無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料GaAs的結(jié)構(gòu)、制備及應(yīng)用

1、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料gaas的結(jié)構(gòu)、制備及應(yīng)用姓名：陳建春年級(jí)：2008級(jí)應(yīng)用物理(1)學(xué)號(hào)：20084113天津理工大學(xué)理學(xué)院摘要：20世紀(jì)50年代,半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)主要采用錯(cuò)單晶材料,到了 60年代, 由于硅單晶材料的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)錯(cuò),因而半導(dǎo)體硅得到了廣泛的應(yīng)用,在半導(dǎo)體 材料中硅己經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。大規(guī)模集成電路的制造都是以硅單晶材料為主的, 11卜v族化合物半導(dǎo)體如伸化傢、磷化際 鈕化鋼等也越來(lái)越受到人們的重視, 特別是神化鐐具冇硅、錯(cuò)所不具備的能在高溫度頻下工作的優(yōu)良特性,它還有更 大的禁帶寬度和電了遷移率,適合于制造微波體效應(yīng)器件、高效紅外發(fā)光二極管 和半導(dǎo)體激光器,因而礎(chǔ)化鐐是一種很冇發(fā)

2、展前途的半導(dǎo)體材料。隨著大規(guī)模集 成電路制造工藝水平的提高,半導(dǎo)體化學(xué)的研究領(lǐng)域和對(duì)象也將不斷地?cái)U(kuò)展。 礎(chǔ)化鑄(gaas)是111- v組化合物半導(dǎo)體屮最重要、用途最廣的半導(dǎo)體材料。關(guān)鍵詞：gaas結(jié)構(gòu)性質(zhì)制備應(yīng)用1. 引言化合物半導(dǎo)體材料神化鐐(gaas)和磷化鋼(inp)是微電子和光電子的基礎(chǔ)材 料，而gaas則是化合物半導(dǎo)體中最重要、用途最廣泛的半導(dǎo)體材料,也是目前研 究得最成熟、生產(chǎn)量大的化合物半導(dǎo)體材料。由于gaas k有電了遷移率高、禁 帶寬度大且為直接帶隙，容易制成半絕緣材料、本征載流子濃度低、光電特性好、 以及具有耐熱、抗輻射性能好和對(duì)磁場(chǎng)敏感等優(yōu)良特性。用gaas材料制作的器

3、 件頻率響應(yīng)好、速度快、工作溫度高,能滿足集成光電子的需要。它是口前最重 要的光電子材料，也是繼硅材料之后最重要的微電子材料，它適合于制造高頻、高 速的器件和電路。2. 基本結(jié)構(gòu)原理gaas是一種無(wú)機(jī)非線性光學(xué)材料，它的導(dǎo)帶極小值位于k=0處，等能面是 球形等能面。導(dǎo)帶底電子冇效質(zhì)量是各向同性的。me=0.068m0o由于這一導(dǎo)帶 底對(duì)應(yīng)的能量水平較低，故相應(yīng)的極值能谷稱為下能谷。與此同時(shí)，在100方 向述存在另一極小值，能量比k=0的極小值高0.36evo由丁它的能帶曲率小， 故對(duì)應(yīng)的電子有效質(zhì)量大，me*=1.2m0,該導(dǎo)帶的底部能量水平高，故稱為上能 谷。gaas的價(jià)帶極值位于k=0處，

4、而且也有兩支在k=0重合。有一支重空穴， 一支輕空穴。重空穴所在能帶，空穴冇效質(zhì)量為(mp)h=o.45mo；輕空穴所在能帶， 空穴有效質(zhì)量為(mp)1=0.082m0ogaas的能帶結(jié)構(gòu)有下述特點(diǎn)： gaas導(dǎo)帶極小值k=0處，價(jià)帶極大值也在k=0處，為直接帶隙型。對(duì)gaas來(lái)說(shuō)，eg=1.34ev,因此gaas屮電子躍遷產(chǎn)生或吸收的光子波長(zhǎng)入=9x 102nm,光了的波失大致是qtxlotm",而電了的波失k=2 ji /ao對(duì)于gaas, a=0.564nm,因此k10*cm，。顯然光子波失比電子波失小得多，可忽略不計(jì)。 這時(shí)k' = kk'為躍遷后電子的波失；

