半导体材料专题介绍
深圳大学考试答题纸
(以论文、报告等形式考核专用)
二○～二○学年度第学期
课程编号课程名称主讲教师评分学号姓名专业年级
题目：
目录
摘要 (4)
1.ZnO的发展历史与基本性质 (5)
ZnO的发展历史 (5)
ZnO的基本性质 (5)
ZnO的晶体结构 (5)
ZnO的物理化学性质 (6)
ZnO的其他性质 (7)
紫外受激发射特性 (7)
透明导体特性 (8)
气敏性 (8)
压敏特性 (8)
P-N结特性 (9)
压电特性 (9)
2.ZnO的原料的获取与提纯 (10)
原料的获取 (10)
原料的提纯 (11)
直接法（美国法） (11)
间接法（法国法） (11)
化学湿法 (12)
3.ZnO的单晶的制备 (13)
水热法 (13)
化学气相输运法 (14)
4.ZnO的薄膜的制备 (16)
脉冲激光沉积法PLD (16)
金属有机物气相外延法MOCVD (17)
喷雾热解法 (17)
磁控溅射法 (18)
溶胶-凝胶法Sol-gel (19)
5.ZnO的应用与前景 (21)
的应用方向 (21)
短波长发光材料 (21)
氮化镓薄膜的缓冲层 (22)
集成光学 (22)
电声器件与声光器件 (22)
传感器和高效率器件 (22)
ZnO的问题与挑战 (23)
ZnO的前景 (24)
谢辞 (25)
参考文献 (26)
摘要
氧化锌(ZnO)是一种具有广泛用途的新型第三代II-VI族多功能半导体材料，拥有着许多诸如宽禁带，激子结合能大，高化学稳定性和耐高温性等等优良性质，制备出来的ZnO单晶和薄膜在发光器件，透明电极，压敏电阻等等领域有着诸多的应用，在未来有着光明的应用前景，引起了社会各界的广泛关注。
本论文着重介绍了氧化锌半导体材料的材料来源，晶体结构，物理化学性质，单晶与薄膜的制备，具体在各个领域应用与发展和目前制备薄膜以及应用于市场所遇到的难题。
关键词：氧化锌，材料来源，晶体结构，物理化学性质，单晶，薄膜，应用，难题。
1. ZnO的发展历史与基本性质
发展历史
人类很早便学会了使用氧化锌作涂料或外用医药，但人类发现氧化锌的历史已经很难追溯。公元前200年罗马人学会用铜和含氧化锌的锌矿石反应制作黄铜。公元1世纪，希腊医生迪奥斯科里季斯曾用氧化锌做药膏。1834年，氧化锌首次成为水彩颜料。20世纪后半期，氧化锌多用在橡胶工业。在20世纪70年代，氧化锌的第二大用途是复印纸添加剂，但在21世纪氧化锌作复印纸添加剂的做法已经被淘汰。
近年来，氧化锌开始被用作半导体材料。日本岛根大学2008年11月18日宣布开发出一种在光线照射下能发出荧光的氧化锌纳米粒子，其发光稳定且安全，可应用于尖端医疗领域。【1】
基本性质
晶体结构
ZnO可以有三种可能的晶体结构。如图1所示，分别为闪锌矿型结构（与金刚石类似，可看成氧原子FCC排列，4个锌原子占据金刚石中晶胞内四个碳原子的位置），纤锌矿型结构(六方结构，氧原子层和锌原子层呈六方紧密排列)和立方岩盐结构（即NaCL型结构）。【2】
常温常压下稳定的相是纤锌矿型结构，当外界压强增大，大约是时向立方岩盐结构转变，而闪锌矿型结构则是在生长时形成的亚稳态结构。ZnO的纤锌矿结
构的晶胞参数a
0=,c
=,每个晶胞中含有两个ZnO原子和两个O原子，其晶体结构
如图1(a)所示，其中(0001)晶面是Zn原子层，而（0001）面是O原子层，没有对称中心，为典型的极性晶体。ZnO本身这种晶体的各向异性使它具有本征的各向异性生长的趋势。在热力学平衡条件下，ZnO沿c轴方向生长最快，容易形成一维纳米结构，如纳米线，纳米带等。
ZnO晶体随着环境条件的改变形成不同结构的晶体。ZnO晶体中的化学键既有离子键的成分，又有共价键的成分，两种成分的含量差不多，因而使得ZnO晶体中的化学键没有离子晶体那么强，导致其在一定的外界条件下更容易发生晶体结
构上的改变。【3】
纤锌矿结构在四者中稳定性最高，因而最常见，也是半导体氧化锌中主要的晶体结构。纤锌矿结构有中心对称性，但没有轴对称性。晶体的对称性质使得纤锌矿结构具有压电效应和焦热点效应，闪锌矿结构具有压电效应。【4】
(a) (b) (c)
图1 ZnO的三种晶体结构
物理化学性质
材料ZnO GaN Si 能隙性质直接带隙直接带隙间接带隙
禁带宽度（eV）
晶格常数（nm）a=a=
a= c=c=
熔点（K）>180022201690
静态介电常数a:a: c:c:
热导率
（Wcm-6K-1 ）
~
表1 宽禁带半导体参数比较【5】
如表1所示，在常温下ZnO的稳定相是纤锌矿结构，每个锌原子与四个氯原子构成四面体，同样地每个氧原子也被四个锌原子包围。优质的ZnO薄膜具有c 轴择优取向生长，晶格常数为A=,c=.
