05-第五章 GaAs半导体材料教程

第五章GaAs 半导体材料§5.1 GaAs 材料的性质和太阳电池§5.2 GaAs 单晶材料§5.3 GaAs 薄膜单晶材料§5.4GaAs 晶体中的杂质
第五章GaAs 半导体材料
第五章GaAs 半导体材料
近年来,太阳能光伏发电在全球取得长足发展。

常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池,然而由于原材料多晶硅的供应能力有限,加上国际炒家的炒作,导致国际市场上多晶硅价格一路攀升,最近一年来,由于受经济危机影响,价格有所下跌,但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。

目前,技术上解决这一困难的途径有两条:一是采用薄膜太阳电池,二是采用聚光太阳电池,减小对原料在量上的依赖程度。

常用薄膜电池转化率较低,因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视。

聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍,或几百倍甚至上千倍,然后投射到太阳电池上。

这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。

它们具有转化率高,电池占地面积小和耗材少的优点。

高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓(GaAs 太阳电池。

第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体材料
砷化镓电池与硅光电池的比较
1、光电转化率:
砷化镓的禁带较硅为宽,使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。

目前,硅电池的理论效率大概为23%,而单结的砷化镓电池理论效率达到27%,而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。

2、耐温性
常规上,砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池,有实验数据表明,砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作,但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。

3、机械强度和比重
砷化镓较硅质在物理性质上要更脆,这一点使得其加工时比容易碎裂,所以,目前常把其制成薄膜,并使用衬底(常为Ge ,来对抗其在这方面的不利,但是也增加了技术的复杂度。

第五章GaAs 半导体材料第五章GaAs 半导体材料
GaAs 太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的,已有已有50多年的历史:•1954年世界上首次发现GaAs 材料具有光伏效应。

•1956年,LoferskiJ.J.和他的团队探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性,他们指出Eg 在1.2~1.6eV 范围内的材料具有最高的转换效率。

(GaAs 材料的Eg=1.43eV ,在上述高效率范围内,理论上估算,GaAs 单结太阳电池的效率可达27%。

•20世纪60年代,Gobat 等研制了第1个掺锌GaAs 太阳电池,不过转化率不高,仅为9%~10%,远低于27%的理论值。

20世纪70年代,IBM 公司和前苏联Ioffe 技术物理所等为代表的研究单位。

•采用LPE (液相外延技术引入GaAlAs 异质窗口层,降低了GaAs 表面的复合速率,使GaAs 太阳电池的效率达16%。

不久,美国的HRL (HughesResearchLab 及Spectrolab 通过改进了LPE 技术使得电池的平均效率达到18%,并实现了批量生产,开创了高效率砷化镓太阳电池的新时代。

•从上世纪80年代后,GaAs 太阳电池技术经历了从LPE 到MOCVD ,从同质外延到异质外延,从单结到多结叠层结构的几个发展阶段,其发展速度日益加快,效率也不断提高,目前实验室最高效率已达到
50%(来自IBM 公司数据,产业生产转化率可达30%以上。

第五章GaAs 半导体材料§5.1 GaAs 材料的性质和太阳电池
•砷化镓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。

•优点:
9砷化镓具有电子迁移率高(是硅的5-6倍、
9禁带宽度大(它为1.43eV ,硅为1.1eV ,工作温度可以比硅高
9为直接带隙,光电特性好,可作发光与激光器件9容易制成半绝缘材料(电阻率107-109Ωcm ,9本征载流子浓度低9耐热、抗辐射性能好9对磁场敏感9易拉制出单晶
1、GaAs 材料的性质
第五章GaAs 半导体材料
•砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:1化合而成的金属间化合物。

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
•现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。

