砷化镓材料物理特性及应用

砷化镓物理特性

及应用

院系：可再生能源学院

专业：新能源材料与器件

班级：能材1201班

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2015年1月

摘要：文章从砷化镓材料的结构，物理特性以及应用方面，对砷化镓材料进行了简单的介绍和了解。Ⅲ-Ⅴ族半导体砷化镓具有禁带宽度大且为直接带隙、本征载流子浓度低，而且具有半绝缘性能，其具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性，制造的器件也具有特殊用途和多样性,应用已经延伸到硅、锗器件所不能达到的领域，是用途广泛，非常重要的一种半导体材料。

关键词：砷化镓直接带隙结构Ⅲ-Ⅴ族半导体半绝缘砷化镓一．引言

化合物半导体材料砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是微电子和光电子的基础材料，而砷化镓则是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。由于砷化镓具有电子迁移率高（是硅的5~6倍）、禁带宽度大（它为1.43eV，Si为1.1eV）且为直接带隙，容易制成半绝缘材料（电阻率107~109Ωcm）、本征载流子浓度低、光电特性好。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。

此外, GaAs材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性。所以,用该材料制造的器件也具有特殊用途和多样性,其应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。即使在1998年世界半导体产业不景气的状况下, GaAs材料器件的销售市场仍然看好[1]。当然, GaAs材料也存在一些不利因素,如:材料熔点蒸气压高、组分难控制、单晶生长速度慢、材料机械强度弱、完整性差及价格昂贵等,这都大大影响了其应用程度。然而, GaAs材料所具有的独特性能及其在军事、民用和产业等领域的广泛用途,都极大地引起各国的高度重视,并投入大量资金进行开发和研究。

二．材料的结构

2.1砷化镓的晶体结构

砷化镓晶格是由两个面心立方(fcc)的子晶格(格点上分别是砷和镓的两个子晶格)沿空间体对角线位移1/4套构而成。这种晶体结构在物理学上称之为闪锌矿结构。图1给出了砷化镓晶胞结构的示意图,表1给出了在室温下目前已知砷化镓半导体材料的物理、电学参数。关于砷化镓的化学组成形式,III-V族化合物共价键模型认为[2]:这类化合物形成四面体共价结合,成键时III族原子提供3个S2P1组态的价电子,而V族原子提供5个S2P3组态的价电子，它们之间平均每个原子有四个价电子，正好可用作形成四面体共价结合之用。这类化合物以共价结合为主,但却混杂有部分离子结合性质。这是由于V族元素的电负性比III族元素大,组成晶体时,部分电子将从电负性低的原子(III族元素)转移到电负性较高的原子(V族元素)中去,电荷的这种转移(极化)使III族元素带正电,V 族元素带负电。如果引用有效电荷Z*e这个概念来描述这种电荷转移的程度,则“共价键”模型可认为砷化镓晶体以共价结合为主,但混杂有部分离子结合性质,每个离子带有效电荷Z*e。

2.2砷化镓的能带结构

由量子理论知道,孤立原子周围的电子具有确定的能量值,当离散的原子聚集在一起形成晶体时,原子周围的电子将受到限制,不再是处于单个独立能级,而是处于一个能量允许的范围内,这一模型就是我们在半导体物理学上所谓的能带理论模型。[3]

图2给出了硅和砷化镓在k空间的能带结构示意图,由图可看出,硅的导带最小值与价带最大值位于不同k空间,而砷化镓的导带最小值与价带最大值则位于k=0处,这意味着在砷化镓中,电子发生跃迁时可直接从导带底到达价带顶。与硅相比,电子在从导带跃迁到价带过程中只需要能量的改变,而动量则不发生改变。这一性质使砷化镓在制造半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)方面具有得天独厚的优势,当一个电子从高能量导带进入低能量价带时,多余能量便以光子的形式释放。另一方面,当砷化镓受到光照射时,价带中的电子便可从外界得到能量而振动加剧,当此能量足够大时,便可使电子跃迁到导带,这一性质可使砷

化镓应用于光电探测领域。

图2 砷化镓和硅的能带结构图

三．材料的物理特性

3.1.砷化镓材料的基本物理特性：

砷化镓半导体材料是直接带隙结构，双能谷。晶体呈暗灰色，有金属光泽。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。有效

质量越低，电子速度越快。GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3，用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快3~4倍。

3.2.砷化镓材料的其他物理特性

3.2.1砷化镓具有高迁移率,高饱合漂移速度[4]。当半导体处于外场中时,在相继两次散射之间的自由时间内,载流子(比如电子)将被外场加速,从而获得

沿一定方向的加速度。因此,在有外场存在时,载流子除了做无规则的热运动外,还存着沿一定方向的有规则的漂移运动,漂移运动的速度称为漂移速度( v ),最大漂移速度称为饱合漂移速度。漂移速度与电场的关系如图3所示。

砷化镓在弱电场状态(图3中虚线左边区域)下,电子迁移率约为

8500cm2/(V·s),比 Si要大得多。随着电场强度的增加 ,砷化镓的电子漂移速

度达到一个峰值然后开始下降(图3中虚线右边区域)。在漂移速度——电场强

度特性曲线上某个特定点处的斜率即为该点的微分迁移率。当曲线斜率为负时

微分迁移率也为负,负微分迁移率产生负微分电阻,振荡器的设计就利用了这一

特性。

图3 砷化镓和硅的漂移速度与电场强度关系

3.2.2砷化镓还有一个重要的性能是半绝缘性,通过区域离子注入,其衬底内部仍然能保持电隔离。这样的性质,使其非常适合用作生产集成电路所用衬底的材料。另外,半绝缘砷化镓材料制成的器件,其寄生电容很小,这样可用来制造一些快速器件,比如开发的单片微波集成电路。

3.3.砷化镓的应用物理特性

砷化镓电池作为Ⅲ-Ⅴ族半导体电池，与硅电池相比有很多特点：

3.3.1光电转换效率高： GaAs的禁带宽度较Si为宽,GaAs的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si好,因此,GaAs太阳电池的光电转换效率高。Si太阳电池理论效率为23%,而单结和多结GaAs太阳电池的理论效率分别为27%和50%。