由于其禁带宽度、晶格常数和GaN非常相近，所以ZnO和GaN可以互为缓冲层来生长出高质量的GaN或ZnO薄膜，如表所示为几种宽禁带半导体的参数比较。同时ZnO的激子束缚能远大于GaN(25Mev)等材料，因此在蓝紫光器件方面的应用比其它半导体更有潜力。【6】
ZnO晶体难以达到完美的化学计量比，天然存在着锌填隙和氧空位，为n型极性半导体。除了锌填隙和氧空位这两种主导的具有施主性质的缺陷外，ZnO还有氧填隙、氧错位和锌空位等缺陷。ZnO半导体是典型的直接带隙宽禁带半导体，其室温禁带宽度约为，激子束缚能60meV，不过禁带宽度值会受到掺杂、热失配应力和生长应力等的影响。
ZnO薄膜中掺入Mg、Cd可有效调节它的禁带宽度：Zn1-xMgxO混晶薄膜禁带宽度随组分x的变化而变化，x=0时为；x=时为； (ZnO)x(CdO)1-x薄膜禁带宽度在（x=0）与（x=1）之间变化弛曾有报道ZnO禁带宽度为或，不过vSfikant 等人的研究表明ZnO在存在着价带和施主能级间的跃迁，因此、实质上并不是ZnO的禁带宽度。【7】
归纳：由表1知氧化锌的宽禁带宽度（Eg≥），直接带隙，低介电常数，低热导率。
其他性质
紫外受激发射特性
ZnO是具有纤锌矿晶体结构的直接宽带隙半导体材料，具有多种优良的物理性能，是一种多功能材料，具有较高的化学稳定性和热稳定性，室温禁带宽度约为，对紫外光响应，为直接带隙。能以带间直接跃迁的方式获得高效率的辐射复合，是一种理想的短波长发光器件材料。ZnO薄膜还具有较低的激射阈值，这主要是由于ZnO很高的激子束缚能(室温下为60meV)可以大大降低低温下的激射阈值，而且在室温下适当的激发强度，ZnO激子间的复合可取代电子-空穴对的复
合，因而可预期一个低的阈值来产生受激发射，而且单色性很好。【8】
透明导体特性
ZnO的光学透明性是由宽禁带引起的。ZnO带隙宽，对可见光和红外光吸收很小，基本上是透明的。蒋向东等人在假定可见光和红外辐射吸收为零的情况下，推导出ZnO在可见光和红外区的理论透过率为76%~96%；实验测量值为70%~90%，与理论值还是相符的。ZnO的透光率与膜厚、衬底温度等因素有关。一般地，膜厚增加，吸收增加，透光减少。ZnO的导电性主要不是依赖本征激发，而是靠附加能级的电子或空穴激发。ZnO半导体附加能级的产生和它的化学计量比偏移即氧过剩(造成氧空位)或氧不足(造成锌填隙)有关。化学计量比偏移程度在技术上很难控制，实际生产是用掺杂A1203的方法来控制ZnO薄膜的导电性。ZnO的导电性也受膜厚影响。一般地，膜厚增加，导电增强。电阻率急剧下降(比透光率下降明显得多)；当膜厚增加到一定厚度时，电阻率不会再继续下降，而是趋于一个饱和值。【9】
气敏性
ZnO薄膜光电导随表面吸附的气体种类和浓度不同会发生很大变化。利用这个性质可以制作表面型气敏器件，通过掺杂不同的元素来检测不同的气体。等人用溶胶凝胶法合成了ZnO薄膜气敏元件，对CO、H2、CH4均有较高灵敏度，实验还表明配制的前体溶液pH值越小，ZnO薄膜对CH4的灵敏度越高。掺Sn、Al的ZnO：Sn、ZnO：AI薄膜可检测乙醇蒸气。等人还利用多元掺杂制得ZnO薄膜器件检测三甲胺气体。【10】
ZnO是研究最早、应用最广的半导体气敏材料之一，在适宜的温度下对多种气体具有很好的灵敏性与金属氧化物气敏材料的另外两个系列SnO和FeO相比，ZnO的稳定性较好，但灵敏度偏低，工作温度较高，一般为400~500℃。随着自动控制、自动检测等技术的发展。对性能卓越的气敏传感器的需要不断增加，而监控、检测设备的集成化和微型化则需要气敏材料的薄膜化。
压敏特性
ZnO薄膜的压敏特性主要表现在非伏安特性上．ZnO压敏材料受到外界压力作用时，存在一个阈值电压，即压敏电压(vl。A)，当外加电压高于此值时即进入击穿区，此时even电压的微小变化会导致电流的迅速增大，这一特征使得ZnO
压敏材料在电子电路等系统中被广泛应用于稳定电流、抑制电涌以及消除电火花．如图2是贾锐等人用喷雾热解法在350℃下合成的ZnO压敏器件的I-V特性曲线。
图2 ZnO低压压敏薄膜I-V曲线【11】
P-N结特性
ZnO是一种极性半导体，故其P型掺杂一直是研究ZnO的一个重要课题。等人用PLD方法在GaAs衬底上掺As制得P型ZnO，其As的掺杂是通过衬底中的As热扩散到ZnO薄膜中实现的。另外掺P、Ag等也能实现P型掺杂。ZnO，其As 的掺杂是通过树底中的As热扩散到ZnO薄膜中实现的，另外掺P、Ag等也能实现P型掺杂。中国科学技术大学林碧霞老师等人制备出了ZnO的同质p-n结，测出其I-V特性具有典型的p-n结特性。【12】
压电特性
ZnO还具有压电特性，并且在制作压电器件也有一些应用，下面概括做一个介绍。ZnO薄膜作为一种压电材料，具有较高的机电耦合系数和低介电常数，是一种应用于体声波(BAW)尤其是表面声波器件(SAW)的性能优异的材料。ZnO具有良好的高频特性，随着数字传输和移动通信信息传输量的增大，SAW也要求超过1GHz的高频，所以ZnO压电薄膜在光波导、谐振器、高频滤波器等方面有着广阔的应用前景。【13】
2.ZnO的原料获取与提纯
原料的获取
下图3为我国铅锌矿的分布图，锌主要以硫化物形态存在于自然界，氧化物形态为其次，是硫化锌矿长期风化的结果，故氧化锌矿常与硫化锌矿伴生。氧化锌矿在自然界的形成过程大致如下：
硫化锌(闪锌矿)—>硫酸锌—>碳酸锌(菱锌矿)—>硅酸锌(硅锌矿)—>水化硅酸锌(异极矿)【14】，具体锌矿石实物图如图4所示。
图3 我国铅锌矿分布图
菱锌矿ZnCO3异极矿H2Zn2SiO5硅锌矿Zn2SiO4 水锌矿3Zn(OH)2·2ZnCO3（a) (b) (c) (d)
红锌矿ZnO锌尖晶石ZnO·Al2O3
(e) (f)
图4 锌矿石实物图【15】
原料的提纯
每年会生产用于工业用途的氧化锌105吨，生产方法主要有三个途径:直接法，间接法，化学湿法。
直接法（美国法）
主要化学反应式：ZnO+CO=Zn（蒸气）+CO2 Zn（蒸气）+CO+O2=ZnO+CO2操作方法：将焙烧锌矿粉（或含锌物料）与无烟煤（或焦炭悄）、石灰石按1：：比例配制成球。在1300℃经还原冶炼，矿粉中氧化锌被还原成锌蒸气，再通入空气进行氧化，生成的氧化锌经捕集，制得氧化锌成品。
直接法以不纯的含锌化合物比如炉甘石或金属锌精炼后的副产物为原料的，原料先用碳（比如无烟煤）加热还原生成锌蒸汽，接着蒸汽用间接法氧化成氧化锌。因为原料的纯度较低，所以直接法得到的最终产物相比间接法的产品质量要低一些。【15】
图5 韦氏法生产氧化锌流程
间接法（法国法）
主要化学反应式：2Zn+O2=2ZnO
操作方法：将锌锭加热至600～700℃熔融后，置于耐高温坩埚内，使之1250～1300℃高温下熔融气化，导入热空气进行氧化，生成的氧化锌经冷却、旋风分离，将细粒子用布袋捕集，即制得氧化锌成品。纯的金属锌在石墨坩埚中熔化后，在高于907℃（通常在1000℃左右）的温度下蒸发形成锌的蒸汽，蒸汽在空气中被氧气氧化产生氧化锌，这个氧化过程会发出闪亮的光同时伴随着温度的降低，随后氧化锌颗粒通过一根冷却传送管被收集在一个集尘室里。
这个合成方法是在1844年被法国人LeClaire普及推广开的，因此该法也被称作法国法。此法得到的产品一般是平均尺寸至几个毫米的氧化锌颗粒。按重量计，世界上大部分的氧化锌是由这个方法制造的。
图6 间接法生产氧化锌流程图【17】
化学湿法
主要化学反应式: ZnSO4+Na2CO3=ZnCO3+Na2SO4
