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几种新型半导体发光材料的研究进展

摘要：概述了三种新型半导体发光材料氮化镓、碳化硅、氧化锌各自的特性, 评述了它们在固态照明中的使用情况,及其研究现状，并对其未来的发展方向做出了预测。

关键词：LED发光二极管；发光材料；ZnO，SiC，GaN

1引言

在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件，在人们的生活中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式、思维方式，提高了人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。它们可用作信息传输，信息存储，信息探测，激光与光学显示，各种控制等等。半导体照明是一种基于半导体发光二极管新型光源的固态照明，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。固态照明是一种新型的照明技术，它具有电光转换效率高、体积小、寿命长、安全低电压、节能、环保等优点。发展固态照明产业可以大规模节约能源，对有效地保护环境，有利于实现我国的可持续发展具有重大的战略意义。从长远来看，新材料的开发是重中之重。发光材料因其优越的物理性能、必需的重要应用及远大的发展前景而在材料行业中备受关注。

本文综述了近几年来对ZnO，SiC，GaN三种新型半导体发光材料的研究进展。2几种新型半导体发光材料的特征及发展现状

在半导体的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅（包括锗）材料为主元素半导体占统治地位.但随着信息时代的来临，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越性.而以氮化物（包括SiC、ZnO等宽禁带半导体）为第三代半导体材料，由于其优越的发光特征正成为最重要的半导体材料之一.以下对几种很有发展前景的新型发光材料做简要介绍.

2.1 氮化镓(GaN)

2.1.1 氮化镓的一般特征

GaN 是一种宽禁带半导体(Eg=3.4 ev),自由激子束缚能为25mev,具有宽的直接带隙,Ⅲ族氮化物半导体InN、GaN 和A lN 的能带都是直接跃迁型, 在性质上相互接近, 它们的三元合金的带隙可以从1.9eV连续变化到6.2eV，这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围.实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙.

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,强的原子键,高的热导率和强的抗辐射能力，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级.GaN具有较高的电离度,在Ⅲ-V的化合物中是最高的(0.5或0.43).在大气压下,GaN一般是六方纤锌矿结构.它的一个原胞中有4个原子,原子体积大约为GaAS的一半.GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700?C.文献［1］列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性比较:

纤锌矿GaN的特性(W) 闪锌矿GaN的特性(Z)

带隙能量Eg(300k)=3.39eVEg(6k~6k)=3.

50eV Eg(300k)=330±0.02eVEg(300k)=3.2eV

带隙温度

dEg/(dT)=﹣6.0×10-4eV/k

系数

带隙压力

dEg/(dP)=4.2×10-3eV/kbar

系数

（T=300k）

晶格常数a=0.3189nma=0.5185nm a=0.452nm~4.55nma=0.454nma=0.

4531nma=0.45nma=0.452nm～±

0.05nm

GaN 室温禁带宽度为3. 4 eV ,是优良的短波长光电子材料,其发光特性一般是在低温(2 K、12 K、15 K或77 K)下获得的［2,3］,文献［4,5］较早地报道了低温下纤锌矿结构GaN 的荧光(PL) 谱,文献［6］报道了闪锌矿结构GaN 的阴极荧光光谱。通过在低温(2K) 下对高质量的GaN 材料进行光谱分析,观察到A、B、C三种激子,它们分别位于(3. 474 ±0 . 002) eV、(3 . 480 ±0 . 002) eV和(3 . 490 ±0. 002) eV［7］GaN的光学特性,可在蓝光和紫光发射器件上应用.作为一种宽禁带半导体材料，GaN能够激发蓝光的独特物理和光电属性使其成为化合物半导体领域最热的研究领域，近年来在研发和商用器件方面的快速发展更是使得GaN基相关产业充满活力。当前,GaN 基的近紫外、蓝光、绿光发光二极管已经产业化,激光器和光探测器的研究也方兴未艾。

2.1.2 氮化镓研究的发展现状

阻碍GaN 研究的主要困难之一是缺乏晶格及热胀系数匹配的衬底材料. SiC 与GaN晶格匹配较好,失配率仅为3.5％，但SiC价格昂贵.蓝宝石与GaN有14％的晶格失配,但价格比SiC便宜,而且通过在其上面生长过渡层也能获得高质量的GaN薄膜,因而蓝宝石是氮化镓基材料外延中普遍采用的一种衬底材料,因为其耐热、透明、可大面积获得,并具有与GaN 相似的晶体结构. 一般都选用c面- (0001)作为衬底,但蓝宝石与GaN的失配率仍较高,难以获得高质量的GaN薄膜.