5、k為躍遷前電子的波失；q為光子的波失。這說(shuō)明，電 了吸收光了產(chǎn)生躍遷時(shí)，雖然電了能量增加，但波失仍保持不變。因此在尋求新 的發(fā)光材料時(shí)，一般總是優(yōu)先選用直接躍遷型材料。由于能帶是直接躍遷型，故 用它做發(fā)光器比較合適，但其發(fā)光波氏在紅外區(qū)。 gaas材料具有負(fù)阻特性。這是因?yàn)間aas在100方向上具有雙能谷能帶結(jié) 構(gòu)。除k=0處導(dǎo)帶有極小值外，在100方向邊緣上存在著另一個(gè)比中心極小值 僅高0.36ev的導(dǎo)帶極小值。因此電了可處于主、次兩個(gè)能谷。在室溫下，主能 谷屮的電子很難躍遷到次能谷中去。一旦外電場(chǎng)超過(guò)一定的閾值，電子就可能由 遷移率大的主能谷轉(zhuǎn)移到遷移率小的次能谷，從而出現(xiàn)電場(chǎng)增大、電流減

6、小的負(fù) 阻現(xiàn)象。 gaas和ge、si在300k吋的禁帶寬度瓦分別為1.43ev、0.67ev、1.12ev,可 見(jiàn),gaas比ge、si大得多，對(duì)晶體管而言，其工作溫度的上限是與材料正比的。因此gaas器件可在450°c下工作，而且禁帶寬度使器件的擊穿電壓大, 適于作功率器件。此外,gaas具有比si大得多的電子遷移率，可用作高頻和高 速器件。3.應(yīng)用研究gaas的禁帶寬度大，工作溫度高，適合制作大功率器件。由于電子遷移率高, 有效質(zhì)量小，用gaas制作的半導(dǎo)體器件工作速度快，噪聲很低。gaas在微波器件 上也冇廣泛的應(yīng)用，如耿氏二極管、肖特基二極管、變?nèi)荻O管、隧道二極管、 雪崩

7、二極管等。由于gaas為直徑帶隙半導(dǎo)體,光電轉(zhuǎn)換效率和發(fā)光效率都非常高，所以gaas 適合于制作太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。gaas的光吸收系數(shù)高, 適合于制作紅外探測(cè)器件。另外，ga是半導(dǎo)體材料而且還具冇絕緣性質(zhì)，這在半導(dǎo)體集成電路的集成技 術(shù)上有很多方便z處，所以gaas是集成電路制造中極有而途的半導(dǎo)體材料。新型半導(dǎo)體材料gaas廣泛用于半導(dǎo)體激光器,其作用原理乃是基于電子和 空穴的輻射復(fù)合現(xiàn)彖。gaas作為半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)，其激勵(lì)方式有結(jié)、電子束、 光、雪崩擊穿等。優(yōu)點(diǎn)是，體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，特別適于飛機(jī)、 軍艦、車輛和宇宙飛船上使用；缺點(diǎn)是激光性能受溫度影響

8、大。gaas薄膜太陽(yáng)能電池，優(yōu)點(diǎn)質(zhì)量輕，可制成大面積膜而且還可以彎曲，缺點(diǎn)是 工藝復(fù)雜、質(zhì)量不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率也不夠高，耳實(shí)際只有4.5%80%。由gaas制備的發(fā)光二極管具有發(fā)光效率高、低電壓、小電流、低功耗、高 速響應(yīng)和高亮度等特性，易與晶體管和集成電路相匹配，用作固體顯示器、訊號(hào)顯 示、文字?jǐn)?shù)字顯示等器件。gaas隧道二極管具有高遷移率和短壽命等特性用于計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)時(shí)，速度快、 時(shí)間短。gaas是制備場(chǎng)效應(yīng)品體管最合適的材料。振蕩頻率目前已達(dá)數(shù)百千兆 赫以上，主要用于微波及毫米波放大、振蕩、調(diào)制和高速邏輯電路等方面gaas材料的應(yīng)用不僅開(kāi)創(chuàng)了碩果累累的光電時(shí)代，還將固體電子器件的工 作頻率擴(kuò)

