Halbleitermaterialien sind nominell kleine Bandlückenisolatoren . Ihre charakteristische Eigenschaft ist , dass sie durch Dotierung mit Fremdatomen gezielt verändert werden können , wodurch sich ihre elektronischen Eigenschaften kontrolliert modifizieren lassen. [ 1 ] Aufgrund ihrer Anwendung in der Computer- und Photovoltaikindustrie – beispielsweise in Transistoren , Lasern und Solarzellen – ist die Suche nach neuen Halbleitermaterialien und die Verbesserung bestehender Materialien ein wichtiges Forschungsgebiet der Materialwissenschaft .

Die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind kristalline anorganische Feststoffe. Diese Materialien werden nach den Gruppen ihrer Bestandteile im Periodensystem klassifiziert .

Verschiedene Halbleitermaterialien unterscheiden sich in ihren Eigenschaften. So weisen Verbindungshalbleiter im Vergleich zu Silizium sowohl Vor- als auch Nachteile auf. Galliumarsenid (GaAs) beispielsweise besitzt eine sechsmal höhere Elektronenbeweglichkeit als Silizium, was einen schnelleren Betrieb ermöglicht; eine größere Bandlücke erlaubt den Betrieb von Leistungshalbleitern bei höheren Temperaturen und führt zu einem geringeren thermischen Rauschen bei Niedrigleistungsbauelementen bei Raumtemperatur; seine direkte Bandlücke verleiht ihm günstigere optoelektronische Eigenschaften als die indirekte Bandlücke von Silizium; es kann zu ternären und quaternären Legierungen mit einstellbarer Bandlückenbreite legiert werden, wodurch die Lichtemission bei ausgewählten Wellenlängen ermöglicht wird, was eine Anpassung an die Wellenlängen ermöglicht, die am effizientesten durch optische Fasern übertragen werden. GaAs kann auch in einer halbisolierenden Form hergestellt werden, die sich als gitterangepasstes isolierendes Substrat für GaAs-Bauelemente eignet. Silizium hingegen ist robust, kostengünstig und einfach zu verarbeiten, während GaAs spröde und teuer ist und Isolierschichten nicht durch einfaches Aufwachsen einer Oxidschicht erzeugt werden können; GaAs wird daher nur dort eingesetzt, wo Silizium nicht ausreicht. [ 2 ]

Durch Legieren mehrerer Verbindungen lassen sich einige Halbleitermaterialien gezielt einstellen, beispielsweise hinsichtlich Bandlücke oder Gitterkonstante . Das Ergebnis sind ternäre, quaternäre oder sogar quinäre Zusammensetzungen. Ternäre Zusammensetzungen ermöglichen die Anpassung der Bandlücke innerhalb des Bereichs der beteiligten binären Verbindungen. Bei der Kombination von Materialien mit direkter und indirekter Bandlücke existiert jedoch ein Verhältnis, bei dem die indirekte Bandlücke überwiegt. Dies begrenzt den für optoelektronische Anwendungen nutzbaren Bereich; so sind beispielsweise AlGaAs- LEDs dadurch auf 660 nm beschränkt. Die Gitterkonstanten der Verbindungen unterscheiden sich ebenfalls, und die vom Mischungsverhältnis abhängige Gitterfehlanpassung zum Substrat verursacht Defekte in einer Menge, die von der Größe der Fehlanpassung abhängt. Dies beeinflusst das Verhältnis von strahlender zu nichtstrahlender Rekombination und bestimmt die Lichtausbeute des Bauelements. Quaternäre und höherwertige Zusammensetzungen ermöglichen die gleichzeitige Anpassung von Bandlücke und Gitterkonstante und damit eine Steigerung der Lichtausbeute über einen breiteren Wellenlängenbereich; beispielsweise wird AlGaInP für LEDs verwendet. Materialien, die für die erzeugte Wellenlänge des Lichts transparent sind, sind vorteilhaft, da dies eine effizientere Extraktion von Photonen aus dem Materialinneren ermöglicht. Das heißt, bei solchen transparenten Materialien ist die Lichterzeugung nicht auf die Oberfläche beschränkt. Der Brechungsindex ist ebenfalls von der Zusammensetzung abhängig und beeinflusst die Effizienz der Photonenextraktion aus dem Material. [ 3 ]