操作方法：是以 ZnSO4或 ZnCl2为原料 ,经去除杂质 ,加入 Na2 CO3溶液 ,生成 Zn2 (OH) 2 CO3 沉淀 ,再经过漂洗、过滤、干燥 ,将所得干粉焙烧得 ZnO。所制得的 ZnO具有较大的比表面积 ,所以也有称其为活性ZnO。
一小部分的工业产品是以纯的锌盐水溶液为原料通过化学反应产生碳酸锌或氢氧化锌沉淀。沉淀经过过滤、洗涤、干燥后在800°C左右的温度下焙烧得到产品。【15】
3.ZnO单晶的制备
ZnO晶体熔点高达1975 ℃，在高温下ZnO有很强的挥发性,所以在高温下传统的提拉法等熔体生长工艺很难获取ZnO单晶。所以目前氧化锌主要是在较低的温度下用水热法和化学气相输运法制备。
水热法
如图7所示，ZnO培养液在溶解区高温高压条件下溶于碱性溶液,由于存在温度差,溶液产生了对流.生长过程为ZnO在碱性条件下发生水化反应,生成氢氧化锌离子在对流过程中遇冷脱水重新结晶叠合.【16】
主要化学反应式：
虽然可以用水热法生长出大尺寸、高质量的ZnO单晶，如图8所示，但是水热法仍然存在一些不足，如：反应体系需要保持在30～100 MPa的高压下，需要贵金属(如Pt或Au)做内衬，设备昂贵，晶体生长缓慢，最快每天生长mm，晶体中存在K，Li，Fe，Pt和Al杂质。因此有必要探索一种简单经济的生长技术。
(a) (b)
图8 水热法生长的ZnO单晶照片
化学气相输运法
图7 ZnO单晶水热生长装置示意图
化学气相输运法是一种单晶生长和物质提纯的新型技术。在很多场合下，化学气相输运和化学气相沉积并没有严格区别，只是应用场合和反应装置有所不同。一般来说，化学气相沉积主要用于薄膜制备，而化学气相输运则常用于单晶生长，新化合物合成和物质提纯等。
图9 CVT实验装置图图10 化学气相输运法主要化学方程式
CVT实验装置图注释：1水平管式炉 2石英外管 3内部石英玻璃管道 4电炉温度控制器5 晶体结晶区 6.原料区(放置高纯度ZnO粉) 7 .8 独立进气系统
一般情况下，从气相中生长单晶的控制因素是通过气相的质量输运，这是因为气相与固相间的化学反应接近于平衡，比气相扩散快得多。但是在ZnO单晶的生长中，营养料与输运剂之间的反应速度比扩散慢。为了改变这种情况，Mikami 等改进了安瓿的结构，使气相元素不再由高温一边直接抵达低温一边，而是必须通过特定的孔，从而有效降低了扩散速率，使反应由动力学限制转变为扩散限制，此外安瓿结构的改进还提高了单晶生长的再现性。图1为用化学气相输运法生长的ZnO单晶。【18】
化学气相输运法的缺点是生长温度较高，一般在 1 000 ℃以上；[12–14] 另外，晶体中存在大量缺陷，除VZn，Ov，ZnI本征缺陷外，还存在Ca，Fe，P，Ga，Al，Mg，N，H等杂质缺陷。
图9 化学气相输运法生长的ZnO单晶图
4.ZnO薄膜的制备
ZnO薄膜具有很多种制备方法和工艺，例如脉冲激光沉积法PLD，金属有机物气相外延法MOCVD，喷雾热解法，磁控溅射法，溶胶-凝胶法Sol-gel ，分子束外延法MBE，原子层外延法ALE，纯锌膜氧化法。这些方法和工艺各有其优缺点。从结晶质量看，脉冲激光沉积法PLD，金属有机物气相外延法MOCVD，喷雾热解法，磁控溅射法，溶胶-凝胶法Sol-gel制备的薄膜质量较好。【19】
脉冲激光沉积法PLD
PLD法是一种真空物理沉积方法。在超高真空系统中将KrF或ArF激光器发出的高能激光脉冲汇聚在靶表面，使靶材料(反应物)瞬时熔融汽化并沉积到衬底上形成ZnO薄膜。PLD法可制备出接近理想配比的ZnO薄膜：与其他方法比，对靶材形状和表面质量也无特殊要求。衬底温度和沉积气氛是影响PLD法制各的ZnO薄膜结构的关键因素。在中等温度(300℃)和高真空沉积气氛下，生成的c 轴取向ZnO薄膜具有单晶化倾向、表面平整度高，不用抛光即可用于制作SAW 器件。在氧气氛中高温退火，可制得高阻ZnO薄膜。实验装置如图10所示。
优点：生长参数独立可调,化学计量比可精确控制,薄膜平整度好,易于实现多层薄膜的生长,而且减少了不必要的玷污。
缺点：设备昂贵，PLD法的缺点是沉积条件高，在掺杂控制、平滑生长多层膜方面存在一定的困难。
(a) (b)
图10脉冲激光沉积法PLD实验装置图
金属有机物气相外延法MOCVD
金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)是近二三十年来发展起来的一种新型薄膜材料制备工艺，该方法是采用Ⅲ族、II族元素的有机化合物与V族、Ⅵ族元素的氢化物等物质作为生长源材料，通过热分解反应在衬底上进行气相外延，制备化合物半导体以及以此为基础的多元固溶体的薄膜单层。【20】
图11 金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)实验装置图实验装置如图11所示，常用DEZn(二乙基锌)作为Zn源，反应气体多用O2，H2O,N2O, Ar为载气,以蓝宝石为衬底。
优点：生产的ZnO薄膜质量好，可用于紫外探测器、SAW器件等，所以这种方法受到了广泛的研究和商业应用。
缺点：制ZnO成本较高，对衬底的温度要求一般也较高(300～650℃)，而且衬底对薄膜的生长有较大影响。
喷雾热解法
喷雾热解法把反应物以气溶胶形式引入反应腔中反应。这种方法是在常压下进行的，不需要高真空，设备与工艺简单，生长出的ZnO薄膜也较好，而且易于实现掺杂，所以是一种非常经济的ZnO薄膜制备方法。这种方法有希望实现规模化扩大生产，用于商业生产。
图12 喷雾热解法实验装置图
如图12所示，常用醋酸锌作为含锌的先驱体，溶剂一般用醇溶液或者醋酸的水溶液。【21】
主要两个化学方程式:
4Zn(CH3COO)2+H2O→Zn4O(CH3COO)6+ 2CH3COOH↑
Zn4O(CH3COO)6→4ZnO↓+3CH3COCH3↑+ 3CO2↑
优点：成本低，可以制备大面积均一的薄膜。
缺点：品种，性能受可用金属氧化物的限制，且只能单层涂覆，导致光学性能不理想，耐热性差，生产工艺受喷液温度，浓度，速度，压力，排气速度影响较难控制。
磁控溅射法
磁控溅射法是目前国际尤其国内研究较多也较成熟的一种ZnO薄膜制各方法。这种方法制备的ZnO薄膜获得高度c轴取向、表面平整度高、可见光透过率较高，具有良好的光学电学性质，可应用于SAW器件和透明导电膜。但是溅射过程中粒予轰击衬底或己生长的薄膜表面容易造成损伤，所以用这种方法很难生长单晶薄膜或低缺陷密度的ZnO薄膜。
如下图所示，如果以Zn为靶材,真空腔中充入O2或O2/Ar,在靶材两端加一定电压,溅射出的Zn粒子在加速电压作用下与O2反应生成ZnO,沉积到基片上。
在溅射法中,如果在垂直于电场方向加一磁场,可显著增加离化率及溅射速率,称为磁控溅射。【21】
图13 磁控溅射法实验装置图
优点：溅射法可获得高c轴取向的薄膜。
缺点：平面靶材在跑道区形成溅射沟道，整个靶面刻蚀不均匀，靶材利用率只有20％～30％。
溶胶-凝胶法Sol-gel
溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。【22】
溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应
生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。
最基本的反应是：
(l) 水解反应：
M(OR)n + H2O →M (OH) x (OR) n－x + xROH
(2) 聚合反应：
－M－OH + HO－M－→－M－O－M－+H2O
