期末复习-氮化物半导体器件-半导体物理

基础知识

1半导体的接触

是各种半导体器件的基础。同质、异质、金属、金属氧化物半导体接触。
同质半导体接触是指两个半导体材料的接触面都是同一种材料,例如p型硅与n型硅的接触,电子从n型半导体中向p型半导体流动,形成PN结构。
异质半导体接触是指两个不同种类的半导体材料的接触面,例如p型硅与n型锗的接触,由于两种半导体材料的能带结构不同,形成的结构与PN结不同,也称为异质结。
金属半导体接触:金属和半导体能带结构不同,必须在接触界面调整。金属的功函数决定了界面处的电势,可以是欧姆接触或肖特基接触。
金属-氧化物-半导体接触：指金属、氧化物和半导体之间的接触,金属与氧化物形成一个金属氧化物层,在半导体中形成一个势垒,这种接触也被称为MOS结。

2半导体中载流子的产生

半导体自身的原子或结构中固有的电子和空穴,它们可以在晶体中自由运动,构成电流。

1 电子运动状态的描述工具：薛定谔方程
2 晶体中电子的运动状态：能带
3 半导体中电子运动状态： 自由电子
4 有效质量的决定因素：能带结构
5 能带结构的决定因素:晶体结构、原子种类

1 半导体中电子(载流子)的运动状态？

半导体中载流子可以被近似地认为是经典粒子（自由电子或自由空穴）,满足牛顿力学规律只是粒子的质量需要由有效质量来替换。半导体中电子运动状态是自由电子。电子的有效质量在能带底为正值,在能带顶为负值

2 电子运动规律遵循量子力学的理论。

3 描述电子运动状态的工具是薛定谔方程。

薛定谔方程可以用来描述微观粒子（如电子）的运动状态和行为,可以用来计算电子在给定势场中的波函数,并由此得出电子在该势场中的能量和运动状态。

4 晶体中电子的运动状态是怎样的？

晶体中电子的运动状态是以能带的形式存在的。在能带理论中,晶体中的电子可以分为价带电子和导带电子。价带是最高能级的占据带,其中的电子受到晶格离子的束缚,在离开固体时需要克服结合能。导带则是位于价带上方的未占据带,其中的电子具有更高的能量,可以在外加电场的作用下参与导电过程。

5 晶体中电子运动状态的体现形式？

晶体中电子运动状态可以用能带结构来体现。

1 能带结构：是晶体中电子的能量谱值（E-K关系）。能带结构含的信息：导带底与价带顶的坐标,禁带宽度,带隙类型,有效质量。
导带是由自由电子形成的能量空间,是电子能量最高的带,电子能够自由运动产生电流。
价带是在0K时能被电子占满的最高能带。
允带是允许被电子占据的能带。
允带之间的范围是不允许电子占据的, 称为禁带。
空带是指一个能带中没有被占据的电子态。
满带指能带中所有的电子态都已被占据；根据泡利不相容原理,满带电子是不导电的。
半导体能带结构的特点是? 禁带宽度较窄。满带中总是有空穴,导带中总是有电子。

2 有效质量是指电子或空穴在晶格中的运动与自由电子的运动类似,但具有不同的质量,是描述晶体中载流子运动的一个重要参数。

3 载流子：载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒。半导体中的载流子有两种,即带负电的自由电子和带正电的自由空穴。

4 金属、半导体、绝缘体：金属是指具有良好导电性的物质,其导电性来源于自由电子的存在。金属的晶体结构通常是密排的,最常见的金属材料的晶体结构是体心立方、面心立方和密排六方三种。

半导体：半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。半导体的电导率介于金属和绝缘体之间,可以通过控制材料中的杂质或添加掺杂物的方式改变其导电性。在半导体中,载流子可以是电子或空穴。

绝缘体：绝缘体是一种电导率非常低的材料,几乎不传导电流。它们的禁带非常宽,电子不能轻易地被激发到导带中形成电流。在绝缘体中,载流子非常少,大部分材料中的电荷都被束缚在原子中。

1载流子与本征载流子？

载流子是指在半导体中能够传递电流的电荷,包括电子和空穴,它们可以通过导电或导热参与半导体的电学或热学性质。本征载流子指的是在无杂质且无晶格缺陷的纯净半导中由于热激发所产生的少量自由电子和空穴；在本征状态下,半导体内部的电子和空穴的总浓度相等,且不受外界影响。

