第04章 化合物半导体材料--2015.04.22
化合物半导体材料
赵洞清
由两种或两种以上元素以确定 的原子配比形成的化合物，并具有 确定的禁带宽度和能带结构等半导 体性质的称为化合物半导体材料
碲镉汞
砷化镓
氮化镓
锗硅合金
06 05
01
02
磷化铟
磷化镓
0体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。属闪锌 矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，禁 带宽度1.4电子伏 • 砷化镓可以制成电阻率比硅、 锗高3个数量级以上的半绝 缘高阻材料,用来制作集成 电路衬底、红外探测器 、γ光子探测器等。由于 其电子迁移率比硅大5～6倍 ，故在制作微波器件和高 速数字电路方面得到重要应 用。用砷化镓制成的半导体 器件具有高频、高温、低温性能好、 噪声小、抗辐射能力强等优点
外延生长法
磷化铟
• 性状：沥青光泽的深灰色晶体。 • 熔点：1070℃。闪锌矿结构，常温下 带宽（Eg=1.35 eV）。熔点下离解压 为2.75MPa。 • 溶解性：极微溶于无机酸。 • 介电常数：10.8 • 电子迁移率：4600cm2/(V· s) • 空穴迁移率：150cm2/(V· s) • 制备：具有半导体的特性。由金属铟 和赤磷在石英管中加热反应制得。
氮化镓
• 一种具有较大禁带宽度的半导体，属于所 谓宽禁带半导体之列。它是微波功率晶体 管的优良材料，也是 蓝色光发光器件中 的一种具有重要应 • 用价值的半导体。
• GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热 点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料， 并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代 Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材 料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的 原子键、高的热导率、化学稳定 性好（几乎不被任何酸腐蚀）等 性质和强的抗辐照能力， 在光电子、高温大功率器件和 高频微波器件应用方面有着广 阔的前景。
三大化合物半导体材料发展现状分析
三大化合物半导体材料发展现状分析半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类, 单质半导体如硅（Si）、锗(Ge）等所形成的半导体, 化合物半导体为砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成. 半导体在过去主要经历了三代变化, . 砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体分别作为第二代和第三代半导体的代表, 相比第一代半导体高频性能、高温性能优异很多, 制造成本更为高昂, 可谓是半导体中的新贵.三大化合物半导体材料中, GaAs占大头, 主要用于通讯领域, 全球市场容量接近百亿美元, 主要受益通信射频芯片尤其是PA升级驱动；GaN大功率、高频性能更出色, 主要应用于军事领域, 目前市场容量不到10亿美元, 随着成本下降有望迎来广泛应用；SiC主要作为高功率半导体材料应用于汽车以及工业电力电子, 在大功率转换应用中具有巨大的优势.化合物半导体材料性能更为优异数据来源:一、砷化镓（GaAs）：无线通信核心材料, 受益5G大趋势砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性, 因此广泛应用在主流的商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上. 无线通信的普及与硅在高频特性上的限制共同催生砷化镓材料脱颖而出, 在无线通讯领域得到大规模应用.基带和射频模块是完成3/4/5G蜂窝通讯功能的核心部件. 射频模块一般由收发器和前端模组（PA、Switch、Filter）组成. 其中砷化镓目前已经成为PA和Switch的主流材料.4G/5G频段持续提升, 驱动PA用量增长. 由于单颗PA芯片仅能处理固定频段的信号, 所以蜂窝通讯频段的增加会显著提升智能手机单机PA消耗量. 随着4G通讯的普及, 移动通讯的频段由2010年的6个急速扩张到43个, 5G时代更有有望提升至60以上. 目前主流4G通信采用5频13模, 平均使用7颗PA, 4个射频开关器.PA价值量明显受益4G发展趋势数据来源:目前砷化镓龙头企业仍以IDM模式为主, 包括美国Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago、Cree、德国Infineon等. 产业发展模式开始逐渐由IDM模式转为设计+代工生产, 典型事件为代工比例持续提升、avago去年将科罗拉多厂出售给稳懋等. GaAs衬底和器件技术不断成熟和标准化, 产品多样化、器件设计的价值显著, 设计+制造的分工模式开始增加.2017年全球用于PA的GaAs器件市场规模达到80-90亿美元, 大部分的市场份额集中于Skyworks、Qorvo、Avago三大巨头. 预计随着通信升级未来两年有望正式超过100亿美元.二、氮化镓&碳化硅：高压高频优势显著氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄, 由于性能不同, 二者的应用领域也不相同. 由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速率大、热导率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点, 成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一.PA产品市场占比数据来源:1.