－M－OR + HO－M－→－M－O－M－+ROH
溶胶-凝胶法按产生溶胶凝胶过程机制主要分成三种类型：
(1)传统胶体型。通过控制溶液中金属离子的沉淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀得到稳定均匀的溶胶，再经过蒸发得到凝胶。
(2)无机聚合物型。通过可溶性聚合物在水中或有机相中的溶胶过程，使金属离子均匀分散到其凝胶中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸等。
(3)络合物型。通过络合剂将金属离子形成络合物，再经过溶胶．凝胶过程成络合物凝胶。
优点：
（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。
（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。
（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。
（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。
缺点：
通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长（主要指陈化时间），常需要几天或者几周；还有就是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。
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
北京科技研究生半导体材料导论复习题
1、半导体材料有哪些特征？ 答：半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。 （1）在室温下，它的电导率在103~10-9S/cm之间，S为西门子，电导单位，S=1/ρ（Ω. cm) ；一般金属为107~104S/cm，而绝缘体则<10-10，最低可达10-17。同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率；而金属的导电性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。 （2）当其纯度较高时，其电导率的温度系数为正值，即随着温度升高，它的电导率增大；而金属导体则相反，其电导率的温度系数为负值。 （3）有两种载流子参加导电。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。 2、简述半导体材料的分类。 答：对半导体材料可从不同的角度进行分类例如： 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。 3、化合物半导体和固溶体半导体有哪些区别。 答：由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。 4、简述半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率的关系。 答：s = nem 其中： n为载流子浓度，单位为个/cm3; e 为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C 。 m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s； 电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。 5、简述霍尔效应。 答：将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电动势，称霍尔电动势，此效应称霍尔效应。 6、用能带理论阐述导体、半导体和绝缘体的机理。 答：按固体能带理论，物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带（满带）。 在禁带里，是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下，成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大。 对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄，（一般低于3eV），绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难得多。因此，绝缘体的载流子的浓度很小。导电性能很弱。实际绝缘体里，导带里的电子不是没有，并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少。所以，在一般情况下，可以忽略在外场作用下它们移动所形成的电流。但是，如果外场很强，束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷，则绝缘体就会被“击穿”而成为导体。 7、什么是本征半导体和杂质半导体？ 答：当半导体主要是靠热激发产生载流子时，导电称为本征导电，这种半导体称为本征半导体，其特点是自由电子数等于空穴数。另一种导电机制是靠电活性杂质形成的载流子导电，这种导电称为杂质导电，这种半导体称为杂质
半导体材料导论结课复习题
半导体材料复习题 1、半导体材料有哪些特征？ 答：半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。 （1）在室温下，它的电导率在103~10-9S/cm之间，S为西门子，电导单位，S=1/ρ（Ω. cm) ；一般金属为107~104S/cm，而绝缘体则<10-10，最低可达10-17。同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率；而金属的导电性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。 （2）当其纯度较高时，其电导率的温度系数为正值，即随着温度升高，它的电导率增大；而金属导体则相反，其电导率的温度系数为负值。 （3）有两种载流子参加导电。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。 2、简述半导体材料的分类。 答：对半导体材料可从不同的角度进行分类例如： 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。 3、化合物半导体和固溶体半导体有哪些区别。 答：由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。 4、简述半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率的关系。 答：s = nem 其中： n为载流子浓度，单位为个/cm3; e 为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C 。 m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s； 电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。 