对于GaN材料，虽然长期以来衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，但是器件水平已可实用化。

第一个基于GaN 的LED 是20 世纪70 年代由Pankove 等人研制的,其结构为金属- 半导体接触型器件. 在提高了GaN 外延层质量和获得了高浓度p型GaN 之后,Amano 等首先实现了GaN pn 结蓝色发光管. 其后Nakamura 等在进一步

提高材料质量,特别是大大提高了p 型GaN 的空穴浓度后,报告了性能更佳的GaN pn 结蓝色发光管,其外量子效率达0.18 %.随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点. 1994年,Nakamura开发出第一个蓝色InGaNPAlGaN双异质结(DH) LED. 1995年及其后两年,Nakamura等人又实现了蓝色、绿色、琥珀色、紫色以及紫外光InGaN量子阱LED［8］,把蓝绿光氮化镓基发光管的发光效率提高到10 %左右,亮度超过10个烛光,寿命超过100000 h. 1995年日亚化学所制成Zcd蓝光（450nmLED），绿光12cd(520nmLED);日本1998年制定一个采用宽禁带氮化物材料开发LED的7年规划，其目标是到2005年研制密封在荧光管内、并能发出白色光的高能量紫外光LED，这种白色LED的功耗仅为白炽灯的1/8，是荧光灯的1/2,其寿命是传统荧光灯的50倍～100倍。这证明GaN材料的研制工作已取相当成功，并进入了实用化段.InGaN系混晶的生成，InGaN/AlGaN 双质结LED，InGaN单量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相继开发成功.6cd的InGaN-SQW-LED高亮度纯绿茶色、2cd高亮度蓝色LED已制作出来，今后，与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示就可实现.这样三原色混成的白色光

光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯将会被LED所替代。LED将成为主导产品，GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代大功率器件.

目前,GaN基蓝绿光发光二极管己商品化,GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.GaN LED的应用非常普遍，在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、甚至闪光灯里都可能会见到它的身影。GaN LED的成功不仅仅引发了光电行业中的革命。它还帮助人们投入更多的资金和注意力来发展大功率高频率GaN晶体管。以GaN基半导体材料为基础所发展起来的固态白光照明技术有希望发展成为未来照明的主题技术，根据已有发展计划，有能在2020年前取代白纸等和白炽灯，比较固态照明技术对节环保、改善照明等具有重要意义，并将会形成500亿美元产值的巨大新兴产业。但在目前的技术水平下,获得一定尺寸和厚度的实用化的GaN 体单晶十分困难，并且价格昂贵．GaN单晶至今未形成大规模商品化,缺乏合适的衬底材料,蓝宝石也不是理想的衬底材料,其次是突破p型掺杂优化,目前实现的Mg掺杂工艺复杂,设备昂贵,难以操作.这些问题影响了GaN电子器件和光电器件的进一步研究开发,是国内外争相研究的焦点问题.目前的主流制作GaN结晶方法是MOCVD法.因此，寻找和选择最适合的GaN的衬底材料一直是国际研究的主要热点之一．专家们预计，GaN基LED及功率晶体管、蓝色激光器，一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会长驱直入。

2.2 氧化锌(ZnO)

2.2.1 氧化锌的一般特征

ZnO作为一种宽带隙半导体材料,室温禁带宽度为3.37ev,自由激子束缚能为60mev.ZnO具有铅锌矿结构, a=0.32533 nm, c=0.52073 nm, z=2［9］,空间群为

C46V-P63mc,Zn按照六方紧密堆积，每个Zn2+周围有4个氧原子，构成［Zn-O4］四面体，四面体之间以顶角相互连结，四面体的1个面与+c(0001)面平行，见图4a。Zn2+在c轴方向的分布是不对称的，它不是位于2个氧原子层的中间，而是偏靠近于+c方向，见图4b［10］。

图4 ZnO晶体结构

(a) c,p,p′面之间的晶向关系和Zn-O4四面体

(b)［Zn-O4］四面体在(1010)的Zn2+晶向 (Zn与O 原子在 c轴方向的分布是不对称的).氧化锌的结晶形态为六方单锥类，对称型为L6P，L6为z轴，显露晶面为六方单锥，六方柱，单面，见图5所示.

