纤锌矿氮化物结构参数
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纤锌矿氮化物结构参数
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三元/四元合金氮化物晶格常数
•纤锌矿结构GaN, AlN, InN三种化合物可以按照不同比例形 成固溶体，晶格结构不变，晶格参数按比例而不同： AlxInyGa1-x-yN（0<x+y<1）
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红光/黄光/绿光发光材料
• AlGaAs materials system • 0.5-2.5eV • Red, yellow, green, infrared
• AlGaInP materials system • 1.4-2.5eV • Red, yellow, green, infrared 19
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620nm, 2eV
diamond
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不同材料LED对应的波长范围
620nm, 2eV
• • • • • •
红光及红外：InGaAlP, AlGaAs, GaAs, InP 橙色：AlGaAs, InGaAlP，（InGaN） 黄色：GaP，InGaAlP, InGaN 绿色：AlP，InGaN 蓝色：InGaN 紫色：InGaN
2.1.1概述 宽禁带半导体发光材料分类
III-V(direct):AlN,GaN, InN,AlGaN,InGaN,BN(间接) II-VI(direct): • ZnO(3.3eV),CdO(2.3eV), MgO(7.9eV),BeO(10.6eV), ZnCdO(2.3-3.3),ZnMgO(3.37.9),ZnBeO(3.3-10.6) • ZnS(3.77eV),CdS(2.5eV), ZnSe(2.7eV),CdSe(1.74eV), ZnTe(2.26eV),CdTe(1.45eV)
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六方晶系的两种指数
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常见晶体结构
简单立方
体心立方
面心立方
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常见晶体结构
金刚石结构 元素半导体
闪锌矿结构 化合物
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常见晶体结构
GaN,
ZnO
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氯化钠型结构
纤锌矿型结构
不同晶体结构中共价键/离子键比例
• Pauling定义电离度： fi C 2 / E g2 2 2 Eg Eh C2
2 Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S.Properties of advanced semiconductor materials GaN, 27 AlN, InN, BN, SiC, SiGe, New York; John Wiley and Sons, Inc.,2001:1-30.
共价键
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布里渊区
• 倒空间/倒格子：晶体X射线衍射、晶格振动、晶体电子理论 中，晶格结构用倒格子描述有利于分析问题简化 • 与正空间（对应的晶格成为正格子）X, Y. Z轴对应的倒空间 （对应的晶格成为倒格子）坐标轴是kx, ky, kz。倒格子是与 正空间相联系的傅里叶空间中的晶格 • 倒空间中，确定原点和 倒格子初基矢量后做所 有倒格矢量的垂直平分 面，这些平面所包围的 将原点包含在内的最小 区域就是第一布里渊区
Байду номын сангаас
氮化物半导体主要特点
• GaN, AlN, InN 及其三元/四元合 金体系，均为直接带隙，辐射复 合效率高，适用于发光材料及发 光器件 • 二元 / 三元 / 四元化合物之间形成 多层异质结构，如： MQWs 和 2DEG 等，进一步提高辐射复合效率， 以及提高电子迁移率 • 带隙范围覆盖整个可见光到远紫 外波段，特别是在短波长方面， 目前是唯一最佳选择 • 结构稳定，耐腐蚀，长寿命（与 ZnO ， ZnSe ， SiC 发光器件比较而 言）
Eg ：成键态与反成键态之
NaCl 结构 纤锌矿 闪锌矿，金刚石
纤锌矿
间的能量间隙
Eh：共价结合成分的贡献 C：离子结合成分的贡献
• NaCl型位于fi=0.785 分界线以上 • 高的离子键比例易于 形成纤锌矿结构 • 低的离子键比例易于 形成闪锌矿和金刚石 结构
离 子 键
闪锌矿
• 参考P36，参考书wide bandgap semiconductors
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电学性质
• 高饱和电子漂移速度(比GaAs高1.5倍) • 高的击穿电场(比GaAs,InP高8倍) • 高热导率(比GaAs高3倍)
• •
很小的介电常数 适合于发展高温、高频、高功率电 子器件
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异质结阶跃及二维电子气（2DEG）
• 带隙差别大(InN 0.7eVAlN 6.2eV),界面能带不 连续性强 • 能带带阶大，强离子性 化合物，电子亲和能差 别大，界面巨大的导带 及价带偏移 • 异质结构界面导带产生 强量子局域化深势阱,形 成二维电子气2DEG
