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晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用
华清学院课程设计（论文）用纸晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用院系：材料科学与工程 班级：材料 0903 班 姓名：宋启立 学号：22摘要：少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不 同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制 备具有不同性能的材料，以
适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。本文 简要介绍了晶体缺陷的定义和分类，以及不同晶体缺陷在半导体材料方面的应 用。 关键词：晶体缺陷；性能；铁磁体；电阻；迁移；半导体材料 Abstract：A small amount of crystal defects in the physical properties of the crystal can have a major impact, according to the different crystal defects, development and utilization of itsimpact, give full play to the role of the possible research and preparation of materials withdifferent properties, to accommodate different people's actualneeds and development of the times demand. This paper introduces the definition and classification of crystaldefects,aswells different crystal defects in semiconductor mat erials. Key word： Crystal defect； Performance； magnet； Iron Resistance； Migration； Semiconductormaterials华清学院引言课程设计（论文）用纸在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内 部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不 存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺 陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体 都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而 决定于不规则排列的晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能 等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、 材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。 本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。 对于半导体材料的制备和研究， 研究晶体缺陷具有极其重要的指导性意义。 本为着重对晶体缺陷及其在半导体材料工业方面的应用进行介绍。1. 晶体缺陷的定义和分类1.1 晶体缺陷的定义 在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的 位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际 晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭 到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或 结构称为晶体缺陷（defects of crystals）[1]。 1.2 晶体缺陷的分类 1.2.1 按缺陷的几何形态分类可分为四类： 点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 ①点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向 上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、 异类原子（foreignparticle）。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高 温动力学过程等有关。 ②线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则 性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。线 缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 ③面缺陷：面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的 周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维 方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及 分布与材料的断裂韧性有关[2]。 ④体缺陷：也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺 陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。1华清学院1.2.2 按缺陷产生的原因分类：课程设计（论文）用纸固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷， 包括本征缺陷和杂质缺陷等。热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。 ①热缺陷：定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空 位或间隙质点（原子离子）。 类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（Schottky defect）热缺 陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加。 ②杂质缺陷：定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。 特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度 无关。 ③非化学计量缺陷：定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。 它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。 特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化[3]。 1.2.3H.Pick 分类法 H.Pick建议将晶体缺陷分为三类：化学缺陷、结构缺陷和点的缺陷。 ①化学缺陷：存在于晶体中的异类原子在晶体中呈间隙性或置换性。 ②结构缺陷：晶体中某些原子或离子不做规则排列，偏离或不在点阵位置 上。 ③电的缺陷：晶体中某些区域的电荷不作严格周期性排分布。 显然，前两类缺陷必然伴随有电荷的不严格周期性分布，所以，这里的第 三类缺陷是指在不发生第一、第二类缺陷时存在的点缺陷，比如自由、空穴等。 本文主要讨论前两类晶体缺陷，即原子尺度的晶体缺陷。2. 半导体材料简介2.1 半导体材料的定义 传统上自然界中的物质大致分为气体、液体、固体和等离子体四种基本形 态固体材料中，根据其导电性能的差异，又可分为金属，半导体和绝缘体。通 常我们认为金属的电导率为10^6~10^4/（Ω .com），绝缘体的电导率小于10^-10/ （Ω .com），电导率介于两者之间，即在10^4~ 10^-10/（Ω .com）之间，成为 半导体材料。 2.2 半导体材料的特点 （1）在纯净的半导体材料中，电导率随温度的增加而呈指数性增加； （2）半导体中的杂质的种类和数量决定其电导率，而且在掺杂情况下，温 度对电导率的影响较弱； （3）在半导体中可以实现非均匀掺杂； （4）光的辐照，高能电子的注入等因素可以影响半导体的电导率。 2.3 半导体材料中的应用2华清学院课程设计（论文）用纸由于半导体的p-n结以及半导体同某些金属相接触的边界层，都具有单向导 电或者在光照下产生电势差的特性，故可以利用这些特性制成各种器件，如半 导体二级管，三级管和集成电路等。3. 晶格空位3.1 晶格空位的定义 在晶体学中, 一个晶格空位是晶体的点缺陷之一[10] 。当一个晶格格位上缺 失了一个粒子（原子，离子甚至分子），这种缺陷既为晶格空位。除了被称为 晶质的缺陷的晶体本质上具有的不完整性外，晶格空位有时是由于温度改变或 受到辐射等外部因素造成的。 晶格空位自然存在于所有晶体。对于每一个小于该物质熔点的温度，都存 在一个晶格空位平衡浓度（具有空位的格位和其他格位的比率）。一些金属在 熔点温度具有大约为0.1%的平衡浓度[11]。 3.2 晶格空位的特点 （1） 晶格空位的形成可以简单的认为是晶体中的一个原子和它邻近原子间 的结合力被破坏的结果。当这个原子离开它原本所处的格位，它将受到晶体表 面的拉扯，并和其它处于表面的原子间再度形成结合。 （2）在任何已知温度，产生一个空位所需的能量会因为产生的空位使晶体 内部混乱化而减少。这种混乱度使用熵来度量。晶体每增加一个空位，其熵也 会增加，表现为产生这些空位所需的总能量在减少。