L9-硅锗和硅基光电材料资料课件.ppt
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1、2022-5-1119 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.1 9.1 硅和锗元素半导体硅和锗元素半导体9.2 9.2 硅锗合金硅锗合金9.3 9.3 相相二硅化铁二硅化铁9.4 9.4 碳化硅碳化硅2022-5-112硅和锗元素半导体硅和锗元素半导体2.2.硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构3. 硅和锗的杂质和缺陷硅和锗的杂质和缺陷I. 杂质能级杂质能级II. 晶体缺陷晶体缺陷4. 硅、锗的电输运性质硅、锗的电输运性质I. 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度II. 载流子迁移率载流子迁移率9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.1 硅和锗元素半导体硅和锗元素半导体1.1.
2、硅和锗的基本参数硅和锗的基本参数2022-5-1139 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3 相相二硅化铁二硅化铁2022-5-1142022-5-1152022-5-1162022-5-1172022-5-1182022-5-1192022-5-11102022-5-11112022-5-11122022-5-11132022-5-11142022-5-11152022-5-11162022-5-1117硅锗合金硅锗合金9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 SiGe合金是近年来兴起的新型半导体材料,合金是近年来兴起的新型半导体材料,它有许
3、多独特的物理性质和重要的技术应它有许多独特的物理性质和重要的技术应用价值,并与硅的微电子技术兼容,被认用价值,并与硅的微电子技术兼容,被认为是第二代硅材料。它使硅材料进入到人为是第二代硅材料。它使硅材料进入到人工设计微结构材料的时代,使硅器件进入工设计微结构材料的时代,使硅器件进入到异质结构、能带工程时代,其工作领域到异质结构、能带工程时代,其工作领域已扩展到毫米波、超快速领域,光学探测已扩展到毫米波、超快速领域,光学探测已进入到已进入到1.3-1.55m远红外波段。远红外波段。2022-5-11189 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 Ge的晶格常数的晶
4、格常数a=0.5658nm Si的晶格常数的晶格常数a=0.5431nm Ge与与Si能够以任意比例互溶生长,所以在能够以任意比例互溶生长,所以在室温且室温且Ge摩尔分数摩尔分数x不是很高的情况下,不是很高的情况下,体体SiGe合金的晶格常数随组分比合金的晶格常数随组分比x呈线性呈线性变化。变化。 Ge与与Si的晶格失配率的晶格失配率4.2%,Si1-xGex合金合金与与Si之间的晶格失配率可以通过合金组分之间的晶格失配率可以通过合金组分x来人为调节,从而得到人们所期望的异来人为调节,从而得到人们所期望的异质结结构。质结结构。 2022-5-11199 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电
5、材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 SiGe合金的带隙宽度和晶格常数可以根据组分含量的不同线性调节 SiGe的工艺可以和现有的Si材料工艺兼容 超晶格技术使SiGe材料具有了许多特殊的性能,具有广阔的应用前景 2022-5-11209 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Ge content dependence of energy band gap of strained SiGe grown on Si substrates. HH and LH represent band gaps for heavy and light hole bands. That
6、of unstrained SiGe is also shown as reference.2022-5-11219 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Band modification of tensilely strained Si and compressively strained SiGe. SO represents the spin-orbit splitting band (after Hinckley and Singh). 2022-5-11229 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Valence ba
7、nds of bulk Si and compressively strained Si0.6Ge0.4. 2022-5-11239 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Band alignment of Si/Ge hetero-structures under various strains: (a) compressively strained SiGe on Si substrate (type-I) and (b) tensilely strained Si and compressively strained Ge on unstrained Si
