氮半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)寬禁帶半導(dǎo)體材料高電子遷移率課程概述課程目標(biāo)掌握氮半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論內(nèi)容安排十章內(nèi)容循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)要求第一章：氮半導(dǎo)體材料簡介定義含氮三五族化合物半導(dǎo)體發(fā)展歷史從理論研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域氮半導(dǎo)體材料的特性寬禁帶GaN3.4eV，AlN6.2eV高飽和電子速率達(dá)2.5×10^7cm/s高擊穿電場氮化鎵（GaN）結(jié)構(gòu)特征六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)c軸晶格常數(shù)：5.186?電學(xué)性質(zhì)禁帶寬度：3.4eV電子遷移率：≤2000cm2/V·s光學(xué)性質(zhì)直接帶隙發(fā)光波長：紫外-藍(lán)光區(qū)氮化鋁（AlN）1234結(jié)構(gòu)特征六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)小于GaN電學(xué)性質(zhì)禁帶寬度：6.2eV絕緣性好光學(xué)性質(zhì)直接帶隙深紫外發(fā)光熱學(xué)性質(zhì)高熱導(dǎo)率低熱膨脹系數(shù)氮化銦（InN）結(jié)構(gòu)特征六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)大于GaN電學(xué)性質(zhì)禁帶寬度：0.7eV高電子遷移率光學(xué)性質(zhì)直接帶隙紅外區(qū)發(fā)光三元化合物半導(dǎo)體1AlGaN禁帶寬度可調(diào)：3.4-6.2eV2InGaN發(fā)光波長可調(diào)：紫外至紅外3AlInN可與GaN晶格匹配第二章：氮半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)1六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，非中心對稱2立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)，中心對稱3多型結(jié)構(gòu)同一物質(zhì)不同晶型共存六方晶系結(jié)構(gòu)a晶格常數(shù)：3.189?c晶格常數(shù)：5.186?Ga-N鍵長：1.94?立方晶系結(jié)構(gòu)1晶格常數(shù)a=4.52?2原子排列四面體配位3面指數(shù)(001)、(110)、(111)4生長條件特殊襯底、低溫缺陷類型點(diǎn)缺陷空位、間隙原子、雜質(zhì)線缺陷位錯(cuò)、螺位錯(cuò)、混合位錯(cuò)面缺陷堆垛層錯(cuò)、晶界、異相界面應(yīng)力和應(yīng)變3.4%GaN/AlN失配度晶格常數(shù)差異導(dǎo)致11%GaN/InN失配度引起高密度缺陷17%GaN/Si失配度異質(zhì)外延主要挑戰(zhàn)第三章：氮半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)能帶理論基礎(chǔ)布洛赫函數(shù)k·p理論直接帶隙動(dòng)量守恒高光電轉(zhuǎn)換效率能帶計(jì)算方法緊束縛近似密度泛函理論GaN的能帶結(jié)構(gòu)禁帶寬度3.4eV（室溫）隨溫度變化：-6×10??eV/K有效質(zhì)量電子：0.20m?重空穴：1.4m?能谷Γ點(diǎn)導(dǎo)帶底L、M衛(wèi)星谷AlN的能帶結(jié)構(gòu)禁帶寬度6.2eV（室溫）1有效質(zhì)量電子：0.31m?2能谷Γ點(diǎn)導(dǎo)帶底3價(jià)帶分裂強(qiáng)自旋-軌道耦合4InN的能帶結(jié)構(gòu)禁帶寬度0.7eV（室溫）有效質(zhì)量電子：0.07m?