这些能量被称为自由能， 也是这个温度下产生一个晶格空位平衡浓度所需的能量。 （3）因为离子晶体最终要达到电荷平衡，它不能形成单一的空位（既其晶 格空位必须成对出现）。离子晶体中的晶体空位可能由萧特基缺陷或弗仑克尔 缺陷形成。 3.3 晶格空位的证明 晶格空位的证明和其扩散浓度的确定是在确定正电子的寿命的过程中实现 的。由于晶格空位会让正电子的势能得到释放，正电子在晶体中扩散时会以移 动到晶格空位为优先选择。因为晶格空位的电子密度比晶体的其他部分低，处 于期间的正电子的寿命将增加。对晶体放射的测量同样可以确定空位的位置， 对其寿命的测量可以判断出空位的大概大小。另一种很常用的方法是腐蚀法： 使用腐蚀的方法得到晶体的显微照片，位错和表面的交点是明显的空隙。.4. 晶体缺陷对物理性能的影响缺陷的存在破坏了晶体结构的完整，对其性能有严重影响。我们分别从一 下个方面进行讨论。 4.1 晶体电阻缺陷与晶体电学性能 4.1.1 晶体电阻 电阻就其物理意义来说是表征电子在运动过程中它所处的状态被改变的几3华清学院课程设计（论文）用纸率。实际上位于晶体阵点上的原子(或离子实)是不断地振动着的，它与电子相 互作用使电子状态发生改变，因此金属晶体有电阻，而且温度愈高电阻愈大。 而由于晶体缺陷的存在使得离子偏离平衡位置，从而使晶体存在缺陷电阻。 4.1.2 点缺陷电阻 缺陷根据其特性会从三方面影响晶体的周期场。 (1)缺陷所在处的荷电量一 般说来与基体离子的不同，故在缺陷附近形成了屏蔽场。(2)因杂质原子与基体 原子大小不同或因空位形成而使周围原子发生位移，或因基体原子脱离点阵位 置而成为间隙原子都会形成附加位一称为变型位。(3)即使替代原子与基体原子 的原子价相同，原子大小相近，由于各自的原子位有差别，其附近的晶体周期 场也会受到破坏。这些也都能产生相应的电阻。 此外还有位错电阻，但位错电阻至今尚未精确计算过，主要问题在于散射位的 探求较困难。 4.2 缺陷与半导体性能 硅、锗等第4族元素的共价晶体绝对零度时为绝缘体，温度刀?高导电率增 加但比金属的小得多，称这种晶体为半导体。晶体呈现半导体性能的根本原因 是填满电子的最高能带与导带之间的禁带宽度很窄，温度升高部分电子可以从 满带跃迁到导带成为传导电子。晶体的半导体性能决定于禁带宽度以及参与导 电的载流子(电子或空穴)数目和它的迁移率。 缺陷影响禁带宽度和载流子数目及 迁移率，因而对晶体的半导体性能有严重影响。 4.2.1 缺陷对半导体晶体能阶的影响 硅和锗本征半导体的晶体结构为金刚石型。每个原子与四个近邻原子共价 结合。杂质原子的引入或空位的形成都改变了参与结合的共价电子数目，影响 晶体的能价分布。 有时为了改善本征半导体的性能有意掺入一些三、五族元素形成掺杂半导 体；而其他点缺陷如空位或除三，五族以外的别的杂质原子原则上也会形成附 近能阶。位错对半导体性能影响很大，但目前只对金钢石结构的硅、锗中的位 错了解得较多一点。 4.2.2 缺陷对载流子数目的影响 点缺陷使能带的禁带区出现附加能阶，位错本身又会起悬浮键作用，它起 着施主或受主的作用，另外位错俘获电子使载流子数目减少，所以半导体中实 际载流子数目减少。 4.3 位错对铁磁性的影响 只有过渡族元素的一部分或其部分化合物是铁磁性材料。 物质的铁磁性要经 过外磁场的磁化作用表现出来。能量极小原理要求磁性物质是由磁矩取向各异 的磁畴构成。 一般说来加工硬化降低磁场H的磁化作用，磁畴不可逆移动开始的磁场Ho4华清学院5. 晶体缺陷在半导体材料方面的应用5.1 本征点缺陷及本征半导体 5.1.1 点缺陷的定义课程设计（论文）用纸(起始点的磁场强度)升高，而加工则使物质的饱和磁化强度降低[4]。研究表明，在OK以上的任何温度下，纯物质晶体中都存在点缺陷。当点缺 陷的浓度＜1%（原子分数）时，点缺陷彼此分立存在；当缺陷浓度增加时，点 缺陷将发生相互作用形成复杂的缺陷团。晶体中这类呈热力学平衡态且不能被 任何热处理货退火过程所消除的缺陷叫做本征缺陷。 5.1.2 征半导体的定义 本征半导体是指极纯的半导体单晶材料，即假定该半导体中不存在任何杂 质原子，且原子在空间的排列也遵从严格的周期性。这种纯净材料被广泛研究 的是锗（Ge）和硅（Si）。 5.1.3 征半导体的导电原理 本征半导体的导电过程依赖于从满的价带到空的导带的激发电子和在价带 产生的空穴。这种激发可借助于能给满带电子提供大于禁带宽度能量的任一物 理作用。最常见的则是热激发，即在一定的温度下，由于晶格上原子的热振动， 一部分价带电子获得一定的附加能量而跃迁至导带。 5.2 ZnO 过量的Zn 原子可以溶解在ZnO 晶体中，进入晶格的间隙位置，形成间隙 型离子缺陷，同时它把两个电子松弛地束缚在其周围，对外不表现出带电性。 但这两个电子是亚稳定的，很容易被激发到导带中去，成为准自由电子，使材 料具有半导性。 5.3 Fe3O4 Fe3O4晶体中， 全部的Fe2+离子和1/2 量的Fe3+离子统计地分布在由氧离子密 堆所构成的八面体间隙中。因为在Fe2+ ― Fe3+ ― Fe2+ ― Fe3+― ……之间可以迁 移，Fe3O4 是一种本征半导体[4]。 5.4 掺杂硅半导体 常温下硅的导电性能主要由杂质决定。