8、Ge (type-II).2022-5-11249 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金应变应变SiGe薄膜的应用薄膜的应用 在在SiGe合金中合金中, 电子迁移率几乎是纯电子迁移率几乎是纯Si的两的两倍倍(Ge中电子迁移率是中电子迁移率是3900cm2/Vs,Si中中电子迁移率是电子迁移率是1500cm2/V s,Ge 中空穴迁中空穴迁移率是移率是1900cm2/Vs,Si 中空穴迁移率是中空穴迁移率是475cm2/Vs)。而且由于应力引起能带结构。而且由于应力引起能带结构的变化,使应变的变化,使应变SiGe薄膜中电子和空穴载薄膜中电子和空穴载流子迁移率增大
9、。流子迁移率增大。2022-5-11259 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 SiGe/Si HBT :电流增益显著提高;基区掺杂浓度可以做得很高;工作频率得到很大提高(截至频率最高达到375GHz)。用于WLAN、蓝牙、移动终端设备、卫星广播、光纤通信、雷达等。 SiGe MODFET和和CMOSFET :张应变的Si中的电子和压应变SiGe中的空穴的迁移率比无应变Si层中的电子和空穴迁移率提高35倍,用于高速设备。 2022-5-11269 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 Si-Ge在光电转换、热电转换、红外器件
10、等领域,具有极优良的特点。 SiGe 在半导体光电子领域特别是光电集成领域也有着巨大的应用潜力。 2022-5-11279 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金2022-5-11289 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 SiGe异质结构的制备方法主要有异质结构的制备方法主要有MBE和和CVD。SiGe应变层材料的生长技术主要是分子束外延应变层材料的生长技术主要是分子束外延(MBE)和化学气相淀积和化学气相淀积(CVD)。 MBE技术不适合工业化大生产技术不适合工业化大生产 ,工业界采用,工业界采用的的SiGe层外延设备主要
11、有层外延设备主要有UHVCVD(Ultra high vacuum chemical vapor deposition) , RPCVD(Reduced-pressure chemical vapor deposit ion) ,APCVD(Atmospheric-pressure chemical vapor deposition ),VLPCVD(Very low pressure chemical vapor deposition )以及以及PHOTOCVD 2022-5-11299 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金The growth rate R
12、 SiGe of GSMBE Si1-xGex(0 0 1) layers with x = 0, 0.07, and 0.18 as a function of temperature Ts. The solid lines are calculated2022-5-11309 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 用两种禁带宽度不同的材料A和B构成两个距离很近的背靠背异质结B/A/B,若材料A是窄带半导体,且其导带底低于材料B的导带底,当其厚度小于电子平均自由程时,电子被约束在材料A中,形成以材料B为电子势垒、材料A为电子势阱的量子阱。量子阱量子阱2022
13、-5-11319 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金多量子阱多量子阱 如果以各自不变的厚度将上述如果以各自不变的厚度将上述A、B两种薄两种薄层材料周期性的叠加在一起,即连续地重层材料周期性的叠加在一起,即连续地重复生长多个阱,形成复生长多个阱,形成B/A/B/A结构,且结构,且A层的厚度层的厚度dA远小于远小于B层厚度层厚度dB,则该结构,则该结构称为多量子阱。称为多量子阱。 在多量子阱结构中,必须保证势垒的厚度在多量子阱结构中,必须保证势垒的厚度dB必须足够大,以保证一个势阱中的电子必须足够大,以保证一个势阱中的电子不能穿透势垒层进入另一个势阱。不能穿透势
14、垒层进入另一个势阱。2022-5-11329 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金什么是超晶格什么是超晶格? 江崎等在江崎等在1970年第一次提出超晶格的年第一次提出超晶格的概念。超晶格材料是由两种或两种以上性概念。超晶格材料是由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替生长而形成的多层质不同的薄膜相互交替生长而形成的多层结构的晶体。在这种超晶格材料中,人们结构的晶体。在这种超晶格材料中,人们可以任意改变薄膜的厚度,控制它的周期可以任意改变薄膜的厚度,控制它的周期长度。一般来说,它的周期长度比各薄膜长度。一般来说,它的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长,因而
