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半导体材料

半导体材料半导体材料

半导体材料名义上是小带隙绝缘体。 半导体材料的限定性质是它可以掺杂杂质，以可控的方式改变其电子特性。

由于它们在计算机和光伏工业中的应用 – 例如晶体管，激光器和太阳能电池 – 寻找新的半导体材料和改进现有材料是材料科学中的重要研究领域。

最常用的半导体材料是结晶无机固体。 这些材料根据其组成原子的周期表分类。

不同的半导体材料的特性不同。 因此，与硅相比，化合物半导体具有优点和缺点。 例如，砷化镓（GaAs）的电子迁移率是硅的六倍，这使得操作更快; 更宽的带隙，允许在更高的温度下操作功率器件，并在室温下为低功率器件提供更低的热噪声; 它的直接带隙使其比硅的间接带隙更有利于光电性能; 它可以与三元和四元组合物合金化，具有可调节的带隙宽度，允许在所选波长下发光，并允许例如匹配光纤中具有最低损耗的波长。 GaAs也可以以半绝缘形式生长，其适合作为GaAs器件的晶格匹配绝缘衬底。 相反，硅坚固，便宜且易于加工，而GaAs易碎且昂贵，并且仅通过生长氧化物层就不能产生绝缘层; 因此，仅在硅不足的情况下才使用GaAs。

通过合金化多种化合物，一些半导体材料是可调的，例如带隙或晶格常数。 结果是三元，四元或甚至五元组合物。 三元组合物允许在所涉及的二元化合物的范围内调节带隙; 然而，在直接和间接带隙材料组合的情况下，存在间接带隙占优势的比率，限制了可用于光电子学的范围; 例如，AlGaAs LED被限制在660nm。 化合物的晶格常数也趋于不同，并且取决于混合比，与衬底的晶格失配导致缺陷量取决于失配量值; 这会影响可实现的辐射/非辐射复合的比率，并决定器件的发光效率。 第四纪和更高的成分允许同时调整带隙和晶格常数，从而在更宽的波长范围内提高辐射效率; 例如，AlGaInP用于LED。 对所产生的光波长透明的材料是有利的，因为这允许从大部分材料中更有效地提取光子。 也就是说，在这种透明材料中，光产生不仅限于表面。 折射率也取决于成分，并影响材料中光子的提取效率。

半导体材料的类型
第IV组元素半导体，（C，Si，Ge，Sn）
第IV组化合物半导体
VI族元素半导体，（S，Se，Te）
III-V半导体：具有高度化学计量的结晶，大多数可以作为n型和p型获得。 许多具有高载流子迁移率和直接能隙，使其对光电子学有用。
II-VI半导体：通常为p型，除ZnTe和ZnO为n型
I-VII半导体
IV-VI半导体
V-VI半导体
II-V半导体
I-III-VI2半导体
氧化物
分层半导体
磁性半导体
有机半导体
电荷转移复合物
其他

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化合物半导体
化合物半导体是由至少两种不同种类的化学元素组成的半导体化合物。 这些半导体通常形成周期表组13-15（旧组III-V），例如来自硼组（旧组III，硼，铝，镓，铟）和组15（旧组V，氮）的元素。 ，磷，砷，锑，铋）。 可能的公式范围相当广泛，因为这些元素可以形成二元（两个元素，例如砷化镓（III）砷化物（GaAs）），三元素（三元素，例如铟镓砷（InGaAs））和四元素（四元素，例如铝）磷化镓铟（AlInGaP））合金。

制造
金属有机气相外延（MOVPE）是用于形成用于器件的化合物半导体薄膜的最流行的沉积技术[需要引证]。 它使用超纯金属有机物和/或氢化物作为环境气体如氢气中的前体源材料。