9、展到mm波和um波頻段。gaas材料的制備主要冇從熔體中生長(zhǎng)體單品和外延生長(zhǎng)薄層單品等方法。 gaas單晶的制備主要有水平布里奇曼法和液態(tài)密封法。 水平布里奇曼法又叫橫拉法兩溫區(qū)hb法的加熱爐分為低溫爐與高溫爐, 它們分別供電、測(cè)溫和控溫高溫爐外部?jī)右粋€(gè)開(kāi)冇觀察孔的保溫爐，它裝在區(qū)熔 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，可以左右移動(dòng)。反應(yīng)室為i員i柱形石英管，中間有石英隔窗，一端放有金 剛砂打毛后清洗干凈的右英舟，另一端則裝碑。為了使整個(gè)體系能保持冇9xlo4pa 的碎蒸氣，裝碎量要比按化學(xué)計(jì)量計(jì)算的量要多一些。用橫拉法生長(zhǎng)gaas單晶的 主要問(wèn)題是“粘舟''，即gaas與石英舟粘在一起不易分開(kāi)。這可

10、以通過(guò)將石英舟噴 砂打毛，或?qū)娚昂蟮氖⒅塾胓a在1000-1100°c高溫下處理10h.另外脫氧時(shí)真 空度要高。合成及拉晶時(shí)嚴(yán)格控制溫度并防止ga與as化學(xué)比的偏離來(lái)解決。 目前用這種方法可以拉制截而最大直徑為75mm的gaas單品。 液態(tài)密封法也稱lep或lec法，它是在高壓爐內(nèi)，將欲拉制的化合物材 料盛于石英劃圳屮，上面覆蓋一層透明而黏滯的惰性熔體,將整個(gè)化合物熔體密 封起來(lái)，然后再在惰性熔體上充以一定壓力的惰性氣體，用此法來(lái)抑制化合物材 料的離解，用這種方法技術(shù)可以拉制gaas、inp、gap等大直徑單晶。目而用這 種方法可拉制出直徑150mm,重達(dá)十幾克的gaas單品，無(wú)

11、錯(cuò)位的gaas單品直 徑可達(dá)100mm ogaas單晶薄膜的制備主要是應(yīng)用外延生長(zhǎng)技術(shù)，包括液相外延(lpe)、氣相 外延(vpe)、分子束外延(mbe)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)淀積(mocvd),外延材料質(zhì) 量大大提高。外延工藝是器件制作的關(guān)鍵工藝，可在單晶襯底上生長(zhǎng)不同材料、 不同薄膜厚度的單品bm層。gaas外延工藝具有生長(zhǎng)溫度低、原料能得到有效提純、雜質(zhì)污染少、可控 摻雜等特點(diǎn),可以得到任意厚度、完整性好和均勻性好的外延片。4.結(jié)論新型半導(dǎo)體材料gaas的發(fā)展規(guī)律趨勢(shì)是增大晶體直徑，提高材料的電學(xué)和 光學(xué)微區(qū)均勻性。盡管gaas材料也存在一些不利因素,如:材料熔點(diǎn)蒸氣壓高、 組分難控制、單晶生長(zhǎng)速度慢、材料機(jī)械強(qiáng)度弱、完整性差及價(jià)格昂貴等，然而 其所具有的獨(dú)特性能及在軍事、民用和產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的廣泛用途，都極大的引起各 國(guó)的高度重視，并投入大量資金進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究。我國(guó)應(yīng)隨著我們的經(jīng)濟(jì)和國(guó)力 的發(fā)展而加快