能谷Γ點(diǎn)導(dǎo)帶底三元化合物的能帶彎曲效應(yīng)In/Al含量InGaN禁帶寬度AlGaN禁帶寬度第四章：氮半導(dǎo)體材料的載流子輸運(yùn)漂移在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散濃度梯度驅(qū)動(dòng)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)復(fù)合電子-空穴對消滅電子遷移率2000體GaN（cm2/V·s）室溫下理論極限1500異質(zhì)結(jié)構(gòu)（cm2/V·s）二維電子氣200實(shí)際器件（cm2/V·s）受散射機(jī)制限制空穴遷移率散射機(jī)制1聲子散射高溫下占主導(dǎo)2雜質(zhì)散射低溫下顯著3合金散射三元、四元化合物中4位錯(cuò)散射高缺陷密度材料高電場效應(yīng)速度飽和約2.5×10?cm/s熱電子效應(yīng)非平衡能量分布雪崩擊穿約3.3MV/cm區(qū)間轉(zhuǎn)移Γ到L能谷躍遷第五章：氮半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)吸收帶邊吸收激子吸收發(fā)射自發(fā)輻射受激輻射折射正常色散異常色散吸收系數(shù)光子能量(eV)GaN吸收系數(shù)(10?cm?1)InGaN吸收系數(shù)(10?cm?1)發(fā)光機(jī)制帶間躍遷導(dǎo)帶→價(jià)帶直接復(fù)合激子復(fù)合電子-空穴對束縛態(tài)缺陷相關(guān)發(fā)光深淺能級參與量子阱發(fā)光異質(zhì)結(jié)構(gòu)能級躍遷折射率材料折射率（可見光）色散關(guān)系GaN2.3-2.5Sellmeier方程AlN2.1-2.2Cauchy方程InN2.8-3.0Sellmeier方程AlGaN2.1-2.5組分相關(guān)InGaN2.3-3.0組分相關(guān)極化效應(yīng)0.029GaN自發(fā)極化（C/m2）非中心對稱結(jié)構(gòu)0.081AlN自發(fā)極化（C/m2）離子性更強(qiáng)1.8GaN壓電常數(shù)（C/m2）應(yīng)變誘導(dǎo)極化第六章：氮半導(dǎo)體材料的生長技術(shù)體材料生長氨熱法、高壓法薄膜外延MOCVD、MBE、HVPE納米結(jié)構(gòu)生長自組織、選擇區(qū)域金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）1反應(yīng)前驅(qū)體TMGa、TMAl、TMIn、NH?2反應(yīng)溫度1000-1100℃3反應(yīng)壓力10-100Torr4優(yōu)勢高生長速率、批量生產(chǎn)分子束外延（MBE）反應(yīng)源固態(tài)Ga、Al、In，等離子N生長溫度600-800℃真空度10?1?Torr超高真空優(yōu)勢原子級界面、實(shí)時(shí)監(jiān)測氫化物氣相外延（HVPE）反應(yīng)前驅(qū)體GaCl、AlCl?、NH?HCl氣體與金屬Ga反應(yīng)工藝參數(shù)溫度：950-1050℃壓力：常壓特點(diǎn)與應(yīng)用高生長速率（>100μm/h）用于制備厚GaN模板氨熱法原理超臨界NH?