其他选择技巧包括：

分子束外延（MBE）
氢化物气相外延（HVPE）
液相外延（LPE）
金属有机分子束外延（MOMBE）
原子层沉积（ALD）

半导体材料表

组 ELEM。 材料 式 带隙（eV） 差距类型 描述
IV 1 钻石 C 5.47 间接 优异的导热性。 卓越的机械和光学性能。 极高的纳米机械谐振器品质因数。
IV 1 硅 硅 1.12 间接 用于常规晶体硅（c-Si）太阳能电池中，并且以其无定形形式用作薄膜太阳能电池中的非晶硅（a-Si）。 光伏发电中最常见的半导体材料; 主导全球光伏市场; 易于制作; 良好的电气和机械性能。 形成高品质的热氧化物，用于绝缘目的。 用于制造集成电路的最常用材料。
IV 1 锗 通用电器 0.67 间接 用于早期雷达探测二极管和第一个晶体管; 要求纯度低于硅。 用于高效多结光伏电池的基板。 与砷化镓非常相似的晶格常数。 用于γ光谱的高纯度晶体。 可能会增加胡须，这会削弱某些设备的可靠性。
IV 1 灰锡，α-Sn 锡 0.00， 0.08 间接 低温同素异形体（菱形立方晶格）。
IV 2 碳化硅，3C-SiC 碳化硅 2.3 间接 用于早期的黄色LED
IV 2 碳化硅，4H-SiC 碳化硅 3.3 间接
IV 2 碳化硅，6H-SiC 碳化硅 3.0 间接 用于早期的蓝色LED
VI 1 硫，α- S S 8 2.6
VI 1 灰硒 硒 1.74 间接 用于硒整流器。
VI 1 红硒 硒 2.05 间接
VI 1 碲 特 0.33
III-V 2 氮化硼，立方 BN 6.36 间接 可能对紫外LED有用
III-V 2 氮化硼，六角形 BN 5.96 准直 可能对紫外LED有用
III-V 2 氮化硼纳米管 BN 〜5.5
III-V 2 磷化硼 BP 2 间接
III-V 2 砷化砷 的BA 1.14 直接 耐辐射损伤，可能在betavoltaics中应用。
III-V 2 砷化砷 B 12As 2 3.47 间接 耐辐射损伤，可能在betavoltaics中应用。
III-V 2 氮化铝 氮化铝 6.28 直接 压电式。 不单独用作半导体; AlN-close GaAlN可能用于紫外LED。 在AlN上实现210nm处的低效发射。
III-V 2 磷化铝 磷化铝 2.45 间接
III-V 2 砷化铝 唉 2.16 间接
III-V 2 锑化铝 的AlSb 1.6 / 2.2 间接/直接
III-V 2 氮化镓 氮化镓 3.44 直接 有问题的是掺杂到p型，用Mg掺杂p和退火允许第一个高效蓝色LED 和蓝色激光。 对ESD非常敏感。 对电离辐射不敏感，适用于航天太阳能电池板。 与微波功率放大器中使用的GaAs相比，GaN晶体管可以在更高的电压和更高的温度下工作。 当掺杂例如锰时，变成磁性半导体。
III-V 2 磷化镓 间隙 2.26 间接 用于早期低至中等亮度的廉价红/橙/绿LED。 单独使用或与GaAsP一起使用。 黄色和红色透明，用作GaAsP红/黄LED的基板。 掺入S或Te用于n型，Zn用于p型。 纯GaP发射绿色，氮掺杂的GaP发射黄绿色，ZnO掺杂的GaP发射红色。
III-V 2 砷化镓 砷化镓 1.43 直接 在硅之后使用的第二种最常见的，通常用作其他III-V半导体的衬底，例如InGaAs和GaInNAs。 脆。 低于Si的空穴迁移率，P型CMOS晶体管不可行。 杂质密度高，难以制造小结构。 用于近红外LED，快速电子和高效太阳能电池。 与锗非常相似的晶格常数可以在锗衬底上生长。
III-V 2 锑化镓 锑化镓 0.726 直接 用于红外探测器和LED以及热光电。 用Te掺杂n，用Zn掺杂p。
III-V 2 氮化铟 旅店 0.7 直接 可能用于太阳能电池，但p型掺杂很困难。 经常用作合金。
III-V 2 磷化铟 磷化铟 1.35 直接 通常用作外延InGaAs的衬底。 卓越的电子速度，用于大功率和高频应用。用于光电子学。
