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氮化鋁晶體生長與應用 版權信息
- ISBN：9787030696830
- 條形碼：9787030696830 ; 978-7-03-069683-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
氮化鋁晶體生長與應用 本書特色
適讀人群 ：從事氮化鋁晶體研究的工程技術人員、高等院校相關專業師生及對氮化鋁晶體生長和應用感興趣的愛好者哈爾濱工業大學韓杰才院士團隊力作，優秀科研工作者宋波教授代表作，國家科學技術學術著作出版基金資助出版的優秀專著，氮化鋁晶體生長與應用領域的*新成果.
氮化鋁晶體生長與應用 內容簡介
本書緊跟當前靠前氮化鋁領域發展趨勢，收集整理了國內外很為前沿的研究成果，融合了作者團隊多年的科研心血，主要介紹了氮化鋁的晶體結構、物理和化學特性，以及氮化鋁單晶的制備方法和產業應用等方面的內容。具體內容上：本書主要介紹了氮化鋁的晶體結構，物理特性，化學特性，氮化鋁單晶的制備方法，包括鋁金屬直接氮化法、溶液法、氫化物氣相外延法和物理氣相傳輸法，納米結構的氮化鋁晶體的制備及其特性，包括納米線結構，納米片結構，薄膜結構，納米管結構，納米纖維結構，氮化鋁晶體的應用，包括在電子器件、功率器件、發光器件、表面聲波器件、光電探測器件領域的應用。
氮化鋁晶體生長與應用 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 **、二代半導體材料概述 2
1.1.1 硅和鍺 2
1.1.2 砷化鎵 4
1.1.3 銻化銦 7
1.2 第三代半導體材料概述 8
1.2.1 氮化鎵 8
1.2.2 碳化硅 10
1.2.3 氮化鋁 13
1.2.4 氧化鎵 14
1.2.5 金剛石 17
1.3 寬禁帶半導體基器件的基本應用 19
1.3.1 發光二極管 19
1.3.2 半導體激光器 21
1.3.3 紫外光電探測器 22
1.3.4 功率半導體器件 26
參考文獻 29
第2章 氮化鋁晶體特性 32
2.1 氮化鋁的晶體結構 32
2.2 氮化鋁晶體的物理特性 34
2.3 氮化鋁晶體的化學特性 41
參考文獻 42
第3章 低維氮化鋁納米材料制備方法研究 44
3.1 氮化鋁納米線 44
3.1.1 化學氣相反應法 44
3.1.2 直接氮化法 51
3.1.3 分子束外延法 56
3.1.4 電弧放電法 59
3.1.5 碳熱還原法 61
3.1.6 復分解反應法 63
3.2 氮化鋁納米彈簧 67
3.2.1 生長機制分析 67
3.2.2 氮化鋁納米彈簧生長工藝及表征 69
3.3 氮化鋁納米錐和納米帶 73
3.3.1 氮化鋁納米錐 73
3.3.2 氮化鋁納米帶 75
3.4 氮化鋁納米片 78
3.4.1 生長機制分析 78
3.4.2 氮化鋁納米片生長工藝及表征 78
參考文獻 80
第4章 氮化鋁薄膜制備方法研究 83
4.1 氮化鋁薄膜的基本性質 83
4.2 氮化鋁薄膜的制備方法 84
4.2.1 反應磁控濺射法 85
4.2.2 金屬有機化學氣相沉積法 90
4.2.3 分子束外延法 97
4.2.4 脈沖激光沉積法 102
參考文獻 104
第5章 氮化鋁晶體制備方法研究 109
5.1 物理氣相傳輸法 109
5.1.1 理論基礎和實驗過程 109
5.1.2 溫度的影響 113
5.1.3 生長氣壓的影響 119
5.2 金屬鋁直接氮化法 121
5.2.1 理論基礎與實驗過程 121
5.2.2 晶體生長影響因素 122
5.3 氫化物氣相外延法 125
5.3.1 理論基礎與實驗過程 126
5.3.2 晶體生長影響因素 126
參考文獻 133
第6章 三元合金及摻雜改性 135
6.1 鋁鎵氮 136
6.1.1 鋁鎵氮的結構和基本性質 136
6.1.2 硅摻雜的鋁鎵氮 138
6.1.3 鎂摻雜的鋁鎵氮 139
6.2 鋁銦氮 141
6.2.1 鋁銦氮的結構與性質 141
6.2.2 溫度對鋁銦氮的影響 146
6.2.3 鋁銦氮的制備方法 147
6.3 稀磁半導體摻雜的氮化鋁 148
6.4 稀土元素摻雜的氮化鋁 151
6.4.1 稀土元素摻雜的氮化鋁電致發光材料 151
