砷化镓晶体定向及籽晶加工制造
砷化镓半导体材料解读
1.2 GaAs太阳电池 早在1956年，GaAs太阳电池就已经被研制。 20世纪60年代，同质结GaAs太阳电池的制备和 性能研究开始发展，一般采用同质结p-GaAs/nGaAs太阳电池，由于GaAs衬底表面复合速率大 6 于10 cm/s，入射光在近表面处产生的光生载流 子出一部分流向n-GaAs区提供光生电流外，其 余则流向表面产生表面复合电流损失，使同质结 GaAs太阳电池的光电转换效率较低。
极性：砷化镓具有闪锌矿型结构，在[111]方向上，由
一系列的Ⅲ族元素Ga及Ⅴ族元素As组成的双原子层
（也是电偶极层）依次排列。在[111]和
是不等效的，从而具有极性，如图1.2所示 。
方向上
存在Ga面和As面，在这两个面上形成两种不同
的悬挂键，如图1.3所示，As面的未成键电子偶促使表
面具有较高的化学活泼性，而Ga面只有空轨道，化学
图2.1.LEC法示意图
2.水平布里奇曼法（HB）
图2.2.HB法示意图
该方法的特点使熔体通过具有一定梯度的温区而获得单晶生长
2.1 GaAs单晶材料的制备
LEC法和HB法是初期的GaAs晶体生长的工艺方法，有一定的 优点和缺点。 HB法 优点——单晶的结晶质量高，工艺设备较简单。 缺点——晶锭尺寸和形状受石英舟形状的限制，最大晶体尺寸 为2.5寸；生长周期长，同时熔体与石英舟反应引入 硅的沾污，无法得到高纯GaAs单晶。 LEC法 优点——可生长适用于直接离子注人的高纯非掺杂半绝缘单晶， 单晶纯度高，尺寸大，适于规模生产。 缺点——是结晶质量略差，位错密度较高，生长工艺复杂，工 艺设备昂贵，成本高。 为了进一步提高单晶的质量，随后又发展了一些新工艺，主 要是垂直梯度凝固法(VGF )和垂直布里奇曼法(VB ) 。
晶圆
2007-11-17 13:07:00漫谈晶圆---讲述沙子转变成晶体及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤介绍高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆。
在上世纪60年代开始使用的是1²直径的晶圆，而现在业界根据90年代的工艺要求生产200毫米直径的晶圆。
300 毫米直径的晶圆也已经投入生产线了，而根据SIA的技术路线图，到2007年，300毫米将成为标准尺寸。
以后预期会是400毫米或450毫米直径的晶圆。
大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。
然而，这对晶圆制备的挑战是巨大的。
大直径意味着高重量，这就需要更多坚固的工艺设备。
在晶体生长中，晶体结构上和电学性能一致性及污染的问题是一个挑战，这些挑战和几乎每一个参数更紧的工艺规格要求共存。
与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。
半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。
到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。
制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：晶圆制备阶段**矿石到高纯气体的转变**气体到多晶的转变**多晶到单晶，掺杂晶棒的转变**晶棒到晶圆的制备半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。
提纯从化学反应开始。
对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。
杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。
硅化物再和氢反应（图3.1）生成半导体级的硅。
这样的硅的纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。
1它有一种称为多晶或多晶硅（polysilicon）的晶体结构。
晶体材料材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式。
有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体（crystals）。
原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶或无定形（amorphous）。
砷化镓生产工艺流程_[全文]
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砷化镓生产工艺流程一、备料工序流程1、备料处理：⑴对坩埚及备件的处理①将石英件和PBN坩埚放入煅烧炉中煅烧（目的是除去坩埚表面的杂质）②将石英件和PBN坩埚送入腐蚀间用王水进行酸洗（目的是除去附着在坩埚上的金属离子）③将石英件和PBN坩埚用纯水清洗（目的是洗去酸液）④将石英件和PBN坩埚用超声波清洗（目的是除去剩余的小颗粒杂质）⑤将石英件和PBN坩埚送入烘干箱中烘干（目的是除去水分）⑥将石英件和PBN坩埚送入装料间备用。
