国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班 - 中国科学院物理 ...
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国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
宽禁带半导体<br />
张国义<br />
北京大学 物理学院<br />
人工微结构和介观物理<br />
国家重点实验室<br />
北京大学宽禁带半导体研究中心
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
参考书<br />
• Properties of Group III Nitrides, Edited by James H.<br />
Edgar, EMIS Datareviews Series No.11, 1988<br />
• Gallium Nitride (GaN), (I and II) Semiconductors<br />
and Semimetals Vol. 56, 57,1999, Academic Press<br />
• The blue Laser Diode, GaN Based Light Emitters<br />
and Lasers, Shuji Nakamura, Pringer-Verlag Berlin<br />
Heidelberg New York, 1997<br />
• Organometallic Vapor-Phase Epitaxy, Theory and<br />
Practice, Gerald B. Stringfellow, (second edition),<br />
Academic Press, 1999
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
http://nsr.mij.mrs.org<br />
Features<br />
Reference Database, 4388 items.<br />
MIJ-NSR WebLog, (updated Thursday, December 4, 2003)<br />
Nitride Calendar, (updated Monday, December 6, 2004)<br />
Nitride People<br />
Nitride Links , 63 items.
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表<br />
的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓<br />
(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称<br />
为第二代半导体材料,而把氮化镓(GaN) 、碳化硅<br />
(SiC)、氧化锌(ZnO)为代表的半导体材料称为第<br />
三代半导体材料.由于这些材料的禁带宽度较Si、<br />
GaAs等材料更宽,因而它们一般具有更高的击穿电场<br />
、热导率、电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而<br />
更适合于制作高温、高频及大功率器件, 故称这类材<br />
料为宽禁带半导体材料(WBG)(通常指禁带宽度大<br />
于 2 . 2电子伏特的半导体材料),也称高温半导体材<br />
料。
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内容提要<br />
• 一、宽禁带半导体<br />
• 二、氮化物半导体的用途<br />
• 三、主要发展趋势
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数理学部实验物理讲习班<br />
一、宽禁带半导体
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数理学部实验物理讲习班
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InN-GaN-AlN system covers a wide range of spectrum<br />
Band gap energy (eV)<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
AlN<br />
GaN<br />
ZnO<br />
InN<br />
ZnS<br />
AlP<br />
GaP<br />
Direct band gap<br />
Indirect band gap<br />
MgS<br />
GaAs<br />
MgSe<br />
ZnSe<br />
AlAs<br />
InP<br />
CdTe<br />
1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0<br />
Bond length (Å)<br />
Group III-nitrides: covering the wavelength region from UV to IR
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ZnO<br />
第三代<br />
第一、二代
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High-Indium-Content InGaN/GaN Multiple-<br />
Quantum-Well Light-Emitting Diodes<br />
• High-indium-content InGaN/GaN MQW LED structures<br />
were epitaxially grown by MOVPE.<br />
• With 70% indium in the InGaN well layers, it was found<br />
that the photoluminescence (PL) full-width at half<br />
maximum (FWHM) is stronger than that in the case of<br />
low-indium-content InGaN/GaN MQW LED structures.<br />
• It was also found that the peak position of<br />
electroluminescence (EL) fabricated In0.7Ga0.3N/GaN<br />
LED depends strongly on injection current.<br />
• As injection current increased from 1 mA to 150 mA, it<br />
was found that the output color of the In0.7Ga0.3N/GaN<br />
LED changed from orange to yellow, to yellowish green,<br />
and finally to yellowish white
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InGaN-Based Single-Chip Multicolor<br />
Light-Emitting Diodes<br />
• A light-emitting diode (LED) driving technique to<br />
realize single-chip multicolor LEDs was proposed.<br />
• The technique utilizes one of the characteristics of<br />
InGaN-based visible LEDs, the current-induced<br />
spectral blueshift.<br />
• By applying pulsed current, which had two pulses of<br />
different amplitude in a cycle, to an InGaN singlequantum-well<br />
green LED, the light of two wavelengths<br />
corresponding to bluegreen and green was emitted<br />
from the same point, and the emission color of the<br />
LED was controlled continuously from bluegreen to<br />
green by adjusting only the pulse widths.