Arten von Halbleitermaterialien

Verbindungshalbleiter

Ein Verbindungshalbleiter ist eine Halbleiterverbindung, die aus chemischen Elementen von mindestens zwei verschiedenen Spezies besteht. Diese Halbleiter finden sich in den Gruppen 13–15 des Periodensystems (frühere Bezeichnungen IIIA–VA). Die Bandbreite möglicher Formeln ist sehr groß, da diese Elemente binäre (zwei Elemente, z. B. Gallium(III)-arsenid (GaAs)), ternäre (drei Elemente, z. B. Indiumgalliumarsenid (InGaAs)) und quaternäre Legierungen (vier Elemente) wie Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlInGaP) und Indiumarsenidantimonidphosphid (InAsSbP) bilden können. Die Eigenschaften von III-V-Verbindungshalbleitern ähneln denen ihrer Pendants der Gruppe IV. Die höhere Ionizität dieser Verbindungen, insbesondere der II-VI-Verbindungen, führt tendenziell zu einer Vergrößerung der fundamentalen Bandlücke im Vergleich zu den weniger ionischen Verbindungen. [ 4 ]

Herstellung

Die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) ist die gängigste Abscheidungstechnologie zur Herstellung dünner Schichten aus Verbindungshalbleitern für Bauelemente. Dabei werden hochreine metallorganische Verbindungen und/oder Hydride als Vorläufermaterialien in einem Schutzgas wie Wasserstoff verwendet .

Weitere geeignete Techniken sind:

Tabelle der Halbleitermaterialien

GruppeGrundschuleMaterialFormelBandlücke ( eV )LückentypBeschreibung
IV1SiliziumSi1.12 [ 5 ] [ 6 ]indirektSilizium wird in herkömmlichen kristallinen Silizium -Solarzellen (c-Si) und in amorpher Form als amorphes Silizium (a-Si) in Dünnschichtsolarzellen verwendet . Es ist das gebräuchlichste Halbleitermaterial in der Photovoltaik , dominiert den weltweiten PV-Markt, ist einfach zu verarbeiten und besitzt gute elektrische und mechanische Eigenschaften. Es bildet hochwertiges thermisches Oxid für Isolationszwecke und ist das am häufigsten verwendete Material bei der Herstellung integrierter Schaltungen .
IV1GermaniumGe0,67 [ 5 ] [ 6 ]indirektWurde in frühen Radardioden und ersten Transistoren verwendet und benötigte eine geringere Reinheit als Silizium. Ein Substrat für hocheffiziente Mehrfachsolarzellen . Besitzt eine sehr ähnliche Gitterkonstante wie Galliumarsenid . Hochreine Kristalle werden für die Gammaspektroskopie eingesetzt . Kann Whisker bilden , die die Zuverlässigkeit einiger Bauelemente beeinträchtigen.
IV1DiamantC5.47 [ 5 ] [ 6 ]indirektAusgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Hervorragende mechanische und optische Eigenschaften.

Hohe Ladungsträgermobilitäten [ 7 ] und hohe elektrische Durchbruchfeldstärke [ 8 ] bei Raumtemperatur sind hervorragende elektronische Eigenschaften. Extrem hoher Gütefaktor des nanomechanischen Resonators . [ 9 ]

