第五章信息獲取材料信息功能材料5.4元素半導(dǎo)體光電材料理想的晶體在絕對零度時存在一個空的導(dǎo)帶，由一個禁帶把導(dǎo)帶與填滿的價帶隔開，隨著溫度上升，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生n-p對，引起導(dǎo)電勢，這種性質(zhì)叫做本征半導(dǎo)電性，電子和空穴具有相同的濃度：一、Si和Ge的結(jié)構(gòu)特征和電學(xué)性質(zhì)1.本征性質(zhì)典型的禁帶寬度：Si1.12eVGe0.665eV四方面的特點(diǎn)：理想的晶體是不存在的，由于實(shí)際半導(dǎo)體中化學(xué)雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷或多或少為存在，影響平衡時電子和空穴的相對濃度。但是：施主和受主相等濃度導(dǎo)致類似本征材料的狀況。雜質(zhì)能級如果靠近相應(yīng)能帶邊緣，則為淺位雜質(zhì)，反之為深位雜質(zhì)。前者是III族和V族的全部元素，后者有過渡金屬等。2.非本征性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中，電子和空穴的濃度往往是偏離平衡濃度的，即所謂的非平衡現(xiàn)象是普遍存在的。如果：那么，可以定義

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為少數(shù)載流子壽命。再由Einstein關(guān)系可以得到擴(kuò)散率和擴(kuò)散長度：在最初的半導(dǎo)體晶體中，截流載流子壽命僅受復(fù)合過程限制，因?yàn)楫?dāng)時注重于減少俘獲效應(yīng)；但是在半導(dǎo)體輻射探測器的研究中，往往是由測量出的電荷收集效率來推導(dǎo)電荷載流子的壽命的。4.半導(dǎo)體輻射探測器的有效載流子濃度Eg(Si)=1.12eVEg(Ge)=0.67eV，兩者的本征型探測器遠(yuǎn)不如PbS探測器，所以要引入雜質(zhì)。1.非本征Si材料的特性引入雜質(zhì)在Si禁帶中建立起相應(yīng)的局部能態(tài)，外界紅外輻射會引起雜質(zhì)能級的光激勵，光電導(dǎo)響應(yīng)與這些能級到導(dǎo)帶或滿帶的電子或空穴躍遷有關(guān)。2.非本征Si探測器的特點(diǎn)硅的介電系數(shù)低，具有合適能級的雜質(zhì)的溶解性高，所以能夠制成紅外吸收系數(shù)較大的非本征型硅探測器。3.非本征硅探測器的應(yīng)用：熱成像技術(shù)，紅外探測器。二、非本征硅紅外探測器材料5.5III-V族化合物半導(dǎo)體光電材料GaAs的禁帶寬度比Si稍微高一點(diǎn)，有利于制作在較高溫度下的器件；其遷移率較高，約是Si中電子的5倍。GaAs為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，密度為5.307g/cm-3，主要為共價鍵形式。能帶結(jié)構(gòu)為直接躍遷型，有較高的發(fā)光效率。其禁帶中淺雜質(zhì)電離能小。一、GaAs體系光電薄膜的量子阱、超晶格結(jié)構(gòu)

1.GaAs材料的特性GaAs單晶的制備主要有：GaAs的合成，As蒸氣壓的控制。圖為水平舟生長法。（2）半導(dǎo)體超晶格、量子阱的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)量子阱和超晶格能帶結(jié)構(gòu)，特別是能帶在異質(zhì)結(jié)處的形狀，對其量子效應(yīng)起著決定性的作用，而能帶結(jié)構(gòu)又取決組成材料的物理化學(xué)性能以及界面附近的晶體結(jié)構(gòu)。2.半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料（3）半導(dǎo)體超晶格、量子阱的分類按組成材料的晶格匹配程度可分為：晶格匹配量子阱與超晶格和應(yīng)變量子阱與超晶格。按組成材料的成分來分：固定組分量子阱與超晶格、組分比漸變超晶格與量子阱和調(diào)制摻雜的量子阱與超晶格。一維、二維、三維量子阱與超晶格。（4）半導(dǎo)體超晶格、量子阱的一般應(yīng)用超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路；高電子遷移率晶格管（HEMT），異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT），量子阱激光器、光雙穩(wěn)態(tài)器件（SEED）。2.半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料（1）I類紅外超晶格材料利用量子遂穿效應(yīng)，形成垂直于層面的電流－－超晶格材料。AlGaAs/GaAs3.超晶格量子阱紅外探測器材料（1）II類應(yīng)變紅外超晶格材料由于InAsSb和InSb之間的晶格常數(shù)相關(guān)較大，因些屬于應(yīng)變超晶格結(jié)構(gòu)。3.超晶格量子阱紅外探測器材料InAsSb/InSb

