1、课程概述 课程名称：宽禁带半导体发光材料 学院：材料科学与光电技术学院 依托半导体材料与光电子器件科教融合卓越创新中心 教学目的：近三十年来，半导体材料得到了迅猛的发展，从窄禁带到宽禁带，从红外到紫外。人类面临日益突出的能源与环境问题，一直不断推动半导体材料科学向前发展。以GaN为主要代表的短波半导体光电材料，从根本上解决了LED三基色缺色的问题，引发了全球半导体白光照明革命；作为战略性新兴产业，白光发光二极管也成为了新型高效节能的重要代表；另一方面，宽禁带半导体材料是信息及能源产业的基础，是未来半导体产业发展重要方向，有望不远的将来在信息、能源、电力电子等行业产生新一轮的革命。 本课程的目的
2、是向半导体材料、半导体器件、电子技术专业高年级学生（研究生）介绍氮化物材料的发展历史、性质、生长技术、功能及应用。本课程的意义在于传授如何从氮化物的外延生长和物理性能层面认识多元半导体及发光波长可调的新型氮化物半导体材料，尤其是培养学生从材料生长角度理解外延-结构-功能三者的关系与规律。其他宽禁带半导体发光材料（SiC和ZnO）及其前沿进展也是课程的涵盖内容。 特点：是普及课，追求先进型，兼顾系统性 要求：了解全貌，掌握重点，深入研究12个专题 预修课程: 半导体物理，半导体材料，固体物理 方式：前半段以课堂授课为主，后半段以专题分组，同学开展讲座，讨论。 考试成绩：课堂/ 文献讲解：期末考试
3、= 3：7 本课的特点、要求、方式、考试 The blue Laser Diode, GaN Based Light Emitters and Lasers, Shuji Nakamura, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1997 Gallium Nitride (GaN), (I and II) Semiconductors and Semimetals Vol. 56, 57,1999, Academic Press Organometallic Vapor-Phase Epitaxy, Theory and Practice, G
4、erald B. Stringfellow, (second edition), Academic Press, 1999 Light emitting diodes, E.F.Schubert, (second edition), Cambridge Univercity Press, 2006 Wide Bandgap Semiconductors, Kiyoshi Takahashi, Akihiko Yoshikawa and Adarsh Sandhu (Eds.), Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 半导体物理学（第六版），电子工业出版社
5、 刘恩科（2003年） LED器件与工艺技术，电子工业出版社 郭伟玲等 III族氮化物发光二极管技术及其应用，科学出版社 李晋闽等（2016年） 参 考 书 第一章 宽禁带半导体材料的发展历程 第二章 III族氮化物材料的性质与测试 第三章 III族氮化物材料生长技术 第四章 氮化物材料发展趋势 第五章 氮化物材料的应用 第六章 其他宽禁带半导体发光材料 文献阅读讲解课 讲 课 内 容 1、绪言 2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 2、宽禁带半导体简介 3、宽禁带半导体材料的发展历程 4、族氮化物半导体基本特性 5、族氮化物半导体器件和应用概述 6、宽禁带发光材料的应用发展趋势 7、本章
6、小结 第一章 宽禁带半导体材料的发展历程 目前为止， 只有一个人两次获得过物理学奖， 约翰 巴丁(John Bardeen)，两次获奖分别在1956 年和1972 年， 半导体晶体管+BCS超导理论。 最年轻的诺贝尔物理学奖获得者，劳伦斯 布拉格(Lawrence Bragg) 1915年与父亲一同获得诺贝尔物理学奖时，年仅25岁。 最年长的诺贝尔物理学奖获得者，小雷蒙德 戴维斯(Raymond Davis Jr.) 2002年获得诺贝尔物理学奖时， 已有88岁高龄。 百年诺贝尔 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 获得物理奖最多的Top 10领域 粒子物理学拔得头筹 ,然后依次
7、为原子物理、 凝聚态物理、 仪器装置、核物理、 电磁学、 天体物理、 量子力学、光学、超导等。 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 9 第一代半导体材料，以Si 、Ge为代表 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 J. Bardeen W. Brattain W. Shockley 1956年获诺贝尔物理学奖 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 美国伊利诺斯大学的巴丁(John Bardeen, 1908-1991) 美国贝尔电话实验室的布拉坦(Wa