IV1Graues Zinn , α -SnSn0 [ 10 ] [ 11 ]HalbmetallischTieftemperatur-Allotrop (diamantkubisches Gitter).
IV2Siliciumcarbid , 3C-SiCSiC2.3 [ 5 ]indirektWurde für frühe gelbe LEDs verwendet
IV2Siliciumcarbid , 4H-SiCSiC3.3 [ 5 ]indirektWird für Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen verwendet.
IV2Siliciumcarbid , 6H-SiCSiC3.0 [ 5 ]indirektWurde für frühe blaue LEDs verwendet
VI1Schwefel , α -SS 82.6 [ 12 ]
VI1Graues (trigonales) SelenSe1,83–2,0 [ 13 ] [ 14 ]indirektWird in Selengleichrichtern und Solarzellen verwendet . [ 15 ] Die Bandlücke hängt von den Herstellungsbedingungen ab.
VI1Rotes SelenSe2.05indirekt[ 16 ]
VI1TellurTe0,33 [ 17 ]
III-V2kubisches BornitridBN6.36 [ 18 ]indirektMöglicherweise nützlich für ultraviolette LEDs
III-V2hexagonales BornitridBN5,96 [ 18 ]quasi-direktMöglicherweise nützlich für ultraviolette LEDs
III-V2Bornitrid-NanoröhreBN5.5 [ 19 ]
III-V2BorphosphidBP2.1 [ 20 ]indirekt
III-V2BorarsenidBAs1,82direktExtrem hohe Wärmeleitfähigkeit für das Wärmemanagement; resistent gegen Strahlungsschäden , mögliche Anwendungen in der Betavoltaik .
III-V2BorarsenidB 12 As 23,47indirektBeständig gegen Strahlungsschäden , mögliche Anwendungen in der Betavoltaik .
III-V2AluminiumnitridAlN6.28 [ 5 ]direktPiezoelektrisch. Wird nicht als Halbleiter allein verwendet; AlN-ähnliches GaAlN ist möglicherweise für ultraviolette LEDs geeignet. Bei 210 nm wurde auf AlN eine ineffiziente Emission erzielt.
III-V2AluminiumphosphidAlP2.45 [ 6 ]indirekt
III-V2AluminiumarsenidAch2.16 [ 6 ]indirekt
III-V2AluminiumantimonidAlSb1.6/2.2 [ 6 ]indirekt/direkt
III-V2GalliumnitridGaN3.44 [ 5 ] [ 6 ]direktDie Dotierung zu p-Typ ist problematisch; durch p-Dotierung mit Mg und anschließendes Tempern wurden jedoch erstmals hocheffiziente blaue LEDs [ 3 ] und blaue Laser realisiert . GaN ist sehr empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD), aber unempfindlich gegenüber ionisierender Strahlung. GaN-Transistoren können bei höheren Spannungen und Temperaturen als GaAs betrieben werden und werden in Mikrowellen-Leistungsverstärkern eingesetzt. Durch Dotierung, beispielsweise mit Mangan, wird GaN zu einem magnetischen Halbleiter .
III-V2GalliumphosphidLücke2.26 [ 5 ] [ 6 ]indirektWurde in frühen, kostengünstigen LEDs mit niedriger bis mittlerer Helligkeit in Rot/Orange/Grün verwendet. Kann allein oder in Kombination mit GaAsP eingesetzt werden. Transparent für gelbes und rotes Licht, dient als Substrat für rot/gelbe GaAsP-LEDs. Dotiert mit S oder Te für n-Typ, mit Zn für p-Typ. Reines GaP emittiert grünes Licht, stickstoffdotiertes GaP gelbgrünes und zinkdotiertes GaP rotes.
III-V2GalliumarsenidGaAs1.42 [ 5 ] [ 6 ]direktNach Silizium ist es das zweithäufigste Metall und wird häufig als Substrat für andere III-V-Halbleiter wie InGaAs und GaInNAs verwendet. Es ist spröde und weist eine geringere Lochmobilität als Silizium auf, wodurch p-Kanal-CMOS-Transistoren nicht realisierbar sind. Die hohe Dotierungsdichte erschwert die Herstellung kleiner Strukturen. Es wird für Nahinfrarot-LEDs, schnelle Elektronik und hocheffiziente Solarzellen eingesetzt . Aufgrund seiner sehr ähnlichen Gitterkonstante wie Germanium kann es auf Germaniumsubstraten gewachsen werden.
III-V2GalliumantimonidGaSb0,73 [ 5 ] [ 6 ]direktWird für Infrarotdetektoren, LEDs und Thermophotovoltaik verwendet . n-dotiert mit Te, p-dotiert mit Zn.
III-V2IndiumnitridGasthof0,7 [ 5 ]direktMögliche Anwendung in Solarzellen, jedoch ist die p-Dotierung schwierig. Häufige Verwendung als Legierung.
