GaAs器件。理论计算表明GaN基器件的最高有效工作温度高于900 o C(4)。实验也已表明Al x Ga1-x N/GaN异质结场效应晶体管在500 o C时依然有很好的微波放大性能(5)。其次，由于均为六方晶体结构，GaN和Al x Ga1-x N合金之间可以形成高晶体质量的半导体异质结构，从而在异质界面形成具有高迁移率的二维电子气(2DEG)。这是GaN基材料在电子器件应用上相对于另一类宽带隙半导体材料SiC的最大优势。更加重要的是，由于GaN和AlN之间禁带宽度差异很大，而且理论计算表明禁带宽度差异的75%以上落在导带上(6)。因此，

III-V族半导体材料

III-V族半导体 III-V族化合物是化学元素周期表中的IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的化合物。通常所说的III-V半导体是由上述IIIA族和VA族元素组成的两元化合物，它们的成分化学比都是1:1。砷化镉砷化镉是一种灰黑色的半导体材料，分子式为Cd3As2。它的能隙有0.14eV，与其他半导体相比较窄。砷化铝砷化铝（Aluminium arsenide）是一种半导体材料，它的晶格常数跟砷化镓类似。砷化铝的晶系为等轴晶系，熔点是1740 °C，密度是3.76 g/cm?，而且它很容易潮解。它的CAS 编号为22831-42-1。碲化铋碲化铋是一种灰色的粉末，分子式为Bi2Te3。碲化铋是个半导体材料，具有较好的导电性，但导热性较差。虽然碲化铋的危险性低，但是如果大量的摄取也有致命的危险。碳化硅碳化硅（SiC）为由硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。制造由于天然含量甚少，碳化硅主要多为人造。最简单的方法是将氧化硅砂与碳置入艾其逊电弧炉中，以1600至2500°C高温加热。发现Top 爱德华·古德里希·艾其逊在1893年制造出此化合物，并发展了生产碳化硅用之艾其逊电弧炉，至今此技术仍为众人使用中。性质Top 碳化硅。性质碳化硅至少有70种结晶型态。α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物，在高于2000°C高温下形成，具有六角晶系结晶构造（似纤维锌矿）。β-碳化硅，立方晶系结构，与钻石相似，则在低于2000 °C生成，结构如页面附图所示。虽然在异相触媒担体的应用上，因其具有比α型态更高之单位表面积而引人注目，但直至今日，此型态尚未有商业上之应用。因其3.2的比重及高的升华温度（约2700 °C），碳化硅很适合做为轴承或高温炉之原料物件。在任何已能达到的压力下，它都不会熔化，且具有相当低的化学活性。由于其高热导性、高崩溃电场强度及高最大电流密度，近来在半导体高功率元件的应用上，不少人试着用它来取代硅[1]。此外，它与微波辐射有很强的偶合作用，并其所有之高升华点，使其可实际应用于加热金属。纯碳化硅为无色，而工业生产之棕至黑色系由于含铁之不纯物。晶体上彩虹般的光泽则是因为其表面产生之二氧化硅保护层所致。用途半导体、避雷针、电路元件、高温应用、紫外光侦检器、结构材料、天文、碟刹、离合器、柴油微粒滤清器、细丝高温计、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、触媒担体等领域。砷化镓砷化镓的优点·硅的优点·砷化镓的异质结构·安全砷化镓（英文名称为Gallium arsenide，化学式为GaAs）是镓和砷两种元素所合成的化合物。也是很重要的半导体材料，被用来制作像微波集成电路（例如单晶微波集成电路( MMIC)）、红外线发光二极管、雷射二极管和太阳电池等元件。砷化镓的优点Top GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率。砷化镓的优点 GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率，使得GaAs可以用在高于250 GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会拥有较少的噪声。也因为GaAs有较高的崩溃电压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。因为这些特性，GaAs