碳化硅：功率器件核心材料, 新能源汽车驱动成长SiC主要用于大功率高频功率器件. 以SiC为材料的二极管、MOSFET、IGBT 等器件未来有望在汽车电子领域取代Si. 目前SiC半导体仍处于发展初期, 晶圆生长过程中易出现材料的基面位错, 以致SiC器件可靠性下降. 另一方面, 晶圆生长难度导致SiC材料价格昂贵, 预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进.SiC应用领域数据来源:预测到2025年SiC功率半导体的市场规模有望达到30亿美元. 在未来的10年内, SiC器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域. 纵观全球SiC主要市场, 电力电子占据了2016-2018年最大的市场份额. 该市场增长的主要驱动因素是由于电源供应和逆变器应用越来越多地使用SiC器件.碳化硅市场空间（百万美元）数据来源:2.氮化镓：5G时代来临, 射频应用前景广阔目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子, 如军事通讯、电子干扰、雷达等领域；在民用领域, 氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域. 氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高, 因而能节省大量电能, 且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段, 功率密度大, 能够减少基站体积和质量.GaN较GaAs大幅减少体积数据来源:特色工艺代工厂崛起, 分工大势所趋. 全球半导体分为IDM(IntegratedDeviceManufacture, 集成电路制造)模式和垂直分工模式两种商业模式, 老牌大厂由于历史原因, 多为IDM模式. 随着集成电路技术演进, 摩尔定律逼近极限, 各环节技术、资金壁垒日渐提高, 传统IDM模式弊端凸显, 新锐厂商多选择Fabless（无晶圆厂）模式, 轻装追赶. 同时英飞凌、TI、AMD 等老牌大厂也逐渐将全部或部分制造、封测环节外包, 转向Fab-Lite（轻晶圆厂）甚至Fabless模式.氮化镓射频器件产业结构变化数据来源:氮化镓射频器件飞速成长, 复合增速23%, 下游市场结构整体保持稳定. 数据显示, 2017年氮化镓射频市场规模为3.8亿美元, 将于2023年增长至13亿美元, 复合增速为22.9%. 下游应用结构整体保持稳定, 以通讯与军工为主, 二者合计占比约为80%.基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一. 数据显示, 2018年, 基站端氮化镓射频器件市场规模不足2亿美元, 预计到2023年, 基站端氮化镓市场规模将超5亿美元. 氮化镓射频器件市场整体将保持23%的复合增速, 2023年市场规模有望达13亿美元.氮化镓射频器件市场结构。
应材 化合物半导体材料
应材化合物半导体材料
应材化合物半导体材料是一种新型的半导体材料，在近年来受到了越来越多的关注。
它不仅在电子、光电子、光伏等领域具有广泛应用，而且在环保方面也有很重要的作用。
本文就围绕应材化合物半导体材料进行分步骤阐述。
第一步，了解什么是应材化合物半导体材料。
应材化合物半导体材料是指由元素间化学键键强共价的半导体材料。
具有比纯硅、锗等芯片具有更高的能隙，能够将更多的光子转化为电子以形成载流子等特性。
第二步，应材化合物半导体材料的优势。
与传统半导体材料相比，应材化合物半导体材料有许多优势。
因为能量带隙更大，所以电子流动与光电转换的效率更高；还很适合高亮度、高清晰度的显示器件，如LED、OLED等，耗电量低，寿命长，属性稳定，绿色环保等优势。
第三步，应材化合物半导体材料的应用。
应材化合物半导体材料的应用领域广泛，常见的有电子、光电子、电力电子、光伏、乃至光学等多个领域。
尤其是在显示技术、半导体照明、半导体激光、锗基光电子器件、无线电部件、集成电路和光电探测器等方面都受到了广泛的应用。
第四步，应材化合物半导体材料的研究现状。
目前，应材化合物半导体材料的研究领域正在快速发展。
许多学者针对其制备方法、材料结构、光电性能等进行了广泛地研究，以提高其研究水平，并开发出更广泛的应用领域。
综上所述，应材化合物半导体材料是一种性能优良、应用广泛的新型半导体材料。
它已经在许多领域得到了广泛的应用，还有很多研究正在进行之中。
相信在不久的将来，应材化合物半导体材料将会成为半导体领域的主流材料。
半导体材料概述
半导体材料半导体材料作为半导体产业链上游的重要环节，在芯片的生产制造过程中起到关键性作用。
根据芯片制造过程划分，半导体材料主要分为基体材料、制造材料和封装材料。
其中，基体材料主要用来制造硅晶圆或化合物半导体；制造材料主要是将硅晶圆或化合物半导体加工成芯片所需的各类材料；封装材料则是将制得的芯片封装切割过程中所用到的材料。
基体材料根据芯片材质不同，基体材料主要分为硅晶圆和化合物半导体，其中硅晶圆的使用范围最广，是集成电路制造过程中最为重要的原材料。
1、硅晶圆硅晶圆片全部采用单晶硅片，对硅料的纯度要求较高，一般要求硅片纯度在99.9999999%以上，因此其制造壁垒较高。
一般而言，硅片尺寸越大，硅片切割的边缘损失就越小，每片晶圆能切割的芯片数量就越多，半导体生产效率越高，相应成本越低。
2、化合物半导体主要是指神化钱(GaAs)氮化钱(GaN)＞碳化硅(SiC)等第二、三代半导体。