III-V2IndiumphosphidInP1.35 [ 5 ]direktWird häufig als Substrat für epitaktisches InGaAs verwendet. Hohe Elektronengeschwindigkeit, geeignet für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen. Anwendung in der Optoelektronik.
III-V2IndiumarsenidInAs0,36 [ 5 ]direktWird für Infrarotdetektoren im Bereich von 1–3,8 μm verwendet, gekühlt oder ungekühlt. Hohe Elektronenmobilität. InAs-Punkte in einer InGaAs-Matrix können als Quantenpunkte dienen. Quantenpunkte können aus einer InAs-Monolage auf InP oder GaAs gebildet werden. Starker Photo-Dember- Emitter, der als Terahertz-Strahlungsquelle eingesetzt wird .
III-V2IndiumantimonidInSb0,17 [ 5 ]direktWird in Infrarotdetektoren und Wärmebildsensoren verwendet, weist eine hohe Quanteneffizienz, geringe Stabilität und Kühlungsbedarf auf und kommt in militärischen Wärmebildsystemen mit großer Reichweite zum Einsatz. Die AlInSb-InSb-AlInSb-Struktur dient als Quantentopf . Sie zeichnet sich durch sehr hohe Elektronenbeweglichkeit , Elektronengeschwindigkeit und ballistische Reichweite aus. Transistoren können unter 0,5 V und über 200 GHz betrieben werden. Terahertz-Frequenzen sind möglicherweise erreichbar.
II-VI2CadmiumselenidCdSe1,74 [ 6 ]direktNanopartikel werden als Quantenpunkte eingesetzt . Sie sind intrinsisch n-leitend, lassen sich nur schwer p-leitend dotieren, können aber mit Stickstoff p-dotiert werden. Mögliche Anwendung in der Optoelektronik. Getestet für hocheffiziente Solarzellen.
II-VI2CadmiumsulfidCdS2.42 [ 6 ]direktWird in Fotowiderständen und Solarzellen verwendet; CdS/Cu₂S war die erste effiziente Solarzelle. Wird in Solarzellen mit CdTe verwendet. Häufig als Quantenpunkt eingesetzt. Kristalle können als Festkörperlaser fungieren. Elektrolumineszent. Nach Dotierung kann es als Leuchtstoff wirken .
II-VI2CadmiumtelluridCdTe1.49 [ 6 ]direktWird in Solarzellen mit CdS verwendet. Einsatz in Dünnschichtsolarzellen und anderen Cadmiumtellurid-Photovoltaikzellen ; weniger effizient als kristallines Silizium , aber kostengünstiger. Hoher elektrooptischer Effekt , Verwendung in elektrooptischen Modulatoren . Fluoreszierend bei 790 nm. Nanopartikel als Quantenpunkte einsetzbar.
II-VI, Oxid2ZinkoxidZnO3.37 [ 6 ]direktPhotokatalytisch. Die Bandlücke ist durch Legieren mit Magnesiumoxid und Cadmiumoxid von 3 bis 4 eV einstellbar . Eine intrinsische n- oder p-Dotierung ist schwierig. Eine hohe Dotierung mit Aluminium, Indium oder Gallium führt zu transparenten, leitfähigen Beschichtungen. ZnO:Al wird als Fensterbeschichtung eingesetzt, die im sichtbaren Bereich transparent und im Infrarotbereich reflektierend ist, sowie als leitfähige Schicht in LCD-Displays und Solarzellen anstelle von Indiumzinnoxid . Es ist strahlungsbeständig und könnte in LEDs und Laserdioden sowie in Random-Lasern Anwendung finden .
II-VI2ZinkselenidZnSe2.7 [ 6 ]direktWird für blaue Laser und LEDs verwendet. Leicht n-dotierbar, p-dotierbar ist es, kann aber z. B. mit Stickstoff erreicht werden. Gängiges optisches Material in der Infrarotoptik.
II-VI2ZinksulfidZnS3,54/3,91 [ 6 ]direktBandlücke 3,54 eV (kubisch), 3,91 eV (hexagonal). Kann sowohl n- als auch p-dotiert werden. Bei geeigneter Dotierung gängiger Szintillator/Phosphor.
II-VI2ZinktelluridZnTe2.3 [ 6 ]direktKann auf AlSb, GaSb, InAs und PbSe gezüchtet werden. Verwendung findet es in Solarzellen, Komponenten von Mikrowellengeneratoren, blauen LEDs und Lasern. Einsatz in der Elektrooptik. Zusammen mit Lithiumniobat wird es zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung verwendet .