6.4.2 稀土元素摻雜的熒光發光材料 151
6.4.3 稀土元素摻雜的壓電、介電材料 155
6.5 碳摻雜的氮化鋁半導體材料 161
6.6 鎂摻雜的氮化鋁半導體材料 165
參考文獻 165
第7章 氮化鋁材料的應用 170
7.1 微波、毫米波器件 170
7.1.1 高電子遷移率晶體管 171
7.1.2 場效應晶體管 173
7.1.3 場致電子發射納米器件 176
7.2 光電子器件 179
7.2.1 發光二極管 180
7.2.2 激光器 181
7.2.3 光電探測器 182
7.3 聲表面濾波器 185
7.3.1 濾波器 185
7.3.2 傳感器 186
7.3.3 諧振器 188
7.4 電力電子器件 189
7.5 納米材料在能源中的應用 190
7.6 氮化鋁納米改性變壓器油的電熱性能及其應用研究 191
參考文獻 192
索引 196
前言
第1章 緒論 1
1.1 **、二代半導體材料概述 2
1.1.1 硅和鍺 2
1.1.2 砷化鎵 4
1.1.3 銻化銦 7
1.2 第三代半導體材料概述 8
1.2.1 氮化鎵 8
1.2.2 碳化硅 10
1.2.3 氮化鋁 13
1.2.4 氧化鎵 14
1.2.5 金剛石 17
1.3 寬禁帶半導體基器件的基本應用 19
1.3.1 發光二極管 19
1.3.2 半導體激光器 21
1.3.3 紫外光電探測器 22
1.3.4 功率半導體器件 26
參考文獻 29
第2章 氮化鋁晶體特性 32
2.1 氮化鋁的晶體結構 32
2.2 氮化鋁晶體的物理特性 34
2.3 氮化鋁晶體的化學特性 41
參考文獻 42
第3章 低維氮化鋁納米材料制備方法研究 44
3.1 氮化鋁納米線 44
3.1.1 化學氣相反應法 44
3.1.2 直接氮化法 51
3.1.3 分子束外延法 56
3.1.4 電弧放電法 59
3.1.5 碳熱還原法 61
3.1.6 復分解反應法 63
3.2 氮化鋁納米彈簧 67
3.2.1 生長機制分析 67
3.2.2 氮化鋁納米彈簧生長工藝及表征 69
3.3 氮化鋁納米錐和納米帶 73
3.3.1 氮化鋁納米錐 73
3.3.2 氮化鋁納米帶 75
3.4 氮化鋁納米片 78
3.4.1 生長機制分析 78
3.4.2 氮化鋁納米片生長工藝及表征 78
參考文獻 80
第4章 氮化鋁薄膜制備方法研究 83
4.1 氮化鋁薄膜的基本性質 83
4.2 氮化鋁薄膜的制備方法 84
4.2.1 反應磁控濺射法 85
4.2.2 金屬有機化學氣相沉積法 90
4.2.3 分子束外延法 97
4.2.4 脈沖激光沉積法 102
參考文獻 104
第5章 氮化鋁晶體制備方法研究 109
5.1 物理氣相傳輸法 109
5.1.1 理論基礎和實驗過程 109
5.1.2 溫度的影響 113
5.1.3 生長氣壓的影響 119
5.2 金屬鋁直接氮化法 121
5.2.1 理論基礎與實驗過程 121
5.2.2 晶體生長影響因素 122
5.3 氫化物氣相外延法 125
5.3.1 理論基礎與實驗過程 126
5.3.2 晶體生長影響因素 126
參考文獻 133
第6章 三元合金及摻雜改性 135
6.1 鋁鎵氮 136
6.1.1 鋁鎵氮的結構和基本性質 136
6.1.2 硅摻雜的鋁鎵氮 138
6.1.3 鎂摻雜的鋁鎵氮 139
6.2 鋁銦氮 141
6.2.1 鋁銦氮的結構與性質 141
6.2.2 溫度對鋁銦氮的影響 146
6.2.3 鋁銦氮的制備方法 147
6.3 稀磁半導體摻雜的氮化鋁 148
6.4 稀土元素摻雜的氮化鋁 151
6.4.1 稀土元素摻雜的氮化鋁電致發光材料 151
6.4.2 稀土元素摻雜的熒光發光材料 151
6.4.3 稀土元素摻雜的壓電、介電材料 155
6.5 碳摻雜的氮化鋁半導體材料 161
6.6 鎂摻雜的氮化鋁半導體材料 165
參考文獻 165
第7章 氮化鋁材料的應用 170
7.1 微波、毫米波器件 170
7.1.1 高電子遷移率晶體管 171
7.1.2 場效應晶體管 173
7.1.3 場致電子發射納米器件 176
7.2 光電子器件 179
7.2.1 發光二極管 180
7.2.2 激光器 181
7.2.3 光電探測器 182