在硅中掺入VA 族元素杂质（如P、 As、Sb 等）后，这些VA 族杂质替代了一部分硅原子的位置，但由于它们的最 外层有5个价电子，其中4 个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成 了可以导电的自由电子。这样一个VA 族杂质原子可以向半导体硅提供一个自 由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质称为施主杂质。当硅中掺有 施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体被成为n 型半导体。 若在硅中掺入ⅢA族元素杂质， 这些Ⅲ族杂质原子在晶体中替代了一部分硅5华清学院课程设计（论文）用纸原子的位置，由于它们的最外层只有3个价电子，在与周围硅原子形成共价键时 产生一个空穴。 这样一个ⅢA族杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴， 而本身 接受一个电子成为带负点的离子，通常把这种杂质成为受主杂质。当硅中掺有 受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体称为P 型半导体。 5.5 BaTiO3半陶瓷 在 BaTiO3 陶瓷中，人们常常加入三价或五价杂质来取代Ba2+离子或Ti4+ 离子来形成n 型半导瓷。例如，从离子半径角度来考虑，一般使用的五价杂质 元素的离子半径是与Ti4+离子半径（0.064nm）相近的，如Nb5+=0.069nm， Sb5+=0.062nm，它们容易替代Ti4+离子；或者使用三价元素，如La3+=0.122nm， Ce3+=0.118nm，Nd3+=0.115nm，它们接近于Ba2+离子的半径（0.143nm），因而 易于替代Ba2+离子[5]。 由此可知，不管使用三价元素还是五价元素掺杂，结果大都形成高价离子 取代，即形成n 型半导体。6. 研究进展和展望由于杂质点缺陷型半导体的可控制性较本征半导体大很多，其研究及应用 用最广泛，大致可以分为元素半导体材料和化合物半导体材料。目前使用最广 泛的半导体材料是锗，硅这两种元素的半导体材料。而化合物半导体由于具有 范围较窄的禁带和迁移率的有点也成为很重要的半导体材料类型。化合物半导 体依据组成分为III、V、II、VI、氧化物和有机半导体等。其中最重要的一类化 合物半导体是由周期表中III和V元素所形成的化合物，比较经典的是有InSb、 AIP、GaAs等。GaAs是使用最广、用途最大的一个。 国内外学者对物质性能与缺陷的关系研究得相当多，它在包括激光、光电 转换等许多方面都取得了可喜的进展，并有很好的应用前景。相信在作为21世 纪科技高速发展的今天，晶体缺陷及其对晶体物理性质的影响必将能更大的发 挥其功效，为材料领域带来可喜的成就与发展！参考文献[1] 黄昆,韩汝琦 固体物理.北京:科学出版社,1979__ [2]蒲永平.功能材料的缺陷化学.北京:化学工业出版社,]林栋.晶体缺陷.上海交通大学出版社,]陈继勤 陈敏熊 赵敬世 晶体缺陷.，浙江大学出版社，]隋春宁 张骏 曹自强 官亚夫 晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用，
[6]张兴,黄如,刘晓彦.微电子学概论.第二版.北京:北京大学出版社,]于长凤，朱小平。缺陷化学概论。武汉理工大学出版社，,33-42 [8]晁月盛，张艳辉。功能材料物理.沈阳；东北大学出版社，20066华清学院课程设计（论文）用纸[9]黄昆，韩汝琦。半导体物理基础.北京；科学出版社，1979 [10]^ 1.0 1.1 P. Ehrhart, Properties and interactions of atomic defects in metals and alloys, volume 25 of Landolt-B? rnstein, New Series III, chapter 2, page 88, Springer, Berlin, 1991, [11]^ RW Siegel, Vacancy concentrations in metals, J. Nucl. Mater. 69 & 70, 117 (1978)7
晶体缺陷及其在半导体材料方面 计论)目 的应用 指导教师: 刘民建 设计地点: 常州职业技术学院 起迄日期: ― 常州信息职业技术学院电子与电气...然而, 目前晶体缺陷在 地质科学中的应用研究成果还很少, 主要以金属中的为主。...由于晶体缺陷对半导体材料的影响,故可以在半导体材料中有以下应用 1. 过量的Zn ...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 ...晶体缺陷及其应用 4页 1下载券 半导体材料 5页 免费 半导体材料的发展简史 3页...半导体 83页 5财富值如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或...的指导性意义.本 文着重对晶体缺陷及其在半导体材料工业方面的应用 的应用进行...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...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...