I-VII2Kupfer(I)-chloridCuCl3.4 [ 21 ]direkt
I-VI2Kupfer(I)-sulfidCu 2 S1.2 [ 20 ]indirektp-Typ, Cu₂S / CdS war die erste effiziente Dünnschichtsolarzelle
IV-VI2BleiselenidPbSe0,26 [ 17 ]direktWird in Infrarotdetektoren für die Wärmebildgebung verwendet. Nanokristalle, die als Quantenpunkte eingesetzt werden können. Gutes thermoelektrisches Material für hohe Temperaturen.
IV-VI2Blei(II)-sulfidPbS0,37 [ 22 ]Das Mineral Bleiglanz (PbS) war der erste praktisch genutzte Halbleiter und wurde in Katzenbartdetektoren eingesetzt . Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante von PbS reagierten diese Detektoren langsam. Bleiglanz ist das älteste Material, das in Infrarotdetektoren verwendet wurde. Bei Raumtemperatur kann es kurzwelliges Infrarot (SWIR) detektieren ; längere Wellenlängen erfordern Kühlung.
IV-VI2BleitelluridPbTe0,32 [ 5 ]Geringe Wärmeleitfähigkeit, gutes thermoelektrisches Material bei erhöhter Temperatur für thermoelektrische Generatoren.
IV-VI2Zinn(II)-sulfidSnS1,3/1,0 [ 23 ]direkt/indirektZinnsulfid (SnS) ist ein Halbleiter mit einer direkten optischen Bandlücke von 1,3 eV und einem Absorptionskoeffizienten von über 10⁴ cm⁻¹ für Photonenenergien über 1,3 eV. Es handelt sich um einen p-Halbleiter, dessen elektrische Eigenschaften durch Dotierung und Strukturmodifikation gezielt eingestellt werden können. Seit einem Jahrzehnt hat es sich als eines der einfachsten, ungiftigsten und kostengünstigsten Materialien für Dünnschichtsolarzellen etabliert.
IV-VI2Zinn(IV)-sulfidSnS 22.2 [ 24 ]SnS 2 findet breite Anwendung in der Gassensorik.
IV-VI2ZinntelluridSnTe0,18direktKomplexe Bandstruktur.
V-VI, geschichtet2WismuttelluridBi 2 Te 30,13 [ 5 ]Effizientes thermoelektrisches Material nahe Raumtemperatur, wenn es mit Selen oder Antimon legiert wird. Schmalbandiger, geschichteter Halbleiter. Hohe elektrische Leitfähigkeit, niedrige Wärmeleitfähigkeit. Topologischer Isolator.
II-V2CadmiumphosphidCd 3 P 20,5 [ 25 ]
II-V2CadmiumarsenidCd 3 As 20Intrinsischer N - Halbleiter. Sehr hohe Elektronenbeweglichkeit. Verwendung in Infrarotdetektoren, Fotodetektoren, dynamischen Dünnschicht-Drucksensoren und Magnetowiderständen . Jüngste Messungen deuten darauf hin, dass 3D Cd₃As₂ tatsächlich ein Dirac-Halbmetall mit verschwindender Bandlücke ist, in dem sich Elektronen relativistisch wie in Graphen verhalten . [ 26 ]
II-V2ZinkphosphidZn 3 P 21.5 [ 27 ]direktÜblicherweise vom Typ P.
II-V2ZinkdiphosphidZnP 22.1 [ 28 ]
II-V2ZinkarsenidZn 3 As 21.0 [ 29 ]Die niedrigsten direkten und indirekten Bandlücken liegen innerhalb von 30 meV beieinander. [ 29 ]
II-V2ZinkantimonidZn 3 Sb 2Wird in Infrarotdetektoren und Wärmebildkameras, Transistoren und Magnetowiderständen verwendet.
Oxid2Titandioxid , AnatasTiO 23.20 [ 30 ]indirektPhotokatalytisch, n-Typ
Oxid2Titandioxid , RutilTiO 23.0 [ 30 ]direktPhotokatalytisch, n-Typ
Oxid2Titandioxid , BrookitTiO 23.26 [ 30 ][ 31 ]
Oxid2Kupfer(I)-oxidCu₂O​​2.17 [ 32 ]Einer der am besten untersuchten Halbleiter. Viele Anwendungen und Effekte wurden erstmals mit ihm demonstriert. Wurde vor Silizium in Gleichrichterdioden verwendet. P-Halbleiter [ 33 ]
Oxid2Kupfer(II)-oxidCuO1.2N-Halbleiter. [ 34 ]
Oxid2UrandioxidUO 21.3Hoher Seebeck-Koeffizient , hohe Temperaturbeständigkeit, vielversprechend für thermoelektrische und thermophotovoltaische Anwendungen. Wurde früher in URDOX-Widerständen verwendet und leitet auch bei hohen Temperaturen. Beständig gegen Strahlungsschäden .
Oxid2ZinndioxidSnO 23.7Sauerstoffarmer n-Halbleiter. Wird in Gassensoren verwendet.