在化合物半导体中，碎化钱(GaAs)具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、抗辐射、击穿电压高等特性，广泛应用于射频、功率器件、微电子、光电子及国防军工等领域。
氮化钱(GaN)能够承载更高的能量密度，且可靠性更高，其在手机、卫星、航天等通信领域，以及光电子、微电子、高温大功率器件和高频微波器件等非通信领域具有广泛应用；碳化硅(SiC)具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高热导率等特性,主要作为高功率半导体材料，通常应用于汽车及工业电力电子等领域，在大功率转换领域应用较为广泛。
制造材料1、光刻胶光刻胶是光刻工艺的核心材料，其主要是通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X射线等光源的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀刻材料。
按照下游应用场景不同，光刻胶可分为半导体光刻胶、1CD光刻胶和PCB光刻胶。
从组成成分来看，光刻胶主要成分包括光刻胶树脂、感光剂、溶剂和添加剂等。
在光刻工艺中，光刻胶被涂抹在衬底上，光照或辐射通过掩膜板照射到衬底后，光刻胶在显影溶液中的溶解度便发生变化，经溶液溶解可溶部分后，光刻胶层形成与掩膜版完全相同的图形，再通过刻蚀在衬底上完成图形转移。
化合物半导体权威解释
化合物半导体权威解释化合物半导体权威解释引言在科技发展的当今世界中，半导体技术无疑扮演着重要的角色，而其中又以化合物半导体备受瞩目。
化合物半导体是指由两个或多个元素组成的化合物，具备半导体特性。
本文将着重解释化合物半导体的概念、特性，以及其在科技领域的应用。
第一部分：化合物半导体的概念和特性1. 什么是化合物半导体？化合物半导体是由两个或多个元素通过化学反应形成的半导体材料。
与纯硅等单一元素半导体相比，化合物半导体由于其特殊的组合结构，具备一系列优越的性质。
2. 化合物半导体的特性2.1 带隙化合物半导体相较于单一元素半导体具有更大的能带隙。
能带隙指的是价带（valence band）和导带（conduction band）之间的能量差。
这使得化合物半导体能够在更广泛的光谱范围内吸收和发射光线，具备更高的光电转化效率。
2.2 良好的载流子迁移率化合物半导体因为其晶格结构和成分的差异，具备较高的载流子迁移率。
这意味着电子和空穴在化合物半导体中移动的速度更快，使得器件具备更高的工作效率和响应速度。
2.3 高饱和漂移速度饱和漂移速度是指在电场作用下，载流子达到饱和速度时的漂移速度。
化合物半导体由于其特殊的晶格结构和较大的能带隙，使得饱和漂移速度更高，从而在高频电子器件中具备更好的性能。
第二部分：化合物半导体的应用领域1. 太阳能电池化合物半导体因为其良好的光电转化效率和光吸收能力，成为太阳能电池领域的重要材料。
III-V族化合物半导体如氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）可以实现高效率的光电转化。
2. 光电子器件化合物半导体在光电子器件领域有广泛的应用，例如激光二极管、光电传感器和光纤通信等。
砷化镓和磷化铟是典型的化合物半导体材料，具备优异的光电性能，使得这些器件能够实现高效率的光传输和信号处理。
3. 高速晶体管化合物半导体晶体管因为其较高的饱和漂移速度，被广泛应用于高速和高频电子器件中。
砷化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）在通信和雷达系统中具备优异的性能，成为主流技术之一。
半导体材料概述课件
夹角 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ≠ 900 α=β= 900， γ =1200 α= γ= 900 ，β≠ 900 α≠ β≠ γ≠ 900
晶胞中质点的占有率
体心
面心
棱边 顶角
晶胞中各质点的占有率
立方晶胞
体心： 1 面心： 1/2 棱边： 1/4 顶点： 1/8
金刚石结构
金刚石结构：由同一种元素的原子按正四面体结构构 成的立方点阵为金刚石结构 8个顶角原子，6个面心原子，4个体心原子
109º28´
闪锌矿结构
闪锌矿结构：由两种元素的原子按正四面体结构构成 的立方系晶体点阵称为闪锌矿结构 按ABCABC顺序堆垛
纤锌矿结构
纤锌矿结构：是闪锌矿加热到1020度时六角对称型 变体，具有六角对称性
5、 硅
硅的分布 氧化硅 化学性质 晶体结构 能带结构 电学性质 硅中的杂质 硅的优点 硅的用途
硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识， 古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么 酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们 把它看成是不能再分的简单物质。
1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物 氯化物熔盐电解法制得晶体硅。
地壳中各元素的含量
硅的分布
硅在自然界分布极广，地壳中约含26.3％， 在自然界中是没有游离态的硅 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
硅的化学性质
原子序数14，相对原子质量28.09，有无 定形和晶体两种同素异形体，属于元素 周期表上IVA族的类金属元素。
氧原子
[SiO2]四面体
硅的能带结构
化合物半导体
化合物半导体高速集成电路.1．化合物半导体是由两种或多种元素组成的混晶结构半导体。
目前应用最广、发展最快的化合物半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物。
