第5章获取材料II.ppt

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1、第五章信息获取材料,信息功能材料,5.4 元素半导体光电材料,理想的晶体在绝对零度时存在一个空的导带，由一个禁带把导带与填满的价带隔开，随着温度上升，由于热激发而产生 n-p 对，引起导电势，这种性质叫做本征半导电性，电子和空穴具有相同的浓度：,一、Si 和 Ge 的结构特征和电学性质,1.本征性质,典型的禁带宽度：Si 1.12 eV Ge 0.665 eV四方面的特点：,理想的晶体是不存在的，由于实际半导体中化学杂质和结构缺陷或多或少为存在，影响平衡时电子和空穴的相对浓度。但是：施主和受主相等浓度导致类似本征材料的状况。杂质能级如果靠近相应能带边缘，则为浅位杂质，反之为深位杂质。前者是II

2、I族和V族的全部元素，后者有过渡金属等。,2.非本征性质,热振动、杂质和结构缺陷是晶体周期的不完整性的三个方面。缺陷的重要性主要在于它们对迁移率、复合和俘获现象的影响，主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷是集中在晶体中单点的结构缺陷，包括空位和填隙等；线缺陷是沿着一条件集中的不完整性，也叫做位错，如：应力作用下产生的某些平面滑移等；人们对面缺陷的研究知之甚少，相对来说也不太重要。,3.晶格的结构缺陷,在实际应用中，电子和空穴的浓度往往是偏离平衡浓度的，即所谓的非平衡现象是普遍存在的。如果：那么，可以定义 t 为少数载流子寿命。再由Einstein关系可以得到扩散率和扩散长度：在最初的半导体晶体

3、中，截流载流子寿命仅受复合过程限制，因为当时注重于减少俘获效应；但是在半导体辐射探测器的研究中，往往是由测量出的电荷收集效率来推导电荷载流子的寿命的。,4.半导体辐射探测器的有效载流子浓度,Eg(Si)=1.12 eV Eg(Ge)=0.67 eV，两者的本征型探测器远不如PbS探测器，所以要引入杂质。1.非本征 Si 材料的特性引入杂质在Si禁带中建立起相应的局部能态，外界红外辐射会引起杂质能级的光激励，光电导响应与这些能级到导带或满带的电子或空穴跃迁有关。2.非本征 Si 探测器的特点硅的介电系数低，具有合适能级的杂质的溶解性高，所以能够制成红外吸收系数较大的非本征型硅探测器。3.非本征硅

4、探测器的应用：热成像技术，红外探测器。,二、非本征硅红外探测器材料,5.5 III-V族化合物半导体光电材料,GaAs的禁带宽度比Si稍微高一点，有利于制作在较高温度下的器件；其迁移率较高，约是Si中电子的5倍。GaAs为闪锌矿结构，密度为5.307g/cm-3，主要为共价键形式。能带结构为直接跃迁型，有较高的发光效率。其禁带中浅杂质电离能小。,一、GaAs体系光电薄膜的量子阱、超晶格结构1.GaAs材料的特性,GaAs单晶的制备主要有：GaAs的合成，As蒸气压的控制。图为水平舟生长法。,（1）半导体超晶格、量子阱的概念能够对电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势场称为量子阱。半导体的超

5、晶格结构与多量子阱结构相似。,2.半导体超晶格、量子阱材料,（2）半导体超晶格、量子阱的能带结构特点量子阱和超晶格能带结构，特别是能带在异质结处的形状，对其量子效应起着决定性的作用，而能带结构又取决组成材料的物理化学性能以及界面附近的晶体结构。,2.半导体超晶格、量子阱材料,（3）半导体超晶格、量子阱的分类 按组成材料的晶格匹配程度可分为：晶格匹配量子阱与超晶格 和 应变量子阱与超晶格。按组成材料的成分来分：固定组分量子阱与超晶格、组分比渐变超晶格与量子阱 和 调制掺杂的量子阱与超晶格。一维、二维、三维量子阱与超晶格。（4）半导体超晶格、量子阱的一般应用 超高速、超高频微电子器件和单片集成电路