Oxid3BariumtitanatBaTiO 33Ferroelektrisch , piezoelektrisch . Wird in einigen ungekühlten Wärmebildkameras verwendet. Wird in der nichtlinearen Optik eingesetzt .
Oxid3StrontiumtitanatSrTiO 33.3Ferroelektrisch , piezoelektrisch . Wird in Varistoren verwendet . Leitfähig bei Niob -Dotierung.
Oxid3LithiumniobatLiNbO 34Ferroelektrisch, piezoelektrisch, zeigt den Pockels-Effekt . Weit verbreitet in der Elektrooptik und Photonik.
Oxid, V-VI2monoklines Vanadium(IV)-oxidVO 20,7 [ 35 ]optischStabil unter 67 °C
Geschichtet2Blei(II)-iodidPbI 22.4 [ 36 ]PbI₂ ist ein geschichteter Halbleiter mit direkter Bandlücke von 2,4 eV in seiner Bulk-Form, während seine 2D-Monolage eine indirekte Bandlücke von ~2,5 eV aufweist, wobei die Bandlücke zwischen 1 und 3 eV eingestellt werden kann .
Geschichtet2MolybdändisulfidMoS 21,23 eV (2H) [ 37 ]indirekt
Geschichtet2GalliumselenidGaSe2.1indirektPhotoleiter. Anwendungen in der nichtlinearen Optik. Verwendung als 2D-Material. Luftempfindlich. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]
Geschichtet 2 IndiumselenidInSe 1,26–2,35 eV [ 40 ]direkt (indirekt in 2D) Luftempfindlich. Hohe elektrische Mobilität in wenigen und einzelnen Schichten. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]
Geschichtet2ZinnsulfidSnS>1,5 eVdirekt
Geschichtet2WismutsulfidBi 2 S 31.3 [ 5 ]
Magnetisch, verdünnt (DMS) [ 41 ]3GalliummanganarsenidGaMnAs
Magnetisch, verdünnt (DMS)3Blei-Mangan-TelluridPbMnTe
Magnetisch4Lanthan-Calcium-ManganatLa 0,7 Ca 0,3 MnO 3Kolossaler Magnetowiderstand
Magnetisch2Eisen(II)-oxidFeO2.2 [ 42 ]Antiferromagnetisch . Die Bandlücke von Eisenoxid-Nanopartikeln betrug 2,2 eV und erhöhte sich durch Dotierung auf bis zu 2,5 eV.
Magnetisch2Nickel(II)-oxidNiO3,6–4,0direkt [ 43 ] [ 44 ]Antiferromagnetisch
Magnetisch2Europium(II)-oxidEuOFerromagnetisch
Magnetisch2Europium(II)-sulfidEuSFerromagnetisch
Magnetisch2Chrom(III)-bromidCrBr 3
andere3Kupferindiumselenid , CISCuInSe 21direkt
andere3SilbergalliumsulfidAgGaS 2Nichtlineare optische Eigenschaften
andere3Zink-SiliciumphosphidZnSiP 22.0 [ 20 ]
andere2Arsentrisulfid AuripigmentAls 2 S 32.7 [ 45 ]direktHalbleitend im kristallinen und glasartigen Zustand
andere2Arsensulfid RealgarAls 4 S 4Halbleitend im kristallinen und glasartigen Zustand
andere2PlatinsilizidPtSiWird in Infrarotdetektoren für 1–5 μm verwendet. Einsatz in der Infrarotastronomie. Hohe Stabilität, geringe Drift, geeignet für Messungen. Geringe Quanteneffizienz.
andere2Bismut(III)-iodidBiI 3
andere2Quecksilber(II)-iodidHgI 2Wird in einigen Gamma- und Röntgendetektoren und Bildgebungssystemen verwendet, die bei Raumtemperatur arbeiten.
andere2Thallium(I)-bromidTlBr2.68 [ 46 ]Wird in einigen Gamma- und Röntgendetektoren und Bildgebungssystemen verwendet, die bei Raumtemperatur arbeiten. Wird als Echtzeit-Röntgenbildsensor eingesetzt.
andere2SilbersulfidAg 2 S0,9 [ 47 ]
andere2EisendisulfidFeS 20,95 [ 48 ]Mineral Pyrit . Wurde später in Katzenbartdetektoren verwendet und für Solarzellen untersucht .
andere4Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid , CZTSCu 2 ZnSnS 41,49direktCu 2 ZnSnS 4 wird aus CIGS gewonnen, wobei Indium/Gallium durch häufig vorkommendes Zink/Zinn ersetzt wird.
andere4Kupfer-Zink-Antimonsulfid , CZASCu 1,18 Zn 0,40 Sb 1,90 S 7,22.2 [ 49 ]direktKupfer-Zink-Antimon-Sulfid wird aus Kupfer-Antimon-Sulfid (CAS), einer Verbindung aus der Famatinit-Klasse, gewonnen.
andere3Kupfer-Zinn-Sulfid , CTSCu₂SnS₃​​​0,91 [ 20 ]direktCu₂SnS₃ ist ein p - Halbleiter und kann in Dünnschichtsolarzellen eingesetzt werden.

