2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体的间隙材料

半导体的间隙材料 ※量子阱和超晶格的生长 1. 两种重要产生纳米结构方法 ● 分子束或原子外延（MBE）. ●金属-有机化合物蒸汽沉积（MOCVD）亦称为金属-有机汽相外延（MOVPE）. ①MBE: ▲超高真空反应器内，用于产生半导体生长层的分子束或原子束从加热且带快 ▲ 异质外延中衬底与生长层材料是不同的. 范围内都满足上述条件. GaAs为直接半导体，形成I型势阱， AlAs为间接半导体，形成I型势垒. 为了避免由直 隙材料和间隙材料混合的带来复杂情况， 门的喷射室射出.同时或交替打开快门，例如Ga室和As室射出的Ga和As ，就可能在适当加热的单晶体衬底上生长GaAs层； 而Al室和As室射出的Al和As在衬底上生长AlAs层. 另外掺杂原子也可加入喷射室，例如Si和Be可以用作III-V族化合物的n型掺杂和p型掺杂, II-VI族化合物,如CdS外延有时也掺入化合物，. ▲一些受到限制的MBE过程被称为原子外延（ALE)或迁移增强外延（MEE）, 该方法可以将生成层控制到单层程度. ▲MBE中分子束或原子束无碰撞地通过反应器中抽真空空间，射向衬底表面, 在生长面经物理、化学吸收结合，或再吸解，该晶体生成过程远离热平衡. ▲相比之下，热壁外延（HWE或HWBE ） 的生长过程接近热平衡.衬底置于喷射室的顶端或接近顶端，反应器由外部加热处于高温，源材料的温度保持低于反应器壁温度 这样可以避免源材料 以保持源材料从喷射室净流向衬 在反应器壁上沉积 , 而衬底的温度略低 底. ②MOCVD 同作为载体的惰性气体，如氮气 射 入反应器. 热衬底上直接发生理想的化 MOCVD中前体，如 学反应： 产生GaAs的沉积. 值得注意的是，MBE和MOCVD中许多 材料都是强剧毒的,有些是致癌的, 因此, 打开反应器时，操作须谨慎！ 2. 外延生长原则上需要满足以下条件： ●相同或相似的晶格结构，例如双方都是闪锌矿结构，或至少存在如金刚石, 闪锌矿和纤锌矿晶格中四面体中相同的配位. ●晶格常数接近，否则导致缺陷. ●化合物的价相同，即III-V族半导体在III-V族化合物衬底上生长比II-VI或IV族 衬底上生长更容易，反之亦然. ●化学键类型相同.要么都是共价键，要么都是离子键. 3.实现上述条件方法 ▲最普通方法就是同质外延，即在衬底上生长同种材料晶体. 该过程中即使同质衬底材料的质量不是很高，但是生成材料的质量部分还是比较高的，即化学成分比较纯。 $$