.2．化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。
具体表现在以下几个方面：（1）化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度。
（2）GaAs材料的肖特基势垒特性比Si优越。
（3）GaAs的本征电阻率可达109，比硅高四个数量级，为半绝缘衬底。
4）禁带宽度大，可以在Si器件难以工作的高温领域工作。
GaAs为直接带隙半导体，可以发光。
也就是说它可以实现光电集成。
（6）抗辐射能力强。
.3．高性能化合物半导体材料制备设备主要为：分子束外延设备（MBE）和金属有机物化学气相沉积设备（MOCVD）。
4．GaAs材料为闪锌矿结构，与金刚石结构类似，所区别的是前者由两类不同的原子组成。
.5原子结合为晶体时，轨道交叠。
外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动6．二维电子气概念半导体表面反型层中的电子因处于如同被封闭于势箱中的自由电子一样，电子的德布罗意波长与势阱的宽度相当，发生“量子尺寸效应”。
即在垂直方向的运动丧失了自由度，只存在有在表面内两个方向的自由度，它的散射几率比三维电子气小得多，因此迁移率高。
.7．典型的二维电子气（2－DEG）存在于以下结构中：半导体表面反型层、异质结的势阱、超薄层异质结（量子阱结构）。
8．超晶格，是由几种成分不同或掺杂不同的超薄层周期性地堆叠起来而构成地一种特殊晶体。
9．超薄层堆叠地周期（称为超晶格地周期）要小于电子的平均自由程，各超薄层的宽度要与电子的德布罗意波长相当。
其特点为在晶体原来的周期性势场之上又附加了一个可以人为控制的超晶格周期势场，是一种新型的人造晶体。
.10。
11．利用异质结构，重复单元是由组分不同的半导体薄膜形成的超晶格称为复合超晶格，又称为组分超晶格。
化合物半导体材料
化合物半导体材料
化合物半导体材料是一类具有特殊电子结构和半导体性质的材料，具有广泛的应用前景。
化合物半导体材料由两种或两种以上元素通过化学键结合而成，具有较高的电子迁移率和较窄的能隙，因此在光电器件、光伏材料、激光器件等领域具有重要的应用价值。
首先，化合物半导体材料在光电器件中具有重要地位。
例如，氮化镓材料因其较宽的能隙和较高的电子迁移率，被广泛应用于LED、LD等光电器件中。
此外，磷化铟等化合物半导体材料也在光电器件中发挥着重要的作用，其优异的光电性能使其成为高性能光电器件的重要材料。
其次，化合物半导体材料在光伏材料领域也具有广泛的应用。
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池是目前研究最为深入的一种薄膜太阳能电池技术，其主要材料为化合物半导体材料。
CIGS太阳能电池具有高吸收系数、较高的光电转换效率和较长的寿命，被认为是下一代薄膜太阳能电池技术的发展方向之一。
此外，化合物半导体材料还在激光器件、光通信、光储存等领域发挥着重要的作用。
例如，磷化铟材料被广泛应用于激光器件中，其优异的光电性能使其成为高性能激光器件的重要材料之一。
在光通信领域，砷化镓材料也被广泛应用于光电器件中，其优异的光电性能使其成为高性能光电器件的重要材料之一。
总之，化合物半导体材料具有广泛的应用前景，在光电器件、光伏材料、激光器件等领域发挥着重要的作用。
随着材料科学和半导体技术的不断发展，化合物半导体材料的研究和应用将会得到进一步的推动，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
《化合物半导体材料与器件》课程教学大纲
《化合物半导体材料与器件》课程教学大纲课程代码：ABJD0527课程中文名称：化合物半导体材料与器件课程英文名称：CompoundSemiconductorMateria1sandDevices课程性质：选修课程学分数：2学分课程学时数：32学时授课对象：电子科学与技术专业本课程的前导课程：固体物理、半导体物理、场效应器件物理一、课程简介《化合物半导体材料与器件》是一门电子科学与技术专业的专业核心课程，所涉及的专业技术内容有：化合物半导体材料，化合物半导体器件，半导体异质结的形成，半导体异质结的能带，异质结双极晶体管，金属半导体肖特基接触，金属半导体场效应晶体管，调制掺杂场效应晶体管，半导体光电子器件，宽带隙化合物半导体器件等基础化合物半导体材料和器件知识。
旨在培养电子科学与技术专业的学生，能够在半导体领域内掌握相关理论基础和器件结构的技术人才。
二、教学基本内容和要求第一章化合物半导体材料与器件基础主要教学内容：（1）、半导体材料的分类；（2）、化合物半导体材料晶格结构；（3）、化合物半导体材料化学键和极化；（4）、化合物半导体材料能带结构；（5）、化合物半导体材料施主和受主能级；（6）、化合物半导体材料载流子迁移率；（7）、化合物半导体器件的发展方向。
教学要求：1）、了解元素半导体、化合物半导体、半导体固溶体概念和种类。
2）、了解化合物半导体器件的发展方向。
3）、理解化合物半导体材料的晶格结构、化学键和极化。
4）、掌握化合物半导体材料的能带结构、施主和受主能级以及载流子迁移率。
重点：掌握化合物半导体材料的能带结构、施主和受主能级。
难点：掌握化合物半导体的截流子迁移率。
第二章半导体异质结主要教学内容：（1）、异质结的形成；（2）、异质结的能带图；（3）、突变异质结的伏安特性和注入特性；（4）、异质结的超注入现象；（5）、二维电子气的形成及能态；（6）、多量子阱与超晶格。
教学要求：1）、理解异质结的概念。
化合物半导体材料
化合物半导体材料半导体材料是一类既不是导体又不是绝缘体的材料，其电导率介于导体和绝缘体之间。
在现代电子学和光电子学中，半导体材料被广泛应用于各种电子器件和光电器件中，如电子集成电路、太阳能电池和激光器等。