2载流子浓度的能量分布函数？

是指不同能量水平上的载流子浓度,它描述了载流子在不同能级上的分布与密度。通过该函数,可以了解到载流子在不同能级上的分布情况,从而更好地研究半导体的电学性质。

3简并与非简并半导体？

简并半导体指在晶体中固有载流子能量相等的半导体。是掺杂浓度比较高、费米能级接近或进入导带和价带、适用于费米分布函数的半导体。典型的简并半导体材料包括Ge、GaAs等。非简并半导体与之相对应,是杂质浓度比较低,费米能级远离导带和价带,适用于玻尔兹曼分布函数的情况。典型的非简并半导体材料包括Si、GaN等。

4深、浅能级杂质

深能级杂质：位于半导体能带中禁带宽度近似于中心位置的能量。深能级杂质具有较高的激发能和精度,只有在高温及高能激发的条件下才能被激发成电子或空穴,并转变成自由载流子。
浅能级杂质：浅能级杂质位于价带或导带内的能级,其能级深度相对较浅,只需较低能量（例如可见光）就会释放电子或空穴,并转变成自由载流子。浅能级杂质容易被激发,具有高载流子浓度,可以提高半导体材料的电导率和电子迁移率,从而提高器件的效率。

5杂质补偿

是一种控制杂质的方法,包括选择和调整杂质类型和浓度以实现半导体的特定电学性质。当半导体中同时掺入施主和受主两种杂质时,施主能级上的电子要跃迁到受主能级上。对载流子来说,两者有互相抵消的作用,有效掺杂浓度等于两者之差,这种现象被称为杂质补偿。

6判断：当pn结外加正向偏压时,空间电荷区变窄,使得空间电荷区的电阻降低,所以出现正向的导通电流？
：（应改为当pn结外加正向偏压时,空间电荷区会变窄,电场强度加大。当电场强度达到一定值,使得空间电荷区内能量障碍压降到足以供电子跨越时,空间电荷区就会导通,从而产生擦通电流。当偏压继续增加,能量障碍继续压降,空间电荷区会完全消失,电子能够自由通行,这时会出现正向导通电流。）

7场效应晶体管FET

分为绝缘栅FET和结型栅FET,绝缘栅FET有MISFET、MIF-HFET、MOSFET、MOS-HFET。结型栅FET分为肖特基栅（MESFET、HFET）和PN结栅（JFET、J-HFET）

1 GaN 晶体为例说明晶体结构与布拉伐格子的关系。

答：晶体结构可以用布拉伐格子和基元来描述。GaN晶体的布拉伐格子是六角最密堆积结构（HCP),由一个面心六方（fcc）堆积的序列沿着z轴方向堆叠而成。GaN晶体的基元是一个含有两种原子的单元格,其中一个原子是氮原子,另一个是镓原子。
GaN的晶体结构名称为纤锌矿结构,由两套各自由Ga和N原子组成的六角密堆积结构沿c轴方向平移5/8c的距离后而构成。其中的六角密堆积结构是由两套六角格子套构而成。也就是说,将GaN晶体的基元按照布拉伐格子的周期性重复排列,就可以得到完整的GaN晶体结构.因此,GaN晶体的结构可以表示为HCP布拉伐格子 + Ga-N基元。

2说明元素半导体和化合物半导体的区别

,给出三代半导体各自的典型代表,并给出它们的空间晶格结构（布拉伐格子）和晶体结构的名称。并指出它们的主要应用领域。
区别：元素半导体由同种元素构成如硅、锗；化合物半导体由不同种元素构成如GaAs、InP。化合物半导体的价带和导带都比元素半导体宽,因此具有更好的导电性能。
三代半导体的典型代表及其晶体结构：
（1）第一代半导体：硅(Si)和锗(Ge),它们的布拉伐格子结构为面心立方(fcc),晶体结构为金刚石结构,其中每个原子周围都有四个近邻原子。Si和Ge被广泛应用在计算机芯片、电子器件等领域。
（2）第二代半导体：化合物半导体,如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。它们的布拉伐格子结构为面心立方(fcc),晶体结构为闪锌矿结构。GaAs和InP广泛用于高速电子器件、光电子器件、激光器等领域。
（3）第三代半导体：氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。它们的布拉伐格子结构为六角最密堆积结构(hcp),晶体结构为纤锌矿结构。GaN和SiC用于制造高功率电子器件、LED等。