这些遥控器是通过砷化镓发出的红外光把指令传给主机的。

•在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯,它们是以砷化镓等材料为衬底做成的发光二极管。

•光盘和VCD ,DVD 都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管进行读出的。

第五章GaAs 半导体材料2、GaAs 的晶体结构-闪锌矿结构
•等轴晶系,a 0=0.540nm ;闪锌矿型结构,立方面心格子。

•Ga 2+分布于晶胞之角顶及所有面的中心。

•As 2-位于晶胞所分成的八个小立方体中的四个小立方体的中心。

•从配位多面体角度看,[GaAs4]四面体彼此以4个角顶相连。

第五章GaAs 半导体材料
GaAs 的能带结构
第五章GaAs 半导体材料3、GaAs 太阳电池
(1GaAs 太阳电池结构
第五章GaAs 半导体材料
GaAs 太阳电池种类
第五章GaAs 半导体材料衬底
n +GaAs
n -GaAs P -GaAs P -AlGaAs P -GaAs 衬底
n +GaAs P +-GaAs P -GaInP P -GaAs n -GaAs n -GaInP P -AlGaInP P -GaInP
n -GaInP n -AlInP 叠层的III-V 化合物太阳电池
GaAs 太阳电池
(1GaAs 太阳电池结构
第五章GaAs 半导体材料
(2GaAs 太阳电池特点
GaAs 太阳电池是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池,与Si 太阳电池相比,其特点为:a 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 %。

第五章GaAs 半导体材料b 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。

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 %。

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d 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1MeV ,通量为1×1015个/cm 2辐照条件下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,GaAs 单结太阳电池> 0.76,GaAs 多结太阳电池> 0.81,而BSF Si 太阳电池仅为0.70。

e 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( Ga InP 、AlGa InP 、Ga InAs 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。

第五章GaAs 半导体材料(3多结GaAs 太阳电池
单结GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光,其转换效率不高。

不同禁带宽度的Ⅲ-V 族材料制备的多结GaAs 电池,按禁带宽度大小叠合,分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域,可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。

理论计算表明:双结GaAs 太阳电池的极限效率为30%,三结GaAs 太阳电池的极限效率为38%,四结GaAs 太阳电池的极限效率为41%。

20世纪80年代中期,国外逐步开始研制高效率多结叠层电池。

多结叠层电池效率高、温度系数低、抗辐射能力强,其空间应用更具吸引力。

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GaAs 太阳电池的发展已有40 余年的历史。

20世纪50年代首次发现GaAs 材料具有光伏效应后,LOFERSKI 确立了太阳电池光电转换效率与材料禁带宽度E g 间的关系:即E g = 1.4~1.6 eV 的材料光电转换效率高。

而GaAs 材料的E g = 1.43 eV ,能获得较高的转换效率。

JENNY 等首次制成GaAs 太阳电池,其效率为6.5%。

60年代GOBAT 等研制了第1个掺锌GaAs 太阳电池,但转换效率仅为9%~10%,远低于27% 的理论值。

70年代,WOODAL 等采用LPE 技术,在GaAs 表面生长一层宽禁带Al x Ga 1-x As 窗口层,大大减少了表面复合,转换效率提高至16%,开创了高效率砷化镓太阳电池的新纪元。

(4砷化镓太阳电池技术的进展与前景
第五章GaAs半导体材料
砷化镓太阳电池技术的进展与前景
20 世纪80年代后, GaAs太阳电池技术经历了从LPE到MOCVD,从同质外延到异质外延,从单结到多结叠层结构的几个发展阶段,其发展速度日益加快,效率也不
断提高,最高效率已达到29%。

与硅太阳电池相比,GaAs太阳电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能,是公认的新一代高性能长寿命空间主电源。

从80 年代至今,GaAs太阳电池在空间主电源领域的应用比例日益增大。

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§5.2 GaAs单晶材料
Ga:As=1:1时,生成GaAs,而且随着温度的降低,在冷却过程
中不发生相变,要制备GaAs可以先制备组分为1:1的液相,再
降温结晶。

1237℃以上,在液相
时,Ga和As可以无限
互溶成为均匀的液体。

只要温度大于Ga的熔
点29.5℃,As的比例
小于50%,Ga与As的
互熔体与GaAs共存,
•As的比例大于50%,
温度低于810℃,As与
GaAs共存。