常见的半导体材料包括硅（Si）和锗（Ge），它们是最早被广泛应用的半导体材料。
然而，还有很多其他化合物材料也具有半导体特性，如化合物半导体材料。
这些化合物半导体材料具有一些独特的特性，使它们在特定领域具有许多优势。
首先，化合物半导体材料的能隙宽度（bandgap）可以通过调节成分比例和晶格结构来调控。
能隙宽度是指电子从价带跃迁到导带所需的能量，也决定了材料的导电性能。
能隙宽度较大的化合物半导体材料通常具有较高的电阻和较低的载流子浓度，适用于高频和高温应用。
能隙宽度较小的化合物半导体材料则具有较高的导电性能和较高的载流子浓度，适用于光电子和光电器件等高效率应用。
化合物半导体材料还具有较高的光吸收系数和较短的光子寿命，使它们在光电子和光电器件中具有较高的量子效率和响应速度。
磷化镓、砷化镓和氮化镓等化合物半导体材料已广泛应用于光电子器件（如激光器、LED和光电二极管）和光通信领域。
尽管化合物半导体材料具有许多优势，但它们也存在一些挑战。
首先，制备过程相对复杂和成本较高，通常需要特殊的设备和技术。
其次，由于化合物半导体材料的晶格常数和热膨胀系数通常较小，因此与硅基材料的集成存在困难。
此外，一些化合物半导体材料还存在较高的缺陷密度和较短的寿命。
因此，尽管化合物半导体材料在一些特定领域具有广泛应用，但对于一般电子器件来说，硅仍然是主要的材料。
随着科学技术的不断发展和成熟，化合物半导体材料的制备工艺和性能将不断提高，实现与硅的集成和应用。
化合物半导体材料基础
MOVPE技术主要特点有：
生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器。可精确控制各种气体的流量，控制外延 层的成分、导电类型、载流子浓度、厚度等特性。可以生长纳米级的薄层和多层结构。 反应器中气体流速快，气体改变迅速，改变多元化合物组分和杂质浓度时，杂质分布陡峭，过渡 层薄，利于生长异质和多层结构。 晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要控制的参数少，设备简单。便于多片和 大片外延生长，有利于批量生长。 晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长 速度。
掺杂和界面平整度的半导体超薄层单晶薄膜制备技术，可用以直接 生长制备出二维、一维、零维的纳米结构。
2.溅射 溅射过程可定义为因受到高能投射粒子的撞击而引起的靶粒子喷 射。溅射是物理过程而不是化学过程。因此该技术极适于生长熔点 和蒸汽压大不相同的元素组分所构成的化合物与合金。 主要溅射方法包括：1.辉光放电溅射 2.离子束溅射
○ MOVPE技术是于1968年提出来的生长化合物半导体薄层晶体的方法，又称 为MOCVD，它是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢 化物等作为晶体生长的原材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长Ⅲ-Ⅴ族、 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶。
○ 例如用TMG与AsH3反应生长GaAs。 ○ Ga（CH3）3 + AsH3 GaAs + CH4
源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物，因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。
MOVPE工艺流程示意图
4.3.2 液相外延生长
液相外延技术（LPE），是一种从生长界面处于饱和状态 的熔融溶液中进行沉积，借以在单晶衬底上生长外延层的技 术。
第一讲+化合物半导体材料简介
已获应用的砷化镓器件有:
微
1. 微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等;
电
2. 微波晶体管:场效应晶体管(FET).高电子迁移率晶体管(HEMT) ，异 子
质结双极型晶体管(HBT)等;
领
3. 集成电路:微波单片集成电路(MMIC )、超高速集成电路(VHSIC)等; 域
1.1.2 半导体的特性
温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相
应地降低50%左右 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如 磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在 室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
1.1 半导体材料的分类
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:1化合而成的化合物。 它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。
砷化镓早在1926年就已经被合成出来了。到了1952年确认了 它的半导体性质。
用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高， 能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，也 是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高 速的器件和电路。
砷化镓在我们日常生活中的一些应用:
Ⅳ-Ⅳ族：SiC
1.1 半导体材料的分类
化合物半导体材料
化合物半导体材料半导体材料是一类功能性材料，具有介于导电体和绝缘体之间的导电性能。
在半导体材料中，原子之间的键合较弱，而且带隙较窄，电子在其晶格结构中的移动受到限制。