3陈述宽禁带半导体器件具有高温工作特性的物理原因

宽禁带半导体器件例如GaN、SiC等因其独特的能带结构以及高韧性和高导热性能。原因主要有：1、禁带宽度大,因此能承受更高温度,有利于提高器件在高温环境下的工作能力。2、高电子饱和飘移速度:根据霍尔效应,电阻率随电子饱和漂移速度增加而降低。在宽禁带材料中,载流子的饱和漂移速度因晶格强度而增加,从而提高了电导率。这使得器件工作电压下降,减少能量损耗,提高器件效率和可靠性。3、较高的稳定性:宽禁带半导体材料的晶格结构比窄的更具稳定性,其较高的熔点和热导率使得器件在高温下能承受更高的温度。

4导电能力和载流子散射机制

导电能力依赖于载流子的浓度和移动度。载流子移动度又依赖于散射机制,载流子越少散射,其移动度就越大,导电能力也越强。

5费米能级是绝对零度下,能带中充满电子的最高能级

费米能级是系统的化学式。讨论的是不受外界势场影响的处于热平衡状态下的电子系统情况。
准费米能级是针对处在非热平衡状态的半导体(外加电场不为0),在半导体部分区域进行的近似后的结果。因为处于非平衡状态的半导体受到了外界的影响,这个时候费米能级这个概念已经没意义了。

6异质结

：由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料形成的晶体界面（过渡层）。
禁带宽度Eg是指一个带隙宽度(单位是电子伏特ev)。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴,就必须获得足够能量从价带跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。
功函数:表示氮化物半导体内电子从真空能级到费米能级的能量变化。反映了带电荷从材料内部排出到外部空气中的难易程度。能反映材料的表面电子性质。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱,功函数越大,电子越不容易离开金属。
电子亲和能:是指真空的自由电子能级与导带底能级之间的能量差。把导带底的电子移到半导体的体外所做的最小的功就是电子亲和能。描述添加单个电子到材料内部需要的能量。反映材料表面能吸附电子的能力。
激活能:反映了载流子在半导体中成为移动载流子的难易程度。指的是一个电子从能带底部到能带顶部所需的最小能量。
费米势:反映在绝对零度下电子平均能量。公式上等于本征费米能级与费米能级的差除以单位电荷电量,Φ=(Ei-EF)/q。n型半导体费米能级靠近导带底,所以n型半导体的费米势小于零。p型半导体的费米能级靠近价带顶,所以p型半导体的费米势大于零。

应用

1 GaN单晶衬底的制作方法及基本原理

GaN单晶衬底的制作方法主要有氢化物气相外延法(HVPE)、氨热法、助溶剂法、高压溶液法、水热法和熔盐法。
HVPE方法基于气态前驱物与高温反应器中的衬底发生反应。前驱物通常是金属卤化物和氨气（NH3）。在HVPE过程中,将氨气引入反应器,并通过加热至高温的衬底。同时,将金属卤化物前驱物引入反应器,使其与氨气发生反应,生成金属氮化物化合物。金属氮化物化合物沉积在衬底形成薄膜。重复该过程可以生长出较厚的膜用作衬底。

2氮化镓器件在能量变换领域及射频通讯领域中的器件结构及工作状态的异同性。

相同点：无论在能量变换领域还是射频通讯领域,GaN器件的结构均以高电子迁移率晶体管HEMT为主,包括GaN沟道层、AlGaN势垒层（与沟道层通过极化效应诱导产生高密度、高迁移率的2DEG）、与AlGaN形成欧姆接触的源漏极以及形成肖特基接触的栅极。
不同点：在能量变换领域,GaN器件主要用作功率开关,其工作状态对应器件输出特性曲线的线性区。该类型器件要求在关态下具有较低的漏电流,器件结构上侧重于提升耐压特性,例如构建场板或超结等结构。
在射频通讯领域,GaN基器件主要用作功率放大器,其工作状态对应器件输出特性曲线的饱和区,要求器件具有较大跨导。同时,因为射频器件工作于射频信号波段（包括微波、毫米波）,所以这要求器件具有较高的工作频率。因此,该类型器件的栅长较短,仅有几十纳米,同时势垒层较薄以避免短沟道效应,也会使用具有强自发极化的AlN或AlInN作为势垒层。

