L9-硅锗和硅基光电材料讲义.pptVIP

SiGe合金是近年来兴起的新型半导体材料，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，光学探测已进入到1.3-1.55μm远红外波段。 Ge的晶格常数a=0.5658nm Si的晶格常数a=0.5431nm Ge与Si能够以任意比例互溶生长，所以在室温且Ge摩尔分数x不是很高的情况下，体SiGe合金的晶格常数随组分比x呈线性变化。 Ge与Si的晶格失配率4.2%，Si1-xGex合金与Si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质结结构。 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 应变SiGe薄膜的应用 在SiGe合金中, 电子迁移率几乎是纯Si的两倍(Ge中电子迁移率是3900cm2/V·s，Si中电子迁移率是1500cm2/V ·s，Ge 中空穴迁移率是1900cm2/V·s，Si 中空穴迁移率是475cm2/V·s)。而且由于应力引起能带结构的变化，使应变SiGe薄膜中电子和空穴载流子迁移率增大。 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3～5倍，用于高速设备。 Si-Ge在光电转换、热电转换、红外器件等领域，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。  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。 多量子阱 如果以各自不变的厚度将上述A、B两种薄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B/A/B/A…结构，且A层的厚度dA远小于B层厚度dB，则该结构称为多量子阱。 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不能穿透势垒层进入另一个势阱。 什么是超晶格? 半导体的超晶格结构与多量子阱结构有些相似，也是由A、B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。不同的是超晶格结构中相邻势垒层较薄。 组分超晶格：超晶格材料中的一个重复单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，用交替改变掺杂类型的方法构成的半导体超晶格 半导体超晶格、量子阱的能带结构特点 半导体超晶格、量子阱的能带结构取决于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，一般将组成材料的晶格常数失配度小于0.5%时的搭配称为晶格匹配，大于0.5%时则视为晶格失配。 应变超晶格 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，两种组成材料的晶格失配度高达7%，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格的弹性形变来调节，而不会在界面产生失配位错， Si/GeSi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。 β-FeSi2是少数半导体型金属硅化物之一，20世纪50年代，β-FeSi2作为耐高温的高热电转换效率材料而备受关注，具有半导体性质的β-FeSi2薄膜的研究始于20世纪80年代中期。近年来人们发现它还是一种很有应用前景的光电材料，并开始广泛研究基于β-FeSi2薄膜的微电子器件。 β—FeSi2的晶体结构 (2) β-FeSi2的物理性质 作为热电材料，β-FeSi2具有在200℃～900℃温度范围 内的高温热电转换功能，其还有抗氧化、无毒、来源丰 富、成本低廉等优点。 作为光电材料，β-FeSi2具有0.85eV～0.89eV的直接 带隙，对于红外波长有很高的吸收率，理论的光电转换效 率可达16％～23％，仅次于晶体硅，尤其是β-FeSi2所对 应的特征区正是硅的全透明区，它也是光纤通信中的最重 要波段，有利于同新型光电器件和光纤的结合。 β-F