本世纪中期单晶硅材料 和半导体晶体管的发明及其硅...杂质和缺陷分布的不均匀, 会使硅材料在进一步提高 ...在空间用的抗辐照器件和电路方面,它有着很好的应用...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...位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度 用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的...实际晶体中的缺陷分类及 其特征 刘国进 理学院 电...X 射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地,使...在半导体氧化物晶体中,非化学计量结构缺陷使晶体的导...半导体材料的发展、分类、一些特性参数和制备工艺以及半导体材 料在生活中的应用 ...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...至今为止位错理论已经发展的比较成熟, 并应用于各个...晶体中的点缺陷的深入研究;70 年代由于点缺陷及其与...引起了人们对半导体材料中点缺陷性质的注意, 并采用核磁...
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copyright &copyright 。文档资料库内容来自网络，如有侵犯请联系客服。非磁性元素掺杂半导体材料中自旋极化的实验与第一性原理研究
为促进自旋电子器件的发展，寻找新的高自旋极化材料，实现极化电流从磁性材料到半导体材料的高效注入成为研究热点。近年来，人们发现在不含有过渡金属或稀土金属元素的体系中同样可以存在铁磁极化，其磁性的主要来源为半导体中的点缺陷，也就是s电子或p电子。而在宽带隙半导体中，s轨道往往对应施主价电子，p轨道则对应受主空穴。因此，研究半导体本征缺陷对磁性的调控机制，不仅可以加深对sp型半导体材料中自旋耦合作用的理解，而且对新型自旋注入器件的研究也具有一定的指导意义。　　在施主缺陷的研究中，本文通过直流反应溅射制备多晶SnNx薄膜，其具有...展开
为促进自旋电子器件的发展，寻找新的高自旋极化材料，实现极化电流从磁性材料到半导体材料的高效注入成为研究热点。近年来，人们发现在不含有过渡金属或稀土金属元素的体系中同样可以存在铁磁极化，其磁性的主要来源为半导体中的点缺陷，也就是s电子或p电子。而在宽带隙半导体中，s轨道往往对应施主价电子，p轨道则对应受主空穴。因此，研究半导体本征缺陷对磁性的调控机制，不仅可以加深对sp型半导体材料中自旋耦合作用的理解，而且对新型自旋注入器件的研究也具有一定的指导意义。　　在施主缺陷的研究中，本文通过直流反应溅射制备多晶SnNx薄膜，其具有六方相富Sn结构且在500℃以上发生热分解，复合缺陷导致薄膜带隙达3.10eV并具有金属导电性，其随基底温度的升高与铁磁性的变化趋势相反。磁性的主要来源为晶粒边界或界面处不均匀分布的点缺陷引入的未配对电子。通过射频溅射制备多晶Ce1-xSnxO2薄膜，研究等价元素掺杂对电子结构和磁性的影响，发现Sn掺杂利于体系磁性的增强，但浓度高于6％后无影响。实验分析表明磁性主要与结构畸变、Ce3+和氧空位的浓度有关。通过Ce-O-Ce形成的超交换机制以及F-center的形成有助于局域磁矩之间的长程铁磁耦合。　　对受主缺陷的极化研究，通过掺杂低价阳离子或高价阴离子向本征n型材料中引入受主空穴。在外延Sn1-xMgxO2与Sn1-xKxO2薄膜中，磁矩的极化排列主要通过掺杂元素的p轨道与母体p轨道之间的p-p耦合实现。由于受溶解度的限制，间隙位的出现作为施主会与体系中替位缺陷所引入的空穴复合，使磁性减小。空气中的高温热处理可以使掺杂元素发生间隙位到替代位的转变，而掺杂元素较大的离子半径所造成的晶格畸变，同样对磁性具有重要影响。阴离子的掺杂是通过热氧化SnNx实现的，所有的薄膜都具有p型导电特征，最高的载流子浓度约为2.08×1019 cm-3，说明该方法可以有效的抑制自补偿效应对空穴的消耗。与此同时，N的阴离子替位缺陷也可以增强体系的铁磁性，且存在铁磁与反铁磁的竞争，使饱和磁矩呈现非单调变化的趋势。　　在本征p型半导体的极化研究中，我们对2p轨道元素掺杂CuCl的电子结构和磁性进行理论计算。通过PBE+U研究2p轨道与3d轨道的强关联作用的影响。通过对比我们发现强关联作用不仅可以对带隙进行修正，同时会影响磁性基态及局域磁矩的分布情况。不同掺杂剂所导致杂质带的移动主要与电负性之间的差异有关。掺杂原子的2p轨道和近邻Cu原子满壳层的3d轨道之间的杂化作用是杂质带劈裂和磁性极化的主要因素。　　为实现缺陷的规则分布，我们通过构造超晶格对纤锌矿氮化物和盐岩矿硫化物两种sp型半金属材料进行研究。发现在超晶格结构中，均可维持其半金属性且具有整数磁矩。磁性主要来源于阴离子的贡献，氮化物中的p-d耦合和硫化物中的p-p耦合为主要的交换机制，不同分子层上阴离子的极化方向不同，分别平行或垂直于超晶格的的z轴方向。此外，对于不同畸变的讨论预言了sp型半金属超晶格在实际应用中的可行性。收起
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半导体材料(复习资料)