⑵籽晶、多晶的处理①用砂纸对籽晶和多晶进行打磨②将籽晶和多晶送入腐蚀间用王水进行酸洗（目的是除去附着在籽晶和多晶的金属离子）③将籽晶和多晶送入清洗间用纯水进行清洗（目的是洗去酸液）④用沸水清洗⑤将籽晶和多晶送入烘干箱内烘干⑥将籽晶和多晶送入装料间备用在（1）（2）工序完成之后在装料间装料送入单晶炉中进行单晶的拉制2、单质砷和单质镓直接送入装料间的手套箱内3、B2O3送入烘干箱烘干、破碎后送入手套箱内在2，3工序完成之后在手套箱内对各种物料进行配比、称重。
在完成装料后送入合成炉中合成多晶。
二、整体工艺流程1、将单质砷和单质镓按一定的比例装入PBN坩埚中并加入B2O3作覆盖剂2、将配比好的物料及PBN坩埚一起送入合成炉中进行多晶的合成3、在多晶合成完成之后对多晶进行一定的处理后送入单晶炉中进行单晶的拉制4、在单晶拉制完成后要把单晶送入退火炉中退火5、在完成退火之后要对单晶进行初加工（初加工包括：定向、滚圆、切割、倒角、磨片、清洗等定向：简单的说就是将一束电子打入晶棒之中，通过电子的流向测试晶棒应该在什么方位，什么角度进行切割。
滚圆：就是将晶棒打磨成圆形。
切割：就是将晶棒切成01></a>.6~0.8mm的薄片。
倒角：就是将切割成的薄片的边缘切成斜角。
磨片：就是对薄片进行初步的打磨。
清洗：就是对打磨完成的薄片用水进行冲洗。
）6、在完成初加工后，晶片还需要进行精加工（精加工包括：抛光、清洗）7、在完成精加工后直接将抛光片进行真空封装并送入成品库。
砷化镓
图2.1.LEC法示意图
2.1 GaAs单晶材料的制备
2.水平布里奇曼法（HB）
图2.2.HB法示意图
该方法的特点使熔体通过具有一定梯度的温区而获得单晶生长
2.1 GaAs单晶材料的制备
LEC法和HB法是初期的GaAs晶体生长的工艺方法，有一定 的优点和缺点。
HB法
优点——单晶的结晶质量高，工艺设备较简单。 缺点——晶锭尺寸和形状受石英舟形状的限制，最大晶体尺寸
GaAs晶体生长方法有：
2.1 GaAs单晶材料的制备
1.液封直拉法（LEC）
液封直拉法的过程：在一密闭的高压容器内设计好的热系统中，放 置一热解氮化硼（PBN）坩埚，坩埚中装入化学计量比的元素砷、镓和 液封剂氧化硼，升温至砷的三相点后，砷液化和镓发生反应，生成砷化 镓多晶，将砷化镓多晶熔化后，将一颗籽晶与砷化镓熔体相接，通过调 整温度，使砷化镓熔体按一定晶向凝固到籽晶上，实现晶体生长。LEC 法示意图如图2.1所示。
GaAs砷化镓
OUTLINE
GaAs半导体材料的特性 GaAs半导体材料的制备
GaAs半导体材料的应用
GaAs材料的特性
1.1GaAs材料晶体特性
晶体结构：GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格结构， 如图1.1所示。
化学键：四面体键，键角为109°28‘，主要为共价成分。 由于镓、砷原子不同，吸引电子的能力不同，共价键倾向 砷原子，具有负电性，导致Ga-As键具有一定的离子特性， 使得砷化镓材料具有独特的性质。
GaAs材料的制备
2.GaAs材料的制备工艺
GaAs材料的制备，包括GaAs单晶材料
的制备、晶体的加工和将单晶材料加工成外 延材料，外延材料能直接被用于制造IC器件。 其中最主要是GaAs单晶材料的制备。
晶圆工艺过程
漫谈晶圆---讲述沙子转变成晶体及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤介绍高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆。
在上世纪60年代开始使用的是1²直径的晶圆，而现在业界根据90年代的工艺要求生产200毫米直径的晶圆。
300 毫米直径的晶圆也已经投入生产线了，而根据SIA的技术路线图，到2007年，300毫米将成为标准尺寸。
以后预期会是400毫米或450毫米直径的晶圆。
大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。
然而，这对晶圆制备的挑战是巨大的。
大直径意味着高重量，这就需要更多坚固的工艺设备。
在晶体生长中，晶体结构上和电学性能一致性及污染的问题是一个挑战，这些挑战和几乎每一个参数更紧的工艺规格要求共存。
与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。
半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。
这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。
制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：晶圆制备阶段**矿石到高纯气体的转变**气体到多晶的转变**多晶到单晶，掺杂晶棒的转变**晶棒到晶圆的制备半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。
提纯从化学反应开始。
对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。
杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。
硅化物再和氢反应（图 3.1）生成半导体级的硅。
这样的硅的纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。
1它有一种称为多晶或多晶硅（polysilicon）的晶体结构。
晶体材料材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式。