III-V 2 铟砷 砷化铟 0.36 直接 用于1-3.8μm的红外探测器，冷却或非冷却。 高电子迁移率。 InGaAs基质中的InAs点可以用作量子点。 量子点可以由InP或GaAs上的单层InAs形成。 强光致琥珀色发射器，用作太赫兹辐射源。
III-V 2 锑化铟 锑化铟 0.17 直接 用于红外探测器和热成像传感器，量子效率高，稳定性低，需要冷却，用于军用远程热成像仪系统。 用作量子阱的AlInSb-InSb-AlInSb结构。 非常高的电子迁移率，电子速度和弹道长度。 晶体管可在低于0.5V和高于200GHz的电压下工作。 太赫兹频率可能是可实现的。
II-VI 2 硒化镉 硒化镉 1.74 直接 纳米粒子用作量子点。 本征n型，难以掺杂p型，但可以用氮掺杂p型。 可能用于光电子学。 经过高效太阳能电池测试。
II-VI 2 硫化镉 硫化镉 2.42 直接 用于光敏电阻和太阳能电池; CdS / Cu 2 S是第一个有效的太阳能电池。 用于具有CdTe的太阳能电池。 常见的量子点。 晶体可以作为固态激光器。电致发光。 掺杂时，可以充当荧光粉。
II-VI 2 碲化镉 碲化镉 1.49 直接 用于具有CdS的太阳能电池。 用于薄膜太阳能电池和其他碲化镉光伏电池;效率低于晶体硅但更便宜。 高电光效应，用于电光调制器。 荧光波长为790 nm。 纳米粒子可用作量子点。
II-VI，氧化物 2 氧化锌 氧化锌 3.37 直接 光催化。 通过与氧化镁和氧化镉合金化，带隙可在3到4eV之间调节。 本征n型，p型掺杂是困难的。 重铝，铟或镓掺杂产生透明导电涂层; ZnO：Al用作在红外区域中可见和反射透明的窗口涂层，以及用作LCD显示器和太阳能电池板中的导电膜以替代氧化铟锡。 抗辐射损伤。 可用于LED和激光二极管。 可能用于随机激光器。
II-VI 2 硒化锌 硒化锌 2.7 直接 用于蓝色激光和LED。 易于n型掺杂，p型掺杂是困难的，但可以用例如氮气来完成。 红外光学中的常见光学材料。
II-VI 2 硫化锌 硫化锌 3.54 / 3.91 直接 带隙3.54eV（立方），3.91（六边形）。 可以掺杂n型和p型。 适当掺杂时的常见闪烁体/荧光体。
II-VI 2 碲化锌 的ZnTe 2.25 直接 可以在AlSb，GaSb，InAs和PbSe上生长。 用于太阳能电池，微波发生器组件，蓝光LED和激光器。 用于电光学。 与铌酸锂一起用于产生太赫兹辐射。
I-VII 2 氯化亚铜 氯化亚铜 3.4 直接
I-VI 2 硫化铜 铜2S. 1.2 间接 p型，Cu 2 S / CdS是第一种有效的薄膜太阳能电池
IV-VI 2 硒化铅 硒化铅 0.27 直接 用于红外探测器的热成像。 可用作量子点的纳米晶体。 良好的高温热电材料。
IV-VI 2 铅（II）硫化物 硫化铅 0.37 矿物方铅矿，实用的第一个半导体，用于猫须探测器; 由于PbS的高介电常数，探测器很慢。 红外探测器中使用的最旧材料。 在室温下可以检测到SWIR，更长的波长需要冷却。
IV-VI 2 碲化铅 的PbTe 0.32 热导率低，热电发电机在高温下具有良好的热电材料。
IV-VI 2 硫化锡 SnS的 1.3 / 1.0 直接/间接 硫化锡（SnS）是一种半导体，其直接光学带隙为1.3eV，吸收系数高于104 cm -1 ，光子能量高于1.3eV。 它是一种p型半导体，其电性能可通过掺杂和结构改性来定制，并且已成为十年来薄膜太阳能电池的简单，无毒且价格合理的材料之一。
IV-VI 2 硫化锡 SnS 2 2.2 SnS 2广泛用于气体传感应用。
IV-VI 2 锡碲化物 的SnTe 复杂的带结构。
IV-VI 3 铅碲化铅 PbSnTe 用于红外探测器和热成像。
IV-VI 3 铊锡碲化物 Tl 2SnTe5
IV-VI 3 铊碲化锗 Tl 2GeTe5
V-VI，分层 2 碲化铋 Bi 2Te 3 当与硒或锑合金时，在室温附近的高效热电材料。 窄间隙分层半导体。 导电率高，导热系数低。 拓扑绝缘子。
II-V 2 磷化镉 Cd 3P 2
