第五章固溶體半導(dǎo)體材料李斌斌第五章固溶體半導(dǎo)體材料李斌斌15.1固溶體的概念5.2SiGe固溶體5.3應(yīng)用5.1固溶體的概念25.1固溶體凡在固體條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)“溶解”了其它組分（溶質(zhì)）而形成的單一、均勻的晶態(tài)固體稱為固溶體。固溶體半導(dǎo)體材料是某些元素半導(dǎo)體或者化合物半導(dǎo)體相互溶解而形成的一種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固態(tài)溶液材料，又稱為混晶半導(dǎo)體或者合金半導(dǎo)體。5.1固溶體凡在固體條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)“溶解”了其35.1.1固溶體的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的重要參數(shù)，如晶格常數(shù)和帶隙等隨組分變化而發(fā)生連續(xù)變化。因而可以通過對其組分的控制來調(diào)節(jié)材料的基本性質(zhì)采用固溶體原理來制備或開發(fā)各種新的材料，滿足科技的發(fā)展對材料性能提出的特殊性要求

5.1.1固溶體的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的重要參數(shù)，如晶格常數(shù)和帶4晶格常數(shù)－－Vegard定律晶格常數(shù)－－Vegard定律5帶隙帶隙65.1.2固溶體的分類按溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在溶劑晶格中的位置來劃分按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分5.1.2固溶體的分類按溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在溶劑晶格中的位置來劃分71）按溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在溶劑晶格中的位置①置換型固溶體②間隙型固溶體1）按溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在溶劑晶格中的位置①置換型固溶體8①置換型固溶體：取代型MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3Cu-Zn系和固溶體①置換型固溶體：取代型MgO-CoO、MgO-CaO、Pb9②間隙型固溶體：填隙型材料陽離子進(jìn)入陰離子所形成的間隙中并不容易陰離子填隙型——更加困難唯獨(dú)螢石型物質(zhì)除外H、B、C、N等元素形成的固溶體②間隙型固溶體：填隙型材料陽離子進(jìn)入陰離子所形成的間隙中并102）按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類①連續(xù)固溶體②有限固溶體2）按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類①連續(xù)固溶體11①連續(xù)固溶體溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例相互固溶所生成的固溶體①連續(xù)固溶體溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例相互固溶所生成的固溶體12②有限固溶體溶質(zhì)只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶劑中，低于固溶度條件下生成的固溶體是單相的，一旦溶質(zhì)超出這一限度即出現(xiàn)第二相。②有限固溶體溶質(zhì)只能以一定的溶解限度（固溶度）溶入溶劑中，133）根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分端部固溶體：位于相圖的端部，其成分范圍包括純組元，亦稱初級固溶體中間固溶體：它位于相圖中間，任一組元的濃度0~100%，亦稱二次固溶體3）根據(jù)固溶體在相圖中的位置劃分端部固溶體：中間固溶體：144）根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分①無序固溶體：各組元質(zhì)點(diǎn)分布是隨機(jī)的、無規(guī)則的。②有序固溶體：各組元質(zhì)點(diǎn)分布分別按照各自的布拉維點(diǎn)陣進(jìn)行排列，整個固溶體就是由各組元的分點(diǎn)陣組成的復(fù)雜點(diǎn)陣，稱超點(diǎn)陣或超結(jié)構(gòu)。