半导体材料广泛应用于电子器件和光电器件中，如晶体管、太阳能电池、LED等。
其中最常见的半导体材料包括硅（Si）和锗（Ge）。
这两种材料都是由IV族元素组成，具有四个价电子。
具体来说，硅是最常用的半导体材料之一，因为它具有丰富的资源、成本低廉以及制备工艺成熟等优点。
在半导体材料中，电子可以处于两种状态：导带和价带。
导带是能量较高的状态，其中电子可以自由地移动，而价带是能量较低的状态，其中电子处于束缚态。
当有外加能量施加在半导体材料上时，电子可以从价带跃迁到导带中。
这种跃迁会产生自由电子和空穴，自由电子能够导电，而空穴则类似于正电荷，它可以移动并与电子重新结合。
半导体材料的电子和空穴行为决定了其导电性能。
对于N型半导体，掺杂了少量的P型元素（如磷），它会提供额外的自由电子，因此导电性能增强。
而对于P型半导体，则掺杂了少量的N型元素（如硼），它提供额外的空穴，从而导电性能提高。
同时，半导体材料还可以通过PN结的形成实现电流的控制。
PN结是由N型和P型半导体材料的结合而成，在PN结上存在着能带弯曲，从而形成耐向电力。
在光电器件中，半导体材料也扮演着重要的角色。
例如，太阳能电池是利用半导体材料吸收光能来产生电能的装置。
太阳能电池通常使用硅材料作为光吸收层，当光能量被吸收时，会激发电子从价带跃迁到导带中，从而产生电流。
另外，LED也是利用半导体材料在电子跃迁过程中产生光电子的现象来实现发光。
总的来说，半导体材料是一类功能性材料，在电子器件和光电器件中起着至关重要的作用。
通过对半导体材料的研究和改进，可以进一步提升电子器件和光电器件的性能和效率，推动科技的发展。
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件共49页文档
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。
化物半导体材料
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 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
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
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。
化合物半导体材料
应用
应用
化合物半导体材料已广泛应用：在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面，另外还可用于手机、 光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域 。
谢谢观看
分类
分类
化合物半导体材料种类繁多，性质各异，如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及其固溶体材料，Ⅳ-Ⅳ族化合 物半导体(SiC)和氧化物半导体(Cu2O)等。它们中有宽禁带材料，也有高电子迁移率材料；有直接带隙材料，也 有间接带隙材料。因此化合物半导体材料比起元素半导体来，有更广泛的用途。
性质
性质
化合物半导体材料
由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物
01 简介
03 性质 05 材料优势
目录
02 分类 04 制备 06 应用
基本信息
化合物半导体材料是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带 结构等半导体性质的称为化合物半导体材料。
简介
简介
由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的 称为化合物半导体材料 。
材料优势
材料优势
化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例，通过比较可得： 1.化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度，因此，可以做到更高的工作频率和更快的工作 速度。 2.肖特基势垒特性优越，容易实现良好的栅控特性的MES结构。 3.本征电阻率高，为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离，工艺简化，适合于微波电路和毫米波集成电 路。 4.禁带宽度大，可以在Si器件难以工作的高温领域工。
多数化合物半导体都含有一个或一个以上挥发性组元，在熔点时挥发性组元会从熔体中全部分解出来。因此 化合物半导体材料的合成、提纯和单晶制备技术比较复杂和困难。维持熔体的化学计量比，是化合物半导体材料 制备的一个重要条件 。
第四章：化合物半导体材料_《半导体材料》课件
4.1.2 InP
1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来 的III-V族化合物； InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽 室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料； InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段； InP的热导率比GaAs好，散热效能好
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
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
4.1.1 GaAS
能带结构
物理性质 化学性质
电学性质
光学性质
