半导体物理中 热缺陷 形成的原理?

热缺陷是由于晶体中的原子(或离子)的热运动而造成的缺陷,从几何图形上看是一种点缺陷,热缺陷的数量与温度有关，温度愈高，造成缺陷的机会愈多。晶体中热缺陷有2种形态，一是肖脱基(Schotty)缺陷，2是弗仑克尔(Frenkel)缺陷。

1)肖脱基缺陷

由于热运动，晶体中阳离子及阴离子脱离平衡位置，跑到晶体表面或晶界位置上，构成一层新的界面，而产生阳离子空位及阴离子空位，不过，这些阳离子空位与阴离子空位是符合晶体化学计量比的。如：MgO晶体中，形成Mg2+和O2-空位数相等。而在TiO2中，每形成一个Ti4+离子空位，就形成两个O2-离子空位。肖脱基缺陷实际产生过程是：由于靠近表面层的离子热运动到新的晶面后产生空位，然后，内部邻近的离子再进入这个空位，这样逐步进行而造成缺陷。

2）弗仑克尔缺陷

弗仑克尔缺陷形成过程为：一种离子脱离平衡位置挤入晶体的间隙位置中去，形成所谓间隙（或称填隙）离子，而原来位置形成了阳离子或阴离子空位。这种缺陷的特点是间隙离子和空位是成对出现的。弗仑克尔缺陷除与温度有关外，与晶体本身结构也有很大关系，若晶体中间隙位置较大，则易形成弗仑克尔缺陷。如AgBr比NaCl易形成这种缺陷。

麻省理工学院在新加坡的研究企业新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的低能电子系统（LEES）跨学科研究小组（IRG）的研究人员与麻省理工学院（MIT）、新加坡国立大学（NUS）和南洋理工大学（NTU）的合作者一起发现了一种 通过使用半导体材料的内在缺陷产生长波长（红色、橙色和黄色）光的新方法，有可能被用作商业光源和显示设备的直接发光器。

这项技术将是对目前方法的一种改进，例如，使用荧光粉将一种颜色的光转换为另一种颜色。

氮化镓(InGaN)LED是一种基于氮化物的第三类元素的发光二极管(LED)，在20多年前的90年代首次制造出来，此后不断发展，变得越来越小，同时也越来越强大、高效和耐用。今天，InGaN LED可以在无数的工业和消费者使用案例中找到，包括信号和光通信以及数据存储，并且在高需求的消费者应用中至关重要，如固态照明、电视机、笔记本电脑、移动设备、增强型（AR）和虚拟现实（VR）解决方案。

对此类电子设备不断增长的需求，推动了二十多年来对半导体实现更高的光输出、可靠性、寿命和多功能性的研究--这导致了对可以发出不同颜色光的LED的需求。传统上，InGaN材料在现代LED中被用来产生紫色和蓝色的光，而磷化镓铝（AlGaInP）--一种不同类型的半导体--被用来产生红色、橙色和黄色的光。这是由于InGaN在红色和琥珀色光谱中的性能不佳，这是因为所需的铟含量较高而导致效率下降。

此外，这种具有相当高的铟浓度的InGaN LED仍然难以用传统的半导体结构制造。因此，实现全固态白光发光器件--需要所有三种原色光--仍然是一个无法实现的目标。

为了应对这些挑战，SMART的研究人员在一篇题为"发光的V-Pit：实现发光富铟铟镓量子点的替代方法"的论文。在他们的论文中，研究人员描述了一种实用的方法，通过利用InGaN材料中预先存在的缺陷，制造出铟浓度高得多的InGaN量子点。

在这个过程中，由材料中自然存在的位错导致的所谓V型坑的凝聚，直接形成了富铟量子点，即能够发射较长波长的光的材料岛。通过在传统的硅衬底上生长这些结构，进一步消除了对图案或非常规衬底的需要。研究人员还对InGaN量子点进行了高空间分辨率的成分测绘，首次提供了对其形态的视觉确认。

除了量子点的形成，堆积断层的成核--另一种内在的晶体缺陷--进一步促进了更长波长的发射。

SMART研究生和该论文的主要作者Jing-Yang Chung说："多年来，该领域的研究人员一直试图解决InGaN量子阱结构中固有缺陷带来的各种挑战。在一个新颖的方法中，我们转而设计了一个纳米坑洞缺陷，以实现InGaN量子点直接生长的平台。因此，我们的工作z明了使用硅衬底进行新的富铟结构的可行性，在解决目前长波长InGaN光发射器效率低下的挑战的同时，也缓解了昂贵衬底的问题。"

这样一来，SMART的发现代表着在克服InGaN在产生红、橙和黄光时效率降低的问题上迈出了重要一步。反过来，这项工作可能对未来开发由单一材料组成的微型LED阵列有帮助。

LEES的共同作者和首席研究员Silvija Gradečak博士补充说："我们的发现对环境也有影响。例如，这一突破可能会带来更迅速地淘汰非固态照明源--如白炽灯--甚至是目前的磷酸盐涂层蓝色InGaN LED，采用全固态混色解决方案，进而导致全球能源消耗的显著减少。"

SMART首席执行官兼LEES首席研究员Eugene Fitzgerald说："我们的工作还可能对半导体和电子行业产生更广泛的影响，因为这里描述的新方法遵循标准的行业制造程序，可以被广泛采用并大规模实施。在更宏观的层面上，除了InGaN驱动的能源节约可能带来的生态效益外，我们的发现也将有助于该领域继续研究和开发新的高效InGaN结构。"

施主和受主杂质可以提供载流子，增大电导率；非施主和受主杂质往往会产生复合中心，减短非平衡载流子寿命；缺陷一般是产生复合中心。各种杂质和缺陷都对载流子都有散射作用，使迁移率降低，降低电导率。

主要影响是自由电子和空穴数量的精确控制。简单说，杂质越多，说明物理材料中的自由电子和空穴精确控制就越差，差可以导致物理指标下降：杂散电流随环境温度增加而增加；PN结的耐压程度和温度系数变劣。

扩展资料：

掺入半导体中的一类杂质或缺陷，它能接受半导体中的价带电子，产生同数量的空穴，从而改变半导体的导电性能.例如，掺入半导体锗和硅中的三价元素硼、镓等原子都是受主.如果某一半导体的杂质总量中，受主的数量占多数，则这半导体是P型半导体，这种杂质或缺陷叫做受主。

半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(Donor)杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。

参考资料来源：百度百科-杂质半导体

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