第五章 固溶体半导体 材料
李斌斌

5.1 固溶体的概念
5.2 SiGe固溶体 5.3 应用 Nhomakorabea

5.1 固溶体

凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解” 了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态 固体称为固溶体。
固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物 半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的 固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导 体。

SiGe合金是目前较为成熟的一种高温热电材料， 适用于制造由放射线同位素供热的温差发电器， 并已得到实际应用。
1977年旅行者号太空探测器首次采用SiGe合金作 为温差发电材料； 在此后美国NASA的空间计划中，SiGe差不多完 全取代PbTe材料。


其它内容

见教材
赝晶生长－－共度生长

临界厚度－－－应力没有释放
产生位错和形成表面起伏是释放SiGe失配应 力的两种方式。


当Ge组分较低时（ｘ＜０.２），通过产生位错 来释放失配引起的应力； 当Ge组分介于０.２～０.６之间时将会导致形成 台阶，诱导生成均匀的３Ｄ岛； 当Ge组分大于０.６时，遵循SK模式三维生长， 利于形成表面起伏来释放失配引起的应力。 可以用来生长高组分表面起伏的多量子阱



电学性质－－禁带宽度
Eg ( x) a bx cx
2 2
1.115 0.43x 0.0206 x (0 x 0.85)
Eg ( x) 2.01 1.27 x(0.85 x 1)
带隙和温度的关系
E
Si g
1.206 2.7310 T
4
4）根据各组元分布的规律性划分
① 无序固溶体： 各组元质点分布是随 机的、无规则的。 ② 有序固溶体： 各组元质点分布分别 按照各自的布拉维点 阵进行排列，整个固 溶体就是由各组元的 分点阵组成的复杂点 阵，称超点阵或超结 构。

在理论的指导下，通过对实践经验的积累总结， 提出了一些重要的影响因素：
1.6
3.9 ~ 4.8 1014 4.9 1014 14 5.3 10 14 5.4 ~ 6.110 6.3 1014
2.3 2.7
6.4 ~ 6.6 1014 7.0 1014
新型硅基太阳能电池

太阳能电池所利用的太阳光光谱,它在可见光部分的能量 不到50%。 要想提高电池的效率,把其光谱响应延伸到1.1 eV以下是 非常重要的，因为这包括了太阳光90%以上的能量。 SiGe 构成的薄膜合金材料通过控制Ge 含量能调制材料 的带隙，0.67～1.1 eV，从而可以大大扩展对红外谱域太 阳能光谱的吸收。 因此，SiGe 材料在太阳电池中的应用研究受到了重视,尤 其是非晶SiGe材料在a-Si/ a-SiGe 叠层太阳电池上的应用 已经非常成熟。

5.1.1 固溶体的基本性质

半导体的重要参数，如晶格常数和带隙等随组分 变化而发生连续变化。 因而可以通过对其组分的控制来调节材料的基本 性质 采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料，满 足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求


晶格常数－－Vegard定律
x A (1 x) B
② 有限固溶体

溶质只能以一定的溶 解限度（固溶度）溶 入溶剂中，低于固溶 度条件下生成的固溶 体是单相的，一旦溶 质超出这一限度即出 现第二相。
3）根据固溶体在相图中的位置划分
①
端部固溶体： 位于相图的端部，其 成分范围包括纯组元， 亦称初级固溶体
②
中间固溶体： 它位于相图中间，任 一组元的浓度 0~100%，亦称二次固 溶体


2）晶体结构类型

连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结 构（不是充分条件）

晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶 体（满足尺寸条件前提下）
3）电价因素

连续固溶体必要条件：原子价（或离子价） 相同；多组元复合取代总价数相等，电中 性。不是充分条件。
如果价态不同，则最多只能生成有限固溶 体（满足尺寸条件前提下）
Cu-Zn系 和 固溶 体

② 间隙型固溶体：填隙型

材料阳离子进入阴离 子所形成的间隙中并 不容易 阴离子填隙型 —— 更加困难 H、B、C、N等元素 形成的固溶体


2）按溶质在溶剂中的溶解度分类

① 连续固溶体

② 有限固溶体
① 连续固溶体

溶质和溶剂可以按任 意比例相互固溶所生 成的固溶体

载流子的迁移率主要取决于载流子的有效 质量和散射几率的大小
思考

如何改变有效质量？？

如何改变散射几率？？
5.4 SiGe固溶体的应用

新型硅基太阳能电池
热电材料

光的基本性质
光色 中心波长 (nm) 660 红 610 橙 570 黄 540 绿 480 青 460 兰 430 紫 中心频率(Hz) Eg（eV）
带隙
Eg a bx cx
2
5.1.2 固溶体的分类

按溶质质点在溶剂晶格中的位置来划分
按溶质在溶剂中的溶解度分类 根据固溶体在相图中的位置划分 根据各组元分布的规律性划分



1）按溶质质点在溶剂晶格中的位置
① 置换型固溶体
② 间隙型固溶体
① 置换型固溶体：取代型

MgO-CoO、MgOCaO、PbTiO3-PbZrO3、 Al2O3-Cr2O3
（1）质点尺寸因素
（2）晶体结构类型 （3）电价因素
1）质点尺寸因素－－决定性因 素

从晶体结构的稳定观 点来看，相互替代的 质点尺寸愈接近，则 固溶体愈稳定，其固 溶量将愈大。
r1 r2 r1
经验证明

当 <15%时，溶质和溶剂之间有可能形成 连续固溶体； 当 =15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以 形成有限固溶体； 当 >30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶 体，仅在高温下有少量固溶。



超级芯片OEIC

Si基光电子技术的最终目的是要在硅上集成各种电、光元 件，以制备出所谓的超级芯片； 即在同一快衬底上交织的制备出有源的光子器件和电子器 件，构成光电子集成电路（OEIC）

热电材料

SiGe合金具有较大的a值，x＝0.15时，达到极大值。
实际常用Si含量高的合金来得到较高的优值，Si 含量高有以下好处： 降低了晶格热导率； 增加了掺杂原子的固溶度； 使SiGe合金有较大的禁带宽度和较高的熔点，适 合于高温下工作； 比重小，抗氧化性好，适应于空间应用； 同时降低了造价。
Ge固有优势：载流子的迁移率比硅高 载流子迁移率是决定半导体器件性能的一 个重要参数


双极型晶体管

高的迁移率可以缩短载流子渡跃基区的时间，提 高工作的频率、速度和放大性能
场效应晶体管

高的迁移率可以增大器件的驱动能力，提 高工作的频率、速度和跨导。
载流子迁移率的影响因素
d
E q m*


电负性相近，有利于固溶体的生成

电负性差别大，倾向于生成化合物
5.2 SiGe固溶体

晶体结构
晶格常数
xSi (1 x)Ge
晶格失配率
a aSi aGe aSi L x 0.0418x aSi aSi
例子：

假设有一种半导体材料，晶格常数a＝ 0.5555 nm，如果以SiGe固溶体为衬底，请 问SiGe的最佳组分是多少？
本征载流子浓度
(2 m k T ) Nc 2 h
* n 0 3 32
T 1.58 2.86 10 ( ) 300
19
ni Nc NV exp(
2
Eg k0T
)
ni Nc NV exp(
2
Eg kBT
) exp(
Eg kBT
)
5.3 为什么研究SiGe

在微电子领域Si几乎有完全取代Ge的趋势