有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体（crystals）。
原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶或无定形（amorphous）。
塑料是无定形材料的例子。
砷化镓的制备和使用1
砷化镓的制备和应用摘要：砷化镓（SaAs）半导体材料与传统的硅材料相比有着自己特有的属性。
砷化镓属III-V族半导体,具有高速、高频、耐高温、低噪声和发光等特点.是继锗、硅之后最主要的半导体材料之一.它具有迁移率高,禁带宽度大(1.43eV),抗辐射等特点。
因此我们在这里讲述一下砷化镓的制备和应用。
英文摘要：Gallium arsenide (SaAs) semiconductor materials and the traditional material than silicon has their own special attributes. Gallium arsenide of iii-v semiconductor, high speed, high frequency, high temperature resistant, low noise and light, etc. Is the silicon germanium, after one of the most major semiconductor materials. It has a high mobility, forbidden band width big (1.43 eV), resist radiation etc. Characteristics. So here we describe a gallium arsenide of preparation and application.关键词：砷化镓、水平布里奇曼法（横拉法）、液态密封法、制备、通讯应用引言：砷化稼材料是除硅单晶之外最重要、用途最广泛的化合物半导体材料之一。
在微电子和光电子领域有巨大的应用空间，主要用于制作高速、高频、大功率电子器件。
随着全球半导体产业的发展，砷化稼晶片的需求迅速增大，我们在这里就来研究一下砷化镓的制备和应用。
内容：制作砷化镓的方法有两种：一种是水平布里奇曼法又叫横拉法；另一种叫做液态密封法又叫LEP法或者LEC法。
第三章 半导体晶体定向
（2）晶体定向是研究晶体各种物理性质方向性的基础。
3、晶向指数和晶面指数 （1）定义：在晶体中存在着一系列的原子列或原子平面， 晶体中原子组成的平面叫晶面，原子列表示的方向称 为晶向。 为了便于表示各种晶向和晶面，需要确定一种统一的 标号，称为晶向指数和晶面指数，国际上通用的是密 勒（Miller）指数。
3、通过晶体反射光像的对称性以及光图中心的偏离角， 来确定晶体的生长方向及晶体的晶向偏离角。如图所示
腐蚀面 腐蚀坑底面
A
图3-2-1 入射光通过光屏中心孔 照射到样品经反射后在光屏上产 生的光像
图 3-2-2 入射光被腐蚀坑底主晶 面所反射
二、测试仪的特点
1、光点定向设备简单，准确度也比较高。 2、光源已用激光源直接代替透镜系统，可以获得高亮度和高准 确度的照明光束。
5、晶带定理及应用
（1）晶带定理：
C1
相交于同一直线(或平行于同一 直线)的所有晶面的组合称为晶 带，该直线称为晶带轴，同一 晶带轴中的所有晶面的共同特 点是，所有晶面的法线都与晶 带轴垂直(如图1-23所示)。
C2
设有一晶带其晶带轴为[uvw]晶向，该晶带中任一晶面为 (hkl)，则由矢量代数可以证明晶带轴[uvw]与该晶带的任一 晶面(hkl)之间均具有下列关系： hu+kv+lw =0
C
晶面DOF： (111 )
晶面ABCD： (001 )
G
H E F
晶面AIHO：(210)
O
例2：在立方晶系中画出（210）（ 1 2 1） 晶面。
Z
o Y
X
如图所示，立方晶系中的晶面与晶向：（指数相同的 晶面和晶向相互垂直）
砷化镓半导体材料论文
接下来我将就制备单晶中涉及到的一些问题和知识进行一些讨论.
(1)制备出的单晶可能受到si的污染。这里有些能够抑制si污染的方法：
1、采用三温区横拉单晶炉改变炉温分布。
2、降低合成GaAs及拉晶时高温区温度。
3、压缩反应系统与GaAs熔体的体积比。
4、反应系统中添加O2、Ga2O3、As2O3，减少Si的影响。
制备砷气压有两种方法：一是采用石英密封系统，系统置于双温区炉中，低温端放As源控制系统中砷气压，高温端合成化合物并拉制晶体，而整个系统的问的都必须高于As源端温度，以防止As正气凝结。目前使用的水平布里奇曼法是这一类，污染少，纯度较高。第二种方法是在熔体上覆盖惰性熔体，在向单晶炉内充入大于熔体离解压的惰性气体，以控制熔体离解，一般惰性熔体用的是B2O3，所以这种方法通常称为B2O3液态密封法。生产效率高。
正文：首先，简单介绍一下半导体材料的一些特性和发展历史。导电能力介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能，可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁灯外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的导电率。同时也是因为这些因素使得半导体材料可以制成多种多样的元器件，称为现代工业的基础。