异质结是由两种半导体单晶联接起来构成的。按其导电类型，可分为同型(NN+、PP+)和异型(PN)。用一般的外延生长方法制备的异质结，常常是有一定厚度的 缓变区(过渡区)，利用MBE、MOVPE及ALE等外延技术可以生长过渡区很窄或突变的异质结。 在器件，特别是光电器件的设计和制作中常利用异质结的特性： (1) 有低阻衬底和含有器件有源区的外延层构成的同型异质结，衬底与外延层的交界面在无源区，衬底只起支撑外延层的作用； (2) 同型异质结在靠近有源区处能提供一个带隙较高的透明层，可消除复合速度很高的自由表面，而异质结界面则起钝化作用； (3) 同型异质结也能形成限制载流子的势垒，可缩短载流子的扩散长度，从而减少了复合区宽度； (4) 异型异质结可利用改变结两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空穴的注入效率； (5) 同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面； (6) 同型异质结可以为形成金属化欧姆接触提供一个禁带宽度小的称作“盖层”的材料层。 不论采用什么外延方法，在异质的外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，如果存在着晶格常数的差异，总是有晶格失配的问题。晶格失配的存在，常给器件制作和性能带来不利的影响，因此在外延生长异质结时，应尽量限制和降低晶格失配的影响。 消除晶格失配的方法：1）在进行异质外延生长时，其厚度不超过临界厚度，那么外延层是完整的，没有失配位错。2）还可以通过界面缓变和组分突变两种方法来减少失配位错。
第五节：超晶格与量子阱(第二、三、四节：了解) 半导体超晶格---是利用超薄层生长技术制备的一种新型的人工材料。 超晶格是一种新型结构的半导体化合物，它是由两种极薄的不同材料的半导体单晶薄膜周期性地交替生长的多层异质结构，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。由于这种特殊结构，半导体超晶格中的电子(或空穴)能量将出现新的量子化现象，以致产生许多新的物理性质。 1.半导体超晶格与多量子阱 相邻两层不同材料的厚度的和称为超晶格的周期长度，一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更长，因此这种结构获得了“超晶格”的名称。由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现了势阱和势垒。称窄禁带材料厚度为阱宽Lw，宽禁带材料厚度为垒宽LB，而Lw+LB就是周期长度。当这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系统进入了量子领域，产生量子尺寸效应。这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。
多量子阱和超晶格的区别：多量子阱和超晶格都是连续周期排列的异质结构材料，区别在于势垒的厚度和高度不同： 1.当势垒厚度（宽带隙材料的厚度）>20nm和势垒高度大于0.5eV时，那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材料称为多量子阱，它适合制做低阈值，锐谱线的发光器件。 2.如果势垒比较薄或高度比较低，由于隧道效应，使阱中电子隧穿势垒的几率变得很大，势阱中分立的子能级就形成了具有一定宽度的子能带，这种材料称为超晶格，它适于制备大功率的发光器件。 2.组分超晶格 目前已设计制备出多种超晶格结构，主要有组分超晶格、掺杂超晶格、多维超晶格，应变超晶格。如果超晶格材料的一个重复单元是由两种不同材料的薄层构成，则称为组分超晶格。在组分超晶格中，从能带结构上来划分可分为四种类型（Ⅰ型、Ⅱ型―错开、Ⅲ型―倒转和Ⅳ型）。其中第Ⅰ种类型的超晶格的电子势阱和空穴势阱都处在同一薄层材料中，这种类型的超晶格结构，适于制做激光器。 组分超晶格的制备 ： 制备组分超晶格时应满足如下的要求： (1) 组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备时生长速率应能精确地控制，以保证各层厚度的重复性； (2) 异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这就要求生长时源的变化要快，且在保证晶体质量的条件下，生长温度尽可能的低，以防止层间组分的互扩散； (3) 晶格完整性要好，失配度小，失配位错少，表面形貌要好； (4) 各层化合物组分控制要精确，特别多元化合物的组分还应均匀； (5) 如果需要掺杂，掺杂量及其均匀分布也应精确控制。 从上述的要求来看，目前可用来制备超晶格的方法主要是MBE、MOVPE、CBE和ALE等。 MOVPE法生长GalnAs/InP组分超晶格：GaInAs/lnP超晶格可用常压、低压MOVPE两种方法生长，但生长时为了获得陡峭的异质结界面，要求生长室内保持气流为无涡流的层状。 生长超晶格、量子阱结构多使用LP-MOVPE系统。生长GalnAs/InP超晶格通常使用TMG、TEG、TMIn、TEIn为III族源，PH3和AsH3为V族源，TMIn为固体。用两个源瓶，则多数使用TMG和TMIn或TEG与TMIn为III族源。 GalnAs/InP量子阱结构的组分、层厚及界面的控制措施：(1)中断生长；(2) 组分的控制；(3) 阱层厚度的控制；(4) 超晶格结构的界16