图5 ZnO晶体理论上的极性生长形态

ZnO是一种优良的多功能材料．作为压电材料的ZnO压敏陶瓷，因其优良的非线性导电特性、大电流和高能量承受能力等优点而被广泛应用于抑制电力系统雷过电压和操作过电压，抑制电磁脉冲和噪音，防止静电放电等方面.ZnO单晶在可见光透过率达到90 %,在室温下(或低温下) ZnO 及纳米ZnO 光致发光谱( PL) 普遍存在2个较宽的发光带,在520 nm附近的宽绿色发光带和在380 nm附近一系列施主束缚激子峰的紫色发光带［11］. 绿色发光带有时也存在丰富的结构［12］.关于绿色发光带一般被认为是杂质或缺陷态(O空缺、Zn填隙)的发光,但是相关机理还有待进一步研究.文献［13］报道目前常在制备时添加一些有效物质,通过不同制备方法和条件处理,使ZnO表面吸附或包裹上一层“外衣”,以改善其无规则的表面层,钝化表面以减少缺陷及悬键,可有效提高其可见光或紫外发射强度(达一个量级以上),通常,ZnO 表面有吸附物质(如反应副产品,溶剂分子,溶解的气体等) ,使其表面产生大量缺陷态及悬键,淬灭光发射,影响ZnO 的光学、电学等方面的性质,因此这种处理能有效改善ZnO 的表面态.自室温下激光激发ZnO纳米微晶膜观测到紫外激光发射行为以来,ZnO 的激光发射一直是研究的热点,ZnO的蓝带,特别是近紫外激光发射特征,以及相当高的激子结合能(60meV) 和增益系数(300cm- 1 ) ,使其成为重要而优异的蓝、紫外半导体激光材料.ZnO作为透明电极和窗口材料而被用于太阳能电池，且因其辐射损伤小，特别适合在太空中使用。此外，ZnO还是制造声表面波(体波)器件的理想材料.ZnO是一致熔融化合物，熔点高达2248K．并且在高温下ZnO的挥发性很强，到1773K就会发生严重的升华现象，因此晶体的生长较为困难。

2.2.2 氧化锌研究的发展现状

早在2O世纪6O年代，人们就开始研究ZnO体单晶的生长，国内外对于ZnO的研究一直是近几年半导体材料研究的热点, 无论是薄膜ZnO、纳米ZnO或是体单晶ZnO, 文献［14］很好地总结了2003年之前的国外ZnO晶体的研究与发展状况。随着高质量、大尺寸单晶ZnO 生产已经成为可能,单晶ZnO 通过加工可以作为GaN 衬底材料. ZnO 与GaN 的晶体结构、晶格常量都很相似,晶格失配度只有2.

2 %(沿〈001〉方向) 、热膨胀系数差异小,可以解决目前GaN 生长困难的难题. GaN 作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料,在DVD 播放器中有重要的应用,由于世界上能生产ZnO单晶的国家不多,主要是美国、日本,

所以ZnO单晶生产具有巨大的市场潜力.近年来,材料制备技术的突破,纳米ZnO半导体的制备、性能及其应用成为材料学的一个研究热点．

随着光电技术的进步，ZnO作为第三代半导体以及新一代蓝、紫光材料,引起了人们的广泛关注,特别是P型掺杂技术的突破,凸显了ZnO在半导体照明工程中的重要位.尤其是与GaN相比,ZnO具有很高的激子结合能(60meV),远大于

GaN(21meV)的激子结合能, 具有较低的光致发光和受激辐射阈值[15]。本征ZnO是一种n型半导体，必须通过受主掺杂才能实现p型转变,但是由于氧化锌中存在较多本征施主缺陷，对受主掺杂产生自补偿作用，并且受主杂质固溶度很低，因此，p型ZnO的研究已成为国际上的研究热点。

最近,中国科学院上海硅酸盐研究所采用常压超声喷雾热解法、通过氮和铟共掺杂, 成功地制备出p型ZnO薄膜，其电学性能远远超过国际上的最好水平（电阻率降低了2个数量级，霍尔迁移率提高了2-3个数量级）。在此基础上，又制备出具有p-ZnO/n-ZnO双层结构的ZnO同质p-n结。这些研究成果对于试制新型氧化锌短波长发光器件、深入研究ZnO薄膜晶体生长和掺杂机理、拓宽氧化锌薄膜应用领域等方面具有重要意义.从2005年6月, 国家特种矿物材料工程技术研究中心( 桂林) 采用温差水热法在大直径的高压釜中生长出了15.0 mm×15.6 mm×6.1 mm的ZnO晶体, 晶体透明, 颜色为浅黄绿, 晶体呈六边形厚板状.这是我国在ZnO晶体研究方面取得的最新进展。对于国外, 日本、美国和俄罗斯目前均有50.8mm ZnO晶片出售.2005年1月, 日本率先研制成功基于氧化锌同质PN结的电致发光LED,这种氧化锌蓝色发光管同现有的GaN产品相比, 预计亮度将是10倍而价格和能耗则只有1/10。

2.3 碳化硅(SiC)

