一种晶体半导体材料系列A MM＇ Q制造技术

一种晶体半导体材料系列Ａ＃－［２］ＭＭ’＃－［３］Ｑ＃－［６］，涉及半导体材料领域，其中Ａ＝Ｎａ，Ｋ，Ｃｓ；Ｍ＝Ｃｕ，Ａｇ；Ｍ’＝Ｇａ，Ｉｎ；Ｑ＝Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ。用反应性融盐法，以Ｋ＃－［２］Ｓｅ＃－［４］为反应性融盐，按１～１．２∶１～１．２∶１～１．２∶５～６的摩尔比，用Ｉｎ粒，Ｃｕ粉，Ｓｅ粉，置于玻璃管中，真空密封后在５００℃～５５０℃反应合成并同时制备单晶体。该系列晶体用于光敏产品计数器、光电继电器及工业生产的自动控制装置。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料领域，特别是涉及一种新型晶体半导体材料系列A2MM’3Q6，其中A＝Na，K，Cs；M＝Cu，Ag；M’＝Ga，In；Q＝S，Se，Te。半导体材料得到广泛应用，主要是因其在热或光等外激发的作用下可以导电，基本原理如下按照能带理论，其基本结论之一是周期场中运动电子的能级形成能带，能带之间有带隙，带隙中不允许电子存在。在晶体周期场中运动的N个电子的能级形成一系列能带，N个电子就填充在这些能带上。被电子完全填满的一系列能带称为满带，能量最高的满带称为价带，其余全空或仅有少量电子填充的能带为导带。价带最高能级(价带顶)和导带最低能级(导带底)之间的能量间隙即为带隙(也称禁带)，通常以Eg表示，Eg比较大的(如约3eV以上)为绝缘体，Eg比较小(如2eV以下)的为半导体。当价带中的电子吸收来自外部的光子，如果光子的能量大于超越带隙所需的能量(即带隙宽度Eg)，电子就会从价带跃迁到导带，此即半导体的导电。电子跃迁分两种情况一种为直接跃迁，相应的半导体为直接带隙半导体；一种为间接跃迁，相应的半导体为间接带隙半导体。间接跃迁是一个二次过程，发生几率很小。目前，在半导体材料领域，第一代半导体材料Si，Ge仍在微电子技术和电力电子
发挥举足轻重的作用；第二代半导体材料，主要为IIIA-VA族化合物半导体，尤其是GaAs，GaP.InP及其固溶体的研究开发已经开始；第三代半导体，即AlN，GaN，SiC等宽禁带化合物在短波光电子器件，高频大功率器件和耐高温器件方面正形成研究与开发的热点；第四代半导体，即以Te，Cd，Hg IIB-VIA族固溶体等为代表的半导体材料则进一步将器件的工作频率扩展到红外波段，使信息的处理由电发展到光，为光电子技术的发展创造了条件。第一代半导体材料Si和Ge因其禁带不够宽(分别为1.08eV和0.67eV)且为间接跃迁型而长期置身光电子学领域之外；在第二，三，四代半导体材料中，有的因某些物理参数的限制而不适合做器件(如GaAs因导热率低而不能用于电力电子器件)，有些不够稳定(如Al的化合物)，有些熔点较高，制备困难(如B的化合物，H-VI化合物及SiC等)。现代科学技术的发展需要具有指定性能的半导体材料。按照器件的需要，在相对容易的条件下制备具有相应性能的材料，一直是人们努力的目标。从组成、结构决定性能的基本原则出发，目前，主要有掺杂和剪裁两种方法。前者是指通过对杂质的种类和浓度在半导体空间分布的有效控制来实现半导体的实用价值，后者则指使用固溶体技术和超晶格技术对材料的能带结构进行合理“剪裁”，以实现半导体的实用价值。二者分别被称为半导体材料的杂质工程和能带工程。能带工程中固溶体技术的基本原理为物理性质会随组分的变化而变化，固溶体的能带结构对组分有依赖性，从而通过控制其组分，实现对材料能带结构的“剪裁”。根据此原理，为得到具有指定性能的材料，长期以来，人们一直在尝试三元、四元化合物半导体材料。由于制备和提纯方面的困难，直到近十年来才有了较大的发展。三元系化合物半导体的典型是黄铜矿(CuFeS2)型化合物半导体。因其具有非常大的非线性光学系数而有可能用做高频发生器。另外，许多三元体系化合物是宽禁带直接跃迁型半导体材料，因而在发光二极管和激光器方面也倍受重视。目前，适合于做光电子器件的三元化合物半导体已行CdGeAs2，AgGaSe2，AgGaS2等多种。四元化合物半导体的一个典型例子是黄锡矿(Cu2FeSnS4)及其类似化合物Cu2CdSnTe4，称为黄锡矿型半导体。人们期望利用能带结构和多种物理性质可以“剪裁”的固体材料来改善激光器、发光二极管、电荷转移器件及那些需要较高的电子饱和漂移速度的场效应晶体管。对这些应用来说，四元半导体材料因其多了一个组分控制参数，可以给材料的性能“剪裁”以更大的自由度。因此，四元化合物半导体材料的研究近期已成为半导体材料领域一个新的亮点。