面应该是平直光滑的。
第六节：应变超晶格 超晶格研究的初期，除了GaAs/AlGaAs体系超晶格以外，对其他体系的超晶格的研究工作开展得很少，这是因为晶格常数相差大，在异质界面处产生失配位错而得不到高质量的超晶格所致。但是对应变效应研究表明，当异质结构中，每层厚度足够薄，且晶格失配度不大于7％～9％时，则界面上的应力可以把两侧晶格连在一起而不产生界面失配位错，此时晶格完全处在弹性应变状态。巧妙地利用这种应变特性，开展了制备晶格失配度较大材料体系的超晶格――应变超晶格的研究。由于应变超晶格中原组成材料晶格常数不同，在异质晶体生长时受应变的影响，所以应变超晶格中的晶格常数与原组成材料是不一样的。 应变超晶格的出现，不仅增加了超晶格原材料选择的自由度和超晶格的数量，而且在应变超晶格中还发现许多一般超晶格不具备的特性，特别是应变量子阱在激光器制做中的应用。另外，应变超晶格、量子阱为能带工程的发展提供了有利的条件。
第七节：能带工程 半导体光电子器件的发展和性能的提高与半导体材料的几何空间和能量空间(K空间)的设计和制备是分不开的，通常把这种设计称为“能带工程”。其基本内容大体上可分为带隙工程、带结构工程和带偏移工程。
第九章：II-VI族化合物半导体 II-VI族化合物半导体由II族元素Zn、Cd、Hg和VI族元素S、Se、Te组成的二元化合物及其多元化合物材料。II-VI族二元化合物的晶体结构分为两类，一类是闪锌矿结构，如ZnSe、HgSe、ZnTe、CdTe、HgTe等；另一类是除具有闪锌矿结构外还具有纤锌矿结构，即有两种晶体结构类型，这类II-VI族化合物包括ZnS、CdS、HgS、CdSe等。 与III-V族化合物半导体材料相比，II-VI族化物中离子键成分较大。II-VI族化合物的能带结构都是直接跃迁型。 第一节：II-VI族化合物单晶材料的制备 II-VI族化合物单晶的制备：生长方法有垂直布里奇曼法、升华法、移动加热法等。 1. 垂直布里奇曼法（高压熔融法） 首先将真空密封的石英管加热到800℃，恒温24h，以使Cd和Te进行反应生长CdTe。然后将生成的CdTe加热到1150℃使其熔化。再以1~5mm/h的速度将反应管降至低温区，从石英管底部开始进行单晶生长。也可以用已合成的II-VI族化合物的非晶材料或多晶材料进行单晶生长。此方法也可以制备ZnSe、CdSe、CdS等的单晶。 2. 升华法 升华法是利用II-VI族化合物固体在某一温度、压力下可以发生升华的现象，使升华的蒸气冷凝生成晶体。在1200℃时，CdS的饱和蒸气压为2.7×104 Pa，此时，CdS的挥发速度vCdS=3.73(g/cm2?s)，升华是相当快的。在CdS升华生长晶体中发现，生长温度不能过高，否则会发生CdS的离解。 炉体为双温区管式电阻炉。由于II-VI族化合物存在化学比偏离的问题，过剩组分及其他易挥发杂质会优先进入尾管，有利于消除引起组分偏离的因素，使晶体生长趋近满足CdSe蒸气压最小条件，获得较大生长速率。即用控制尾管温度的方法来抑制源升华时的分解，保证晶体生长并控制化学比偏离。 升华法也可以采用水平炉，生长方式与垂直炉类似。也已制备出CdS、ZnS、ZnTe、ZnSe等大尺寸晶体。 3. 移动加热法：分为移动溶液法和移动升华法 移动溶液法与前两种方法相比，除了具有生长温度较低的优点外，溶液材料还具有吸杂作用。移动升华法与溶液法相似，只是生长反应管中溶液区为真空，以便固相多晶料升华生长单晶。 II-VI族化合物的外延生长：III-V族化合物外延生长方法，几乎都可以用来生产II-VI族化合物薄膜。 1.LPE法：生长设备一般采用倾斜或水平滑动舟式外延炉，生长ZnS、ZnSe、 ZnTe、CdS、CdSe薄膜。LPE既可以进行II-VI族化合物的同质外延，也可以进行异质外延生长。 2. MOVPE法：用MOVPE法制备的ZnSe薄膜在纯度和晶体完整性上均优于普通气相外延法。生长速率高，生长温度低，使用的设备与III-V族一样。 3. MBE法：由于分子束外延生长主要是由反应动力学因素来控制，不需要在热平衡条件下进行生长。因此，在制备II-VI族化合物时可以抑制其自补偿效应，使薄膜材料具有较好的电学性能。MBE法生长II-VI族材料经质谱仪分析没有Cu和其他电活性金属掺入外延层。用MBE法可制备ZnTe、ZnSe、ZnS等薄膜材料。 4.
热壁外延(HWE)法：设备简单、造价低、节省源材料。这种方法生长的外延层中含有较低的杂质和缺陷