5、简述霍尔效应。 答：将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电动势，称霍尔电动势，此效应称霍尔效应。 6、用能带理论阐述导体、半导体和绝缘体的机理。 答：按固体能带理论，物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带（满带）。 在禁带里，是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下，成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大。 对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄，（一般低于3eV），绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难得多。因此，绝缘体的载流子的浓度很小。导电性能很弱。实际绝缘体里，导带里的电子
半导体器件导论_4
《半导体器件导论》 第4章载流子输运和过剩载流子现象 例4.1 计算给定电场强度下半导体的漂移电流密度。T＝300K时，硅的掺杂浓度为N d＝106cm，N a＝0。电子和空穴的迁移率参见表4.1。若外加电场强度ε＝35V cm ?，求漂移电流密度。 【解】 因为N d＞N a，所以在室温下，半导体是n型的。若假设掺入杂质完全电离，则 n≈N d=1016cm?3 少数载流子空穴的浓度为 P=n i 2 n =(1.5×1010) 2 1016 =2.25×104cm?3 既然n?p，漂移电流密度 J drf=e(μn n+μp p)ε≈eμn nε 因此 J drf=(1.6×10?19)(1350)(1016)(35)=75.6A cm2 ? 【说明】 在半导体上施加较小的电场就能获得显著的漂移电流密度。这个结果意味着非常小的半导体器件就能产生mA量级的电流。 例4.2 确定硅在不同温度下的电子和空穴迁移率。利用图4.2分别求出以下两种情况载流随机热速度增加子的迁移率。 (a) 确定(i)N d＝1017cm?3，Τ＝150℃及（ii）N d＝1016cm?3，Τ＝0℃时的电子迁移率。 (b) 确定(i)N a＝1016cm?3，Τ＝50℃及（ii）N a＝1016cm?3，Τ＝150℃时的空穴迁移率。【解】 由图4.2可知： （a）（i）当N d＝1017cm?3，Τ＝150℃时，电子迁移率μn≈500cm2V?s ?； （ii）当N d＝1016cm?3，Τ＝0℃时，电子迁移率μn≈1500cm2V?s ?。 （b）（i）当N a＝1016cm?3，Τ＝50℃时，空穴迁移率μp≈380cm2V?s ?； （i）当N a＝1017cm?3，Τ＝150℃时，空穴迁移率μp≈200cm2V?s ?。 【说明】 由本例可见，迁移率随温度升高而降低。 例4.3 为了制备具有特定电流—电压特性的半导体电阻器，试确定硅在300K时的掺杂浓度。考虑一均匀受主掺杂的条形硅半导体，其几何结构如图4.5所示。若外加偏压为5V时，电流为2mA，且电流密度不大于J drf＝100A cm2 ?。试确定满足条件的截面积、长度及掺杂浓度。 图4.6 硅中电子浓度和电导率与温度倒数的关系曲线（引自S ze[14]） 【解】 所需截面积为
半导体材料
半导体材料 应用物理1001 20102444 周辉 半导体材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度 范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。由化合物构成的半导 体材料，通常是指无机化合物半导体材料。比起元素半导体材料来它的品种更多， 应用面更广。 半导体材料结构特征主要表现在化学键上。因为化合物至少由两个元素构 成，由于它们彼此间的原子结构不同，价电子必然向其中一种元素靠近，而远离 另一种元素，这样在共价键中就有了离子性。这种离子性会影响到材料的熔点、 带隙宽度、迁移率、晶体结构等。 化合物半导体的组成规律一般服从元素周期表排列的法则。对已知的化合物 半导体材料，其组成元素在同一族内垂直变换，其结果是随着元素的金属性增大 而其带隙变小，直到成为导体。反之，随着非金属性增加而其带隙变大，直至成 为绝缘体。 类别按其构成元素的数目可分为二元、三元、四元化合物半导体材料。它 们本身还可按组成元素在元素周期表中的位置分为各族化合物，如Ⅲ—V族，I —Ⅲ—Ⅵ族等。下面介绍二元化合物，其中主要的类别为Ⅲ—v族化合物半导体 材料，Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料，Ⅳ—Ⅳ族化合物半导体材料。 Ⅳ—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有格式，GeSe，GeTe， SnO ，SnS，SnSe，SnTe，Pb0，PbS，PbSe，PbTe，其中PbO，PbS，PbSe，PbTe 2 已获重要用途。
V—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有Bi 2O 3 ，Bi 2 S 3 ，Bi 2 Se 3 ， Bi 2Te 3 ，Sb 2 O 3 ，Sb 2 S 3 ，Sb 2 Te 3 、As 2 O 3 ，As 2 S 3 ，其中Bi 2 Te 3 ，Bi 2 Se 3 等已获实际应用。 I—Ⅵ族化合物具有半导体性质的有Cu 2 O，Cu 2 S，Ag 2 S，Ag 2 Se，Ag 2 Te等，其 中Cu 20，Cu 2 S已获应用。 三元化合物种类较多，如I—Ⅲ—Ⅵ、I—v—Ⅵ、Ⅱ—Ⅲ—Ⅵ、Ⅱ—Ⅳ—V 族等。多数具有闪锌矿、纤锌矿或黄铜矿型晶体结构，黄铜矿型结构的三元化合 物多数具有直接禁带。比较重要的三元化合物半导体有CuInSe 2，AgGaSe 2 ， CuGaSe 2，ZnSiP 2 ，CdSiP 2 ，ZnGeP 2 ，CdGaS 4 ，CdlnS 4 ，ZnlnS 4 和磁性半导体。后者 的结构为AB 2X 4 (A—Mn，Co，Fe，Ni；B—Ga，In；X—S，Se)。 四元化合物研究甚少，已知有Cu 2FeSnS 4 ，Cu 2 FeSnSe 4 ，Cu 2 FeGeS 4 等。 应用化合物及其固溶体的品种繁多，性能各异，给应用扩大了选择。在光电子方面，所有的发光二极管、激光二极管都是用化合物半导体制成的，已获工业应用的有GaAs，GaP，GaAlAs，GaAsP，InGaAsP等。用作光敏元件、光探测器、光调制器的有InAsP，CdS，CdSe，CdTe，GaAs等。一些宽禁带半导体(SiC，ZnSe等)、三元化合物具有光电子应用的潜力。GaAs是制作超高速集成电路的最主要的材料。微波器件的制作是使用GaAs，InP，GaAlAs等；红外器件则用GaAs，GaAlAs，CdTe，HgCdTe，PbSnTe等。太阳电池是使用CdS，CdTe，CulnSe2，GaAs，GaAlAs等。最早的实用“半导体”是「电晶体/ 二极体」。 一、在无线电收音机及电视机中，作为“讯号放大器用。 二、近来发展「太阳能」，也用在「光电池」中。 三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是性价比极高的一种测温元件。 其中在半导体材料中硅材料应用最广,所以一般都用硅材料来集成电路,因为硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于