3请说明三族氮化物材料外延的主要方法和相应的材料生长原理；常见的氮化物材料表征手段及相应物理参量。

MOCVD金属有机物化学气相沉积系统、MBE分子束外延和HVPE氢化物气相外延。在MOCVD过程中,金属有机前驱体和氮源（通常为氨气）被分解,生成金属和氮的原子,然后在衬底表面上沉积形成氮化物薄膜。
MBE用高能束流中的分子或原子沉积在衬底上,材料的元素通过分子束蒸发源逐层外延生长,通过控制衬底温度和束流强度,可实现原子级别的控制和高质量的外延薄膜生长。HVPE是在高温条件下使用气相反应沉积氮化物的方法,气相中的氮化物前驱体与衬底表面上的固体或液体反应,生成薄膜。
氮化物材料表征手段：XRD用于确定材料的晶体结构、晶格常数和应变等；SEM用于观察材料表面形貌和薄膜的厚度；AFM用于表面形貌的原子级别表征和薄膜的厚度测量。TEM用于观察材料的晶体结构、界面特性和缺陷结构。PL通过激发材料并测量其发射光谱,用于研究材料的能带结构和光学性质。拉曼衍射用于分析材料的晶格振动和材料结构的非晶态特征。霍尔可用于测量薄膜电阻或载流子浓度以及迁移率。

4. 简要说明 PL 表征的工作原理,以及在三族氮化物半导体中三个以上的主要应用。

光致发光利用外加光激发电子跃迁,电子从价带跃迁至导带后复合正空穴时发出光子。主要应用：有少数载流子寿命的测定、禁带宽度间接测量、半导体中杂质识别和浓度测定、异质结界面带阶测量、N型重掺杂外延层的鉴定、测量GaN的带隙和缺陷态 、材料组分测定。

5. 请说明三族氮化物半导体三个以上的传感器件应用。

GaN紫外线传感器:GaN带隙大,可以吸收紫外线, GaN二极管或HEMT在紫外线照射下会产生光生载流子,导致电流或电压的变化。可用于火警监测、空气净化等。
GaN气体传感器:GaN表面会吸附周围的气体原子或分子,导致带隙和电导率发生变化,可监测气体浓度和种类。可用于汽车尾气监测、工业过程控制等。
AlGaN/GaN ISFET pH传感器。不同pH值溶液中的氢离子浓度不同,电解液与绝缘层界面的电势随电解液中氢离子浓度的变化而变化,这相当于改变了ISFET器件的栅压,影响器件沟道电流的大小,所以器件转移特性曲线上的参比电压会发生相应的改变。通过检测转移特性曲线上参比电压的变化,就可以得到待测溶液的pH值。可应用于化学分析、工厂废水检测等。
GaN生物传感器：生物敏感元件识别目标物质包括抗体、酶、核酸等。通过化学修饰或将待检测液直接滴加在材料栅极表面,改变半导体沟道的表面电位使沟道电导发生变化,导致2DEG浓度发生变化,通过检测源极漏极间的电流变化收集检测信号。可应用于微生物检测、药物筛选等。

6. 请说出三种以上的光伏型氮化物光电探测器以及相应工作原理。

APD雪崩光电探测器：利用氮化物的本征雪崩效应。光子吸收激发高能电子,它跃迁导致次级雪崩,放出大量载流子。强的内置电场使载流子迅速分离,产生光电流。 PMT光电倍增管,属于灵敏度极高\响应速度非常快的单点光探测器。原理:通过把入射的光子转化成电子,在电子倍增电场作用下进行倍增放大,最后放大后的电子通过阳极收集后输出。通过AD转换器,信号可以通过示波器直接显示。
GaN P-i-N结构光电探测器：:包含P型层、非掺杂I层和N型层。工作原理是光子吸收产生电子空穴对,在电场作用下分离并漂移到电极,形成光电流。 异质结场效应晶体管：利用异质结界面处的高电导率2-DEG来实现高增益与高响应度。
`GaN MSM结构光电探测器:金属-半导体-金属结构。光子吸收产生热电子,若其能量大于金属的功函数,可以注入金属而产生光电流。

7. 掺Sc氮化物的应用及相应工作原理。

在压电体器件如体薄膜滤波器、超声换能器及扬声器中,钪掺杂能提高氮化物半导体的压电系数,降低结构硬度,因此材料具有良好的电机耦合度,使钪掺杂氮化物半导体器件的频率、带宽、振幅增加。
在传感器领域如热释电探测器及人工突触中,钪掺杂氮化物半导体能增加热电系数和负持续光导性,使之能用于对热释电的探测及人工突触。
在电子器件如FerroHEMT及忆阻器中,抗掺杂能改变材料的极化强度、K值以及引入铁电效应,增强HEMT的各项性能。铁电效应使之能应用于忆阻器,作为电路中的存储元件。