（2）II類應(yīng)變紅外超晶格材料:用MBE或MOCVD工藝在襯底上生長緩沖層。這種材料應(yīng)用如下特點(diǎn)：鍵強(qiáng)度好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；均勻性好；波長易控制；有效質(zhì)量大；隧道電流??；3.超晶格量子阱紅外探測器材料（3）III類紅外超晶格材料以Hg為基礎(chǔ)的超晶格材料。交替生長HgTe和CdTe薄層。特點(diǎn)如下：3.超晶格量子阱紅外探測器材料禁帶寬度和響應(yīng)截止波長由HgTe層厚度控制；有效質(zhì)量比較大；p型HgTe-CdTe超晶格有極高的遷移率。

GaN基III-V族氮化物寬帶隙半導(dǎo)體通常是GaN、AlN和InN等材料。禁帶寬度一般在2eV以上。其結(jié)構(gòu)上具有多型性，上面三種通常都表現(xiàn)為纖鋅礦2H型結(jié)構(gòu)，也可以形成亞穩(wěn)態(tài)的3C結(jié)構(gòu)。氮化物材料的外延生長主要是基于金屬有機(jī)物氣相外延和MBE方法。

GaN是直接帶隙材料，在禁帶寬度以上材料的光吸收系數(shù)增加很快，因此表面效應(yīng)影響較大，設(shè)計(jì)和制造時要注意。

III-V族氮化物用于紫外光電探測器的另一個特點(diǎn)是：此材料可以用外延生長方法形成三元合金體系，并改變?nèi)逶氐慕M分比例。三、GaN光電薄膜特性及其在紫外探測中的應(yīng)用

1.III-V族氮化物材料的特性

為了獲得高質(zhì)量的薄膜，需要有一種理想的襯底材料，它應(yīng)該與GaN有著完美的晶格匹配和熱匹配。SiC、MgO和ZnO等是與氮化物匹配性較好的材料。藍(lán)寶石，具有六角對稱性，容易加工，雖然與GaN之間的晶格失配較大，但適當(dāng)?shù)木彌_層的藍(lán)寶石襯底可以有效地改善薄膜質(zhì)量。緩沖層有GaN和AlN兩種，外延生長用AlN作為緩沖層可以提高薄膜質(zhì)量。采用低溫GaN緩沖層生長GaN薄膜同樣可以提高質(zhì)量。2.III-V族氮化物襯底材料的選擇

對于半導(dǎo)體材料而言，Si材料及相關(guān)工藝技術(shù)已經(jīng)極其成熟，GaAs材料的發(fā)展也已達(dá)到相當(dāng)完善的程度。由于這些材料的禁帶寬度不夠，對其在紫外波段的應(yīng)用帶來了很大的限制。采用禁較寬的材料可望在較短的波長下獲得較好的響應(yīng)，它的應(yīng)用除了物理、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用外，還在探測火焰、紫外劑量檢測、高密度光儲存系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)讀出、氣體的探測和監(jiān)測得到廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)：可以充分利用寬禁帶材料自然具有的可見光盲和陽光盲的特性，提高器件的抗干擾能力；利用該材料的高化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫特性制成適用于惡劣環(huán)境的紫外探測器。3.GaN材料在紫外光電探測器上的應(yīng)用（2）晶格失配率Ge與Si的晶格失配率為4.2%，Si1-xGex合金與Si這；之間的晶格失配率為：（3）應(yīng)變與應(yīng)變能不產(chǎn)生失配位錯的應(yīng)變層外延生長稱為“共度生長”或“贗晶生長”。厚度為t的應(yīng)變層的彈性能量為：

（4）應(yīng)變層臨界厚度應(yīng)變層厚度應(yīng)有一個臨界值。1.SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料基本性質(zhì)GeSi材料的載流子遷移率高、能帶可測、禁帶寬度易于通過改變組分加以精確調(diào)節(jié)，被稱為“第二代Si微電子技術(shù)”。

Si和GeSi存在能隙差，可以提高Si/GeSi異質(zhì)結(jié)的高頻性能。

Si/GeSi異質(zhì)結(jié)的禁帶偏移只限于價帶，不必像III-V族材料那樣為了消除導(dǎo)帶偏移引起的不利影響而不得采取界面組分等特殊措施。合金材料制備可用多外延方法生長：Si-MBE、CBE和超低壓CVD（UHV/CVD）三種，其中最后一種有較大優(yōu)勢。2.SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格材料的特性和制備用MBE生長工藝在p型Si(100)襯底上生長GexSi1-x層，然后進(jìn)行高濃度摻雜，使能帶達(dá)到簡并狀態(tài)。3.GexSi1-x/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)光電子發(fā)射長波紅外探測器材料二元金屬硅化物系的相圖中常有多個平衡相。金屬-Si體系的相圖中，一般會出現(xiàn)3種以上的硅化物，PtSi最早研究成功的。