2.3.1 碳化硅的一般特征

SiC是宽带隙半导体，室温下带隙为2.2eV (3C-SiC)～3.3eV (4H-SiC) ～3.023eV(6H-SiC)[16].通过对具有相对最小带隙的3C2SiC (214eV)直至具有最大带隙的2H2SiC (3135eV) 的能带结构的研究发现,它们所有的价带-导带跃迁都

有声子参与,也就是说这些类型的SiC半导体都是间接带隙半导体[17].根据沿c轴方向Si-C双原子层堆垛顺序的不同，SiC的晶体结构可以分为包括立方 (3C)，六方(2H、4H、6H、…) 以及菱方 (15R、21R、…) 等等的200多种.它们在能量上很接近,结构上由六角双层的不同堆积形成.最常见的形式是3C(闪锌矿结构ZB).目前器件上用得最多的是3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC.图1(a)、(b)、(c)是它们在截面上硅和碳原子的排列示意图[18]。

图1 SiC晶体结构示意图

(a)3C-SiC晶体结构示意图,其中每个晶位都是等价的(k代表立方对称性)；

(b)4H-SiC晶体结构示意图,其中一半的晶位具有立方对称性 (k),另一半具有六方对称(h)；

在SiC晶格中，以四面体形式键合在一起的Si-C双原子层可以占据晶格中A、B、C三个可能位置的任何一个。ABC三种位置排列的多种可能性导致了具有不同堆垛周期性从而具有不同晶格对称性的SiC晶体结构。在考虑实际杂质的掺入以及电子输运性质时，晶格整体对称性的影响是很重要的。对各种晶体结构的SiC 的硅原子或碳原子来说，它们的第一近邻是完全一样的，但其第二近邻和第三近邻却有不同的配位结构，导致了不等价晶位的产生。带间的光吸收使不同类型的SiC 具有其特征颜色, 如6H-SiC呈绿色, ,4H-SiC呈黄绿色，这些类型的SiC都具有单轴对称性[19] , 它们所呈现的各种不同颜色,是从导带底到其它能量较高的空能级间的电子跃迁造成的. 未掺杂的3C-SiC呈浅黄色, 掺杂的3C-SiC呈黄绿色, 这种颜色变化是由于自由载流子带内优先吸收红光而造成的.

碳化硅独有的力学,光学,电学,和热属性使它在各种技术领域具有广泛的应用.SiC是目前发展最为成熟的宽禁带半导体材料,它有效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程.因此,掺入不同的杂质,可改变发光波长,其范围覆盖了从红到紫的各种色光.实验上发现SiC与氮化物可形成一种稳定单晶结构的固溶体,晶格常数与6H-SiC基本匹配,当组分x达到一定值时,将发生间接带隙向直接带隙的转变.一旦变成直接带隙,其发光性能将大幅变化,在短波长发光和超高亮度二极管方面有巨大的应用潜力.同时SiC具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料.

2.3.2 碳化硅研究的发展现状

SiC蓝光LED是唯一商品化的SiC器件,各种SiC多型体的LED覆盖整个可见光和近紫外光区域. 6H-SiC纯绿光(530nm)的LED通过注入Al或液相外延得到[20],蓝光二极管是N-Al杂质对复合发光, 4H-SiC蓝光二极管是N-B杂质对复合发光.美国Cree公司是最早研究和生产SiC晶体和晶片的公司,其研制的蓝光LED发光中心为

470nm,发光功率达到18微瓦.他们在1997年到1998年之间就可以生产2到3英寸的SiC晶片。该公司后来同日本著名的日亚化学公司合作生产蓝光和紫光LED器件。最近几年,欧盟和法国分别启动基于SiC的半导体器件重大项目,极大地推动了SiC 研究在欧洲的进度.

SiC作为第三代宽禁带半导体的典型代表, 无论是单晶衬底质量、导电的外延层和高质量的介质绝缘膜和器件工艺等方面, 都比较成熟或有可以借鉴的SiC器件工艺作参考, 由此可以预测在未来的宽禁带半导体器件中, SiC将担任主角, 独霸功率和微电子器件市场.我国在SiC单晶和基片研究方面落后国外5到8年的时间.山东大学晶体材料国家重点实验室利用自行设计的坩埚和温场, 稳定、重复地生长出了直径大于50.8 mm的6H- SiC晶体,晶体厚度大于20 mm。中国科学院物理研究所成功生长出直径为50.8 mm、厚度为25.4 mm, 具有较高质量的6H多型SiC 单晶.除LED外, SiC器件还处于研制阶段.一方面SiC材料,特别是3C-SiC中的各种缺陷影响器件性能. 另一方面与器件相关的工艺使得SiC的优势尚未得到开发.