近一段时期以来，比较典型的有如下所列的研究论文和专利KAgSnSe4，Xuean Chen，Xiaoying Huang，Aihua Fu，Jing Li，Lidan Zhangand Hongyou Guo，Chemistry of Materials，2000，12，2385-2391；Cs3AgAs4Se8，M Wachhold and M G Kanatzidis，Inorganic Chemistry，2000，39，2337-2343；Na0.5Pb1.75GeS4，Jennifer A Aitken，Greogry A Marking，Michel Evain，Lykourgos Iodanidis and M G Kanatzidis，Journal of solid state chemistry153，158-169，2000；University sponsored patent on several new non-linear optical materials“Alkali Metal Quaternary Chalcogenides and process for the preparationthereof”United States Patent 5.614,128.Filed March 28 1998；University sponsored patent on several new non-linear optical materials“Alkali Metal chalcogenides of bismuth alone or antimony，”United StatesPatent 5.618,471.Filed March 28 1998。化合物半导体多由元素周期表中间部分的某两种或两种以上元素化合而成。而且最主要的两类半导体化合物的组成元素是关于IVA族元素对称的IIIA-VA族化合物半导体和IIB-VIA族化合物半导体。我们知道，大多数化合物半导体和元素半导体一样，是靠共价键把原子结合在一起的，但含有程度不同的离子键成分。离子键的成分则随其组成元素在周期表中距离的拉开而增大。即IIB-VIA族化合物半导体的离子键成分比IIIA-VA族化合物半导体的离子键成分大。因此，化合物半导体的许多物理性质都与其组成元素在周期表中的位置有关，引存在一定的规律。譬如，完全由IVA族元素组成的元素半导体和化合物半导体的能带结构都属间接跃迁型；IIIA-VA族化合物半导体以GaAs为界，平均原子序数比他小的才是间接跃迁型，而IIB-VIA族化合物半导体全是直接跃迁型；而且IIIA-VA族化合物半导体的禁带宽度通常比较小，而IIB-VIA族化合物半导体的禁带宽度通常比较大。本专利技术的目的就是要找到一种禁带宽度界于上述二者之间的半导体材料且其能带具有较大的可“剪裁”性。为此，需要选择合适的元素来合成一类四元化合物半导体。我们选择了VIA族元素Q(Q＝S，Se，Te)，IIIA族的Ga，In和IB族的Cu，Ag，用AxQy作为反应性融盐，其中A＝Na，K，Cs；x＝1-6；y＝1-6，合成系列新型半导体化合物A2MM’3Q6并得到其单晶体，如用K2Se4作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶体半导体材料系列Ａ↓［２］ＭＭ’↓［３］Ｑ↓［６］，其中Ａ＝Ｎａ，Ｋ，Ｃｓ；Ｍ＝Ｃｕ，Ａｇ；Ｍ’＝Ｇａ，Ｉｎ；Ｑ＝Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，其特征在于：它们的分子式，空间群，单胞参数，单胞内分子数Ｚ，单胞体积Ｖ分别为： Ｋ↓［２］ＣｕＩｎ↓［３］Ｓｅ↓［６］空间群为Ｃ↓［２ｈ］↑［６］－Ｃ２／ｃ（Ｎｏ１５），单胞参数为ａ＝１１．４４５（２）＊，ｂ＝１１．４９５（２）＊，ｃ＝２１．２６３（４）＊，β＝９７．６８（３）°，Ｚ＝８，单胞体积Ｖ＝２７７２．１９＊↑［３］； Ｋ↓［２］ＡｇＩｎ↓［３］Ｓｅ↓［６］空间群为Ｃ↓［２ｈ］↑［６］－Ｃ２／ｃ（Ｎｏ１５），单胞参数为ａ＝１１．６３２（１）＊，ｂ＝１１．５８７（１）＊，ｃ＝２１．３５５（１）＊，β＝９８．０１（２）°，Ｚ＝８，单胞体积Ｖ＝２８５０．３８＊↑［３］； Ｋ↓［２］ＣｕＧａ↓［３］Ｓｅ↓［６］空间群为Ｃ↓［２ｈ］↑［６］－Ｃ２／ｃ（Ｎｏ１５），单胞参数为ａ＝１１．０３１（２）＊，ｂ＝１１．０５０（４）＊，ｃ＝２０．８０８（７）＊，β＝９７．７１°（２），Ｚ＝８，单胞体积Ｖ＝２５１３．４１＊↑［３］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马宏伟，郭国聪，黄锦顺，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：35[中国|福建]