Tabelle der Halbleiterlegierungssysteme

Die folgenden Halbleitersysteme können bis zu einem gewissen Grad angepasst werden und stellen nicht ein einzelnes Material, sondern eine Klasse von Materialien dar.

Gruppe Grundschule Materialklasse Formel Bandlücke ( eV ) Lückentyp Beschreibung
UntereObere
IV-VI3Blei-Zinn-TelluridPb 1−x Sn x Te00,29Wird in Infrarotdetektoren und für die Wärmebildgebung verwendet.
IV2Silizium-GermaniumSi 1− x Ge x0,671.11 [ 5 ]direkt/indirektDie einstellbare Bandlücke ermöglicht den Aufbau von Heteroübergangsstrukturen . Bestimmte Dicken von Übergittern weisen eine direkte Bandlücke auf. [ 50 ]
IV2Silizium-ZinnSi 1− x Sn x1.01.11indirektVerstellbarer Bandabstand. [ 51 ]
III-V3AluminiumgalliumarsenidAl x Ga 1− x As1,422.16 [ 5 ]direkt/indirektDirekte Bandlücke für x < 0,4 (entsprechend 1,42–1,95 eV); gitterangepasst an das GaAs-Substrat über den gesamten Zusammensetzungsbereich; neigt zur Oxidation; n-Dotierung mit Si, Se, Te; p-Dotierung mit Zn, C, Be, Mg. [ 3 ] Kann für Infrarot-Laserdioden verwendet werden. Wird als Barriereschicht in GaAs-Bauelementen eingesetzt, um Elektronen auf GaAs zu beschränken (siehe z. B. QWIP ). AlGaAs mit einer Zusammensetzung nahe AlAs ist nahezu transparent für Sonnenlicht. Verwendung in GaAs/AlGaAs-Solarzellen.
III-V3IndiumgalliumarsenidIn x Ga 1− x As0,361,43direktGut entwickeltes Material. Kann gitterangepasst an InP-Substrate sein. Anwendung in der Infrarottechnik und Thermophotovoltaik . Der Indiumgehalt bestimmt die Ladungsträgerdichte. Bei x = 0,015 ist InGaAs perfekt an Germanium gitterangepasst und kann in Mehrfachsolarzellen eingesetzt werden. Verwendung findet es in Infrarotsensoren, Lawinenfotodioden, Laserdioden, Glasfaserdetektoren und Kurzwellen-Infrarotkameras.
III-V3IndiumgalliumphosphidIn x Ga 1− x P1,352.26direkt/indirektEs wird für HEMT- und HBT- Strukturen sowie hocheffiziente Mehrfachsolarzellen, z . B. für Satelliten, verwendet. Ga<sub> 0,5</sub> In <sub>0,5</sub> P ist nahezu gitterangepasst an GaAs, wobei AlGaIn für Quantentöpfe in roten Lasern eingesetzt wird.
III-V3AluminiumindiumarsenidAl x In 1− x As0,362.16direkt/indirektPufferschicht in metamorphen HEMT- Transistoren, die die Gitterkonstante zwischen GaAs-Substrat und GaInAs-Kanal anpasst. Kann geschichtete Heterostrukturen bilden, die als Quantentöpfe fungieren, z. B. in Quantenkaskadenlasern .
III-V3AluminiumgalliumantimonidAl x Ga 1− x Sb0,71,61direkt/indirektWird in HBTs , HEMTs , Resonanz-Tunneldioden und einigen Nischenanwendungen in der Optoelektronik eingesetzt. Auch als Pufferschicht für InAs- Quantentöpfe verwendet.
III-V3AluminiumindiumantimonidAl x In 1− x Sb0,171,61direkt/indirektWird als Pufferschicht in InSb-basierten Quantentöpfen und anderen Bauelementen auf GaAs- und GaSb-Substraten verwendet. Außerdem dient es als aktive Schicht in einigen mittel-infraroten LEDs und Fotodioden.
III-V3GalliumarsenidnitridGaAsN
III-V3GalliumarsenidphosphidGaAsP1,432.26direkt/indirektWird in roten, orangen und gelben LEDs verwendet. Wird häufig auf GaP aufgebracht. Kann mit Stickstoff dotiert werden.
III-V3Aluminiumarsenid-AntimonidAlAsSb1,612.16indirektWird als Barriereschicht in Infrarot-Photodetektoren verwendet. Kann gitterangepasst an GaSb, InAs und InP sein.
III-V3Galliumarsenid-AntimonidGaAsSb0,71.42 [ 5 ]direktWird in HBTs und in Tunnelübergängen in Mehrfachsolarzellen verwendet . GaAs 0,51 Sb 0,49 ist gitterangepasst an InP.
III-V3AluminiumgalliumnitridAlGaN3,446.28direktWird in blauen Laserdioden , ultravioletten LEDs (bis 250 nm) und AlGaN/GaN -HEMTs verwendet . Kann auf Saphir gewachsen werden. Wird in Heteroübergängen mit AlN und GaN eingesetzt.
III-V3AluminiumgalliumphosphidAlGaP2.262,45indirektWird in einigen grünen LEDs verwendet.
