砷化镓半导体材料
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GaAs半导体材料
1、GaAs材料的性质和太阳电池 1.1 GaAs的基本性质 1.2 GaAs太阳电池
2、 GaAs单晶体材料 2.1 布里奇曼法制备GaAs单晶 2.2 液封直拉法制备GaAs单晶
3、 GaAs薄膜单晶材料 3.1 液相外延制备GaAs薄膜单晶 3.2 金属-有机化学气相沉积外延 3.3 Si、Ge衬底上外延制备GaAs薄膜材料
与硅电池相比，GaAs电池具有几个显著特点：
1）具有最佳禁带宽度1.43ev，具有高的光电转换 效率
2）温度系数低，可在高温条件下工作
3）可采用薄膜层结构
4）较高的电子迁移率使得相同掺杂浓度情况下， 材料的电阻率比Si的电阻率小，因此有电池体电 阻引起的功率消耗较小
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。
2.1GaAs单晶材料的制备
GaAs单晶材料的制备流程如下所示：
2.1 GaAs单晶材料的制备
GaAs晶体生长方法有：
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。
方向上
是不等效的，从而具有极性，如图1.2所示 。
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
性质比较稳定。这一特性有利于GaAs材料进行定向腐
蚀。
GaAs在室温条件下呈现暗灰色，有金属光泽， 相对分子质量为144.64；在空气或水蒸气中能稳 定存在；但在空气中，高温600℃条件下可以发 生氧化反应，高温800℃以上可以产生化学离解； 常温下，化学性质也很稳定，不溶于盐酸，但可 溶于硝酸和王水。
➢ 温度系数小：能在较高的温度下正常工作。
砷化镓材料的缺点：
资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍； 污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染； 机械强度较弱，易碎； 制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料 是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的 化学计量比是一件困难的事。
砷化镓材料的缺点：
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 于106cm/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。
在波长0.85μm以下，GaAs的光吸收系数急 剧升高，达到104/cm，比硅材料要高1个数量级，
而这正是太阳光谱中最强的部分。因此，对于
GaAs太阳电池而言，只要厚度达到3μm，就可 以吸收太阳光谱中的95%的能量。
由于GaAs材料的尽带宽度为1.43ev，光谱响应特 性好，因此太阳光电转换理论效率相对较高。
1、 GaAs材料的性质和太阳电池
1.1 GaAs材料的性质
GaAs材料是一种典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导 体材料。1952年，H.Welker首先提出了GaAs的 半导体性质，随后人们在GaAs材料制备、电子 器件、太阳电池等领域开展了深入研究。
1962年成功研制出了GaAs半导体激光器， 1963年又发现了耿氏效应，使得GaAs的研究 和应用日益广泛，已经成为目前生产工艺最成 熟、应用最广泛的化合物半导体材料，它不仅 是仅次于硅材料的微电子材料，而且是主要的 光电子材料之一，在太阳电池领域也有一定的 应用。
图1.4.300K时砷化镓中载流子迁移率与浓度
与硅材料比较，砷化镓具有以下优势： ➢ 高的能量转换效率：直接跃迁型能带结构，GaAs的能隙 为1.43eV，处于最佳的能隙为1.4～1.5eV之间，具有较高 的能量转换率； ➢ 电子迁移率高； ➢ 易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达 108 兆欧 以上； ➢ 抗辐射性能好：由于III-V族化合物是直接能隙，少数载 流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领 域；
GaAs的原子结构是闪锌矿结构，由Ga原子 组成的面心立方体结构和由As原子组成的面心立 方体结构沿对角线方向移动1/4间距套构而成的。 Ga原子和As原子之间主要是共价键，也有部分 离子键。
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
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
Байду номын сангаас
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。
图1.1.GaAs晶体结构
资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍； 污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染； 机械强度较弱，易碎； 制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料 是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的 化学计量比是一件困难的事。