6、；高电子迁移率晶格管（HEMT），异质结双极晶体管（HBT），量子阱激光器、光双稳态器件（SEED）。,2.半导体超晶格、量子阱材料,（1）I类红外超晶格材料利用量子遂穿效应，形成垂直于层面的电流超晶格材料。AlGaAs/GaAs,3.超晶格量子阱红外探测器材料,（1）I类红外超晶格材料量子红外探测器（QWIP）是利用较宽带材料制作的，并且采用了量子阱结构。,3.超晶格量子阱红外探测器材料,（1）II类应变红外超晶格材料由于InAsSb和InSb之间的晶格常数相关较大，因些属于应变超晶格结构。,3.超晶格量子阱红外探测器材料,InAsSb/InSb,（2）II类应变红外超晶格材料:用MBE或M

7、OCVD工艺在衬底上生长缓冲层。这种材料应用如下特点：键强度好，结构稳定；均匀性好；波长易控制；有效质量大；隧道电流小；,3.超晶格量子阱红外探测器材料,（3）III类红外超晶格材料以 Hg 为基础的超晶格材料。交替生长HgTe和CdTe薄层。特点如下：,3.超晶格量子阱红外探测器材料,禁带宽度和响应截止波长由HgTe层厚度控制；有效质量比较大；p型HgTe-CdTe超晶格有极高的迁移率。,InSb是一种直接跃迁型窄带宽化合物半导体，具有电子迁移率高和电子有效质量小的特点。它适于制备光伏型、光导型和光磁电型三种工作方式的探测器，各自有不同的特点优势。提纯工艺和单晶制备工艺的发展，到上个世纪中期

8、，用优质InSb单晶制备单元光电探测器已达到背景限。红外光电技术的发展使其经历了从单元向多元、从多元线列向红外焦平面阵列 IRFPA发展的过程。InSb薄膜有同质外延与异质外延之分，前者已经有人用磁控溅射法和MBE法进行了生长。,二、InSb光电材料特性,GaN基III-V族氮化物宽带隙半导体通常是GaN、AlN和InN等材料。禁带宽度一般在2eV以上。其结构上具有多型性，上面三种通常都表现为纤锌矿2H型结构，也可以形成亚稳态的3C结构。氮化物材料的外延生长主要是基于金属有机物气相外延和MBE方法。GaN是直接带隙材料，在禁带宽度以上材料的光吸收系数增加很快，因此表面效应影响较大，设计和制造时

9、要注意。III-V族氮化物用于紫外光电探测器的另一个特点是：此材料可以用外延生长方法形成三元合金体系，并改变三族元素的组分比例。,三、GaN光电薄膜特性及其在紫外探测中的应用1.III-V族氮化物材料的特性,为了获得高质量的薄膜，需要有一种理想的衬底材料，它应该与GaN有着完美的晶格匹配和热匹配。SiC、MgO和ZnO等是与氮化物匹配性较好的材料。蓝宝石，具有六角对称性，容易加工，虽然与GaN之间的晶格失配较大，但适当的缓冲层的蓝宝石衬底可以有效地改善薄膜质量。缓冲层有GaN和AlN两种，外延生长用AlN作为缓冲层可以提高薄膜质量。采用低温GaN缓冲层生长GaN薄膜同样可以提高质量。,2.II

10、I-V族氮化物衬底材料的选择,对于半导体材料而言，Si材料及相关工艺技术已经极其成熟，GaAs材料的发展也已达到相当完善的程度。由于这些材料的禁带宽度不够，对其在紫外波段的应用带来了很大的限制。采用禁较宽的材料可望在较短的波长下获得较好的响应，它的应用除了物理、化学和医学等方面的应用外，还在探测火焰、紫外剂量检测、高密度光储存系统中的数据读出、气体的探测和监测得到广泛应用。它的优点：可以充分利用宽禁带材料自然具有的可见光盲和阳光盲的特性，提高器件的抗干扰能力；利用该材料的高化学稳定性和耐高温特性制成适用于恶劣环境的紫外探测器。,3.GaN材料在紫外光电探测器上的应用,5.6 IV-IV族化合物