•温度高于810℃,Ga
与As的互熔体与GaAs
共存
第五章GaAs半导体材料
曲线4-2-1是纯砷的蒸汽压与温度的关系曲线。

Ga-As体系的P-T 图
曲线7-6-5-2是As(g,
GaAs(g和液相三相平
衡共存时体系的温度和
压强的关系曲线。

如果直接加热,则当温度达到800℃以上时,纯砷的蒸气压已超过106Pa,所以如果用直接加热的方式制备GaAs,纯砷的蒸气压过高。

如果直接把As和Ga放在密封容器中加热,压力太大,对设备要求高,不易拉制单晶,而且在高压下拉制的单晶位错密度大。

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图c是GaAs 的p-x(压力
与组分图,曲线7-6-5-2表示
As(g,GaAs (s和液相三相平
衡共存时As的平衡蒸汽压和
液相中As的平衡浓度关系。

图中点6对应AsGa的熔点,
与它相对应的纯砷的平衡蒸
气压为9.5×104Pa。

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通过分析相图,可知:
1、根据图a,可知GaAs的熔点为1237℃,合成GaAs要求温度较高。

2、根据图b,可知在780℃以上,砷的蒸汽压大于106Pa(10个大
气压,如果直接把As和Ga放在密封容器中加热,压力太大,对设备要求高,不易拉制单晶,而且在高压下拉制的单晶位错密度大。

3、根据图c,GaAs(固和液相平衡时,砷的蒸汽压为
9.5×104Pa,只要维持这个压力就可以长出化学计量比为1:1的
GaAs,偏离此压力,则产物中会砷或镓的比例会偏大。

4、根据图b中的曲线4-2-1(纯砷的蒸汽压与温度的关系可知,
固态砷在617℃时的蒸汽压为1×105Pa,可设计一个二温区的设备。

在一抽空的石英管两端放置砷和镓,砷端的温度为617℃,镓端的温度大于1237℃,砷蒸汽与镓反应完全,达到平衡后,熔体中Ga与As的化学计量比一定是1:1。

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目前Ⅲ-V族化合物体单晶主要是从熔体中生长的。

生长III-V 族化合物晶体的方法与锗、硅晶体大致相同,有直拉法和横拉法。

对于在熔化时不离解的锑化物,可利用制备锗、硅单晶的相同的设备,在保护气氛下生长。

对于蒸气压较大的砷化物和磷化物,则要适当改变设备与工艺,控制砷、磷压防止熔体离解。

控制砷气压有两种方法:
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,而整个系统的温度都必须高于As源端温度,以防止As蒸气凝结。

目前使用的水平布里奇曼(Bridgman法属于这一类。

这种方法在密封石英系统中进行,污染少,纯度较高。

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第二种方法是在熔体上覆盖惰性熔体,再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B
2O
3
,所以这种方法通常称为B
2
O
3
液态密封法。

这种方法可以批量生产大直径具有一定晶向的单晶,生产效率高,而且利用这种方法可以生产高离解压的磷化物。

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1、布里奇曼法制备GaAs单晶
水平布里奇曼法的装置和温度分布图水平布里奇曼法,又叫横拉法。

它与锗单晶生长常用的水平
区熔法很相似。

两温区横拉
法法生长GaAs设备见右图。

加热炉分为低温炉与高温
炉,它们分别供电、测温和
控温。

高温炉外部有一个开
有观察孔的保温炉,它装在
区熔传动机构上,可以左右
移动。

反应室为圆柱形石英管,中
间有石英隔窗,一端放有用
金刚砂打毛后清洗干净的石
英舟,另一端则装砷。

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合成GaAs工艺:
(1将纯Ga盛于石英舟内,放在石英反应管一端,纯砷放
到另一端。