溶劑溫度梯度引起溶解-結(jié)晶工藝參數(shù)壓力：>100MPa溫度：400-600℃特點(diǎn)低位錯(cuò)密度大尺寸晶體可能性生長缺陷控制位錯(cuò)外延側(cè)向生長（ELO）堆垛層錯(cuò)應(yīng)變工程、緩沖層優(yōu)化反相疇襯底表面處理、極性控制表面形貌生長動(dòng)力學(xué)控制、V/III比優(yōu)化第七章：氮半導(dǎo)體材料的摻雜技術(shù)n型摻雜提供自由電子p型摻雜提供自由空穴雜質(zhì)離化熱激活過程補(bǔ)償效應(yīng)n型和p型雜質(zhì)共存n型摻雜常用摻雜元素Si（最常用）Ge、O（少用）摻雜機(jī)理Si替代Ga位施主能級：~20meV摻雜效率幾乎100%離化濃度上限：~102?cm?3p型摻雜Mg濃度(101?cm?3)空穴濃度(101?cm?3)補(bǔ)償效應(yīng)本征點(diǎn)缺陷氮空位：n型自補(bǔ)償1雜質(zhì)復(fù)合體Mg-H復(fù)合體：p型鈍化2深能級缺陷碳雜質(zhì)：補(bǔ)償中心3控制方法生長條件優(yōu)化、退火4摻雜激活熱處理700-800℃氮?dú)夥諊x子注入選擇性區(qū)域摻雜激光退火快速局部熱處理第八章：氮半導(dǎo)體材料的表征技術(shù)結(jié)構(gòu)表征XRD、TEM、AFM電學(xué)表征霍爾效應(yīng)、CV、DLTS光學(xué)表征PL、拉曼、橢偏X射線衍射（XRD）原理布拉格定律晶面間距與衍射角關(guān)系應(yīng)用晶格常數(shù)測定異質(zhì)結(jié)構(gòu)組分分析數(shù)據(jù)分析搖擺曲線半高寬互易空間圖譜透射電子顯微鏡（TEM）原理電子透過樣品衍射成像分辨率可達(dá)亞納米級應(yīng)用缺陷觀察與分析界面結(jié)構(gòu)表征樣品制備機(jī)械減薄離子減薄原子力顯微鏡（AFM）原理探針-樣品表面相互作用應(yīng)用表面形貌分析測量模式接觸模式、輕敲模式數(shù)據(jù)分析粗糙度、臺(tái)階高度霍爾效應(yīng)測量光致發(fā)光（PL）原理激發(fā)光→吸收→輻射躍遷應(yīng)用帶隙測定、缺陷分析測量條件激發(fā)光源、溫度控制光譜分析峰位、半高寬、強(qiáng)度拉曼散射聲子模式GaN(cm?1)AlN(cm?1)InN(cm?1)E?(low)14424887E?(high)568657488A?(TO)531610447A?(LO)734890586E?(TO)559670476E?(LO)741912593第九章：氮半導(dǎo)體材料的器件應(yīng)用光電子器件LED、LD、光電探測器電子器件HEMT、功率MOSFET傳感器壓力、溫度、氣體發(fā)光二極管（LED）結(jié)構(gòu)p-GaN/InGaNMQW/n-GaN工作原理電子-空穴復(fù)合發(fā)光性能指標(biāo)光效>200lm/W應(yīng)用照明、顯示、通信激光二極管（LD）結(jié)構(gòu)邊發(fā)射、VCSEL結(jié)構(gòu)工作原理受激輻射、光放大性能指標(biāo)閾值電流、輸出功率光電探測器MSM型平面型、快速響應(yīng)PIN型高量子效率雪崩型內(nèi)部增益高高電子遷移率晶體管（HEMT）1結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)2二維電子氣極化效應(yīng)導(dǎo)致高濃度3性能指標(biāo)功率密度>10W/mm4應(yīng)用射頻功率放大、雷達(dá)功率電子器件1200V擊穿電壓高壓應(yīng)用100A電流容量大功率應(yīng)用1MHz開關(guān)頻率高效率電源第十章：氮半導(dǎo)體材料的未來發(fā)展新型結(jié)構(gòu)突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)限制材料改性提升性能、降低成本制備工藝提高生產(chǎn)效率納米結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)尺寸量子效應(yīng)納米線一維量子限制二維材料單原子層厚度新型襯底新型摻雜技術(shù)1共摻雜Si+Mg降低補(bǔ)償2調(diào)制摻雜提高載流子遷移率3選擇性區(qū)域摻雜器件性能優(yōu)化4激活技術(shù)改進(jìn)提高摻雜效率異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變工程調(diào)控載流子遷移率極化工程控制界面電荷密度帶隙工程發(fā)光波長精確調(diào)控氮半導(dǎo)體材料在