11、及其它化合物半导体光电材料,SiGe/Si异质结构和超晶格是近年来兴趣的新型半导体材料，它具有许多独特的物理性质和重要的应用价值，并且与Si的微电子工艺技术兼容，是“第二代Si材料”。（1）晶格常数 Si1-xGex,一、锗硅合金（SiGe）异质结和超晶格结构1.SiGe异质结构材料基本性质,（2）晶格失配率Ge与Si的晶格失配率为4.2%，Si1-xGex合金与Si这；之间的晶格失配率为：（3）应变与应变能不产生失配位错的应变层外延生长称为“共度生长”或“赝晶生长”。厚度为 t 的应变层的弹性能量为：（4）应变层临界厚度应变层厚度应有一个临界值。,1.SiGe异质结构材料基本性质,GeSi

12、材料的载流子迁移率高、能带可测、禁带宽度易于通过改变组分加以精确调节，被称为“第二代Si微电子技术”。Si和GeSi存在能隙差，可以提高Si/GeSi异质结的高频性能。Si/GeSi异质结的禁带偏移只限于价带，不必像III-V族材料那样为了消除导带偏移引起的不利影响而不得采取界面组分等特殊措施。合金材料制备可用多外延方法生长：Si-MBE、CBE和超低压CVD（UHV/CVD）三种，其中最后一种有较大优势。,2.SiGe/Si异质结构和超晶格材料的特性和制备,用MBE生长工艺在p型Si(100)衬底上生长GexSi1-x层，然后进行高浓度掺杂，使能带达到简并状态。,3.GexSi1-x/Si异

13、质结构内光电子发射长波红外探测器材料,PtSi是20世纪80年代初发展起来的1-5微米波段红外探测器材料。,二、硅基硅化铂异质薄膜,二元金属硅化物系的相图中常有多个平衡相。金属-Si体系的相图中，一般会出现3种以上的硅化物，PtSi最早研究成功的。,1.金属硅化物形成机理,针对金属硅化物的形成机理已有多种模型提出。填隙模型认为金属原子可以通过填隙形式扩散到硅中，使硅的最近原子数增加，这种增加所引起的电荷交换减弱了硅共价键，使其向金属键转化。,1.金属硅化物形成机理,Pt 是过渡金属，Pt原子通过d-s杂化构成晶体，Si 是通过s-p杂化构成晶体的。PtSi的动力学表明，在低于300摄氏度时，P

14、t2Si相形成，高于300摄氏度时，PtSi相生长。若PtSi厚度为d，则其与扩散系数D、退火时间t之间的关系为：在一级相变中组分变化是不连续的，即新相的形成必须通过成核才能发生。不同相的成核势垒不同。动力学认为成核势垒同激活能给出。,2.PtSi的生长动力学,对PtSi形成和生长影响最大的因素是退火温度和衬底温度。PtSi薄膜的热稳定性及必性能与膜厚之间也存在一一定关系。人们发现晶向、晶粒大小、电阻、光谱反射及热稳定性强烈依赖于膜厚，薄膜性能变坏的温度随膜厚度增加而增加。硅基超薄膜的质量是影响器件性能的关键因素之一，而Pt金属膜的沉积和退火工艺对固相反应PtSi薄膜的质量有显著影响。研究单一

15、温度退火、三步扩散炉退火和快速热退火等方法。,3.Pt/Si退火工艺,PtSi具有正交结构（MnP型），每个单胞内含4个Pt原子和4个Si原子，晶格常数a=0.593nm，b=0.360nm，c=0.560nm.界面模型如下：,4.PtSi/Si界面研究,HgCdTe II-VI族固溶体为代表的是第四代半导体材料，它的工作频率已经推广到红外波段以外。(Hg1-xCdxTe，MCT）是一种窄带宽的三元化合物半导体，具有如下特点：（1）禁带宽度Eg是组分x和温度T的函数；,三、HgCdTe红外探测器材料1.材料的特点,（2）是一种本征半导体材料，其光吸收系数比非本征半导体材料大得多；（3）热激发速

