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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学号：**********
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%。

3.3.2可制成薄膜和超薄型太阳电池：GaAs为直接跃迁型材料,而Si为间接跃迁型材料。

在可见光范围内,GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。

同样吸收95%的太阳光,GaAs太阳电池只需5~10µm的厚度,而Si太阳电池则需大于150µm。

因此,GaAs太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。

3.3.3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%。

3.3.4抗辐射性能好： GaAs为直接禁带材料,少数载流子寿命较短,在离结几个扩散度外产生的损伤,对光电流和暗电流均无影响。

因此,其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。

在电子能量为1 MeV,通量为1×1015个/cm2辐照条件下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,GaAs单结太阳
池>0.76,GaAs多结太阳电池>0. 81,而BSFSi太阳电池仅为0.70。

3.3.5可制成效率更高的多结叠层太阳电池： MOCVD技术的日益完善,Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生长技术取得的重大进展,为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料。

[5] 四．材料的的应用
4.1.砷化镓在光电子方面的应用
同用其他材料制作的激光器相比,砷化镓激光器有很多优点:首先激光器件可以做得很小,如用砷化镓激光器制造的小型雷达,只有手电筒那样大,能产生1.0×10-11s脉冲和6W的功率,是一种战地条件下很有效的雷达;其次,砷化镓化合物半导体激光器件使用寿命长。

据报道,砷化镓激光器的寿命可达到2 700
000 h;第三,容量大是砷化镓激光器又一个重要的优点,用这种激光器通讯可以携带几千路对话通讯光束。

4.2.砷化镓在微电子方面的应用
砷化镓不仅可直接制作光电子器件，如发光二级管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池；而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，且有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点，不仅在国防上具有重要意义，在民用和国民经济建设中更有广泛应用。

同时由于太阳能电池、光纤通信和移动通信的发展，世界对砷化镓半导体材料的需求越来越大，砷化镓的重要性也在不断提高。

4.3.砷化镓在通信方面的应用
半绝缘砷化镓材料主要用于高频通信器件，受到近年民用无线通信市场尤其是手机市场的拉动，半绝缘砷化镓材料的市场规模也出现了快速增长的局面[6]。

同时砷化镓太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间主电源，必将逐步取代目前采用的硅电池在空间电伏领域占领主导地位。

我国航天事业飞速发展也需要高性能、长寿的空间主电源。

4.4.砷化镓在微波方面的应用
与硅微波器件相比,砷化镓微波器件特点是:功率大、频率高、增益高、噪声小,并且能够在比较低的电压下工作,现在,砷化镓场效应晶体管和雪崩二极管的工作效率已经达到几十千兆周,有可能突破100千兆周,这在雷达和微波通讯方面,都有着极为重要的意义。

由于砷化镓微波器件增容高,噪声小,所以大大改善了微波系统的灵敏度。

砷化镓甘氏二级管可以在操作电压5V到7V的条件下
工作。

所以砷化镓甘氏二级管,可以使用尺寸小和重量轻的电源,对宇宙空间技术有极为重要的意义。

4.5.砷化镓在太阳能电池方面的应用
砷化镓是一种很有发展前途的制作太阳能电池的材料。

太阳能电池可以把太阳能直接转换为电能。

硅太阳能电池是世界上使用最多的一种,它的转换效率最高能够达到18%～20%,而砷化镓太阳能电池最大效率预计可以达到23%～26%,它是目前各种类型太阳能电池中效率预计最高的一种。

砷化镓太阳能电池抗辐射能力强,并且能在比较高的温度环境中工作。

这不仅对探索宇宙的研究提供了有利条件,而且也标志着人类在直接利用无穷无尽的太阳能方面又迈进了一步。

五．总结
砷化镓作为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，它的闪锌矿晶体结构和直接带隙结构让它具有相比于硅，锗更为优良的性能。

砷化镓具有更高的电子迁移率和饱和迁移速率，而且还有独特的半绝缘性，而且砷化镓材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性，使砷化镓材料具有特殊用途和多样性,应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。

砷化镓材料虽然在制备方面具有一定的难度，但其应用前景仍旧是一片光明，在光电子，微电子，太阳能电池等各个方面都有非常广泛的应用。

参考文献：
[1] 白须崇一，金属时评, 1999, (1722): 21.
[2] 陈金富，固体物理学 ,高等教育出版社 ,1986.
[3] 孟庆巨 ,刘海波等 .半导体器件物理 ,科学出版社 ,2005.
[4] 王建利牛沈军等，科技创新导报，2010.
[5] 张忠卫,陆剑峰等，上海航天，2003.
[6] 伍钢柱，化学与社会，1998，180~190合期.。