纤锌矿和闪锌矿GaN
• 晶体结构形成：主要由晶体的离子性决定 • 化合物半导体晶体中，原子间化学键既有共价键成分，也 有离子键成分 • 离子键成分越多晶体离子性越强，越容易形成纤锌矿结构 ，典型代表是GaN,ZnO,ZnS,CdS • 纤锌矿GaN：六角密堆积结构，P63mc空间群，密排面（0001 ），每个晶胞有12个原子，包括6个Ga原子和6个N原子 • 立方闪锌矿 GaN ：立方密堆积结构， F-43m 空间群，原子密 排面（111），每个晶胞8个原子，包括4个N原子和4个Ga原 子
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• • • • • •
红色：622-770nm 橙色：597-622nm 黄色：577-597nm 绿色：492-577nm 青色+蓝色：455-492nm 紫色：350-455nm
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可见光波段位置
声音
移动通信 （800-2KMHZ） Wi-Fi （2.4GHZ/5GHZ）
光通讯
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11 半导体材料对应的发光波长范围
3
半导体元素分布
4
半导体材料的发展
• 第一代半导体材料（ 40-50 年代）：以 Si 、 Ge 为代表。 1947 年，美国贝 尔实验室Bardeen和Brattain发明了Ge点接触晶体管，1948年Schockley 针对点接触晶体管不稳定特点，发明了面接触式晶体管，3人因此获得 了1956年诺贝尔物理学奖。1958年第一块锗集成电路研制成功，开辟了 半导体科学技术的新纪元，导致了电子工业革命。 • 第二代半导体材料（ 60-70 年代）：以 GaAs 为代表。尽管硅在微电子技 术应用方面取得巨大成功，但受制于带隙特点（间接，1.12eV，红外， ，可见光 1.6-2.8eV ），硅基发光器件进展十分缓慢。 20 世纪 60 年代发 展了液相外延及气相外延等方法，生长出高质量 GaAs 、 InP 等单晶，促 进了第二代半导体应用。人类进入光纤通讯、移动通信、高速宽带信息 网络时代。 • 第三代半导体材料（ 80-90 年代）：以 GaN 、 SiC 为代表的宽禁带材料。 20世纪90年代，GaN为代表，主要是异质外延及p型掺杂的突破，不仅在 高频、高速、微波大功率器件的国防应用领域，而且在全色显示和全固 态白光照明等商业应用领域，都发挥了不可替代的作用，并触发了人类 5 社会照明技术革命
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光学性质
• 带隙范围：0.7eV-6.2eV
• 全组份直接带隙，发光效 率高
• 光学窗口：1.77µm（对应
InN带隙）-0.2µm（对应 AlN带隙）
• III-N 材料是一种具有宽光 学窗口、耐高温、性能优 越的半导体光电子材料， 可用于研制发光器件、激 光器件、电力电子器件， 特别是短波紫外发光器件
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晶向指数和晶面指数
• 晶向指数：表征晶格中不同晶向，与晶向在各坐标轴上投 影比值相等的互质整数 • 晶面指数：与晶面法线方向在各坐标轴上投影比值相等的 互质整数 • 六方晶系：四轴坐标系，晶向指数与晶面指数均由4个数字 构成，分别记为[uvtw]和（hkil），两指数中前3个数字存 在u+v=-t，h+k=-i的关系，因此也常常省略掉第3个数字， 而表示为[uvw]和（hkl） • [11-20]晶向（-2表示投影在相应坐标轴X3轴的负方向）可 表示为[110]方向 • （1-100）晶面可表示为（1-10）面 • 注意晶面与晶向的区别：圆括号与方括号
人眼敏感区域
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几种白光方式
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CIE
• International commission on illumination (CIE) ，国际发光照明委 14 员会，颜色数字化
x, y 色品图
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常见半导体带隙/晶格常数/发光波长/晶体结构 发光半导体
斜体
E(eV)=1240/λ(nm)
620nm, 2eV Visible light region
-6 -1 -3
闪锌矿结构
[1]
a=0.3189 c=0.5185 3.39
[2]
a=0.452 3.2 0.13
0.20 2.3×10 4.6×10 2.67 εr=8.9 ε∞=5.35 аa=5.59 аc=3.17
18
1.2×10 4.1×10 2.5 5.3 --
18
-3
19
19
• 六方纤锌矿：沿c轴（0001）方向堆垛顺序ABABAB…（常用） 1 Leszcynski M, Grzegory I, Bockowski M. X-ray examination of GaN single crystals grown at high •立方闪锌矿：沿 [111] 方向堆垛顺序ABCABC…（热力学亚稳结构） hydrostatic pressure [J]. Journal of Crystal Growth, 1993,126(4):601-604.
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GaN能带图
•布里渊区内沿不同方向的简化能带 •在Γ点导带达到最低点，价带达到最高点，因此为直接带隙 •导带的第二低能谷为M-L谷，第三低能谷为A谷 •由于晶体对称性和自旋 -轨道相互作用，价带分裂为 3个能带，包括重空 穴带，轻空穴带和劈裂带