16、率小；（4）有较小的电子有效质量、很高的电子迁移率、较低的本征载流子浓度和较小的介电常数；（5）热膨胀系数与硅接近。这种材料的应用十分广泛，人们已研制出了光导型与光伏型探测器。,1.Hg1-xCdxTe材料的特点,40多年来，MCT晶体一直是最受重视的红外探测器材料。其薄膜材料制备采用了MBE和MOCVD技术。HgCdTe单晶的制备是比较困难的：,2.Hg1-xCdxTe材料的制备,（1）HgTe-CdTe赝二元系的相图中液相线与固相线之间有显著的差别；（2）熔体化学计量配比的偏离容易引起Te组元过剩；（3）汞蒸气压工艺控制困难；（4）晶体中Hg-Te的键合力弱；（5）晶体的径向组分均匀性明显

17、依赖于固液界面的形状。,（1）HgCdTe异质结材料（2）HgCdTe双色与多色红外探测器材料（3）以硅为衬底的HgCdTe薄膜材料,3.HgCdTe红外焦平面探测器薄膜材料,（1）CdTe晶体材料主要的晶体生长工艺有：布里奇曼法、高压釜布里奇曼工艺和改进的控制蒸发技术。（2）CZT晶体材料用CZT材料作衬底外延MCT薄膜的优点是：“零失配”，利于优质薄膜的生长；它位错密度比CdTe晶体低一个数量级；衬底制备工艺要容易。（3）CdTe和CZT薄膜材料随着MCT FPA技术的发展，对MCT薄膜材料提出了大面积、组分均匀的要求，而作为衬底的材料，获得大面积单晶衬底相当困难。因此，人们利用先进的MB

18、E技术，在大直径的CdTe、CZT基片上，生长了薄膜材料。,4.HgCdTe薄膜外延衬底材料,5.7 非制冷型红外探测器材料,由单晶小薄片的热电晶体所制成。具有自发极化特性，它在自然条件下，内部某些分子的正负电荷重心不重合，形成一个固有偶极矩，在垂直于极轴的两个端面上出现大小相等、符号相反的面束缚电荷。当温度变化时，晶体中离子间的距离和键角发生变化，从而使偶极矩极化强度及面束缚电荷发生变化，结果造成过剩电荷，在垂直极轴的两个端面出现微小电压，当用导线连接时就会产生热电流。,一、热释电红外探测器材料1.热释电红外探测器的工作原理,（1）响应率RV定义：,2.性能参数分析,可见，当入射辐射的调制频

19、率为零时，响应率也为零，这说明热释电探测器是一种交流器件。,（2）噪声、噪声等效功率和探测率噪声主要包括温度噪声、热噪声和放大器噪声。探测率为：,2.性能参数分析,非制冷型VO2热敏电阻焦平面探测器材料:电阻灵敏度的温度系数：对于半导体材料：,二、测微辐射热计红外探测器材料1.工作原理,通常是以电桥电路形式工作的。热敏电阻测辐射热计的信号公式：,1.热敏电阻测辐射热计的工作原理,（1）响应率可以看出，为了提高响应率，偏压E、电阻温度系数aT要大，G和H值要小。但偏压不能任意大，因为E大，偏流就大，元件的焦耳热也随之增大，噪声也大，一般取值在50微安左右。（2）频率响应热敏电阻测辐射热计的响应率可改写为：,2.热敏电阻测辐射热计的性能,（3）噪声和探测率主要包括热噪声、温度噪声和1/f 噪声：探测率为：只有热噪声和温度噪声起作用时：,2.热敏电阻测辐射热计的性能,作 业：,1、简述半导体光电效应的定义、分类和相应的物理过程。2、根据光电发射的物理机制，论述光电发射过程主要是一种体积过程，并详述发射的三个相对独立的过程。,