第五章1-固溶体半导体材料

第五章固溶体半导体材料李斌斌5.1固溶体的概念5.2SiGe固溶体5.3应用5.1固溶体凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导体。5.1.1固溶体的基本性质半导体的重要参数，如晶格常数和带隙等随组分变化而发生连续变化。因而可以通过对其组分的控制来调节材料的基本性质采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料，满足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求晶格常数－－Vegard定律(1)ABxx带隙2gEabxcx5.1.2固溶体的分类按溶质质点在溶剂晶格中的位置来划分按溶质在溶剂中的溶解度分类根据固溶体在相图中的位置划分根据各组元分布的规律性划分1）按溶质质点在溶剂晶格中的位置①置换型固溶体②间隙型固溶体①置换型固溶体：取代型MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3Cu-Zn系和固溶体②间隙型固溶体：填隙型材料阳离子进入阴离子所形成的间隙中并不容易阴离子填隙型——更加困难唯独萤石型物质除外H、B、C、N等元素形成的固溶体2）按溶质在溶剂中的溶解度分类①连续固溶体②有限固溶体①连续固溶体溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶所生成的固溶体②有限固溶体溶质只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶剂中，低于固溶度条件下生成的固溶体是单相的，一旦溶质超出这一限度即出现第二相。3）根据固溶体在相图中的位置划分①端部固溶体：位于相图的端部，其成分范围包括纯组元，亦称初级固溶体②中间固溶体：它位于相图中间，任一组元的浓度0~100%，亦称二次固溶体4）根据各组元分布的规律性划分①无序固溶体：各组元质点分布是随机的、无规则的。②有序固溶体：各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称超点阵或超结构。在理论的指导下，通过对实践经验的积累总结，提出了一些重要的影响因素：（1）质点尺寸因素（2）晶体结构类型（3）电价因素1）质点尺寸因素－－决定性因素从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。121rrr经验证明当15%时，溶质和溶剂之间有可能形成连续固溶体；当=15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以形成有限固溶体；当30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶。2）晶体结构类型连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结构（不是充分条件）晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体（满足尺寸条件前提下）3）电价因素连续固溶体必要条件：原子价（或离子价）相同；多组元复合取代总价数相等，电中性。不是充分条件。如果价态不同，则最多只能生成有限固溶体（满足尺寸条件前提下）电负性相近，有利于固溶体的生成电负性差别大，倾向于生成化合物5.2为什么研究SiGe在微电子领域Si几乎有完全取代Ge的趋势Ge固有优势：载流子的迁移率比硅高SiGe固溶体连续固溶体晶格常数(1)SiGexx晶格失配率0.0418SiGeSiSiSiaaaaLxxaa例子：假设有一种半导体材料，晶格常数a＝0.5555nm，如果以SiGe固溶体为衬底，请问SiGe的最佳组分是多少？赝晶生长－－共度生长临界厚度－－－应力没有释放产生位错和形成表面起伏是释放SiGe失配应力的两种方式。当Ge组分较低时（ｘ＜０.２），通过产生位错来释放失配引起的应力；当Ge组分介于０.２～０.６之间时将会导致形成台阶，诱导生成均匀的３Ｄ岛；当Ge组分大于０.６时，遵循SK模式三维生长，利于形成表面起伏来释放失配引起的应力。可以用来生长高组分表面起伏的多量子阱电学性质－－禁带宽度22()1.1150.430.0206(00.85)gExabxcxxxx()2.011.27(0.851)gExxx带隙和温度的关系41.2062.7310SigET本征载流子浓度*32191.5803(2)22.8610()300ncmkTTNh2exp()exp()ggicVBBEEnNNkTkT20exp()gicVEnNNkT5.3SiGe固溶体的应用新型硅基太阳能电池热电材料光的基本性质光色中心波长(nm)中心频率(Hz)Eg（eV）红6601.6橙610黄570绿5402.3青480兰4602.7紫43014108.4~9.314109.414103.514101.6~4.514103.614106.6~4.614100.7新型硅基太阳能电池太阳能电池所利用的太阳光光谱,它在可见光部分的能量不到50%。要想提高电池的效率,把其光谱响应延伸到1.1eV以下是非常重要的，因为这包括了太阳光90%以上的能量。SiGe构成的薄膜合金材料通过控制Ge含量能调制材料的带隙，0.67～1.1eV，从而可以大大扩展对红外谱域太阳能光谱的吸收。因此，SiGe材料在太阳电池中的应用研究受到了重视,尤其是非晶SiGe材料在a-Si/a-SiGe叠层太阳电池上的应用已经非常成熟。热电材料SiGe合金具有较大的a值，x＝0.15时，达到极大值。实际常用Si含量高的合金来得到较高的优值，Si含量高有以下好处：降低了晶格热导率；增加了掺杂原子的固溶度；使SiGe合金有较大的禁带宽度和较高的熔点，适合于高温下工作；比重小，抗氧化性好，适应于空间应用；同时降低了造价。SiGe合金是目前较为成熟的一种高温热电材料，适用于制造由放射线同位素供热的温差发电器，并已得到实际应用。1977年旅行者号太空探测器首次采用SiGe合金作为温差发电材料；在此后美国NASA的空间计划中，SiGe差不多完全取代PbTe材料。其它内容见教材