为了使整个体系能保持有9×104Pa的砷蒸气,装砷量要比按化学计量计算的量要多一些。

(2高真空下分别加温除去氧化膜。

Ga在700℃,1.3×10-3Pa下恒温处理2h除去氧化膜。

As在280℃,1.3×10-3Pa真空下恒温处理2h除去氧化膜。

第五章GaAs半导体材料
(3在真空条件下分别用氢氧焰封闭石英管。

为了便于操作将Ga用干冰或液N
2
冷冻凝固,用石英撞针(或用固体As撞破石英隔窗。

(4将反应管放人炉中,镓舟置于高温炉中,砷端置于低温炉中,
通电升温。

砷:低温炉恒温于617℃,镓:高温炉恒温1250℃
(5开动区熔机,使熔区由锭的一端移到另一端,这时GaAs便合
成好了。

(6GaAs合成后,将保温炉退回锭的前端,即可进行晶体生长。

生长晶体时可利用预先放人的籽晶引晶,并可以应用缩颈技术,以降低位错密度。

第五章GaAs半导体材料
横拉法的缺点:
用横拉法生长GaAs单晶的主要问题是“粘舟”,即GaAs与石英舟粘在一起不易分开。

解决办法:
(1将石英舟喷砂打毛,或将喷砂后的石英舟用Ga在
1000~1100℃高温下处理10h。

(2脱氧时真空度要高。

(3合成及拉晶时严格控制温度并防止Ga与As化学比的
偏离。

目前用这种方法可拉制截面最大直径为75mm的GaAs单晶。

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2、液封直拉法制备GaAs单晶
液态密封法也称LEP(1iquid encapstdation pulling technique法或称LEC(1iquid encapstllation czochralski method法,它是目前拉制大直径Ⅲ-V族化合物晶体的最重要的方法。

它是在高压炉内,将欲拉制的化合物材料盛于石英坩埚中,上面覆盖一层透明而黏滞的惰性熔体,将整个化合物熔体密封起来,然后再在惰性熔体上充以一定压力的
惰性气体,用此法来抑制化合物材料的离解,用这种技术可拉制GaAs、InP、GaP等的大直径单晶。

第五章GaAs半导体材料
密封化合物熔体的惰性熔体应具备以下条件:
①密度比化合物材料小,熔化后能浮在化合物熔体上面。

②透明,便于观察晶体生长的情况。

③不与化合物及石英坩埚反应,而且在化合物及其组分中溶解度小。

④易提纯,蒸气压低,易熔化,易去掉。

第五章GaAs半导体材料
目前采用的B
2
O
3
,其特点为:
①密度比化合物材料小,熔化后能浮在化合物熔体上面。

密度为1.8g/cm3,比GaAs密度(5.3g/cm3小得多
②透明,便于观察晶体生长的情况。

脱水后的B
2
O
3
是无色透明的块状,450℃时便可熔化成透明的黏度大的玻璃态液体
③不与化合物及石英坩埚反应,而且在化合物及其组分中溶解度小。

不与GaAs熔体反应,对石英坩埚的浸蚀也小,
④易提纯,蒸气压低,易熔化,易去掉。

在GaAS熔点1237℃时,它的蒸气压只有13Pa而且易纯制。

但它易吸水,在高温下对石英坩埚有轻微的腐蚀,造成一定的Si沾污。

第五章GaAs半导体材料
液态密封法拉制单晶的原料,
一般先在炉外合成多晶,但对于
GaAs,也可以在炉内直接合成后拉
晶,其装置如左图所示。

在炉内有一石英杯,杯内装
Ga,另有一石英安瓶装As,B
2O
3
预
先在900~1000℃下加热脱水,并同时将Ga杯、As瓶调到炉上或炉边适当位置烘烤,以便除去氧化膜。

除氧后,降温至600~700℃,将Ga倒入石英坩埚内,充以
1.5×105Pa的Ar 气。

第五章GaAs半导体材料
合成时将As安瓶下端毛细管尖端通过B
2
O
3
液层插入Ga 液中,逐渐升温至合成温度,安瓶内砷变成蒸气溶人Ga内生成GaAs.合成后拔出砷安瓶管,并按Si直拉法拉晶程序,引晶一缩颈一放肩一等径生长一收尾拉光等步骤拉制GaAs单晶。