半导体材料有哪些
半导体材料有哪些 半导体材料有哪些 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。 延伸 半导体材料是什么？ 半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。 半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构，所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）的结构。由于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
半导体导论翻译(精)
半导体导论翻译(精)
半导体导论 P124-125 CHAPTER 3 The Semiconductor in Equilibrium (d) T = 400 K, N d = 0, N a = 1014 cm-3 (e) T = 500 K, N d = 1014 cm-3, Na = 0 3.37 Repeat problem 3.36 for GaAs. 3.38 Assume that silicon, germanium, and gallium arsenide each have dopant concentrations of Nd = 1X1013 cm-3 and Na = 2.5 x 1014 cm-3 at T=300K.For each of the three materials(a) Is this material n type or p type?(b) Calculate n0 and p0. 3.39 A sample of silicon at T =450K is doped with boron at a concentration 0f 1.5x1015cm-3and with arsenic at a concentration of 8 X 1014cm-3 .(a) Is the material n type or p type? (b) Determine the electron and hole concentrations .(c) Calculate the total ionized impurity concentration. 3.40 The thermal equilibrium hole concentration in silicon at T = 300 K is p0=2x1015 cm-3 .Determine the thermal-equilibrium electron concentration .Is the material n type or p type? 3.41 In a sample of GaAs at T = 200 K, we have experimentally determined that n0 = 5 p0 and that Na = 0. Calculate n0, p0, and N d. 3.42 Consider a sample of silicon doped at N d = 1014 cm-3 and Na = 0 Calcu1ate the majority-carrier concentration at (a) T = 300 K, (b) T = 350 K,(C ) T = 400 K (d) T = 450 K, and (e) T = 500 K. 3.43 Consider a sample of silicon doped at N d = 0 and Na = 1014 cm-3 .Plot the majority-carrier concentration versus temperature over the range 200≤T≤500K. 3.44 The temperature of a sample of silicon is T = 300 K and the acceptor doping concentration is Na = 0. Plot the minority-carrier concentration (on a log-log plot) versus Nd over the range 1015≤N d≤1018 cm-3. 3.45 Repeat problem 3.44 for GaAs. 3.46 A particular semiconductor material is doped at N d = 2 x 1013 cm-3, Na = 0, and the intrinsic carrier concentration is ni = 2 x 1013cm-3. Assume complete ionization. Determine the thermal-equilibrium majority-and minority-carrier concentrations. 3.47 (a) Silicon at T = 300 K is uniformly doped with arsenic atoms at a concentration of 2 x 1016cm-3and boron atoms at a concentration of 1 x1013 cm-3. Determine the thermal-equilibrium concentrations of majority and
铟镓砷磷InGaAsP半导体材料简介-郭艳光
光電子學期末報告 Introduction to InGaAsP Semiconductor Materials 指導教師:郭艷光(Yen-Kuang Kuo) 教授 學生:蔡政訓 學號:8522022 系別:物理系 班級:四年級乙班
內容大綱： （一）前言 （二）波長範圍與能隙（Eg）寬（三）起振條件與輸出功率：（四）各種不同結構的雷射（五）先進的半導體結構及其性能（六）結語 （七）參考書目