GaAs材料本身为直接带隙半导体，其禁带宽度为 1.43ev，作为太阳电池材料， GaAs具有良好的 光吸收系数，
1、GaAs材料的性质和太阳电池 1.1 GaAs的基本性质 1.2 GaAs太阳电池
2、 GaAs单晶体材料 2.1 布里奇曼法制备GaAs单晶 2.2 液封直拉法制备GaAs单晶
3、 GaAs薄膜单晶材料 3.1 液相外延制备GaAs薄膜单晶 3.2 金属-有机化学气相沉积外延 3.3 Si、Ge衬底上外延制备GaAs薄膜材料
与硅电池相比，GaAs电池具有几个显著特点：
1）具有最佳禁带宽度1.43ev，具有高的光电转换 效率
2）温度系数低，可在高温条件下工作
3）可采用薄膜层结构
4）较高的电子迁移率使得相同掺杂浓度情况下， 材料的电阻率比Si的电阻率小，因此有电池体电 阻引起的功率消耗较小
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。
2.1GaAs单晶材料的制备
GaAs单晶材料的制备流程如下所示：
2.1 GaAs单晶材料的制备
GaAs晶体生长方法有：
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。
方向上
是不等效的，从而具有极性，如图1.2所示 。
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
性质比较稳定。这一特性有利于GaAs材料进行定向腐
蚀。
GaAs在室温条件下呈现暗灰色，有金属光泽， 相对分子质量为144.64；在空气或水蒸气中能稳 定存在；但在空气中，高温600℃条件下可以发 生氧化反应，高温800℃以上可以产生化学离解； 常温下，化学性质也很稳定，不溶于盐酸，但可 溶于硝酸和王水。
➢ 温度系数小：能在较高的温度下正常工作。
砷化镓材料的缺点：
资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍； 污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染； 机械强度较弱，易碎； 制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料 是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的 化学计量比是一件困难的事。
砷化镓材料的缺点：
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 于106cm/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。
在波长0.85μm以下，GaAs的光吸收系数急 剧升高，达到104/cm，比硅材料要高1个数量级，
而这正是太阳光谱中最强的部分。因此，对于
GaAs太阳电池而言，只要厚度达到3μm，就可 以吸收太阳光谱中的95%的能量。
由于GaAs材料的尽带宽度为1.43ev，光谱响应特 性好，因此太阳光电转换理论效率相对较高。
1、 GaAs材料的性质和太阳电池
1.1 GaAs材料的性质
GaAs材料是一种典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导 体材料。1952年，H.Welker首先提出了GaAs的 半导体性质，随后人们在GaAs材料制备、电子 器件、太阳电池等领域开展了深入研究。
1962年成功研制出了GaAs半导体激光器， 1963年又发现了耿氏效应，使得GaAs的研究 和应用日益广泛，已经成为目前生产工艺最成 熟、应用最广泛的化合物半导体材料，它不仅 是仅次于硅材料的微电子材料，而且是主要的 光电子材料之一，在太阳电池领域也有一定的 应用。
图1.4.300K时砷化镓中载流子迁移率与浓度
与硅材料比较，砷化镓具有以下优势： ➢ 高的能量转换效率：直接跃迁型能带结构，GaAs的能隙 为1.43eV，处于最佳的能隙为1.4～1.5eV之间，具有较高 的能量转换率； ➢ 电子迁移率高； ➢ 易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达 108 兆欧 以上； ➢ 抗辐射性能好：由于III-V族化合物是直接能隙，少数载 流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领 域；
GaAs的原子结构是闪锌矿结构，由Ga原子 组成的面心立方体结构和由As原子组成的面心立 方体结构沿对角线方向移动1/4间距套构而成的。 Ga原子和As原子之间主要是共价键，也有部分 离子键。
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
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
Байду номын сангаас
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。
图1.1.GaAs晶体结构
资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍； 污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染； 机械强度较弱，易碎； 制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料 是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的 化学计量比是一件困难的事。
GaAs材料本身为直接带隙半导体，其禁带宽度为 1.43ev，作为太阳电池材料， GaAs具有良好的 光吸收系数，