7.3 聲表面濾波器 185
7.3.1 濾波器 185
7.3.2 傳感器 186
7.3.3 諧振器 188
7.4 電力電子器件 189
7.5 納米材料在能源中的應用 190
7.6 氮化鋁納米改性變壓器油的電熱性能及其應用研究 191
參考文獻 192
索引 196
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氮化鋁晶體生長與應用 節選
第1章 緒論 材料、信息和能源是21世紀人類社會發展的三大支柱產業。其中，材料是人類生存、科技進步、社會發展的堅實基礎，如今，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民群眾日常生活的重要組成部分。目前，作為半導體產業鏈上游的重要環節，半導體材料的生長與應用在芯片制造過程中起到關鍵性作用，由此也成為衡量國家科技和工業發展水平的重要標志之一。2015年我國在公布的“中國制造2025”中提出大力培育半導體行業，由此可以看出發展半導體行業的重要性。 半導體作為現代計算機、通信系統、電子產品等的核心組成部分，被廣泛地應用于現代社會的各個領域。半導體的發現和應用對于人類文明的發展具有重要意義。例如，基于半導體材料的晶體管具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能，可以完美地取代電子管，進而成為計算機、手機等現代電子產品的基本構建模塊。 人類歷史上**只晶體管誕生于1947年的貝爾實驗室，肖克利、巴丁和布拉頓[1]利用半導體材料，研制出了一種點接觸型晶體管。雖然在20世紀中期人們才開始利用半導體材料，但是人類對半導體的研究卻可以追溯到19世紀。早在1833年，著名科學家法拉第[2]發現AgS的電阻隨溫度的變化情況與金屬不同。在一般情況下，金屬的電阻會隨溫度升高而增大，但法拉第卻發現AgS的電阻隨溫度的上升而減小，這正是半導體具有負溫度系數的表現，也是半導體現象的首次發現。不久之后，1839年法國的貝克萊爾[3]發現半導體和電解質接觸形成的結在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應。1873年，英國的史密斯[4]發現了硒晶體材料在光照下電導會增大的光電導效應。1874年，德國的布勞恩[5]觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的，如果把電壓極性反過來，則不導電，這就是半導體的整流效應。1879年，美國物理學家霍爾[6]發現了霍爾效應。1911年，這類材料被人們正式命名為“半導體”。 半導體材料主要經歷了三代發展。**代半導體材料是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的窄禁帶半導體材料；第二代半導體材料是以磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）為代表的二元化合物半導體材料；第三代半導體材料是以氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、碳化硅（SiC）、金剛石（C）為代表的寬禁帶半導體材料。 1.1 **、二代半導體材料概述 **代半導體材料主要是以Si、Ge為代表的窄禁帶半導體材料。作為**代半導體材料的Ge和Si在集成電路、電子信息網絡工程、計算機、手機、電視、航空航天、各類軍事工程以及迅速發展的新能源、硅光伏產業中都得到了極為廣泛的應用，Si芯片在人類社會的每一個角落無不閃爍著它的光輝。**代半導體材料之所以選擇Si，是因為Si具有其他半導體材料不具備的特殊優勢。比如，自然界中的巖石、砂礫等存在大量硅酸鹽或二氧化硅（SiO2），成本較低；Si經過氧化所形成的SiO2性能穩定，能夠作為半導體器件工藝中所需的優良的絕緣膜使用；在集成電路的平面工藝中，Si更容易實施氧化、光刻、擴散等工藝，更方便集成，其性能更容易得到控制。 第二代半導體材料主要是指化合物半導體（如GaAs、InSb）、固溶體半導體（如Ge/Si、GaAs/GaP）、玻璃半導體（又稱非晶態半導體，如非晶硅、玻璃態氧化物半導體）、有機半導體等。