III-V3IndiumgalliumnitridInGaN23.4direktInGaN <sub>x</sub> ( xGa <sub> 1–x</sub> N) liegt üblicherweise zwischen 0,02 und 0,3 (0,02 für nahes UV, 0,1 für 390 nm, 0,2 für 420 nm, 0,3 für 440 nm). Es kann epitaktisch auf Saphir-, SiC- oder Siliziumwafern abgeschieden werden. In modernen blauen und grünen LEDs werden InGaN-Quantentöpfe eingesetzt, die von Grün bis Ultraviolett effektive Emitter sind. Sie sind unempfindlich gegenüber Strahlungsschäden und eignen sich daher für den Einsatz in Satelliten-Solarzellen. Zudem sind sie unempfindlich gegenüber Defekten und tolerant gegenüber Schäden durch Gitterfehlanpassung. Sie weisen eine hohe Wärmekapazität auf.
III-V3Indiumarsenid-AntimonidInAsSb0,170,36direktAufgrund seiner geringen Bandlücke, die bei Raumtemperatur in InAs 0,4 Sb 0,6 ein Minimum von etwa 0,08 eV erreicht, wird es vorwiegend in Photodetektoren für den mittleren und langen Infrarotbereich eingesetzt.
III-V3IndiumgalliumantimonidInGaSb0,170,7direktWird in einigen Transistoren und Infrarot-Fotodetektoren verwendet.
III-V4Aluminium-Gallium-Indium-PhosphidAlGaInPdirekt/indirektAuch InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP; zur Gitteranpassung an GaAs-Substrate wird der In-Molenbruch auf etwa 0,48 festgelegt, das Al/Ga-Verhältnis wird so eingestellt, dass Bandlücken zwischen etwa 1,9 und 2,35 eV erreicht werden; direkte oder indirekte Bandlücken abhängig vom Al/Ga/In-Verhältnis; verwendet für Wellenlängen zwischen 560 und 650 nm; neigt dazu, während der Abscheidung geordnete Phasen zu bilden, was verhindert werden muss [ 3 ].
III-V4AluminiumgalliumarsenidphosphidAlGaAsP
III-V4IndiumgalliumarsenidphosphidInGaAsP
III-V4Indiumgalliumarsenid-AntimonidInGaAsSbAnwendung in der Thermophotovoltaik .
III-V4Indiumarsenid-Antimonid-PhosphidInAsSbPAnwendung in der Thermophotovoltaik .
III-V4AluminiumindiumarsenidphosphidAlInAsP
III-V4AluminiumgalliumarsenidnitridAlGaAsN
III-V4IndiumgalliumarsenidnitridInGaAsN
III-V4Indium-Aluminium-Arsenid-NitridInAlAsN
III-V4Galliumarsenid-Antimonid-NitridGaAsSbN
III-V5GalliumindiumnitridarsenidantimonidGaInNAsSb
III-V5GalliumindiumarsenidantimonidphosphidGaInAsSbPKann auf InAs, GaSb und anderen Substraten hergestellt werden. Durch Variation der Zusammensetzung kann die Gitteranpassung erreicht werden. Möglicherweise für LEDs im mittleren Infrarotbereich geeignet.
II-VI3Cadmium-Zink-Tellurid , CZTCdZnTe1.42.2direktEffizienter Festkörperdetektor für Röntgen- und Gammastrahlung, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Hoher elektrooptischer Koeffizient . Einsatz in Solarzellen. Kann zur Erzeugung und zum Nachweis von Terahertz-Strahlung verwendet werden. Kann als Substrat für das epitaktische Wachstum von HgCdTe dienen.
II-VI3Quecksilber-Cadmium-TelluridHgCdTe01,5Bekannt als „MerCad“. Weit verbreitet in hochempfindlichen, gekühlten Infrarot- Bildsensoren, der Infrarotastronomie und Infrarotdetektoren. Legierung aus Quecksilbertellurid (einem Halbmetall ohne Bandlücke) und CdTe. Hohe Elektronenbeweglichkeit. Das einzige gängige Material, das sowohl im atmosphärischen Fenster von 3–5 μm als auch von 12–15 μm funktioniert . Kann auf CdZnTe aufgebracht werden.
II-VI3Quecksilber-Zink-TelluridHgZnTe02,25Wird in Infrarotdetektoren, Infrarot-Bildsensoren und der Infrarotastronomie eingesetzt. Besitzt bessere mechanische und thermische Eigenschaften als HgCdTe, jedoch ist die Zusammensetzung schwieriger zu kontrollieren. Die Herstellung komplexer Heterostrukturen ist schwieriger.
II-VI3Quecksilber-Zink-SelenidHgZnSe
II-V4Zink-Cadmium-Phosphid-Arsenid(Zn 1−x Cd x ) 3 (P 1−y As y ) 2 [ 52 ]0 [ 26 ]1.5 [ 53 ]Verschiedene Anwendungen in der Optoelektronik (einschließlich Photovoltaik), Elektronik und Thermoelektrik . [ 54 ]
andere4Kupfer-Indium-Gallium-Selenid , CIGSCu(In,Ga)Se 211.7direktCuIn x Ga 1–x Se 2 . Polykristallin. Wird in Dünnschichtsolarzellen verwendet .

Siehe auch

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