3 小结

1）作为新一代宽禁带半导体, GaN,SiC,ZnO的共同特点是它们的禁带宽度在3.3到3.5 eV之间,是Si的三倍, GaAs的两倍.由于它们的一些特殊性质和潜在应用而备受关注.

2）GaN 及其相关的固熔体合金可以实现带隙1.9eV(InN)到6.2eV(AlN)连续可调,是实现整个可见光波段和紫外光波段发光和制作短波长半导体激光器的理想材料。目前GaN材料的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。一旦GaN 在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展，有望在将来取代传统的白炽灯,成为主要的照明工具。

3）SiC和ZnO体单晶不但具有优异的光学、电学等性质,还具有其它材料无法比拟的优势——同质外延, 预计亮度将是GaN LED的10倍而价格和能耗则只有1/10。随着对半导体材料性能的不断探索,进一步完善材料作用原理和器件工艺水平,碳化硅和氧化锌会是将来紫光LED的主要材料。

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

几种新型半导体发光材料的研究进展(精)

几种新型半导体发光材料的研究进展摘要：概述了三种新型半导体发光材料氮化镓、碳化硅、氧化锌各自的特性，评述了它们在固态照明中的使用情况，及其研究现状，并对其未来的发展方向做出了预测。关键词：LED发光二极管；发光材料；ZnO, SiC，GaN 1引言在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件，在人们的生活中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式、思维方式，提高了人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。它们可用作信息传输，信息存储，信息探测，激光与光学显示，各种控制等等。半导体照明是一种基于半导体发光二极管新型光源的固态照明，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。固态照明是一种新型的照明技术，它具有电光转换效率高、体积小、寿命长、安全低电压、节能、环保等优点。发展固态照明产业可以大规模节约能源，对有效地保护环境，有利于实现我国的可持续发展具有重大的战略意义。从长远来看，新材料的开发是重中之重。发光材料因其优越的物理性能、必需的重要应用及远大的发展前景而在材料行业中备受关注。本文综述了近几年来对ZnQ SiC, GaN三种新型半导体发光材料的研究进展。 2几种新型半导体发光材料的特征及发展现状在半导体的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅(包括锗)材料为主元素半导体占统治地位?但随着信息时代的来临，以砷化镓(GaAS 为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越性?而以氮化物(包括SiC、ZnO等宽禁带半导体)为第三代半导体材料，由于其优越的发光特征正成为最重要的半导体材料之一.以下对几种很有发展前景的新型发光材料做简要介绍? 2.1氮化傢(GaN) 2.1.1氮化镓的一般特征 GaN是一种宽禁带半导体(Eg=3.4 ev),自由激子束缚能为25mev,具有宽的直接带隙，川族氮化物半导体InN、GaN和A lN的能带都是直接跃迁型，在性质上相互接近，它们的三元合金的带隙可以从1.9eV连续变化到6.2eV,这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围?实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙? GaN!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，强的原子键，高的热导率和强的抗辐射能力，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级.GaNM有较高的电离度，在川-V的化合物中是最高的(0.5或0.43).在大气压下，GaN一般是六方纤锌矿结构.它的一个原胞中有4个原子,原子体积大约为GaAS勺一半.GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材：1

实验六半导体发光器件的电致发光测量1

实验六半导体发光器件的电致发光测量 081190088 杨静一．实验内容与目的（1）了解半导体发光材料电致发光的基本概念。（2）了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。（3）掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。二．实验原理概述 1．辐射跃迁半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子—空穴对的复合。复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子发射，称为本征跃迁。显然这种带与带之间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k 空间原点，本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子—空穴对和一个光子，其辐射效率较高。间接带隙半导体中，导带与价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小的多，发光比较微弱。

如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主及受主的能级，因此又可能产生不同的复合而发光。电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级间的跃迁都可以引起发光，这类跃迁称为非本征跃迁。间接带隙半导体本征跃迁几率较小，非本征跃迁起主要作用。施主与受主之间的跃迁效率较高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。在施主—受主对的复合中，过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主看成点电荷，把晶体看作连续介质，施主与受主之间的库伦作用力使受基态能量增大，其增量与施主—受主杂质间距离r 成正比，所发射的光子能量为： ην＝E g －(E D +E A )＋r πεε402q 式中E D 和E A 分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。对简单的替位施主和受主杂质，r 只能取一系列的不连续值，因此，施主—受主复合发光是一系列分离谱线，随着r 的增大，成为一发射带。 2.电致发光根据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。半导体的电致发光（EL ），也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。EL 包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管（LED ）和半导体激光器的基础。本实验只涉及这类EL 谱的测量。发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子器件，是主要的半