15、取得单晶的晶格常数大几倍或更长,因而取得“超晶格超晶格”的名称。的名称。2022-5-11339 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 半导体的超晶格结构与多量子阱结构有半导体的超晶格结构与多量子阱结构有些相似,也是由些相似,也是由A、B两种材料以各自不变两种材料以各自不变的厚度周期性的叠加在一起而形成的。不的厚度周期性的叠加在一起而形成的。不同的是超晶格结构中相邻势垒层较薄。同的是超晶格结构中相邻势垒层较薄。2022-5-11349 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 组分超晶格:超晶格材料中的一个重复单组分超晶格:超晶格
16、材料中的一个重复单元是由不同材料的薄膜所构成元是由不同材料的薄膜所构成 掺杂超晶格:同一半导体材料中,用交替掺杂超晶格:同一半导体材料中,用交替改变掺杂类型的方法构成的半导体超晶格改变掺杂类型的方法构成的半导体超晶格2022-5-11359 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 按照组成材料的晶格匹配程度,可分为晶按照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和应变超格匹配量子阱与超晶格和应变量子阱和应变超晶格。晶格。 按照组成材料的成分,可分为固定组分的按照组成材料的成分,可分为固定组分的量子阱与超晶格、组分渐变量子阱与超晶格以量子阱与
17、超晶格、组分渐变量子阱与超晶格以及调制掺杂的组分的量子阱与超晶格。及调制掺杂的组分的量子阱与超晶格。半导体超晶格、量子阱的分类半导体超晶格、量子阱的分类2022-5-11369 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 半导体超晶格、量子阱的能带结构取决于半导体超晶格、量子阱的能带结构取决于组成材料的物理化学性能以及界面附近的组成材料的物理化学性能以及界面附近的晶体结构。在异质结物理中,一般将组成晶体结构。在异质结物理中,一般将组成材料的晶格常数失配度小于材料的晶格常数失配度小于0.5%时的搭配时的搭配称为晶格匹配,大于称为晶格匹配,大于0.5%时则视为晶格失时则
18、视为晶格失配。配。半导体超晶格、量子阱的能带结构特点半导体超晶格、量子阱的能带结构特点晶格匹配的半导体超晶格和量子阱晶格匹配的半导体超晶格和量子阱应变量子阱和应变超晶格应变量子阱和应变超晶格2022-5-11379 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金应变超晶格应变超晶格 这种量子阱或超晶格是通过结构薄层双方或这种量子阱或超晶格是通过结构薄层双方或其中之一的晶格常数的有限改变来补偿晶格失其中之一的晶格常数的有限改变来补偿晶格失配的。它是由晶格常数差别很大的两种超薄层配的。它是由晶格常数差别很大的两种超薄层材料交替组成的超晶格结构,两种组成材料的材料交替组成的超
19、晶格结构,两种组成材料的晶格失配度高达晶格失配度高达7%,但是只要各层的厚度不,但是只要各层的厚度不超出一定的临界值,则层间晶格的失配可由晶超出一定的临界值,则层间晶格的失配可由晶格的弹性形变来调节,而不会在界面产生失配格的弹性形变来调节,而不会在界面产生失配位错,位错, Si/GeSi量子阱和超晶格是其中的典型。量子阱和超晶格是其中的典型。应变超晶格扩大了可选择材料的范围,其能带应变超晶格扩大了可选择材料的范围,其能带结构及相关的光、电性能又可通过应力,层厚结构及相关的光、电性能又可通过应力,层厚和合金组分改变来调节。和合金组分改变来调节。2022-5-11389 9 硅、锗和硅基光电材料硅
20、、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金2022-5-11399 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3 相相二硅化铁二硅化铁 -FeSi2是少数半导体型金属硅化物之一,是少数半导体型金属硅化物之一,20世纪世纪50年代,年代,-FeSi2作为耐高温的高热作为耐高温的高热电转换效率材料而备受关注,具有半导体电转换效率材料而备受关注,具有半导体性质的性质的-FeSi2薄膜的研究始于薄膜的研究始于20世纪世纪80年年代中期。近年来人们发现它还是一种很有代中期。近年来人们发现它还是一种很有应用前景的光电材料,并开始广泛研究基应用前景的光电材料,并开始广泛研究基于于 - F e S
21、i2薄 膜 的 微 电 子 器 件 。薄 膜 的 微 电 子 器 件 。 相相二硅化铁二硅化铁 (-FeSi-FeSi2 2) )2022-5-11409 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3 相相二硅化铁二硅化铁 FeSi2的晶体结构的晶体结构FeSia=7.791 b=7.833 c=9.863 zxy7 7层层FeFe原子原子5 5层层SiSi原子原子(1) -FeSi(1) -FeSi2 2的基本性质的基本性质2022-5-11419 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3 相相二硅化铁二硅化铁 FeSi系平衡相图系平衡相图2022-5-11429 9 硅
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