下面我选择介绍的是GaAs，这是一种Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料，到目前为止是一种用来制作微波器件和集成电路的重要材料。类比于其他种类的半导体材料，GaAs具有Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料的独特性质：带隙大，制作的期间耐受较大功率，工作温度更高；为直接跃迁型带隙，因而光电转换效率高，适合制作光电器件；电子迁移率高，适合制作高频、高速器件。
GaAs是闪锌矿结构：V族原子的5个共价键电子中拿出一个给Ⅲ族原子，相互作用产生sp³杂化，形成类似金刚石结构的共价键。GaAs在300K时禁带宽度Eg为1.43eV，最高工作温度450。GaAs单晶的（111）A和（111）B面有不同的腐蚀性。
第五章 晶圆制备
3.5.7未来趋势 CZ单晶生长过程最新的两个变更： 1.在CZ生长期间使用磁场，MCZ。 2.另一种正在研究的提高晶体性能均匀性的 方法是双层坩埚法。
3.6 晶体和晶圆质量 •晶体缺陷：就是在重复排列的晶胞结构中出 现的任何中断。 •缺陷密度：在工艺过程中，由于各种原因在 每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。减少缺 陷密度是提高硅片成品率的重要方面。
• 填隙原子和空位并不总停留在它们产生时 的位置，这两种缺陷都可以在晶体中运动， 也可能迁移到晶体的表面，并在表面消失。 • 空位和自填隙原子都是本征缺陷。 • 如同人们谈到的半导体中本征载流子的情 形，完整的晶体在超过热力学温度0K的温 度下都会出现本征缺陷。热激发能使少量 的原子离开它们正常的晶格位置，并在该 位置留下空位。
6. 收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体 温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。
3.5.2 液体掩盖直拉法
此方法主要用来生长 砷化镓晶体，和标准的直 拉法一样，只是做了一些 改进。由于熔融物里砷的 挥发性通常采用一层氧化 硼漂浮在熔融物上来抑制 砷的挥发。故得其名，如 图所示。
因大致可分为几个方面
1、高温工艺过程引入的位错：一个相当大
的温度差作用到晶片上，晶片会发生非均匀 膨胀，因而在晶片内形成热塑性应力，当晶 片受到钢性挤压并加热，或者晶片在加热时 上面已经生长若干不同热膨胀系数的薄膜层， 都会产生类似的应力。凡是能引起高温滑移 的原因，都可能导致位错的产生
2、掺杂过程中引入的位错：晶体中存在高浓 度的替位型杂质，这些替位原子与周围本 体原子的大小不同，形成内部应力，应力 将降低打破化学键所需的能量，导致位错 3、薄膜制备过程中引入的位错：薄膜与衬底 的界面 处存在较大的应力可能导致位错
GaAs(砷化镓)
砷化镓太阳能电池
• 中文名称：
– 砷化镓太阳能电池
• 英文名称：
– gallium arsenide solar cell
• 定义：
– 以砷化镓为基体材料的太阳能电池。
• 砷化镓晶片发展前景 • 2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国 研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服 了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良 的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业[2]。 • 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发 出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体， 然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层 砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像 “盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用 已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电 池板。 • 不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓 晶片，如边长500微米的太阳能电池单元。下一步研究将 致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。
• • • • • • • • • • • • • • • •
3 国外技术的进展 3. 1 单结GaAs 太阳电池 3. 1. 1 单结GaAs/ GaAs 太阳电池 20 世纪70～80 年代,以GaAs 单晶为衬底的单 结GaAs/ GaAs 太阳电池研制基本采用L PE 技术生 长,最高效率达到21 %。80 年代中期,已能大批量 生产面积为2 cm ×2 cm 或2 cm ×4 cm 的GaAs/ GaAs 电池,如美国休斯公司采用多片L PE 设备,年 产3 万多片2 cm ×2 cm 电池,最高效率达19 % ,平 均效率为17 %(AM0) ;日本三菱公司采用垂直分离 三室L PE 技术,一个外延流程可生产200 片2 cm × 2 cm GaAs 电池,最高效率达19. 3 % ,平均效率为 17. 5 %(AM0) 。此外,国外也用MOCVD 技术研制 GaAs/ GaAs 太阳电池,美国生产的GaAs/ GaAs 太阳 电池,批产的平均效率达到了17. 5 %(AM0) 。 3. 1. 2 单结GaAs/ Ge 太阳电池