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

宽禁带半导体

半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。 20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、抗辐照1×106rad；小栅宽GaNHEMT器件分别在4GHz下，功率密度达到40W/mm；在8GHz，功率密度达到30W/mm；在18GHz，功率密度达到9.1W/mm；在40GHz，功率密度达到10.5W/mm；在80.5GHz，功率密度达到2.1W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。 1宽禁带半导体材料 1.1碳化硅单晶材料在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]： (1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。 (2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。 (3)必须突破GaAs功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。 (4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。 SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国

新型半导体发光材料分析及发展

西安工程大学产品造型材料与工艺半导体发光材料氮化镓学校：西安工程大学班级：13级工设01班姓名：陈龙学号：41302020103 日期：2015 05 10

新型半导体发光材料氮化镓(GaN)分析及发展摘要：概述了新型半导体发光材料氮化镓的特性, 评述了它在固态照明中的使用情况,及其研究现状，并对其未来的发展方向做出了预测。关键词：LED发光二极管；发光材料 GaN 1引言在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件，在人们的生活中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式、思维方式，提高了人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。它们可用作信息传输，信息存储，信息探测，激光与光学显示，各种控制等等。半导体照明是一种基于半导体发光二极管新型光源的固态照明，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。固态照明是一种新型的照明技术，它具有电光转换效率高、体积小、寿命长、安全低电压、节能、环保等优点。发展固态照明产业可以大规模节约能源，对有效地保护环境，有利于实现我国的可持续发展具有重大的战略意义。从长远来看，新材料的开发是重中之重。发光材料因其优越的物理性能、必需的重要应用及远大的发展前景而在材料行业中备受关注。本文综述了近几年来对GaN新型半导体发光材料的研究进展。 2新型半导体发光材料氮化镓(GaN)的特征及发展现状在半导体的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅（包括锗）材料为主元素半导体占统治地位.但随着信息时代的来临，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越性.而以氮化物（包括SiC、ZnO等宽禁带半导体）为第三代半导体材料，由于其优越的发光特征正成为最重要的半导体材料之一.以下对其中一种很有发展前景的新型发光材料做简要介绍. 2.1 氮化镓(GaN) 2.1.1 氮化镓的一般特征 GaN 是一种宽禁带半导体(Eg=3.4 ev),自由激子束缚能为25mev,具有宽的直接带隙,Ⅲ族氮化物半导体InN、GaN 和A lN 的能带都是直接跃迁型, 在性质上相互接近, 它们的三元合金的带隙可以从1.9eV连续变化到6.2eV，这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围.实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙. 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,强的原子键,高的热导率和强的抗辐射能力，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级.GaN具有较高的电离度,在Ⅲ-V的化合物中是最高的(0.5或0.43).在大气压下,GaN一般是六方纤锌矿结构.它的一个原胞中有4个原子,原子体积大约为GaAS的一半.GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700?C.文献［1］列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性

宽禁带半导体功率器件

综述宽禁带半导体功率器件刘海涛　陈启秀 (浙江大学信电系功率器件研究所,杭州310027) 摘要　阐述了宽禁带半导体的主要特性与Si C、金刚石等主要宽禁带半导体功率器件的最新发展动态及其存在的主要问题,并对其未来的发展作出展望。关键词　宽禁带半导体　功率器件　碳化硅　金刚石 W ide Bandgap Sem iconductor Power D ev ices L iu H aitao,Chen Q ix iu (Institu te of P o w er D ev ices,Z hej iang U niversity,H ang z hou310027) Abstract　T he p ap er p resen ts the m ain characteristics of w ide bandgap sem iconduc2 to rs,and elabo rates the latest developm en t of Si C and diam ond pow er devices.A t the sam e ti m e,the fu tu re developm en t of Si C and diam ond pow er devices is fo rcasted. Keywords　W ide bandgap sem iconducto r　Pow er devices　Si C　D iam ond 1　引　言由于Si功率器件已日趋其发展的极限,尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性,因此开发研制宽带半导体器件已越来越被人们所关注。所谓宽带半导体(W B G)主要是指禁带宽度大于212电子伏特的半导体材料,包括 —O、 —S、 —Se、 —N、Si C、金刚石以及其他一些化合物半导体材料。这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率,因此他们比Si及GaA s更适合于制作高温、高频及高功率器件。其中John son优值指数(JFOM=E c v s 2Π,E c 为临界电场;v s为电子饱和速率)、Keyes优值指数(KFOM=Κ[C v s 4ΠΕ]1 2,其中C为光速;Ε为介电常数)和B aliga优值指数(B FOM=ΕΛE G3,其中E G为禁带宽度,Λ为迁移率)分别从功率频率能力、耐热能力及导通功率损耗三方面说明了这一科学事实[1]。表1[2]列出了常见宽带半导体与Si,GaA s的比较。由表1可知宽禁带半导体具有许多优点: 1)W B G具有很高的热导率(尤其是Si C与金刚石),使得它们能够迅速转移所产生的热量,广泛用于高温及高功率领域;2)由于W B G的禁带宽度很大,因此相应器件的漏电流极小,一般比Si半导体器件低10～14个数量级,有利于制作CCD器件及高速存储器;3)W B G具有比普通半导体更低的介电常数及更高的电子饱和速率,使之比Si,GaA s更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。除此之外,W B G还具有负的电子亲和势及很高的异质结偏置电势,使得它们特别适合于阴极发射的平板显示器。鉴于近几年Si C与金刚石材料的生长技术及氧化、掺杂、欧姆接触等工艺的成熟,使得Si C与金刚石器件得到了突飞猛进的发展,下面我们将主要评述Si C及金刚石的最新发展。 2　Si C功率器件近年来Si C功率器件的研究引起了世界科学界的高度重视,尤其是美国、欧洲等发达国