（一）、前言 現在是資訊時代，為了高速處理資訊社會所擁有的龐大資料，利用光和電子技術之光電業於焉誕生。應用同調(coherence)光的工業在1984年度(以光學式影像機為中心)的生產規模為6600億日元，到西元2000年，預料將以光通訊為中心，生產規模也將成長為12兆日元。其製品包括同調光通訊系統、光IC(光電子積體電路，OEIC)光電算機等。 光IC 係將光與電子的功能特性集積在一片基板上，而以砷化鋁鎵及磷砷化銦鎵系半導體技術最為先進，其與化合物半導體IC 同樣，有實現的可能。光電半導體材料之研究十分積極，已開發出砷化鎵、磷化銦、砷化鋁鎵、磷砷化銦鎵等。 至於光通訊系統方面，與傳統的有線通訊系統比較起來，光纖通訊具有較大的通訊頻寬，較小的訊號衰減，不受電磁波干擾，沒有串音、保密性高、線徑小、重量輕、可靠度高、、等優點，因此可已知道隨著資訊的暴漲，據高速大容量高品質的光纖通訊系統毫無疑問的將是未來資訊傳遞的主流。而光纖系統中最重要的關鍵性元件就是它的光源，也就是雷射二極體，本文就是要介紹在光纖系統中最常被使用的雷射：磷砷化銦鎵 ( InGaAsP) 的特性以及其結構。 （二）、波長範圍與能隙（Eg ）寬 光纖通訊中最常使用的波長為1.3以及1.55微米，主要是由於光在石英光纖中的傳輸損失在這兩個波長最低，在1.3微米處約0.6dB/km ，而在1.55微米處約0.2 dB/km 。在光纖中，由於材料色散的緣故，不同波長的光在光纖中有不同的色散，因而傳輸速率的不同，會造成訊號的波形變形，而限制了傳輸的距離。波長於1.3微米附近的色散是零，因此雖然其損失比1.55微米時大，但仍然最常用來當作短距離光纖通訊的光源。 在光纖通訊所使用的長波長範圍內，最常用InP 為基板材料。為了能與InP 的晶格常數（a=5.87埃）相匹配，必須使用四元化合物InGaAsP 。當晶格與InP 相匹配時（y=2.2x ），其能隙Eg （單位是eV ）的變化為 212.072.035.1y y Eg +-= 則我們由公式 ： Eg 24.1=λ可知由0.92到1.65微米的整個波長範圍均被此種材料系統所涵蓋。
新型半导体材料GaN简介
新型半导体材料GaN GaN的发展背景 GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 在宽禁带半导体材料中，氮化镓由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰，发展较为缓慢，但进入90年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展，GaN半导体及器件的发展十分迅速，目前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星。 GaN的特性 具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。在室温下，GaN 不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n 型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。 很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在
半导体材料概念简介---选修课论文
半导体材料 摘要：目前半导体产品广泛应用于生活生产中，半导体材料及其应用已经成为衡量一个国家经济发展和科技进步的重要标志。本文对半导体材料的定义、特性性能、材料分类及应用和发展方向作出简要解析。 关键词：半导体材料半导体材料分类半导体特性制备方法半导体材料应用引言：20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；70年代光纤通讯技术迅速发展并逐步形成高新技术产业，使人类进入信息时代；超晶格概念的提出及其半导体超晶格，量子阱材料的诞生，改变了光电器件的发展，纳米技术的发展与运用使得半导体进入纳米时代。然而半导体材料的价值仍在于它的光学、电学及其他各种特性，自硅出现在很长时间内，硅仍将是大规模集成电路的主要材料，如在军事领域中应用的抗辐射硅单体、高效太阳能电池用硅单体、红外CCD器件用硅单体等。 随着半导体技术的发展和半导体材料的研究，微电子技术朝着高密度，高可靠性方向发展，各种各样新的半导体材料出现，而 GaAs和InP基材料等还是化合物半导体及器件的主要支柱材料。与此同时以硅材料为核心的当代微电子技术趋向于纳米级，到达这一尺寸后，一些列来自期间工作原理和工艺技术本身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题，为满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求，近年来新的半导体材料制备方法出现，新的制备方法的研究与发展极有可能触发当前国际前沿研究热点，从而引起新的技术革命。 中国半导体材料经过40多年的研究与发展，已具备了相当的基础，特别是在改革开放后，中国的半导体材料和半导体技术获得明显发展，除满足国内需求外，一些材料已经进入国际市场，然而综观中国半导体产业链的全局，上端的设计，制造业较弱，尤其凸显的瓶颈部位式设计与材料设备业，但是可以相信整个发展大路上市顺利的，中国半导体材料应该掌握自主知识产权，系统技术的开发人才，规模化产业化生产，尽快在材料设备业发展。 1.半导体材料的定义及性质 当今，以半导体材料为芯片的各种产品已广泛进入人们的生活生产中，电视机，电子计算机，电子表等等，半导体材料为什么会拥有如此巨大的应用，我们
半导体材料介绍论文
半导体材料介绍 摘要：本文主要介绍半导体材料的特征、分类、制备工艺以及半导体材料的一些参数。 半导体在我们的日常生活中应用很广泛，半导体材料的一些结构和参数决定了 它的特性。以二氧化钛为例，它就是一种半导体材料，其结构和性能决定了它 在降解有机污染物方面的应用，人们现在研究了有关它的性质，并将进一步研 究提高它的光催化效果。 关键词：半导体材料导电能力载流子电阻率电子空穴 正文： 半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。 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。 制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。 半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带
半导体材料的历史现状及研究进展(精)
半导体材料的历史现状及研究进展(精)
半导体材料的研究进展 摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。 关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势 一、半导体材料的发展历程 半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。 新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光通
半导体导论翻译
半导体导论 P124-125 CHAPTER 3 The Semiconductor in Equilibrium (d) T = 400 K, N d = 0, N a = 1014 cm-3 (e) T = 500 K, N d = 1014 cm-3, Na = 0 3.37 Repeat problem 3.36 for GaAs. 3.38 Assume that silicon, germanium, and gallium arsenide each have dopant concentrations of Nd = 1X1013 cm-3 and Na = 2.5 x 1014 cm-3 at T=300K.For each of the three materials(a) Is this material n type or p type?(b) Calculate n0 and p0. 3.39 A sample of silicon at T =450K is doped with boron at a concentration 0f 1.5x1015 cm-3and with arsenic at a concentration of 8 X 1014 cm-3 .