13晶体生长和外延(半导体器件物理)
此过程中部分硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅
Si 中子 Si 2.62h P
31 14 31 14 31 15
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
晶体生长和外延 21
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
晶体生长和外延 22
砷化镓晶体的生长技术－起始材料
砷化镓的起始材料是以物理特性和化学特性均很纯的砷和镓元素和合成 的多晶砷化镓。因为砷化镓是由两种材料所组成，所以它的性质和硅这 种单元素材料有极大的不同。可以用“相图”来描述。
Cz法与硅生长类似，同时它采用了液体密封技术防止在长晶时融体产生热 分解。一般用液体氧化硼（B2O3）将融体密封起来。氧化硼会溶解二氧化 硅，所以用石墨坩埚代替凝硅土坩埚。
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
晶体生长和外延 25
在生长砷化镓晶体时，为了获得所需的掺杂浓度，镉和锌常被用来作为 P型掺杂剂，而硒、硅和锑用来作n型掺杂剂。
桂林电子科技大学 现代半导体器件物理与工艺
晶体生长和外延 17
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
晶体生长和外延 18
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
晶体生长和外延 19
如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中S0＝ClAρdL， 且初始浓度C0小到几乎可以忽略，由前面的积分式可得
ke x C0 d A ke S0 / L exp( ) L C0 d A ke S / L
或
C0 Ad L S [1 (1 ke ) ke x / L ] ke
因为
Cs ke S /( Ad L)
，因此
Cs C0[1 (1 ke )ke x / L ]
砷化镓晶体及晶片 led制造材料
砷化镓晶体及晶片 led制造材料砷化镓晶体及晶片是一种重要的材料，广泛应用于LED制造中。
砷化镓晶体具有优异的光电性能和稳定性，是制造高亮度、高效率LED的理想选择。
砷化镓晶体是由砷和镓两种元素组成的化合物，化学式为GaAs。
它具有较高的能隙，优异的载流子迁移率和较小的热传导系数，使其在LED制造中具有独特的优势。
砷化镓晶体具有直接能隙，能够直接将电能转化为光能，因此具有极高的发光效率。
同时，砷化镓晶体还具有较小的热传导系数，使得LED在工作时能够有效地散热，提高LED的寿命和稳定性。
砷化镓晶片是将砷化镓晶体切割成薄片后，进行表面处理和电极制造的过程。
砷化镓晶片通常具有多个不同层次的结构，包括n型区、p型区和活性层。
其中n型区和p型区是通过掺杂材料实现的，以形成p-n结。
活性层是LED发光的关键部分，当电流通过活性层时，载流子在活性层内复合并释放出能量，产生光子发射。
在LED制造中，砷化镓晶片的制备过程十分关键。
首先，需要选择高纯度的砷和镓原料，通过熔融法或气相外延法生长出砷化镓晶体。
然后，将砷化镓晶体切割成薄片，进行表面处理，例如去除氧化层和平整化表面。
接下来，通过掺杂和扩散等工艺，在晶片上形成n 型区和p型区。
最后，在晶片上制造电极，以便连接外部电源。
砷化镓晶体及晶片在LED制造中发挥了重要的作用。
由于砷化镓晶体具有较高的发光效率和稳定性，LED的亮度和寿命得到了显著提高。
同时，砷化镓晶片的制备工艺也在不断创新和改进，使得LED 的制造成本得到了降低。
目前，砷化镓晶体及晶片已经成为LED制造的主流材料，被广泛应用于照明、显示和光通信等领域。
然而，砷化镓晶体及晶片也存在一些挑战和问题。
首先，砷化镓晶体的制备工艺相对复杂，需要高纯度的原料和精细的工艺控制。
其次，砷化镓晶体的成本较高，导致LED产品价格相对较高。
此外，砷化镓晶体中含有砷元素，具有一定的毒性，需要进行合理的处理和回收。
砷化镓晶体及晶片是一种重要的LED制造材料。
砷化镓单晶制备
水平布拉奇曼法 HB
垂直布里奇曼法 VB
垂直梯度凝固法(VGF)
工艺过程：
(1)熔化多晶料；
(2)开始生长时坩埚底部 <100>方向的籽晶处于慢速 降温的温度梯度；
(3)为调节化学计量比在熔体 上方保持一定的As压； (4)生长完毕时晶体慢速冷却 到室温。
垂直布里奇曼法 VB
A. VB法与VGF法基本原理是 相同的，最大的区别就是 热场与坩埚相对移动的方 式不同。
GaAs晶体的后续加工
• 晶体长成后，进行热处理以消除应力及改善电学性能，然后，进行头 尾切割、滚圆、定向切割、倒角、研磨、抛光等精细加工，最终研制 成具有优良的几何参数和表面状态的抛光片。
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水平布拉奇曼法 HB
A. 在整个拉晶过程中， 砷端永远控制在610～ 620℃以保持砷的平衡 压力。 B. 为了减少硅的污染， 常在高低温之间设一 中温区以防止反应产 物向冷端扩散，称 “三温区法”。