II-V 2 砷化镉 Cd 3As 2 0.14 N型本征半导体。 电子迁移率非常高。 用于红外探测器，光电探测器，动态薄膜压力传感器和磁阻器。 最近的测量结果表明，3D Cd 3 As 2实际上是零带隙Dirac半金属，其中电子的行为与石墨烯一样相对。
II-V 2 锑化镉 Cd 3Sb 2
II-V 2 磷化锌 Zn 3P 2 1.5 直接
II-V 2 砷化锌 Zn 3As 2
II-V 2 锑化锌 Zn 3Sb 2 用于红外探测器和热像仪，晶体管和磁阻器。
氧化 2 二氧化钛，锐钛矿 TiO 2 3.2 间接 光催化，n型
氧化 2 二氧化钛，金红石 TiO 2 3.02 直接 光催化，n型
氧化 2 二氧化钛，板钛矿 TiO 2 2.96
氧化 2 铜（I）氧化物 Cu 2O. 2.17 研究最多的半导体之一。 许多应用和效果首先用它来证明。 以前用于整流二极管，硅之前。
氧化 2 氧化铜（II） 氧化铜 1.2 P型半导体。
氧化 2 二氧化铀 UO 2 1.3 高塞贝克系数，耐高温，有希望的热电和热光电应用。 以前用于URDOX电阻，在高温下导电。 抗辐射损伤。
氧化 2 三氧化二铀 UO 3
氧化 2 三氧化二铋 Bi 2O 3 离子导体，在燃料电池中的应用。
氧化 2 二氧化锡 SnO2 3.7 缺氧的n型半导体。 用于气体传感器。
氧化 3 钛酸钡 BaTiO 3 3 铁电，压电。 用于某些非制冷热成像仪。 用于非线性光学。
氧化 3 钛酸锶 SrTiO3 3.3 铁电，压电。 用于压敏电阻。 铌掺杂时导电。
氧化 3 铌酸锂 LiNbO 3 4 铁电，压电，显示普克尔斯效应。 广泛用于电光学和光子学。
氧化 3 镧铜氧化物 La 2CuO4 2 当掺杂钡或锶时超导
分层 2 碘（II）铅 PbI 2
分层 2 二硫化钼 MoS2 1.23 eV（2H） 间接
分层 2 硒化镓 加泽 2.1 间接 感光鼓。 用于非线性光学。
分层 2 硫化锡 SnS的
分层 2 硫化铋 Bi 2 S3
磁性，稀释（DMS） 3 镓锰砷化物 的GaMnAs
磁性，稀释（DMS） 3 铟锰砷化物 InMnAs
磁性，稀释（DMS） 3 镉锰碲化物 CdMnTe
磁性，稀释（DMS） 3 铅碲化锰 PbMnTe
磁性 4 镧锰酸钙 La 0.7Ca0.3MnO3 巨磁电阻
磁性 2 氧化铁（II） 的FeO 反铁磁
磁性 2 氧化镍（II） 氧化镍 3.6-4.0 直接 反铁磁
磁性 2 氧化铕（II） EUO 铁磁
磁性 2 铕（II）硫化物 EUS 铁磁
磁性 2 溴化铬（III） CrBr3
其他 3 铜铟硒化物，CIS CuInSe 2 1 直接
其他 3 银镓硫化物 AgGaS 2 非线性光学性质
其他 3 磷化硅磷化锌 ZnSiP 2
其他 2 硫化砷分子 作为2S 3 晶体和玻璃态均为半导体
其他 2 硫化砷雷尔加 作为4S 4 晶体和玻璃态均为半导体
其他 2 铂硅化物 PTSI 用于1-5μm的红外探测器。 用于红外天文学。 高稳定性，低漂移，用于测量。 量子效率低。
其他 2 碘化铋（III） BiI 3
其他 2 碘化汞（II） HgI 2 用于室温下操作的某些伽马射线和X射线探测器和成像系统。
其他 2 铊（I）溴化物 TLBR 用于室温下操作的某些伽马射线和X射线探测器和成像系统。 用作实时X射线图像传感器。
其他 2 硫化银 Ag 2S. 0.9
其他 2 二硫化铁 FeS 2 0.95 矿物黄铁矿。 用于后来的猫须探测器，研究太阳能电池。
其他 4 铜锌锡硫化物，CZTS Cu 2ZnSnS 4 1.49 直接 Cu 2 ZnSnS 4衍生自CIGS，用大量的锌/锡取代铟/镓。
其他 4 铜锌硫化锑，CZAS Cu1.18Zn0.40Sb1.90 S7.2 2.2 直接 铜锌硫化锑来自铜硫化锑（CAS），一种famatinite类化合物。
其他 3 铜锡硫化物，CTS Cu 2SnS 3 0.91 直接 Cu 2 SnS 3是p型半导体，可用于薄膜太阳能电池应用。
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