Ⅲ族氮化物第三代半导体材料发展现状与趋势

III 族氮化物第三代半导体材料发展现状与趋势史冬梅１，杨斌１，蔡韩辉２（１．科技部高技术研究发展中心；２．中国科学院福建物质结构研究所）一、关于III 族氮化物第三代半导体材料以III 族氮化物为代表的第三代半导体材料，多为禁带宽度显著大于Si 和GaAs 的宽禁带半导体材料（InN 除外），是实现高效率、高性能光电子和微电子器件的基础。因此，被公认是当前国际光电信息技术领域的战略制高点，各国均投入大量人力物力进行相关研发。 III 族氮化物以InN-GaN-AlN 这三者及其合金为主，InGaN 量子阱是可见光波段发光器件的核心，AlGaN 量子阱是深紫外光电子器件的关键材料，而AlGaN/GaN 异质结构，则是电力电子器件和微波通讯器件的核心材料。通过突破高Al 和高In 组分氮化物材料制备难题，攻克蓝光、绿光发光效率限制瓶颈，实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构，提升我国第三代半导体关键材料水平，掌握材料和器件科学规律及核心技术，对推动电子材料产业转型升级，培育新的经济增长点具有重要意义。二、世界发展现状与趋势 III 族氮化物第三代半导体材料当前国际研究热点仍集中于高质量高Al、高In 材料，及其异质结构的外延，超高能效白光LED，高性能、低成本的电力电子器件等领域。 1.Ⅲ族氮化物材料及其紫外发光和探测应用研究在AlGaN 材料制备方面，尤其是生长高Al 组分AlGaN 材料过程中，面临的挑战主要是AlGaN 表面开裂问以III 族氮化物为代表的第三代半导体材料在半导体照明、新型激光显示、高速移动通信等诸多领域有着重要应用。本文在对III 族氮化物第三代半导体材料国内外发展现状、趋势进行分析梳理的基础上，提出了我国进一步发展重点与对策建议。 RONTIER F 前沿

Ⅲ族氮化物半导体材料

in族氮化物半导体材料 Zhe Chuan Feng Taiwan University , China n -Nitride SemiconductorMaterials2006 ，428pp．Ha rdcove r USDl20.00ISBN 1-86094-636-4Imperial College Press n族氮化物半导体材料(Al , In , Ga)N ,(包括GaN、InN、AlN 、InGaN 、AlGaN 和AIlnGaN 等)是性能优良、适宜制作半导体光电子和电子器件的材料。用这种材料研究发展的高功率、高亮度的蓝-绿-白发光管和蓝光激光器以及其他电子器件和光电子器件近几年来均有很大突破，有的已形成了产业。预期在本世纪内氮化物基的发光管有可能置换传统的钨丝灯，这在照明领域是一次革命，将会极大地影响人们的生活。此书共有12 章，每章作者均是该领域的专家。全书内容包括了n -N科学和技术的基础和各个重要的方面，主要内容有：1 n族氮化物材料的氢化物汽相外延； 2 n族氮化物材料外延的平面MOVPE 技术； 3 GaN 和相关材料外延的紧耦合喷头MOCVD 技术； 4 n -N 材料的分子束外延； 5 非极性GaN 薄膜和异质结的生长和特性； 6 InN 的高压CVD 生长、适时和非原位持性；7 对InN 新的认识；8 AlxGal-xN 合金(x=0-1)的生长和光/电特性；9 M0CVD lnGaN/GaN

量子阱结构的光学研究；1O 掺SiInGaN/GaN 量子阱结构的簇状纳米结构和光学特性；11川族氮化物的微结构和纳米结构；12 稀释氮化物半导体研究的新进展。此书介绍了川族氮化物材料的一些重要性能和关键生长技术，指出了21世纪以来川族氮化物半导体的最新进展和还有待研究解决的问题。适合从事川族氮化物领域的研究、教学、工程技术人员以及研究生、大学生阅读和参考。孔梅影，研究员 (中国科学院半导体研究所) Kong Meiying ，Professor (Institute of Semiconductors ， the Chinese Academy of Sciences)