水平布拉奇曼法 HB
此法的优点是设备简单，可制备多种掺杂剂的不同电阻率的单晶，能降低位
错密度，加工后的直径可达76mm圆片、 250-600 mm 。
B. VGF技术，坩埚是不移动
的，而是调整各温区的温 度，而VB技术中，热场固 定不动，通过驱动坩埚进
行移动，导致生长界面产
生相对运动。 C. 由于控制过程的不同，设 备成本有很大的区别，VB 工艺设备相对更便宜。
垂直布里奇曼法 VB
砷化镓多晶体
（原料准备）
垂直布里奇曼法 VB
1 根据材料的性质选用的是电阻炉 2 最新的垂直梯度炉设备，采用 计算机控制，设有48个控制点， 可控制24-32炉温段，可直接生长 出完整性好的圆形GaAs单晶。 3 容器为石英管，直径最大可达 100mm和150mm。 4 不足之处是生长晶体时,无法观 察和判断单晶生长情况,实现准确 的温控需要进行大量试验之后取得 经验。
GaAs(砷化镓)
砷化镓太阳能电池
• 中文名称：
– 砷化镓太阳能电池
• 英文名称：
– gallium arsenide solar cell
• 定义：
– 以砷化镓为基体材料的太阳能电池。
• 砷化镓晶片发展前景 • 2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国 研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服 了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良 的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业[2]。 • 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发 出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体， 然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层 砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像 “盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用 已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电 池板。 • 不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓 晶片，如边长500微米的太阳能电池单元。下一步研究将 致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。
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c) 耐高温性能好 GaAs 的本征载流子浓度低, GaAs 太阳电池的最大功率温度系数( - 2 × 10 - 3 ℃- 1) 比Si 太阳电池( - 4. 4 ×10 - 3 ℃- 1 ) 小 很多。200 ℃时,Si 太阳电池已不能工作,而GaAs 太阳电池的效率仍有约10 %。
大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的族化合物半导体如砷化镓磷化镓锑化铟等也越来越受到人们的重视特别是砷化镓具有硅锗所不具备的能在高温度频下工作的优良特性它还有更大的禁带宽度和电子迁移率适合于制造微波体效应器件高效红外发光二极管和半导体激光器因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料
砷化镓 GaAs
砷化镓
砷化镓李启靖何智慧杨海荣砷化镓（gallium arsenide）（化学式GaAs）是一种重要的半导体材料。
它在许多领域都得到了重要的应用。
本文将从四个方面进行对砷化镓的介绍。
一、砷化镓的简介砷化镓是Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物，黑灰色固体，熔点1238℃。
它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸侵蚀。
砷化镓可作半导体材料，其电子迁移率高、介电常数小，能引入深能级杂质、电子有效质量小，能带结构特殊，可作磊晶片。
由于传送讯号的射频元件需要工作频率高、低功率消耗、低杂讯等特色，而砷化镓本身具有光电特性与高速，因此砷化镓多用於光电元件和高频通讯用元件。
砷化镓可应用在WLAN、WLL、光纤通讯、卫星通讯、LMDS、VSAT等微波通讯上。
不过，砷化镓材料成本较高，使用的制程设备也与一般IC业者常用的矽制程设备不同。
砷化镓材料是继硅单晶之后第二代新型化合物半导体材料中最重要、用途最广泛的材料之一。
在微电子和光电子领域有着巨大的应用空间，主要用于制作高速、高频、大功率等微电子器件和电路，随着IT行业的发展，市场空间不断扩大。
在光电子领域，随着全球LED市场突飞猛进的发展，在世界半导体固态照明大趋势的引领下，砷化镓晶片的需要已经开始大幅增加。
随着科学技术的不断发展，砷化镓材料将有更加广泛的用途。
砷化镓材料在世界发达国家均被视为战备储备物资，美、英、法、俄、日、德等国家都对砷化镓材料的开发应用投入了巨资，尤其美国还将砷化镓材料的生产应用技术列入国防白皮书，从而对美国国防技术起到了重要作用。