第二节：II-VI族化合物的点缺陷与自补偿现象 1.两性半导体 晶体中点缺陷的存在会引起晶体化学计量比的偏离。在MV晶体中，若Xi、VM的浓度大，X的量就会大于M，材料的化学计量比发生正偏离；而当Mi、VX浓度大时，发生化学计量比的负偏离。 由于不同的点缺陷在晶体中所起的电学作用不同，正、负偏离会使材料形成不同的导电类型。在某些II-VI、III-V族化合物中，组分会随着与之平衡的蒸气压变化而变化，化学计量比从一种偏离变到另一种偏离，材料的导电类型也随之变化。这种由于组成变化而显示不同导电类型的半导体称为两性半导体。 对有些半导体材料，不仅可以通过掺杂来改变其电学性质，也可以通过改变气相的平衡分压来实现。 2.自补偿现象 晶体中存在电荷不同的杂质和晶格缺陷，它们之间发生补偿。掺入的杂质被由于杂质的掺入而形成的相反电荷类型的缺陷中心所补偿，这种现象称做自补偿现象。 只有一种导电类型的材料称为单性材料，CdTe为两性材料。 自补偿程度与化合物材料的禁带宽度Eg、空位的生成能EV及空位浓度[VM]有关；另外，化合物的化学键和元素的离子半径也会影响自补偿。可用化合物材料的禁带宽度Eg与空位的形成热焓ΔHV的比值Eg/ΔHV来判断自补偿的大小。当Eg/ΔHV≥1时，自补偿大，不易做成两性材料；而Eg/ΔHV<1(精确地说小于0.75)的材料可以做成两性材料。
第十章：氧化物半导体材料 第一节：氧化物半导体材料的制备 氧化物半导体材料的合成方法：1.含有氧气的气氛中进行金属高温氧化；2.从含有氧化物的化合物中用化学反应方法制备。氧化物材料的提纯一般物理提纯方法：悬浮区熔法、升华法、挥发性杂质的蒸发。这三种方法都不使用坩埚，从而避免了坩埚带来的污染。 氧化物薄膜材料的制备：反应溅射、真空蒸发法、阳极氧化法、等离子阳极反应、化学气相沉积法和溶胶-凝胶(Sol-gel)法。
第二节：氧化物半导体材料的电学性质 氧化物材料的禁带宽度一般都比较宽(Eg≈3eV)，属于绝缘体，通常称为陶瓷材料。但是通过掺杂或造成晶格缺陷可以在氧化物材料的禁带中形成附加能级，由此改变材料的电学性质。这一过程称做金属氧化物的半导化，即陶瓷的半导化。 氧化物半导体导电类型的形成机理：点缺陷浓度较大和化学计量比偏离。 原子价控制原理： 在氧化物MO中掺入与金属或氧不同化学价的原子时，这些杂质电离可以提供自由电子或自由空穴，使材料的电导率发生变化。这种用掺入不同原子价的原子来控制氧化物材料电导率的原理，称做原子价控制原理。 1. N型半导体的原子价控制 对N型氧化物半导体，用高价离子代替低价离子，会产生电子，材料电导率升高；用低价离子代替高价离子，会消耗自由电子，使材料电导率降低。 2. P型半导体的原子价控制 对P型氧化物半导体，用低价离子代替高价离子，会产生空穴，材料电导率增大；用高价离子代替低价离子，会消耗空穴，使材料电导率减小。 3. ABO3型氧化物的原子价控制 ABO3型氧化物中，A和B分别为正2价和正4价正离子。如果掺入不同化学价的正离子，不仅会使ABO3型氧化陶瓷实现半导化，而且会按照人们的要求改变其电导率，达到制做各种不同器件的目的。掺入的杂质取代哪种基质原子，一个重要的参数是原子半径。一般地说，掺入的杂质容易取代离子半径与之相近的离子。
第三节：氧化物半导体材料的应用 铁电陶瓷是指具有自发极化，且为外电场所转向的一类陶瓷。适合于制做体积小、容量大的低频电容器。大多数铁电陶瓷都具有一定的压电特性，即当晶体受到应力作用时表面上出现电荷。目前已得到广泛使用的铁电材料，主要是以BaTiO3为基本成分，具有钙钛矿型结构的多种氧化物固溶体陶瓷。 电子器件多材料的要求是希望在工作温区的ε大一些，ε随温度的变化小一些，即dε/dT曲线斜率小些，而且居里点Tc按需要适当变化。因此，人们试图从材料的成分、工艺等方面进行调整，使居里点移动，居里峰提高，居里区变宽。这种铁电体的改性主要利用它的三种效应： 18
(1) 移动效应。移动效应是指居里峰随组分的变化面作有规律的移动现象。起移动作用的物质很多，如Pb、Sr的钛酸盐。如果作为添加剂的氧化物和基质氧化物为无限互溶固溶体，且其中任意两组分都是铁电体，则固溶体的居里点是从一个物质的居里点按两组分的摩尔数线性移动到另一个物质的居里点。 (2) 重叠效应。观察各种固溶体系不同组分时的ε-T特性曲线，会发现在某一特定组分时，居里峰出现极大值。当两个转变点相互靠近时，不仅两峰值的高度本身有所提高，而且两峰之间的区段也有所提高，其提高情况尤如两峰曲线的相互叠加，故称为重叠效应。 (3) 展宽效应。展宽效应是指铁电陶瓷的ε与温度关系中的峰值扩展得尽可能地宽旷、平坦，不仅使居里峰压低，更有益的是使峰值两侧的肩部上举，使材料具有较小的温度系数和较大的ε值。
第十一章：半导体元器件 其他半导体材料包括：窄带隙半导体；稀磁半导体；纳米晶材料；非晶态半导体材料；有机半导体材料。 PN结及其单向导电性： 1.PN结的形成 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。 2.PN结的单向导电性 1）PN 结加正向电压（正向偏置）P接正N接负极：PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。 2）PN 结加反向电压（反向偏置）P接负N接正极：PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 PN结具有单向导电性 正偏：在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态。 反偏：加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态。 19
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