半导体发光材料

半导体发光材料具有优异的光电催化及光电转化活性等特性, 已应用于光学材料, 太阳能材料,压电晶体和激光材料等领域。近年来，由于纳米材料科学的兴起人们对半导体发光材料的制备方法，性能及其应用进行了大量的研究，取得了重要的成就。 ZnSe半导体发光材料的研究进展美国贝尔实验室在所制备的CdSe纳米粉体中发现，随着CdSe颗粒尺寸的减小发光带的波长逐渐变小，通过控制CdSe纳米颗粒的大小，制得了可在红、绿、蓝光之间变化的可调谐发光管。 1991年，美国3M公司研制成功了世界上第一个ZnSe基电泵浦蓝绿色激光器，引起了国际上学术界极大的轰动。近年来，对ZnSe基蓝绿色半导体激光器的研究，取得了里程碑式的研究成果。用ZnSe材料制成的半导体蓝色激光器和发光二极管在水下通讯、通信、复印、高密度的信息储存、高分辨率的图像显示、信号指示以及医学、基础研究、环境检测、战地生化检测等方面有着极为广阔的应用前景。蓝色激光器用于彩色高分辨率的图像传真，在海底等一些特殊环境下通信更为安全可靠以蓝色激光取代目前激光打印机上普遍采用的红外激光或红色激光，由于其感应灵敏度的提高，可使打印速度提高一到二个量级。在当前材料科学研究中ZnSe 半导体发光材料的制备技术倍受关注，追求获得成分纯正、结晶良好、光电性能稳定、低欧姆接触电阻、长寿命的ZnSe材料，成为21世纪引人注目的焦点。经过40 多年的漫长探索，人们打破传统的“热平衡生长”材料制备方法，ZnSe材料的制备技术已取得了长足的进步。尽管ZnSe基蓝绿色半导体激光器在四到五年内，连续工作时间由秒级提高到现在的400h，工作电压也由最初的20v左右降低到目前的3.7v取得了长足的进步与发展!但如何获得高净空浓度的p型掺杂，实现良好的低阻欧姆接触，延长器件使用寿命，使之达到实用化，仍然存在大量的课题，还需要不懈的努力与探索。 LED用半导体发光材料的产业现状半导体技术在引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志就是用半导体光源逐步替代白炽灯和荧光灯。

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

南京大学宽禁带半导体第三作业

第三次作业 1. 金属与半导体的接触类型强烈依赖于其功函数之差，请阐述其对应关系，但对p型掺杂的宽禁带半导体而言，金属功函数已无法满足实现其欧姆接触的要求，请以p型氮化镓为例说明人们是如何实现其欧姆接触的。 2. 半导体的表面态对最终金属与半导体接触的性质有较大影响，例如人们在实际应用中往往发现金属与宽禁带半导体的接触势垒的高低往往与金属的功函数依赖关系较小，这主要是由于高密度的表面态的存在对电子或空穴的陷阱作用所导致的表面费米能级的钉扎现象所致，这将导致欧姆接触或肖特基接触性能变差，请以氮化镓为例说明研究人员如何通过控制氮化镓的表面性质去优化其肖特基接触特性和欧姆接触特性的？ 3. 氮化镓与氧化锌作为极性半导体，其Ga/Zn面与N/O面具有完全不同的性质，请阐述这两种不同的表面对材料生长、掺杂、光学性质以及电接触性质（包括肖特基与欧姆接触）的影响，说明产生这些差异的物理原因。 4. 半导体薄膜中的霍尔迁移率与载流子浓度随着测量温度的变化规律强烈依赖于薄膜中的掺杂浓度，请分别就低浓度、中等浓度与重掺杂的情形加以阐述，并说明其物理原因。在表征蓝宝石上异质外延氮化镓与氧化锌薄膜的霍尔效应测量中，其测量到的载流子浓度往往表现出更为复杂的变化规律，这主要是由于低温下位于薄膜与蓝宝石之间的界面存在高缺陷密度的高导层的贡献，请阐述这一现象，并以公式说明人们是如何去解决这一问题的。 5. 半导体薄膜中的迁移率大小是表征半导体材料晶体质量与电学性能的关键参数，这主要是由于半导体中的位错密度对迁移率具有严重的影响。而从光学性质来说，半导体中的位错线往往也是电子或空穴的陷阱，导致深能级发光