一般籽晶的取向是(100或(111,籽晶转速
30~60rpm,坩埚转速8~10rpm,拉速1.5-3cm/h。

目前用这种方法可拉制出直径
Φ150ram,重达十几千克的GaAs单晶,无位错的GaAs单晶直径可达Φ100mm。

第五章GaAs半导体材料
§5.3 GaAs薄膜单晶材料
虽然GaAs体单晶通过扩散S、Zn等杂质,可以形成p-n结,制备单极体的GaAs 太阳电池,但是其效率低、成本高,人们更多的是利用GaAs薄膜单晶材料制备太阳电池,以便获得高质量的GaAs 单晶薄膜,提高太阳电池效率,相对降低生产成本。

GaAs的外延包括同质外延和异质外延两种,如GaAs/GaAs 和GaAlAs/GaAs结构。

通常,GaAs单晶外延薄膜可以采用液相外延(LPE、金属-有机化学气相沉积外延(MOCVD和分子束外延技术,对于太阳电池用GaAs,考虑到性能价格比和相应三元化合物半导体材料的制备,前两者得到了更广泛的应用。

第五章GaAs半导体材料
§5.3.1 液相外延(LPE制备GaAs薄膜单晶
液相外延技术(Liquid Phase Epitaxy,简称LPE是1963年由Nelson等人提出
的。

在GaAs的生产中,其以低熔点的Ga(镓为溶剂,以待生长材料Ga、As(砷和掺杂剂Zn(锌、Te(碲、Sn(锡等为溶质,使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态。

通过降冷却使石墨舟中的溶质从溶剂中析出,在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常
数与单晶衬底(常为Ga足够相似的GaAs晶体材料,使晶体结构得以延续,实现晶体
的外延生长。

第五章GaAs 半导体材料
液相外延生长GaAs 薄膜,主要是控制溶液的过冷度和过饱和度,从而获得高质
量的薄膜。

控制过冷度的方法有:
(1渐冷生长即溶液与衬底接触后,溶液温度逐渐降低,形成过冷度,进行外延生长;
(2一步冷却技术即将溶液温度降低至液相线以下,然后让溶液与衬底接触,在恒定温度下进行外延;
(3过冷生长即将溶液温度降低至液相线以下,然后让溶液与衬底接触,再以一定速度降温外延生长;
(4恒温梯度生长源和衬底分别放在溶液的上部和下部,源的温度比衬底高,导致溶质穿过溶液在衬底上外延;
(5电外延生长利用电流通过溶液和衬底的界面,使得溶液局部过冷而达到过饱和。

第五章GaAs 半导体材料
利用液相外延生长薄膜,通常有三种途径:
一是倾倒式:就是将熔化的液体直接倾倒在衬底表面进行外延,外延完成后,将多余的流出,这种技术制得的外延层与溶液不容易脱离干净,导致外延层的厚度和均匀性不易控制。

二是浸渍式:就是将水平或垂直放置的衬底直接浸渍在溶液中,外延完成后,再将衬底取出,这种技术生长的GaAs 薄膜不容易控制厚度且Ga 的消耗量较大。

三是水平滑动式:即是将溶液放置在可移动的石墨舟中,其底部开槽,放置在可以反方向移动的衬底之上,石墨舟在衬底上移动,最终达到外延薄膜的目的。

对于太阳电池用GaAs 薄膜材料,通常利用后两种液相外延技术。

第五章GaAs 半导体材料
液相外延制备GaAs 单晶薄膜技术简单、薄膜生长速率高、掺杂剂选择范围广、毒性小,而且薄膜生长是在近似热平衡条件下,所以,晶体薄膜的位错密度低、质量较好。