第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。因信息高速公路和互聯網的興起，它還被廣泛應用于衛星通信、移動通信、光通信和全球定位系統（global positioning system，GPS）導航等領域。 1.1.1 硅和鍺 Si、Ge是人們研究和應用*早的**代半導體材料。Ge的熔點（938.3℃）比Si（1414℃）低得多，更容易利用區熔方法得到純凈的Ge材料，因而20世紀40～60年代，Ge是制備半導體器件的主要材料。隨著Si材料生長和提純工藝的不斷進步，自20世紀70年代開始，Si逐步替代Ge的地位，成為以集成電路為代表的微電子器件的主體材料。 Si和Ge都是Ⅳ族元素半導體，Si的原子序數是14，Ge的原子序數是32。它們在室溫（300K）下的基本性質如表1-1所示。 表1-1 Si和Ge的基本性質 Si的原子結構決定了Si原子具有一定的導電性，但Si晶體中沒有明顯的自由電子，因此電導率不及金屬，且電導率隨溫度升高而增加，具有半導體性質。國際上通常把商品Si分成金屬Si和半導體Si。金屬Si主要用來制作多晶Si、單晶Si、硅鋁合金及硅鋼合金的化合物。半導體Si用于制作半導體器件。總體來講，Si主要用來制作高純半導體、耐高溫材料、光導纖維通信材料、有機硅化合物、合金等，廣泛應用于航空航天、電子電氣、建筑、運輸、能源、化工、紡織、食品、輕工、醫療、農業等行業。 高純的單晶Si是重要的半導體材料，可制成二極管、三極管、晶閘管和各種集成電路（包括計算機的芯片和中央處理器），還可以制作成太陽能光伏電池，將輻射能轉變為電能。Si可用來制作金屬陶瓷復合材料，這種材料繼承了金屬和陶瓷的各自優點，同時彌補了兩者的不足，具有耐高溫、富韌性、可切割等優點。純SiO2可拉制出高透明度的玻璃纖維，該纖維是光導纖維通信的重要材料。這種通信方式代替了笨重的電纜，通信容量高，不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高保密性。Si有機化合物將Si優良的無機性能與有機性能相結合，開辟了新的領域。它具備表面張力低、黏溫系數小、壓縮性高、氣體滲透性高等基本性質，并具有耐高低溫、電氣絕緣、耐氧化穩定性、耐候性、難燃、憎水、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優異特性，主要應用于密封、黏合、潤滑、涂層、表面活性、脫模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。Si可以與鋁、鐵、錳等金屬材料結合制成合金，以此來提升其金屬性能。Si制成的合金主要包括硅鋁合金、硅銅合金、硅鐵合金、硅錳合金等。 Ge材料雖然在很多領域逐漸被Si材料所替代，但是，在電子信息和通信等某些特殊領域，Ge材料仍然發揮著重要作用。Ge具有高的電子和空穴遷移率，是制備高頻器件的重要材料。在紅外光電器件領域，Ge廣泛地用于軍事的紅外探測和成像，民用的火災報警、醫療成像，科研的透鏡、光學窗口和紅外探測器等；在通信領域，GeCl4被大量地用作光纖芯層摻雜劑，用于提高光纖芯層折射率和降低光損耗。 進入21世紀以來，Ge的性質及其在Si基光電子學中的應用引起了人們越來越濃厚的興趣[7]。其主要原因在于，人們期望利用中紅外光開拓新一代通信系統，而利用Ge可以將Si基集成光電器件的工作波長從近紅外擴展到中紅外波段。Si對中紅外波段（3～10μm）的光具有較強的吸收性，而Ge對2～15μm的光具有較好的透過性，波導傳輸損耗相對較低；同時Ge具有較大的折射率，可以作為中紅外波段光通信的波導材料[8]；Ge和Si襯底、互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）工藝具有良好的兼容性，鍺硅（germanium-on-silicon）技術也已經得到廣泛的研究。因此，Ge有望進一步實現Si基集成光路功能的多樣化。 目前生產Si和Ge的國內外主要企業如表1-2所示。 表1-2 國內外Si和Ge的主要生產企業 1.1.2 砷化鎵 1952年，Welker發現了GaAs的半導體性質。在初始階段，通過對GaAs單晶制備方法的研究和應用的探索，GaAs材料逐漸得到人們的重視。