GaAs能带结构
直接带隙结构
双能谷 轻空穴和重空穴
先进化合物半导体材料
• 另一种认为在闪锌矿型晶体结构中，除Ga和As+形成的共价键外，还有Ga3+和As3-形成 的离子键，因此Ⅲ-V族化合物的化学键属于 混合型。
8
2.2 Ⅲ-V族化合物半导体的性质
Δ目前得到实用的几种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 为GaAs、 InP、 GaP、GaN、 InSb 和GaSb。 Δ直接带隙，光电转换效率高，光电器件（LED， LD，太阳能电池等） Δ带隙较大，室温带隙值一般>1.1 eV。高温、大 功率器件。 ΔGaP是间接带隙，掺入等电子杂质（N）形成束 缚激子仍可得到较高的发光效率。是红、黄、绿 LED的主要材料。 Δ电子迁移率高，适合制备高频、高速器件。
▪ 与Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料比较Ⅱ-Ⅵ族化合物有以下一 些特点：
▪ (1)Ⅱ族元素和Ⅵ族元素在周期表中的位置相距比Ⅲ族和 Ⅴ族的大，故Ⅱ-Ⅵ族的负电性差值大，其离子键成分比 Ⅲ-Ⅴ族化合物大。
▪ (2)禁带宽度变化范围大，具有直接跃迁的能带结构等优 点。因此在固体发光、激光、显示、红外、压电效应等器 件方面都有着广泛的应用。
22
ΔGaP中掺N浓度约1019 cm-3时，N是绿色发光中 心。 Δ掺N浓度再高时，会形成N-N对，N-N对形成的 激子复合时发黄光。 Δ在GaP中掺Zn-O对，Zn-O复合体可视为等价分 子，亦可成为等电子陷阱，它所形成的束缚激子 复合发红光。 Δ绿色发光另外的机制：伴有声子发射的自由激 子复合发光和自由空穴与被施主俘获的电子复合 发光。 Δ高纯GaP样品在500 ℃以上才发生本征导电。一
Δ另外，还可以形成一种等电子陷阱束缚激子将间接跃
25
迁转化为直接跃迁而发光。
26
GaP的热胀系数与温度的关系
27
p-型GaP的热导率与温度的关系
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
负阻现象：电场强度超过某一阈值后，电场 强度增加，电流减小。
产生原因：多能谷散射
主能谷：电子有效质量小，迁移率高
卫星谷：电子有效质量大，迁移率小
电场强度超过某一阈值，电子获得足够的能 量，从主能谷转移到卫星谷，迁移率降低， 平均漂移速度减小，电导率下降。
GaAs物理性质
• GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽
• （2）通过温度场的剪裁和控制，冷却程序的优化，有效 控制固液界面的形状，减少单晶中的热应力
• （3）多步晶片退火工艺，提高电学性质的均匀性，避免 位错密度增加
• 参考文献： • (1) Amon J, J. Cryst. Growth, 1998, 187(1): 1-8 • (2) Oda. O, Semicond. Sci. Technol., 1992, 7(1A): A215-223 • (3) Polyakov A Y, Solid-State Electronics, 2004, 48(1): 155-161
GaAs电学性质
• 有效质量越低，电子速度越快
• 电子的速度
k v * mn
• 电子迁移率
• GaAs中电子有效质量为自由 电子的1/15，是硅电子的1/3 • GaAs电子迁移率比Si大五倍
q * mn
• 用GaAs制备的晶体管开关速 度比硅的快3~4倍 • 高频器件，军事上应用
本征载流子浓度
原因：{111}面间带异性电荷的III族和V族原子间相互作 用，有库仑引力，分离较难。{110}面相邻面间没有库 仑引力，分离较容易
（2）腐蚀速度－－B面（V族原子面）易腐蚀 V族原子面电负性大，原子化学活性强，易被氧化， 所以B面腐蚀速度快。
（3）外延层质量－－B面质量好 通常，沿B面易生长出单晶，位错密度低。 可能与B面电负性大有关系，B面电负性大，具有四 面体键，价键畸变小，基本保持原有的四面体结构。 尚无定论。 （4）晶片加工－－不对称性 晶片加工中引起的损伤层厚度、表面完整性等具有不 对称性。
化合物半导体材料
• 4.1 III－V族化合物半导体材料
• 4.2 II－VI族化合物半导体材料
教学基本要求
• 1、掌握III-V族化合物半导体的共有的特 性 2、掌握GaAs, InP, GaN的电学性质、光 学性质及应用 3、掌握II-VI族化合物半导体的共有的特 性 4、掌握ZnO的性质及应用
150 14
3300
5400
InN
AlN
纤锌矿
纤锌矿
0.7
6.24
4400
300
III-V族化合物半导体性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV 带隙和温度的关系：
Eg (T ) Eg (0)
T
2
T
（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
晶体结构
• 优良的化学稳定性和热稳定性，适合发展高温、 高频、大功率电子器件 • GaN基III族氮化物是目前最引人注目的新一代半导 第04章 化合物半导体材料 体材料
优点：温度梯度小，便于进行挥发性组元（As, P）的蒸汽 压控制，晶体表面不离解，生长晶体位错密度较低。
生长系统：机械及运动系统、电器及控制系统、热场系 统、安全及辅助系统
第04章 化合物半导体材料
GaAs体单晶的研究现状
• 半导体材料的质量是研究半导体物理、实现半导体性能与 应用的关键所在。
• 重要的问题：如何在低成本的条件下，提高材料的结构均 匀性、降低单晶的位错密度和残余应力，提高电学性质均 匀性。 • （1）选择合适的坩埚形状提高单晶的成品率