在现代军备技术中，几项关键技术均与砷化镓材料有直接关系。
例如，机载相控雷达、战术红外线夜视镜，抗辐射电子元件，红外线激光导航、红外线激光瞄准仪等。
以砷化镓化合物半导体材料为代表的新型信息功能材料已经列入国家高科技优先发展目录，信息功能已成为国家鼓励发展产业。
二、砷化镓的应用由于砷化稼拥有高频、低噪声与高电子迁移率的物理特性, 砷化稼微波器件技术最初是应用在国防、太空科技及人造卫星通讯方面, 由于无线通讯的需求量不断成长, 砷化稼微波器件现已广泛普及到一般的商业用途, 例如在手机功率放大器、计算机产品、工业应用及无线电通信等方面。
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砷化镓晶体定向、籽晶加工和安装技术一个理想的籽晶，应是同一材料的无缺陷或很少缺陷的有一定取向单晶制成。
籽晶可以是圆柱，也可是方形。
直径不宜太粗。
籽晶必须具有确定的晶向，生长的砷化镓晶体一般有<11l>、<100>、<21l>、<511>等晶向。
籽晶加工分同类晶向的籽晶加工和不同类晶向的籽晶加工。
为了得到晶向精度较高的籽晶，必须对加工籽晶的晶体进行定向。
以下介绍几种定向方法。
1 解理法定向晶体的解理，就是当晶体受到定向机械应力的作用时，可以平行一个或几个平整的面分裂开的性质。
这些分裂的平整平面称为解理面。
晶体的解理面形成机理分为三类：(1)晶体在各方向上键结合的方式是否有很大差异，键合较微弱的晶面必然是解理面。
(2)如果晶体中各个方向上键合的方式相同，相邻晶面间键密度的大小，键密度小的必然是解理面。
(3)对于带有离子键的晶体，晶面间的作用，键密度的大小不是唯一的因素，而还应考虑相邻晶面间的静电作用。
在砷化镓晶体中，(111)晶面(又称为A面)全部是由Ⅲ族镓原子组成，(-1-1-1)晶面(又称B面)全部由V族砷原子组成，而(111)面与(-1-1-1)面在晶体中是交替排列的。
砷化镓晶体中的镓原子和砷原子都处于极化状态，即镓原子带负电，砷原子带正电。
因此在(111)晶面与(-1-1-1)晶面之间存在静电引力作用，外来的机械作用力不易把它们分裂开。
而在每个(110)晶面间上都有相同数目的镓原子和砷原子，所以(110)晶面间不存在静电引力。
同时因(110)晶面间单位面积上作用的键数仅比(111)晶面多，而比其它晶面都少，所以(110)晶面在外来机械作用力的作用下极易分裂开，成为极完整的解理面。
单晶体有一种独特的性质各向异性，在晶体生长也表现出这种性质，一般晶体生长时，都优先在原子排列最密集的晶面上生长的倾向。
对砷化镓晶体，原子排列最密集的晶面是（111)晶面。
镓、砷原子在（111)面上按六角密堆进行排列。
晶体生长时，在原子稠密的平面上进行横向扩展，要比垂直此平面产生新的核而生长要迅速。
砷化镓晶体属极性晶体，因此极性也影响着砷化镓单晶的生长。
埃利斯(E11is)实验证明，直拉砷化镓单晶时，生长速度最慢的面是砷面[(-1-1-1)晶面]，而镓面[(111)晶面]的生长速度较砷面快。
解理插针法定向能可靠地对砷化锿单晶的(100)、(111)和(110)晶面进行定向。
此法所用设备简单。
定向时间短，但定向偏离度在3～5°。
此法不适合籽晶加工定向，也不适合工厂生产。
解理法测角定向较为广泛使用．可以获得准确的晶体取向和晶体取向的偏移数值。
2 图像法定向图1(111)、(-1-1-1)砷化锿简化极射赤面投影，单晶的生长棱线，光反射花样，解理面、位错腐蚀坑图形光图像定向是根据晶体解理面的光反射性和晶体结构的对称性实现对晶体定向。
当一束较细的平行光照射到经一定方法处理过的晶体断面上时，晶体断面上按一定对称方向排列放置的解理面就会产生反射。
对不同结构的晶体和不同的晶面，反射光在光屏上形成不同的光圈像。
转动晶体，以调整光图像的形状和位置，就可获得所需要的晶体取向。
图2(100)、(1l0)砷化镓简化极射赤面投影，单晶的生长棱线，光反射花样，解理面、位错腐蚀坑图形晶体断面处理的目的使断面上的几个对称解理面组同时显露处理．使平行光束照射到这些解理面上时产生对称的光反射．在光屏上形成对称的光反射图像。
一般采用机械处理和化学处理相结合方法。
机械处理：(1)一般根据晶体的生长棱线可以判断出晶体的大致取向。
如果所要求的晶向和晶体原来的断面取向基本一致，可用100#碳化硅在平板玻璃上将其断面研磨粗糙。
(2)如果不能根据晶体的生长棱线来判断其断面的取向，或者所判定的断面的取向和要求的晶体取向不一致时，需用球面研磨器和100#碳化硅将单晶断面研磨成半球状，也可用砂轮磨去晶体断面处的棱角，选用100#沙子用压缩空气喷沙处理。
形成许多可能取向的解理面组，宏观上只能看到晶体断面上有无数凹凸的小坑和有闪光的亮点。
它们对入射平行光束将按其取向方向产生光反射。
化学处理：适当的化学腐蚀机械处理过的晶体断面，使断面处凹凸坑里的不同取向的小解理面更分明。
同时去除凹凸坑内的一些残余晶体粉末和碳化硅污物。
使处理后光图像变得更清晰。
然后采用光图像定向仪定向。
砷化镓光图像法定向腐蚀液配方：<111>HN03：H20=1：2 2～3min<-1-1-1>HF：HN03：H20：HN03(1％溶液)=1：3：4：1 l min3 X射线定向3.1 X射线定向基本原理当任何一种高速运动的带电粒子与一块金属物质相碰撞时，都会产生X射线。
当真空条件下，阴极灯丝发出的电子在高压电场加速成高速运动的带电粒子与阳极金属物质原子的内层电子相作用，内层电子因获得了外来带电粒子的能量而被激发到最外层能级上，或被激发出整个原子体系之外。