8、lter Brattain, 1902-1987) 美国加利福尼亚州贝克曼仪器公司的肖克利 (William Shockley , 1910-1989) 晶体管的发明是20 世纪中叶科学技术领域有划时代意义的大事 。 晶体管比电子管体积小、 耗电省、 寿命长 、易固化，它的诞生使电子学发生了根本性的变革。 诺贝尔物理学奖 W. Shockley J. Bardeen W. Brattain 1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 J. Bardeen W. Brattain W. Shockley 1956年获诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料
9、1958年第一块集成电路：TI 公司Jack Kilby博士，12个器件，Ge 晶片。 奠定了全世界微电子产业的基础 Jack Kilby 1957年 IC J. S. Kilby 2000年获诺贝尔物理学奖 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 13 1958年 半导体和超导体中的隧道效应 Leo Esaki Ivar Giaever Brian Josephson 1973年获诺贝尔物理学奖 1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国IBM 瓦森研究室中心的江崎玲于奈(Leo Esaki, 1925- ), 美国 通用电气公司的贾埃沃(Ivar Giaever, 19
10、29- ), 以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现; 另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森 ( Brian Josephson, 1940- ), 以表彰他对穿过隧道壁垒的超电流所作的理论预言, 特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象 。 诺贝尔物理学奖 Brian Josephson Ivar Giaever Leo Esaki 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 Leo Esaki Japan 江崎玲于奈自幼就表现出对科学的浓厚兴趣, 立志要做像爱迪生和马可尼那样的发明家, 小时自己动手制作电动火车和汽车模型。 1940年 , 他以优异成绩越级进入京都第三高
11、等学校。 1944年初提前毕业, 为维持生计勤工俭学, 做晚间家庭教师。 他认真学习了数学和物理课程, 并自学物理学专著。 诺贝尔物理学奖 1958年 半导体和超导体中的隧道效应 Leo Esaki Ivar Giaever Brian Josephson 1973年获诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 Willard Boyle & George Smith 1966年 CCD Willard Boyle George E. Smith 2009年获诺贝尔物理学奖 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 第二代半导体材料，以GaAs 、
12、InP 为代表 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 霍尔效应是1879 年美国物理学家霍尔研究载流导体在磁场中导电性质时发现的一种电磁效应， 广泛应用于半导体研究。 1980年一种新的霍尔效应又被发现, 这就是德国的冯.克利青从金属- 氧化物- 半导体场效应晶体管(MOSFET)中发现的量子霍尔效应 。 诺贝尔物理学奖 1980年 量子霍尔效应 Klaus von Klizing 1985年获诺贝尔物理学奖 Klaus von Klitzing 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 AlGaAs/GaAs异质结构中二维电子气 (2DEG) 的霍尔电阻与
13、栅电压的关系呈现量子化的平台 。 1980年 量子霍尔效应 Klaus von Klizing 1985年获诺贝尔物理学奖 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 Daniel C. Tsui 1980年 分数量子霍尔效应 Robert B .Laughlin Horst L.Stormer Daniel C. Tsui 1998年获诺贝尔物理学奖 美国斯坦福大学的劳夫林 (Robert B. Laughlin, 1950- ) 美国哥伦比亚大学与贝尔实验室的施特默 (Horst L. Stormer,1949- ) 美国普林斯顿大学电气工程系的崔琦 (Daniel
14、C.Tsui, 1939- ), 发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量电子流 , 这种状态起因于所谓的分数量子霍尔效应。 凝聚态物理学在20 世纪有极大的发展 , 分数量子霍尔效应正是继高温超导之后凝聚态物理学又一项崭新课题。 诺贝尔物理学奖 RobertB.Laughlin HorstL.Stormer 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 1970年代 Semiconductor Heterostructures Z. I. Alferov H. Kroemer 2000年获诺贝尔物理学奖 俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的若尔斯 阿尔费罗夫 美国加利福尼亚大学的赫伯特 克勒默