• 参考文献： • (1)Gulluoglu A N, Acta Materialia, 1999, 47(8): 2313-2322 • (2) Aashi T, Jpn. J. Appl. Phys., 1999, 38(2B): 977-980 • (3)Matsumoto F, J. Cryst. Growth, 1993, 132(1-2): 348-350 • (4)Hosokawa Y, Sumitomo Electric Technical Review, 1993, 35: 69-73
第04章 化合物半导体材料
主讲：郝亚非
• 尽管硅在微电子技术应用方面取得了巨大成功，但 是硅是间接带隙半导体，在硅基发光器件的研究方 面进展缓慢。 • III-V族化合物半导体材料，作为第二代半导体材料， 以其优异的光学和电学性能成为当今重要的光电子 和电子器件的基础材料之一，所制备的光电器件、 微波器件、太阳能电池、红外成像及传感器件等在 军事领域、信息技术领域和人们的日常生活中发挥 着举足轻重的作用。 • II-VI族宽禁带半导体材料具有非常优异的光电性能， 在可见、紫外光电器件领域具有重要的应用前景， 是目前宽禁带半导体中非常活跃的研究方向和重要 的研究热点。
• 垂直布里奇曼法（VB）和垂直梯度凝固法 （VGF）生长的单晶位错密度极低，单晶 炉制造成本低，是工业化III-V族化合物单晶 材料生长的主流方法之一。
装炉：籽晶、多晶、三氧化 二硼覆盖剂。
加热使多晶全部融化，管状 坩埚，从籽晶端开始单晶生 长。 加热器由多段加热炉构成。
VGF：坩埚和炉体静止， 通过温度场的移动，使 熔体和单晶的固液界面 从籽晶端开始以一定速 度逐渐移动到坩埚顶部， 完成单晶生长； VB：通过热场建立一 定的温度梯度，坩埚由 高温区逐渐向低温区移 动，完成单晶的生长。
4.1.2 InP
• 1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的IIIV族化合物； • InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
• 室温下与空气中稳定，3600C下开始离解 • 熔点下离解压27atm • 溶于无机酸
• N型InP通过掺S和Se获得 • P型InP通过掺Zn获得 • 半绝缘的InP通过掺Fe获得
4.1.1 GaAS
• GaAs单晶是目前生产工艺最成熟、产量最大、 应用面最广的化合物半导体材料，是仅次于Si 的重要微电子材料。
• • • • •
能带结构 物理性质 化学性质 电学性质 光学性质
GaAs能带结构
• 直接带隙结构
卫星谷
• 双能谷 • 轻空穴和重空穴
• 带隙为1.42 eV
• 负阻现象
• 生长方法：VGF, VB, LEC
InP特性
• 高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电 子，是制备超高速、超高频器件的良好材料； • InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于 GaAs • InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段； • InP的热导率比GaAs好，散热效能好 • InP是重要的衬底材料 第04章 化合物半导体材料
GaAs的应用
• GaAs带隙较大、电子迁移率和饱和速度高，所 制备的器件比硅器件工作速度快、工作频率高、 工作温度高。 • 微电子领域：用于制作高速、高频、大功率等微 电子器件、微波器件和电路，用于移动通信、卫 星通信、雷达系统、红外探测及成像。 • 光电子领域：作为发光二极管和激光器的衬底材 料。 • 太阳能电池领域：转换效率、抗辐照、温度稳定 性方面有独特优势。
• 分子量为144.64 • 原子密度4.42×1022/cm3
GaAs化学性质
• GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易 溶于王水 • 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定 • 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离 解 • 熔点12380C • 熔点下离解压1atm
• GaAs单晶分为半绝缘型和半导体型 • 半绝缘型GaAs通常采用掺碳的方法获得， 电阻率在107欧姆厘米以上 • N型掺杂的半导体型GaAs通过掺Si和Te （VIA族）获得 • P型掺杂的半导体型GaAs通过掺Zn（IIB） 获得
InP研究现状
• InP衬底的结构和光电性质均匀性对于外延器件的 性能有着非常重要的影响。 • 目前努力的方向：提高单晶的成品率、结构性质 均匀性，降低生产成本 • 计算机模拟研究VGF生长工艺参数对InP单晶中位 错产生的影响 • 用VGF生长工艺和LEC生长工艺生长2~6英寸的单 晶，并对熔体的组分和生长工艺参数进行优化 • 市场需求以2英寸衬底为主，6英寸的未进行量化 生产
•
• •
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
InP
纤锌矿 闪锌矿
闪锌矿
3.4 0.35
1.34
900 8.1×1014
6.9×107
10 450
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 2～300GHz 200oC 高 高 硅 <1GHz 120oC 低 低
具光能
高频下使用 功率耗损 元件大小
是
杂讯少 小 小
否
杂讯多，不易克 服 高 大
材料成本
产品良率
高
低
低
高
GaAs非常适合高频无线通讯
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
n i (T ) 1.05 10 T
16 3/ 2