邻近壳层上电子将向内层能级跃迁，该跃迁电子将放射出等于两个能级的位能能量。
这个能量是量子化的，而且是以光的形式释放，此光就是X光。
由于X射线是高速带电粒子和物质原子的内层电子相作用而产生的，因此它的能量高，波长短(0．01埃～100埃)，波长范围和晶体的原子间距有相同的数量级。
因此晶体可用作X 射线的天然衍射光栅。
当x射线照射到晶体上时，在一定条件下就能够产生衍射。
不同结构的晶体和不同的晶体取向，X射线所产生的衍射花样形状和衍射斑点的位置是不同的，各个衍射斑点和晶体中的各个晶面有一定的对应关系，衍射斑点的对称关系也反应出了晶体结构的对称情况。
因此根据这些衍射花样和衍射斑点的位置可以确定出晶体的取向。
当波长为入的X射线以θ角入射到晶面间距为d的一组晶面上时，晶体将对X射线产生衍射。
把衍射现象视为晶体点阵平面的反射现象。
如图3可以看出，如果光(1)和光(2)所走过的光程之差为波长的整数倍。
图3布拉格衍射推导几何关系示意图AB=BC，AB=OAsinθ，AB+BC=2dsinθ(5-1)设n为整数，光(1)’和(2)’若要产生“相干"，即发生衍射，光(1)、(1)’和光(2)、(2)’所走过的光程差AB+BC必须满足相干条件：AB+BC=nλ(5-2)将(5-2)式代入(5-1)式得：2dsinθ=nλ(5-3)(5-3)式称为布拉格方程，式中的θ成为布拉格角，或称衍射角。
X射线定向方法不仅适用于一种或几种特殊晶体的某些晶面，而适用各种晶体的许多晶面。
采用这种方法定向比解理法定向或光图像定向准确度高(可达到1分)。
X射线定向优点非破坏性的，定向前不需对晶体进行研磨、腐蚀等处理，定向过程中不会损失较多的单晶材料。
对晶体的大小形状也没有特殊要求。
3.2 X射线定向有两种方法X射线定向有两种方法，一种是X光照相定向(或劳厄照相法定向)，一种是单色X射线衍射法定向。
X光照相法定向适合用于晶体取向完全未知的情况。
它利用晶体对入射连续X射线的衍射而使乳胶感光，拍摄出晶体的劳厄照片，然后用格林仑格网将此照片上的斑点转换成极射赤面投影，再根据此投射图确定出晶体的取向。
由于乳胶对衍射X光的感光较慢，而每次定向需进行1至2次照相，加上对底片的处理和分析，因此定向周期较长(1-3小时)。
因此照片底片上的感光斑点转换成极射赤面投影，并将各投影极点指标化的工作较为复杂，故操作麻烦，不易掌握。
乌尔夫网的最小分格为1度或2度，因此此法测定的晶体转角度数的准确度大约只能达到0．5度到2度。
目前这种定向方法多作为实验室研究用。
单色X射线衍射法是利用要求定向切割(hkl)晶面，对入射的特征X射线产生的衍射来实现晶体定向。
在晶体取向大概已知，而要求准确地沿所需要晶面进行定向切割最为适用。
对晶体取向未知的晶体，一般也能通过晶体对入射X射线的衍射线方位来迅速地判定其晶向，但需根据晶体的外形(生长的棱线和生长的面)特征尝试计数管的放置位置，再转动晶体以找到最强的衍射点位置。
利用计数管和放大显示系统来检测衍射X射线的强度和方位。
比劳厄照相法操作简单、易于掌握，而且定向周期也短。
由于X射线定向仪有精度很高的测角装置(最小读数精度为30”)，其定向准确度可达到1分以上)。
这种定向仪检测的晶向偏离不大的晶体较为适用。
对于不同的晶体和不同的点阵平面，能用定向仪检测的晶向偏角是不同的。
半导体晶体晶向偏离在10度之内可以检测到。
3.3砷化镓(100)晶面布拉格衍射角的计算砷化镓晶体属于立方晶系中的闪锌矿结构，其晶格常数a=5．6534埃。
立方晶系的d 值计算公式：d=a／(h2+k2+12)1/2 (5—1)表1锗、硅、砷化镓晶体的几个常用晶面对铜靶Ka辐射产生衍射的布拉格角对(100)晶面，h=l，k=0，1=0。
由于(100)晶面的h、k、1为异性数(h，k，1有两个奇数或两个偶数)。
其结构因数F=0，按此数据计算出的衍射角位置没有衍射线发生。
因此需采用与(100)晶面相平行、指数较高的晶面来计算方能获得较强的衍射。
采用(400)晶面计算，此时h=4、k=0、1=0，则：d=5．6534埃／(42+02+02)1/2布拉格方程：sinθ=nλ／2d对铜靶X光管其凡辐射的波长λ≈1．542埃，取第l级衍射，n=l，将d，n，入值代入布拉格方程：sinθ≈0．5453，θ（400）≈33°03’。
用完全类似的方法可计算出锗、硅、砷化镓晶体的几个常用晶面对铜靶Ka辐射产生衍射的布拉格衍射角。
如表1所示。
4 砷化镓籽晶加工常规砷化镓晶体有<111>和<100>晶向的晶体。
与晶体同晶向的籽晶加工，首先根据晶体头部的生长棱和生长面以及晶体侧面的生长面(参照图1，图2)，确定出原单晶为<111>或<100>晶向的单晶。
把单晶侧面粘在石墨条，装在切片机上切下晶体的头尾，从头部先切小片，分切片的正反面，利用单色X射线衍射法定向仪测试其晶向和偏离度，如果偏离度高于0.5°，向偏移相反的方向调节切片机载物台的水平和垂直角度，再切小片测试，直到偏离度小于0.5°。
然后平行切下晶体的尾部。
去除粘晶体的石墨条，在晶体滚圆机上加工圆柱体，分清晶体头尾，根据预先晶体的外形确定的主次参考面位置标识，在X定向仪上测量找出晶体的主次参考面的确切位置，在滚圆机上制作主次参考面。
主次参考面的定向偏离度要求也应小于1°。
<100>晶向的晶体的主次参考面制作参照图4图，参考面长度可以小于标准长度。
<111>晶向的晶体的主次参考面制作参照图4图，主参考面位置制作在(-110)方向，次参考面位置制作在(2-1-1)方向。