第四章：化合物半导体材料_《半导体材料》课件

砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
最大频率范围
最大操作温度
电子迁移速率 抗辐射性 具光能 高频下使用 功率耗损 元件大小 材料成本 产品良率
2～300GHz 200oC 高 高 是 杂讯少 小 小 高 低
硅 <1GHz 120oC
低 低 否 杂讯多，不易克 服 高 大 低 高
GaAs非常适合高频无线通讯
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 被白光LED取代
节省110亿度电，约合 1座核电厂发电量。
美国半导体照明计划



从2000年起国家投资5 亿美元 到2010年 55%的白炽灯 和荧光灯被半导体灯 取代 每年节电达350亿美元 2015年形成每年500亿 美元的半导体照明产 业市场
日本21世纪照明计划

3. 改善军事系统与装备性能。 高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军 事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功 率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的 工作温度将提高到300℃，不仅将大大提高雷达 （尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智 能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航 天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一 系列难题。

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ



InP是重要的衬底材料
4.1.3 GaN

宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度 （2.3～6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和 紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半导体 材料都无法达到的

GaN禁带宽度为3.4 eV
GaN性质

高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为 80G） 高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、军 事和其它高温环境） 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好

手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA），由于对放大功率的严格要求， 因此使用GaAs制造将是最佳方式。
GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、 低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高 等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路， 特别是功率放大器的主流制程技术。
日亚公司1994年首创用MOCVD制备 了GaN LED
市场分布分析
2003年全球GaN基LED芯片产量

按全球LED市场划 分，目前市场主要 集中在日本、美国、 欧洲等发达国家和 地区，仅日本、美 国市场就占到全球 的60％以上。 按应用领域划分，目前，高亮度LED主要用途及市场 有显示器背光源（如手机、PDA）、标志（如户外显 示）、景观照明、汽车、电子设备、交通信号灯及照 明等。
有线电视 GPS 卫星电视 Wireless LAN
Point-to-point Radio VSAT（小型卫星地面站） 卫星移动电话 宽频卫星服务 汽车雷达控制系统 电子收费系统
2）GaAs是功率放大器的主流技术

砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率 方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主， 内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细 微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。

手机是促进GaAs IC市场增长的主要 动力

根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。 2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008年将达37亿美元 GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是 主要增长动力，2003年无线市场占GaAs器件总体需求 的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增 长，但2008年手机仍将至少占GaAs市场的33% 随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为 双频和三频，预计光手机这项需求，2008年GaAs芯片 将达到30亿颗
氮化镓与其它半导体材料的比较
半导体材料 特性 能阶带 300K电 子迁移 饱和电 压 临界崩 溃场效 热传导 介电常 数 单位 硅 eV Cm2/vs 107cm/s MV/cm V/cm*k ε 1.1 1500 1.0 0.3 1.5 11.8 砷化镓 1.42 8500 1.3 0.4 0.5 12.8 磷化铟 1.35 5400 1.0 0.5 0.7 12.5 碳化硅 2.3 700 2.0 3.0 4.5 10.0 氮化镓 3.44 1000~ 2000 1.3 3.0 >1.5 9.0
应用领域 个人通讯服务 频率范围 900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS） 2.2～2.4GHz（3G wireless） 50～1000MHz 1.6GHz 11～13GHz 900MHz 2.4、5.8、60GHz 6、8、11、15、18、23、38、60GHz 6、14、28GHz 1.6、2.5GHz（subscriber） 20、23、29GHz（up/down/crosslink） 28GHz 76～77GHz 5.8GHz
InP InN AlN
纤锌矿 闪锌矿
闪锌矿 纤锌矿 纤锌矿
3.4 0.35
1.35 2.05 6.24
900 8.1×1014
6.9×107
10 450
150 14
3300
5400 4400 300
III-V族化合物半导体性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV
（2）直接跃迁能带结构 －－光电转换效率高 （3）电子迁移率高－－高频、高速器件

砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频” 传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品 质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合 传输影音内容，符合现代远程通讯要求。 一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯 号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号” 的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在 于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传 送不佳的障碍。 砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。

投入资金50亿日元 到2007年 30%的白炽 灯被置换为半导体照 明灯
高亮度白光LED的实现
通过红、绿、蓝三种 LED组合成为白光
基于紫外光LED，通 过三基色粉，组合成 为白光
基于蓝光LED，通过 黄色荧光粉激发出黄 光，组合成为白光
h Eg h
Ge： Eg＝0.67 eV GaP：Eg＝2.25 eV GaN：Eg＝3.4 eV 红光 绿光 蓝光
第四章 化合物半导体 材料
李斌斌
化合物半导体材料

III－V族化合物半导体材料
II－VI族化合物半导体材料

4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 GaAs GaP 晶体结 构 闪锌矿 闪锌矿 带隙 1.42 2.27 ni 1.3×106 un 8500 150 up 320 120
GaN InAs
带隙和温度的关系
Eg (T ) Eg (0)
T
2
T
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构
闪锌矿结构
纤锌矿结构
离子键和极性

共价键－－没有极性
离子键－－有极性


两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面
（2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性

3）GaAs还有更多的应用领域

光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑 “信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信 传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。 随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、 测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见 光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有 极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十 分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。 我国数十亿只LED管芯，所有的可见光激光器、高亮度 发光管、近红外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高 质量的低阻GaAs单晶，促进LED管芯、可见光激光器、 高亮度发光管和高效率高效太阳能电池的商品化生产， 将有力地发展我国民族的光电子产业。
GaN的应用

1. 实现半导体照明。 国内外倍加关注的半导体照明是一种新 型的高效、节能和环保光源，将取代目 前使用的大部分传统光源，被称为21世 纪照明光源的革命，而GaN基高效率、 高亮度发光二极管的研制是实现半导体 照明的核心技术和基础。

2. 提高光存储密度. DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光 器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波 长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用 GaAs基半导体激光器的同类产品提高4－5倍，因 此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的 主流技术。
半导体照明是21世纪最具发展前景 的高技术领域之一
地区＼条件· 效益 条件 能源节约 降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 白光LED取代
每年节省350亿美元电 费。
每年减少7.55亿吨二氧 化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。



耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）
高压特性（耐冲击，可靠性高） 大功率（对通讯设备是非常渴望的）


发光二极管 LED

发光二极管LightEmitting Diode 是由数 层很薄的掺杂半导体材 料制成。
当通过正向电流时，n区 电子获得能量越过PN结 的禁带与p区的空穴复合 以光的形式释放出能量。