(a) Is the material n type or p type? (b) Determine the electron and hole concentrations .(c) Calculate the total ionized impurity concentration. 3.40 The thermal equilibrium hole concentration in silicon at T = 300 K is p0=2x1015cm-3.Determine the thermal-equilibrium electron concentration .Is the material n type or p type? 3.41 In a sample of GaAs at T = 200 K, we have experimentally determined that n0 = 5 p0 and that Na = 0. Calculate n0, p0, and N d. 3.42 Consider a sample of silicon doped at N d = 1014 cm-3 and Na = 0 Calcu1ate the majority-carrier concentration at (a) T = 300 K, (b) T = 350 K,(C ) T = 400 K (d) T = 450 K, and (e) T = 500 K. 3.43 Consider a sample of silicon doped at N d= 0 and Na = 1014cm-3 .Plot the majority-carrier concentration versus temperature over the range 200≤T≤500K. 3.44 The temperature of a sample of silicon is T = 300 K and the acceptor doping concentration is Na = 0. Plot the minority-carrier concentration (on a log-log plot) versus Nd over the range 1015≤N d≤1018 cm-3. 3.45 Repeat problem 3.44 for GaAs. 3.46 A particular semiconductor material is doped at N d = 2 x 1013 cm-3, Na = 0, and the intrinsic carrier concentration is ni = 2 x 1013 cm-3. Assume complete ionization. Determine the thermal-equilibrium majority-and minority-carrier concentrations. 3.47 (a) Silicon at T = 300 K is uniformly doped with arsenic atoms at a concentration of 2 x 1016 cm-3 and boron atoms at a concentration of 1 x1013 cm-3. Determine the thermal-equilibrium concentrations of majority and minority carriers. (b) Repeat part (a) if the impurity concentrations are 2 x1015 cm-3 phosphorus atoms and 3 x 1016 cm-3 boron atoms.
半导体材料
半导体材料 --氮化硅及其发展 氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。我国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机 晶体结构和特性 蓝色圆球是氮原子，灰色圆球是硅原子 氮化硅（Si3N4）存在有3种结晶结构，分别是α、β和γ三相。α和β两相是Si3N4最常出现的型式，且可以在常压下制备。γ相只有在高压及高温下，才能合成得到，它的硬度可达到35GPa。 合成方法 可在1300-1400°C的条件下用单质硅和氮气直接进行化合反应得到氮化硅：3 Si(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) 也可用二亚胺合成 SiCl4(l) + 6 NH3(g) → Si(NH)2(s) + 4 NH4Cl(s) 在0 °C的条件下 3 Si(NH)2(s) → Si3N4(s) + N2(g) + 3 H2(g) 在1000 °C的条件下
或用碳热还原反应在1400-1450°C的氮气气氛下合成： 3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) + 6 CO(g) 对单质硅的粉末进行渗氮处理的合成方法是在二十世纪50年代随着对氮化硅的重新“发现”而开发出来的。也是第一种用于大量生产氮化硅粉末的方法。但如果使用的硅原料纯度低会使得生产出的氮化硅含有杂质硅酸盐和铁。用二胺分解法合成的氮化硅是无定形态的，需要进一步在1400-1500°C的氮气下做退火处理才能将之转化为晶态粉末，目前二胺分解法在重要性方面是仅次于渗氮法的商品化生产氮化硅的方法。碳热还原反应是制造氮化硅的最简单途径也是工业上制造氮化硅粉末最符合成本效益的手段。 电子级的氮化硅薄膜是通过化学气相沉积或者等离子体增强化学气相沉积技术制造的: 3 SiH4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 H2(g) 3 SiCl4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 HCl(g) 3 SiCl2H2(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 6 HCl(g) + 6 H2(g) 如果要在半导体基材上沉积氮化硅，有两种方法可供使用： 利用低压化学气相沉积技术在相对较高的温度下利用垂直或水平管式炉进行。等离子体增强化学气相沉积技术在温度相对较低的真空条件下进行。 氮化硅的晶胞参数与单质硅不同。因此根据沉积方法的不同，生成的氮化硅薄膜会有产生张力或应力。特别是当使用等离子体增强化学气相沉积技术时，能通过调节沉积参数来减少张力。 先利用溶胶凝胶法制备出二氧化硅，然后同时利用碳热还原法和氮化对其中包含特细碳粒子的硅胶进行处理后得到氮化硅纳米线。硅胶中的特细碳粒子是由葡萄糖在1200-1350°C分解产生的。合成过程中涉及的反应可能是： SiO2(s) + C(s) → SiO(g) + CO(g) 3 SiO(g) + 2 N2(g) + 3 CO(g) → Si3N4(s) + 3 CO2(g) 或 3 SiO(g) + 2 N2(g) + 3 C(s) → Si3N4(s) + 3 CO(g)