4）根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分①無序固溶體：②有序固溶體15在理論的指導(dǎo)下，通過對實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)，提出了一些重要的影響因素：（1）質(zhì)點(diǎn)尺寸因素（2）晶體結(jié)構(gòu)類型（3）電價因素在理論的指導(dǎo)下，通過對實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)，提出了一些重要的影161）質(zhì)點(diǎn)尺寸因素－－決定性因素從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點(diǎn)來看，相互替代的質(zhì)點(diǎn)尺寸愈接近，則固溶體愈穩(wěn)定，其固溶量將愈大。1）質(zhì)點(diǎn)尺寸因素－－決定性因素從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點(diǎn)來看，相17經(jīng)驗(yàn)證明當(dāng)<15%時，溶質(zhì)和溶劑之間有可能形成連續(xù)固溶體；當(dāng)=15~30%之間時，溶質(zhì)和溶劑之間可以形成有限固溶體；當(dāng)>30%時，溶質(zhì)和溶劑之間不生成固溶體，僅在高溫下有少量固溶。經(jīng)驗(yàn)證明當(dāng)<15%時，溶質(zhì)和溶劑之間有可能形成連續(xù)固溶體182）晶體結(jié)構(gòu)類型連續(xù)固溶體必要條件：具有相同的晶體結(jié)構(gòu)（不是充分條件）晶體結(jié)構(gòu)不同，最多只能形成有限型固溶體（滿足尺寸條件前提下）2）晶體結(jié)構(gòu)類型連續(xù)固溶體必要條件：具有相同的晶體結(jié)構(gòu)（不193）電價因素連續(xù)固溶體必要條件：原子價（或離子價）相同；多組元復(fù)合取代總價數(shù)相等，電中性。不是充分條件。如果價態(tài)不同，則最多只能生成有限固溶體（滿足尺寸條件前提下）3）電價因素連續(xù)固溶體必要條件：原子價（或離子價）相同；多20電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成電負(fù)性差別大，傾向于生成化合物電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成215.2為什么研究SiGe在微電子領(lǐng)域Si幾乎有完全取代Ge的趨勢Ge固有優(yōu)勢：載流子的遷移率比硅高5.2為什么研究SiGe在微電子領(lǐng)域Si幾乎有完全取代Ge22SiGe固溶體連續(xù)固溶體SiGe固溶體連續(xù)固溶體23晶格常數(shù)晶格常數(shù)24晶格失配率晶格失配率25例子：假設(shè)有一種半導(dǎo)體材料，晶格常數(shù)a＝0.5555nm，如果以SiGe固溶體為襯底，請問SiGe的最佳組分是多少？例子：假設(shè)有一種半導(dǎo)體材料，晶格常數(shù)a＝0.5555nm，26贗晶生長－－共度生長臨界厚度－－－應(yīng)力沒有釋放產(chǎn)生位錯和形成表面起伏是釋放SiGe失配應(yīng)力的兩種方式。贗晶生長－－共度生長臨界厚度－－－應(yīng)力沒有釋放27當(dāng)Ge組分較低時（ｘ＜０.２），通過產(chǎn)生位錯來釋放失配引起的應(yīng)力；當(dāng)Ge組分介于０.２～０.６之間時將會導(dǎo)致形成臺階，誘導(dǎo)生成均勻的３Ｄ島；當(dāng)Ge組分大于０.６時，遵循SK模式三維生長，利于形成表面起伏來釋放失配引起的應(yīng)力?？梢杂脕砩L高組分表面起伏的多量子阱當(dāng)Ge組分較低時（ｘ＜０.２），通過產(chǎn)生位錯來釋放失配引起的28電學(xué)性質(zhì)－－禁帶寬度電學(xué)性質(zhì)－－禁帶寬度29帶隙和溫度的關(guān)系帶隙和溫度的關(guān)系30本征載流子濃度本征載流子濃度315.3SiGe固溶體的應(yīng)用新型硅基太陽能電池?zé)犭姴牧?.3SiGe固溶體的應(yīng)用新型硅基太陽能電池32光的基本性質(zhì)光色中心波長(nm)中心頻率(Hz)Eg（eV）紅6601.6橙610黃570綠5402.3青480蘭4602.7紫430光的基本性質(zhì)光色中心波長(nm)中心頻率(Hz)E33新型硅基太陽能電池太陽能電池所利用的太陽光光譜,它在可見光部分的能量不到50%。要想提高電池的效率,把其光譜響應(yīng)延伸到1.1eV以下是非常重要的，因?yàn)檫@包括了太陽光90%以上的能量。SiGe構(gòu)成的薄膜合金材料通過控制Ge含量能調(diào)制材料的帶隙，0.67～1.1eV，從而可以大大擴(kuò)展對紅外譜域太陽能光譜的吸收。因此，SiGe材料在太陽電池中的應(yīng)用研究受到了重視,尤其是非晶SiGe材料在a-Si/a-SiGe疊層太陽電池上的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。新型硅基太陽能電池太陽能電池所利用的太陽光光譜,它在可見光部34熱電材料SiGe合金具有較大的a值，x＝0.15時，達(dá)到極大值。實(shí)際常用Si含量高的合金來得到較高的優(yōu)值，Si含量高有以下好處：降低了晶格熱導(dǎo)率；增加了摻雜原子的固溶度；使SiGe合金有較大的禁帶寬度和較高的熔點(diǎn)，適合于高溫下工作；比重小，抗氧化性好，適應(yīng)于空間應(yīng)用；同時降低了造價。熱電材料SiGe合金具有較大的a值，x＝0.15時，達(dá)到極大35SiGe合金是