自1962年用GaAs制成激光器[9]、1963年發現耿氏（Gunn）效應以來[10]，GaAs材料和器件得到了很大的發展。 GaAs作為典型的第二代Ⅲ-Ⅴ化合物半導體材料，其晶體結構屬于閃鋅礦型結構，制備GaAs單晶的方法有區熔法和液封直拉法。GaAs為直接禁帶半導體材料，禁帶寬度為1.424eV，對應近紅外波段。GaAs在室溫條件下的基本性質如表1-3所示。 表1-3 GaAs在室溫下的基本性質 通過摻雜，GaAs半導體材料可分別具有n型或p型半導體特性。在GaAs中摻入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si可獲得n型半導體；摻入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得p型半導體。另外，在GaAs中摻入Cr或提高其純度可制成電阻率高達107～108Ω cm的半絕緣GaAs半導體材料。 GaAs材料具有禁帶寬度大、原子序數高、摻雜濃度低等材料優勢，且相比于其他半導體材料有著極高的載流子遷移率，故可以在高頻器件、微波通信器件、高速開關等領域發揮重要作用[11， 12]。此外，由于液封直拉技術愈發成熟，GaAs的晶體質量得到了極大提升；同時，GaAs的電極制作工藝日趨成熟，使GaAs在中子探測領域相比其他半導體材料具有更多的優勢，由它作為襯底材料的中子探測器可以實現更高的探測效率。 GaAs晶體材料具有耐高溫、抗輻射的優異物理性質，因此可用于制備耐高溫、抗輻照或低噪聲器件，近紅外發光二極管（light emitting diode，LED），激光器件和太陽能電池，以及光電陰極材料[13]。在輻照探測領域，GaAs探測器可以應用于探測和檢測高能基本粒子與伽馬射線。GaAs探測器可以在相對較高的溫度和輻射較大的環境中（如反應堆中）工作，同時也可以顯著降低其工作電壓（如α粒子的探測器需要在20～30V的低工作電壓下工作），這對電離輻射探測器的控制和外圍電路信號處理具有重要意義。GaAs探測器可以顯著提高帶電粒子和電離輻射傳感器的熱穩定性與輻射穩定性。GaAs探測器存在的主要問題是固有電噪聲過大，限制了其靈敏度。這是由于GaAs是一種補償半導體，GaAs中的本底雜質高于單晶Si。近年來，為了優化核輻射測定儀的結構和生產技術，盡量減少過量的噪聲，科學家對用于核輻射和X射線探測的Al/i-GaAs勢壘結構探測器、AlGaAs/i-GaAs異質結構探測器以及GaAs探測器工作中的過量噪聲進行了實驗和理論研究[14]。 GaAs的優異物理性質使其在航空航天領域同樣發揮著重要作用，可以廣泛用于雷達、導彈、計算機、人造衛星、宇宙飛船、導航設備、遙測系統等尖端技術。用GaAs激光器制成的激光雷達因用光波代替無線電波，作用距離、測距等都明顯提高，且受干擾的因素減少。GaAs場效應晶體管（field effect transistor，FET）噪聲低、增益高，用于微波通信線路、雷達接收器時能改善微波系統性能并降低成本。用GaAs制造的甘氏振蕩器尺寸為毫米級，要求電壓低，使用壽命超過10000h，已用于應答器、雷達、導航信標等方面。GaAs LED具有量子效率高、器件結構精巧簡單、機械強度大、使用壽命長等優點，且體積只有1mm3，可應用于制造哨兵通話（光電話）、偵察、夜間監視和警戒等儀器。在不便敷設電纜的地方或原有通信線路發生障礙時，可用光電話通信，如在遠洋船舶間或飛機間通話使用。光電話應用的*突出實例是地面控制站與宇宙火箭在大氣層中加速或制動這段時間內的聯系。此時火箭周圍的空氣因加熱和離子化而形成無線電波不能透過的屏障，這時只能以光波道獲取信息。GaAs太陽能電池的轉換率比Si太陽能電池高，而且能在高得多的溫度下提供有效的功率輸出，耐輻射性能優異。目前一些國家正在著手研究的這種新型太陽能電池有可能取代Si太陽能電池而成為人造衛星、宇宙飛船、空間站及其他航天器的主要電源。中國研制的高效GaAs太陽能電池在1988年首次成功地進行了衛星標定，電池光電轉換效率為15.8%，繞地球飛行1個月，標定誤差為0.24%，高于1984年國際上同類產品在航天飛機上的標定水平。我國是世界上取得高效率GaAs太陽能電池空間標定實驗成功的極少數國家之一。 國內外主要GaA
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