理论教育 纤锌矿型结构及其在新型半导体材料中的应用

纤锌矿型结构及其在新型半导体材料中的应用

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:图3.17示意了纤锌矿型的晶体结构。图3.17纤锌矿型结构示意图[图3.17为图3.17的俯视图]α-SiC属高温稳定性。它是典型的宽带隙半导体材料,其禁带宽度为3.37 eV。由上述可见,属于闪锌矿型和纤锌矿型结构的化合物是重要的新型的化合物半导体材料。当条件变化时,也可能出现另外的结构,如ZnO也可以有闪锌矿型结构,TiC也可以有CsCl型结构。在2050℃以上,BeO转变成金红石结构。GaN,晶格常数a=b=3.19,c=5.19,密度为6.15 g/cm3,带隙3.4 eV。

纤锌矿型结构及其在新型半导体材料中的应用

图3.17示意了纤锌矿型(wurtzite)的晶体结构。该类结构属于简单六方点阵。空间群P63mc,其Strukturbericht符号为B4,Pearson符号为hP4。每个晶胞有4个原子,即Z=2。晶胞中的原子位置:S(0,0,0)、(2/3,1/3,1/2);Zn(0,0,3/8)、(2/3,1/3,7/8)。S做紧密堆积,Zn填充其中的1/2四面体空隙。S、Zn原子的配位数都是4。属于这种晶体结构的晶体有:Ⅲ~Ⅴ族化合物AlN、BN、GaN、InN;Ⅱ~Ⅵ族化合物ZnO、ZnS、CdS、BeO;Ⅳ族化合物α-SiC。

图3.17 纤锌矿型结构示意图[图3.17(b)为图3.17(a)的俯视图]

α-SiC属高温稳定性。α-SiC有多种变体,常见的是4H、6H。4H(α-SiC)表示单位晶胞包含四层,其原子排列次序为ABACABAC…。Pearson符号为hP8,晶格常数a=b=3.07Å、c=10.05Å。6H(α-SiC)表示单位晶胞包含六层,其原子排列次序为ABCACBABCAC B…。Pearson符号为hP12,晶格常数a=b=3.08Å,c=15.12Å。(www.daowen.com)

ZnO(zinc oxide),晶格常数a=b=3.25Å,c=5.2Å,密度为5.61 g/cm3。它是典型的宽带半导体材料,其禁带宽度为3.37 eV。与其他半导体材料相比,ZnO具有极好的抗辐照性能和低的外延生长温度等优势,而有望用于室温、高效发光器、紫外发光二极管生物传感器等。近10年来,ZnO发展迅速,成为Ⅱ~Ⅵ族宽带隙半导体的主要代表,故ZnO越来越受到人们的广泛重视。

BeO(beryllium oxide),晶格常数a=b=2.70Å,c=4.38Å,密度为3.02 g/cm3。在2050℃以上,BeO转变成金红石结构(密度为2.69 g/cm3)。它是目前热导率最高的陶瓷材料,室温下热导率达310 W/(m·K),这与Al的热导率接近。温度升高,BeO的热导率下降较快,1000℃时热导率在20.3 W/(m·K)左右,因此其高温绝缘性好。透明BeO可作仪器的高温观察窗。此外,它对中子的减速能力强而用作防辐射材料。BeO的热膨胀系数不大,室温至1000℃时的平均值为(5.0~8.9)×10-6K-1。BeO粉末及蒸气有毒,但烧结后无毒。基于以上一些性能,BeO主要用于大功率散热元件、高温绝缘材料、冶炼稀有金属(Be、Pt、V)的坩埚、中子减速剂和防辐射材料、大功率半导体材料等。

GaN(Gallium nitride),晶格常数a=b=3.19Å,c=5.19Å,密度为6.15 g/cm3,带隙3.4 eV。它是蓝光发光二极管(LED)的重要材料。在红色、绿色LED出现后的很长一段时间,蓝色LED一直没有发明出来。因此用LED获得白光成为科学家和企业界追求的目标。1990年代早期,日本科学家Isamu Akasaki、Hiroshi Amano和Shuji Nakamura用掺杂GaN制备出了发蓝光的LED,这使得用LED获得白光成为可能。他们因此而获得2014年的Nobel物理学奖。

由上述可见,属于闪锌矿型和纤锌矿型结构的化合物是重要的新型的化合物半导体材料。这类结构的材料还属于宽带隙半导体。因此,人们对它们的研究也越来越多。但需注意:前面介绍的几种晶体结构,以及后面将要介绍的结构是指晶体在一定的热力学条件(如温度、压力等)下的稳定结构。当条件变化时,也可能出现另外的结构,如ZnO也可以有闪锌矿型结构,TiC也可以有CsCl型结构。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