1.金屬硅化物形成機(jī)理針對金屬硅化物的形成機(jī)理已有多種模型提出。填隙模型認(rèn)為金屬原子可以通過填隙形式擴(kuò)散到硅中，使硅的最近原子數(shù)增加，這種增加所引起的電荷交換減弱了硅共價鍵，使其向金屬鍵轉(zhuǎn)化。1.金屬硅化物形成機(jī)理PtSi具有正交結(jié)構(gòu)（MnP型），每個單胞內(nèi)含4個Pt原子和4個Si原子，晶格常數(shù)a=0.593nm，b=0.360nm，c=0.560nm.界面模型如下：4.PtSi/Si界面研究HgCdTeII-VI族固溶體為代表的是第四代半導(dǎo)體材料，它的工作頻率已經(jīng)推廣到紅外波段以外。(Hg1-xCdxTe，MCT）是一種窄帶寬的三元化合物半導(dǎo)體，具有如下特點(diǎn)：（1）禁帶寬度Eg是組分x和溫度T的函數(shù)；三、HgCdTe紅外探測器材料1.材料的特點(diǎn)（2）是一種本征半導(dǎo)體材料，其光吸收系數(shù)比非本征半導(dǎo)體材料大得多；（3）熱激發(fā)速率小；（4）有較小的電子有效質(zhì)量、很高的電子遷移率、較低的本征載流子濃度和較小的介電常數(shù)；（5）熱膨脹系數(shù)與硅接近。這種材料的應(yīng)用十分廣泛，人們已研制出了光導(dǎo)型與光伏型探測器。1.Hg1-xCdxTe材料的特點(diǎn)40多年來，MCT晶體一直是最受重視的紅外探測器材料。其薄膜材料制備采用了MBE和MOCVD技術(shù)。HgCdTe單晶的制備是比較困難的：2.Hg1-xCdxTe材料的制備（1）HgTe-CdTe贗二元系的相圖中液相線與固相線之間有顯著的差別；（2）熔體化學(xué)計(jì)量配比的偏離容易引起Te組元過剩；（3）汞蒸氣壓工藝控制困難；（4）晶體中Hg-Te的鍵合力弱；（5）晶體的徑向組分均勻性明顯依賴于固－液界面的形狀。（1）HgCdTe異質(zhì)結(jié)材料（2）HgCdTe雙色與多色紅外探測器材料（3）以硅為襯底的HgCdTe薄膜材料3.HgCdTe紅外焦平面探測器薄膜材料（1）CdTe晶體材料主要的晶體生長工藝有：布里奇曼法、高壓釜布里奇曼工藝和改進(jìn)的控制蒸發(fā)技術(shù)。（2）CZT晶體材料用CZT材料作襯底外延MCT薄膜的優(yōu)點(diǎn)是：“零失配”，利于優(yōu)質(zhì)薄膜的生長；它位錯密度比CdTe晶體低一個數(shù)量級；襯底制備工藝要容易。（3）CdTe和CZT薄膜材料隨著MCTFPA技術(shù)的發(fā)展，對MCT薄膜材料提出了大面積、組分均勻的要求，而作為襯底的材料，獲得大面積單晶襯底相當(dāng)困難。因此，人們利用先進(jìn)的MBE技術(shù)，在大直徑的CdTe、CZT基片上，生長了薄膜材料。4.HgCdTe薄膜外延襯底材料5.7非制冷型紅外探測器材料由單晶小薄片的熱電晶體所制成。具有自發(fā)極化特性，它在自然條件下，內(nèi)部某些分子的正負(fù)電荷重心不重合，形成一個固有偶極矩，在垂直于極軸的兩個端面上出現(xiàn)大小相等、符號相反的面束縛電荷。當(dāng)溫度變化時，晶體中離子間的距離和鍵角發(fā)生變化，從而使偶極矩極化強(qiáng)度及面束縛電荷發(fā)生變化，結(jié)果造成過剩電荷，在垂直極軸的兩個端面出現(xiàn)微小電壓，當(dāng)用導(dǎo)線連接時就會產(chǎn)生熱電流。

一、熱釋電紅外探測器材料

1.熱釋電紅外探測器的工作原理（1）響應(yīng)率RV定義：2.性能參數(shù)分析可見，當(dāng)入射輻射的調(diào)制頻率為零時，響應(yīng)率也為零，這說明熱釋電探測器是一種交流器件。（2）噪聲、噪聲等效功率和探測率噪聲主要包括溫度噪聲、熱噪聲和放大器噪聲。探測率為：2.性能參數(shù)分析非制冷型VO2熱敏電阻焦平面探測器材料:電阻靈敏度的溫度系數(shù)：對于半導(dǎo)體材料：二、測微輻射熱計(jì)紅外探測器材料

1.工作原理通常是以電橋電路形式工作的。熱敏電阻測輻射熱計(jì)的信號公式：1.熱敏電阻測輻射熱計(jì)的工作原理（1）響應(yīng)率可以看出，為了提高響應(yīng)率，偏壓E、電阻溫度系數(shù)aT要大，G‘和H值要