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

宽禁带半导体ZnO材料的调研开题报告

山东建筑大学毕业论文开题报告表班级：姓名：论文题目宽禁带半导体ZnO的调研一、选题背景和意义 Zn0是一种新型的II-VI族宽禁带半导体材料，具有优异的晶格、光电、压电和介电特性，和III-V族氮化物及II-VI族硒化物比具有很多潜在的优点。首先，它是一种直接带隙宽禁带半导体，室温下的禁带宽度为，与GaN()相近，而它的激子结合能()却比GaN()高出许多，因此产生室温短波长发光的条件更加优越；而且ZnO薄膜可以在低于500℃温度下获得，不仅可以减少材料在高温西制备时产生的杂质和缺陷，同时也大大简化了制备工艺；同时ZnO来源丰富，价格低廉，又具有很高的热稳定性和化学稳定性。ZnO在UV、蓝光LED和LDS器件等研究方面被认为是最有希望取代GaN的首选材料，ZnO已经成为国内外半导体材料领域一个新的研究热点。国内外有很多科研团队都在进行ZnO的研究．虽然Zn0暂时不能完全取代si 在电子产业中的基础地位，但是ZnO以其特殊的性质成为Si电路的补充。国内外对于ZnO的研究一直是近几年半导体材料研究的热点。无论是薄膜ZnO、纳米ZnO或是体单晶ZnO，文献很好地总结了2003年之前的国外ZnO晶体的研究与发展状况。随着高质量、大尺寸单晶ZnO 生产已经成为可能，单晶ZnO通过加工可以作为GaN衬底材料。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似。晶格失配度只有2.2%(沿〈001〉方向)、热膨胀系数差异小，可以解决目前GaN生长困难的难题。GaN作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料，在DVD播放器中有重要的应用。由于世界上能生产ZnO单晶的国家不多，主要是美国、日

本。所以ZnO单晶生产具有巨大的市场潜力。近年来，材料制备技术的突破，纳米ZnO半导体的制备、性能及其应用成为材料学的一个研究热点。本文介绍了ZnO薄膜具有的许多优异特性，优良的压电性、气敏性、压敏性和湿敏性，且原料廉价易得。这些特点使其在表面声波器件(SAW)、太阳能电池、气敏元件等领域得到广泛的应用。随着对ZnO紫外受激发射特性的研究和P型掺杂的实现，ZnO作为光电材料在紫外探测器、LED、LD等领域也有着巨大的应用潜力。另外本文还介绍了纳米氧化锌的许多优点和在许多方面的应用。目前，我国各类氧化锌处于供不应求的状况，而以活性氧化锌和纳米氧化锌取代传统氧化锌是不可阻挡的趋势，可见，今后纳米氧化锌必会有非常广阔的市场前景。二、课题关键问题及难点要深入研究该方面的知识，就要涉猎很多方面的知识。作为本科学生，如何在现有知识的基础上，阅读并理解有关书目、文献，总结归纳相关理论和研究方法，是本课题首先要解决的关键问题。首先，要了解氧化锌作为宽禁带半导体的特性，然后再细致的查找氧化锌薄膜的诸多性质和这些性质在哪些方面的应用。同时要寻找纳米氧化锌材料与普通氧化锌材料相比有哪些优点、在发展中存在的问题和以后的研究方向。查询相关资料并阅读和理解之后，合理的安排介绍氧化锌作为宽禁带半导体材料的性质和应用。三、文献综述当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需

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

宽禁带半导体光电材料研究进展

宽禁带半导体光电材料的研究及其应用宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代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、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材

半导体发光器件(led常识)

半导体发光器件（led常识）半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称led）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一）led发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即 λ≈1240/E g（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。（二）led的特性 1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于led两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，led发热、损坏。（2）最大正向直流电流I Fm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压V Rm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境t opm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2．电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。