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数理学部实验物理讲习班
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二、氮化物的用途
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氮化物半导体的主要特点<br />
• GaN, AlN, InN 及其合金体系,全部为直<br />
接带隙,构成高亮度发光材料。<br />
• 易于生成多层异质结构,形成MQWs,<br />
SLS, 2DEG等结构,有利于器件结构设计。<br />
• 带隙范围覆盖了整个可见光到远紫外波<br />
段,特别是在短波长方面,目前是唯一<br />
最佳选择。<br />
• 结构稳定,耐腐蚀,长寿命
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氮化物半导体的主要用途<br />
• 高亮度紫外光、蓝光、绿光和白光光发射二极<br />
管(LED),包括红光和红外光LED<br />
• 近紫外(UV)光激光器(LD)<br />
• 可见光盲的UV-光传感器<br />
• 高温大功率场效应晶体管(FET)<br />
• 高温稀磁半导体、自旋电子学器件
Applications of group III-nitrides in<br />
optoelectronic/electronic, devices<br />
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LD: 400-410nm<br />
Nichia<br />
ΔE C<br />
~2eV<br />
LED-Generated indoor/outdoor lighting,<br />
LD-Underwater communications, High-resolution<br />
printings, High density data storage, Full-color film<br />
printers, Projection television<br />
Photodetector, Air pollution detection,<br />
Biomedical Uses, etc.<br />
High electron drift velocity, high<br />
breakdown voltage, high sheet<br />
carrier density without doping
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颜色与波长<br />
400 700<br />
波长nm<br />
λ=460nm=0.46μm; Eg=1.24/0.46=2.7eV; X=2.1eV
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GaN-based LED<br />
•蓝光: 470-480nm<br />
•绿光:525nm<br />
•白光:465nm<br />
•UV: 250-400nm
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• D65 日光点互补二色光合成<br />
• RGB三色光合成<br />
• UV-LED + 无机荧光粉<br />
LED白色光源<br />
• B-LED + YAG无机荧光粉<br />
• B-LED + 有机/聚合物<br />
• 直接发射宽谱白光LED<br />
• HP采用B-LED + YAG无机荧光粉的方法,研制的白光LED灯<br />
在CIE1931 色度坐标标称值为: x = 0.31, y = 0.32;这代<br />
表了约6500K色温;15度视角等为2000 mcd,30度视角为800<br />
mcd。目前定价为0.9美元/个<br />
• 日亚B-LED + YAG无机荧光粉推出的白光LED为2000 mcd,<br />
标准5mm封装
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GaN-based LD<br />
•波长: 405nm
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Applications of GaN-based LD in high-density data storage
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不同光源DVD容量比较
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electronic devices Application<br />
• High-power,<br />
• high-temperature and<br />
• high-frequency electronic devices
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Physical Properties of Typical Semiconductors for<br />
High Power Electronic Devices<br />
Material<br />
E g<br />
(eV)<br />
n i<br />
(cm -3 )<br />
Si 1.10 1.5×10 1<br />
GaAs 1.40 1.8×10<br />
0<br />
ε r<br />
11.<br />
8<br />
6 12.<br />
8<br />
μn (cm2 /<br />
Vs)<br />
Ec (106V/c m)<br />
vsat (107 1350 0.3<br />
cm<br />
/s)<br />
1.0<br />
W/c<br />
m・<br />
K<br />
1.5<br />
Dire<br />
ct<br />
Indirec<br />
t<br />
I<br />
8500 0.4 2.0 0.5 D<br />
GaN 3.39 1.9×10 -<br />
10 9.0 1200 3.3 2.5 2.1 D<br />
4H-<br />
SiC<br />
6H-<br />
SiC<br />
3.26 8.2×10 -<br />
9<br />
10.<br />
0<br />
720 2.0 2.0 4.5 I<br />
3.00 2.3×10 -<br />
6 9.7 370 2.4 2.0 4.5 I
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GaN-based UV-detectors<br />
•波长:可见光盲320nm
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High-performance AlGaN-based solar-blind ultraviolet p– i– n<br />
detectors on laterally epitaxially overgrown GaN
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UV-detector<br />
导弹监测系统<br />
UV-detector<br />
导弹跟踪系统
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GaN-based DMS<br />
•Curie temperature:<br />
•higher then room temperature
磁性材料分类<br />
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顺磁材料: B’与B0 同向,B>B0 ,μr >1<br />
抗磁材料: B’与B0 反向,BB0 ,μr >>1<br />
软磁材料:矫顽力小,易充、退磁,适宜制成高频器件,如电<br />
机、变压器、继电器等的铁芯;<br />
硬磁材料:矫顽力大,剩磁也大,适于制成永久磁铁,如电磁<br />
仪表、扬声器等的永久磁铁;<br />
矩磁材料:剩磁值接近饱和值,适合制成“记忆”元件,如计算<br />
机的储存元件。
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.<br />
Ferromagnetic, diluted magnetic and non-magnetic
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稀磁半导体铁磁的机制<br />
• Mean-field approximation theory<br />
Two assumption:<br />
1) Carrier-induced ferromagnetism<br />