15、 他们在半导体异质结方面的工作 ， 广泛应用于高速电路、光电子器件中，奠定了现代通信技术的基础。 诺贝尔物理学奖 Herbert Kroemer & Zhores I. Alferov 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 Charles Kuen Kao 1965年高锟提出了利用石英纤维传输光信号 (Fiber-optic communication )的概念 ,并验证了其可行性，被誉为“光纤之父”。 1965年 Optical fiber Charles K. Kao 2009年获诺贝尔物理学奖 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 第三代半导体材料
16、，以GaN 、SiC为代表 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 成功研制出GaN 基蓝光LED, 并在此基础上研制出白光 LED, 提出半导体照明的概念。 1993年 GaN Blue LED Isamu Akasaki Hiroshi Amano Shuji Nakamura 2014年获诺贝尔物理学奖 赤崎勇 天野浩 中村修二 诺贝尔物理学奖 1、绪言2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 1、绪言 2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 2、宽禁带半导体简介 3、宽禁带半导体材料的发展历程 4、族氮化物半导体基本特性 5、族氮化物半导体器件和应用概述 6
17、、宽禁带发光材料的应用发展趋势 7、本章小结 第一章 宽禁带半导体材料的发展历程 第一代半导体材料-硅(Si)、锗(Ge) 上个世纪四十年代,锗、硅半导体研究的突破，晶体管的诞生及随后集成电路的问世导致电子学，电子技术的革命，开创了微电子学与硅微电子技术，导致信息科学技术发生了翻天覆地的变革，进入到现代信息化社会。 历史回顾 2、宽禁带半导体简介 第一代半导体材料-硅(Si)、锗(Ge) 集成电路的主要材料，占当前整个半导体产业的95%； 技术上最成熟，代表人类物质文明的最高水平 广泛应用于计算机和各种电子产品 2、宽禁带半导体简介 历史回顾 第二代半导体材料-GaAs、InP 上个世纪六、七
18、十年代，以GaAs、InP及其合金为代表的化合物半导体的兴起，导致半导体激光器的诞生 超晶格量子阱概念的提出与实现，开创半导体量子光电子技术和射频半导体技术，促使通信技术的革命（光纤通信和无线通信）。 2、宽禁带半导体简介 历史回顾 第三代半导体材料- GaN、SiC 短波光电子器件，蓝、绿光LED，蓝紫光LD，紫外光电探测器件； 高温电子器件 光功率微波器件 高场高功率电力电子器件 2、宽禁带半导体简介 历史回顾 当前主要的宽带隙半导体有 （1）族氮化合物 （0.7 - 6.2 eV） GaN （3.4 eV） InN （0.7 eV ） AIN （6.2 eV） InGaN （1.9 -
19、3.4 eV） AIGaN （3.4 - 6.2 eV） （2）ZnO 基氧化物半导体 （2.8 - 4.0 eV） ZnO， ZnMgO，ZnCdO （3）宽禁带族化合物 SiC （2.4 - 3.1 eV） 金刚石薄膜 （5.5 eV） 2、宽禁带半导体简介 1、绪言 2014年诺贝尔物理奖与宽禁带半导体材料 2、宽禁带半导体简介 3、宽禁带半导体材料的发展历程 4、族氮化物半导体基本特性 5、族氮化物半导体器件和应用概述 6、宽禁带发光材料的应用发展趋势 7、本章小结 第一章 宽禁带半导体材料的发展历程 SiC是第一个被发现的宽禁带半导体 1885年Cowless和1892年Acheso
20、n作为研磨和切割的材料，1892年Acheson利用SiO2和C粉在2700oC下合成SiC。 1907年Henry Round发明了第一支SiC LED，可以观察到绿光，黄光 以及橙色光的发射。 1955年 Lely发明了升华凝华法制备大块单晶SiC材料。 1978年，Tairov和Tsvetkov在生长腔室内引入SiC单晶籽晶，解决了多形体成核问题。 1990年，Cree公司得到了1英寸的SiC单晶衬底；1999年Cree公司得到了100mm的SiC单晶衬底，同时，微管缺陷也得到改善，目前的工艺水平可以得到1cm2上无缺陷的程度。 1993年，Edmond得到的最高效率的SiC蓝光LED效
21、率为0.03%。（波长470 nm） 1987年，Palmour制备的3C SiC MOSFET其最高工作温度达到650oC. 1993年， Palmour制备的SiC光电二极管的紫外探测器灵敏度比Si探测器高4个量级。 1999年，Allen制备的48mm栅长SiC MESFET工作频率3GHz下，微波功率达到80W。 2002年，Roy制备的SiC MEMS可以工作在500-900oC之间。 2004年Merrett等人得到垂直JFET的击穿电压为14kV，达到传统Si JFET器件的理论极限。 2007年Hull等人报道绝缘栅双极型晶体管的额定电流达到20A,击穿电压达到10kV. 3、宽禁带半导体材料的发展历程