另外,液相外延制备GaAs 单晶薄膜的温度较低,约为600~850o C ,因此,可以避免容器对材料的污染。

日本三菱公司和美国休斯公司已经采用垂直分离的三室液相外延炉,批量生产大面积的GaAs 太阳电池。

但是,液相外延制备GaAs 薄膜也有其弱点:
一是外延结束后,溶液和衬底必须分离,比较困难;
二是表面形貌粗糙,表面复合速率高,影响了太阳电池的效率。

因此,人们通常会在GaAs 表面生长一层A1x Ga 1-x As ,一方面起到窗口层的作用,另一方面可以减小表面复合速率,提高太阳电池的效率。

除此之外,液相外延难以生长多层薄膜的复杂结构,精确控制精度也较困难。

第五章GaAs 半导体材料
§5.3.2 金属-有机化学气相沉积外延制备GaAs 薄膜单晶金属-有机化学汽相淀积(MOCVD 是由美国洛克威尔公司的H. M. Manasevit 等在1968年首先提出的一
种制备化合物半导体薄层单晶膜的新型汽相外延生长技术。

在GaAs 晶片的制备中,
它采用Ga 元素的有机化合物和As 的氢化物等作为晶体生长原料,以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延,生长GaAs 化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜
层单晶材料。

MOCVD 是在常压或低压(≈10kPa 下于通H 2的冷壁石英反应器中进行的,衬底度为600-800℃,过程中需用射频加热石墨支架,让H 2气通过度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。

目前MOVPE 方法制备GaAs 薄膜电池受生长速率、生长度和As/Ga 比、金属有机物和AsH 3的纯度等诸多参数的影响。

第五章GaAs 半导体材料
通常用金属有机化合物和氢化物三甲基鎵、三甲基铝、三甲基铟、砷烷、磷烷,其典型的化学反应原理是:
其化学反应虽不复杂,但反应机理却比较复杂,一般认为反应物先生成一种不稳定的金属有机前置体:
再生成聚合物,然后逐步放出CH 4。

设备:一般由反应室、反应气体供给系统、尾气处理系统和电气控制系统等四个部分组成。

MOCVD 设备较贵,而且所用的金属有机化合物也很贵,所以只有制备高质量的外延膜层时才用此法。

33(3((4((3 600~800g g s g CH Ga AsH GaAs CH +→+℃
CH 333
(GaAsH 第五章GaAs 半导体材料
上图所示为制备GaAs 薄膜的MOCVD 生长系统,包括气体处理系统、
反应室、尾气处理系统和控制系统。

通常,各种有机源(如TMGa 、TEAl 等是利用H 2,带入反应室,氢气流量在10L/min 左右,三甲基镓被恒温在-11o C 除此之外,其他气体如磷烷、硅烷、砷烷等也会被利用,砷烷的流速可以控制Ga 、As 的计量
比。

衬底利用高频感应加热,生长之前需要在780o C 左右预热,然后再正式生长GaAs 薄膜,薄膜生长温度控制在680~730o C 范围内,
第五章GaAs半导体材料不同形式的MOCVD的反应室
第五章GaAs半导体材料
MOCVD技术的优点:
(1与液相外延制备GaAs薄膜相同,MOCVD技术制备的GaAs薄膜也具有高的表面复合速率,也需要利用窗口层,同时降低表面复合速率。

在MOCVD中,制备
A1GaAs相对简单,只要利用H
2将液态的三甲基铝(TMAl带人反应室就可以。

(2与液相外延相比,MOCVD技术生长的GaAs薄膜质量好,外延层组分、厚度、掺杂都比较容易精确控制;而且适应性强,利用不同金属有机源的气化,可以制备不同的薄膜材料,易于实现多层结构、超薄层量子阱等结构的生长。

(3可以实现与正面电极间的良好欧姆接触,防止电极金属扩散到电池内。

对于液相外延(LPE技术,难以进行这种p+-GaAs帽层的生长,电池的效率没有MOCVD 的高。

第五章GaAs半导体材料
MOCVD技术的优点:
(1MOCVD的设备昂贵、技术复杂,成本相对较高;
(2金属有机源大多有毒、易燃,需要进行安全保护和尾气处理。

如砷烷剧毒,安全操作时最高浓度仅为3~10-’。

有研究者提出,利用无毒的三丁基砷(TBAs代替砷烷,利用MOCVD外延出了同样具有高质量的A1GaAs/GaAs膜。

第五章GaAs半导体材料。