2) Long range spin-spin coupling<br />
• Kinetic-exchange model via Monte Carlo<br />
simulations<br />
• Local density functional calculation
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简单介绍:<br />
简单地说,DMS就是在半导体材料<br />
中低掺杂磁性物质。使半导体的电学<br />
和磁学性质发生变化,而变化的原因<br />
是其电子结构在掺杂后发生变化。左<br />
图为金属正常态和铁磁态电子态密度<br />
示意图(Sience 282,1660(1998))<br />
可见,铁磁态物质中的电子会发生自<br />
旋极化,而在宏观上可观察到的效应<br />
有磁滞回线,反常Hall效应,负磁阻<br />
效应等。
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前面提到的平均场理论,认为<br />
Mn确实替代了Ga,磁性耦合<br />
是通过空穴传递的。左图为<br />
T.Dietl的结果<br />
(Science,287,1019(2000))<br />
但实验上也得到了N-type铁<br />
磁态的GaN, Tc能达到320k,<br />
这说明平均场理论所考虑的<br />
相互作用存在问题。<br />
A.P.L 79,1312(2001)<br />
A.P.L 80,3964(2002)<br />
平均场理论:
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该理论认为Mn并没有替代<br />
Ga,而是在生长过程中一些<br />
具有铁磁性的物质形成小团<br />
簇,该理论能说明Tc 大的变<br />
化范围,但在实验上从结构<br />
上分析并探测不到这些小团<br />
簇的存在。<br />
(P.R.L 89 185504(2002))<br />
团簇理论:
平均场模型<br />
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局域磁矩和电子的自旋相互作用,形成局域磁畴,显示出故<br />
有的铁磁性<br />
S.J. Pearton et al Materials Science and Engineering R 40 (2003) 137–168
Mean-field approximation theory<br />
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2<br />
NX 0 eff SS ( + 1) β AP F S ( TC)<br />
c = [ ] − AF<br />
12K<br />
B<br />
T T<br />
N O X eff 为effective spin concentration、S 为 localized spin state、β<br />
为p-d exchange integral、A F 为 Fermi liquid parameter、P S 为the<br />
total density of states、k B 为the Boltzmann’s constant,T AF is
Theoretical calculation of Tc for materials<br />
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T. Dietl, et al., Science 287,1019 (2000)<br />
S. J. Pearton,J. Appl. Phys., 93, 1, 2003
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Applications
Polarized light LED by Spin electron injection<br />
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H. Ohno et al., Nature 402,<br />
790 (1999).<br />
Polarized light LED by single<br />
Spin electron injection was<br />
reported in Nature by H. Ohno<br />
etc in 1999. The results show:<br />
•Spin coherence length : GaAs<br />
spacer layer thickness is<br />
200nm,polarization is not<br />
depend on the thickness nd<br />
current density.<br />
•The two kind of polarized state<br />
can be clear testing at low Tc and<br />
zero magnetic field, that shows<br />
the spin electron injection.
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LED白色光源<br />
•RGB三色光合成<br />
• UV-LED + RGB荧光粉<br />
•B-LED + YAG无机荧光粉<br />
•B-LED + 有机/聚合物<br />
• 直接发射宽谱白光LED
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21世纪的主导产业<br />
• 国际公认21世纪是光电子与微电子紧密结合<br />
发挥作用的时代,信息光电子产业将成为21世<br />
纪的明星产业和支柱产业。<br />
• 日本工业调查会总经理志村幸雄指出,21世<br />
纪具有代表意义的主导产业:一是光电子产<br />
业、二是信息通信产业,三是健康和福利产<br />
业,四是环境和新能源产业。
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第三代太阳能电池<br />
• 禁带宽度覆盖了全太阳能光谱<br />
• 转换效率最高的全太阳能光谱电池材料<br />
• 从能力转换上是最理想的,结构和价格<br />
上有待研究和发展
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氮化物半导体技术<br />
半导体照明光源的基石
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Nitride<br />
Semiconductor<br />
Solid Star
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氮化物半导体技术<br />
第三代半导体技术
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三、发展趋势
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氮化物研究的主要课题<br />
• 物理问题的研究--原理机制的创新<br />
• 新的生长技术和机理的研究--方法创新<br />
•GaN衬底材料--材料功能创新<br />
• 短波长激光器<br />
• 高温大功率电子器件<br />
• 紫外光LED和探测器<br />
• 稀磁半导体和自旋电子学<br />
• 相关技术、材料领域的研究
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波长为400nm时,外部量子效率最高<br />
由日亚化学工业、美国Cree公司和NECD等公司推动的“21世纪照明<br />
工程”的GaN类LED外部量子效率比较。在400nm附近,外部量子效<br />
率达到最大值。如果波长超过400nm,外部量子效率就会缓慢降低。<br />
如果小于400nm,外部量子效率则会急剧降低
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氧化条形结构<br />
限制P型电极面积的大小<br />
来改善电流的注入<br />
侧向电流和光限制均较差<br />
光损耗大,激光器效率低<br />
属于增益导引机制。
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腔镜面制备的困难<br />
GaN与蓝宝石<br />
解理面错开<br />
30度
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激光剥离,自然解理镜面<br />
GaN Ga<br />
⇒<br />
加热<br />
小于5nm<br />
+<br />
N<br />
2<br />
↑