05-第五章 GaAs半导体材料教程
砷化镓半导体材料解读
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 6 于10 cm/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。
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
是不等效的，从而具有极性，如图1.2所示 。
方向上
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
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 为2.5寸；生长周期长，同时熔体与石英舟反应引入 硅的沾污，无法得到高纯GaAs单晶。 LEC法 优点——可生长适用于直接离子注人的高纯非掺杂半绝缘单晶， 单晶纯度高，尺寸大，适于规模生产。 缺点——是结晶质量略差，位错密度较高，生长工艺复杂，工 艺设备昂贵，成本高。 为了进一步提高单晶的质量，随后又发展了一些新工艺，主 要是垂直梯度凝固法(VGF )和垂直布里奇曼法(VB ) 。
1）射频半导体工艺——GaAs半导体材料可以分为元素半导体和化合物
1.)射频半导体工艺——GaAs半导体材料可以分为元素半导体和化合物半导体两大类，元素半导体指硅、锗单一元素形成的半导体，化合物指砷化镓、磷化铟等化合物形成的半导体。
砷化镓的电子迁移速率比硅高5.7 倍，非常适合用于高频电路。
砷化镓组件在高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅组件，空乏型砷化镓场效晶体管(MESFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT/PHEMT)，在3 V 电压操作下可以有80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency)，非常的适用于高层(high tier)的无线通讯中长距离、长通信时间的需求。
砷化镓元件因电子迁移率比硅高很多，因此采用特殊的工艺，早期为MESFET 金属半导体场效应晶体管，后演变为HEMT ( 高速电子迁移率晶体管)，pHEMT( 介面应变式高电子迁移电晶体)目前则为HBT ( 异质接面双载子晶体管)。
异质双极晶体管(HBT)是无需负电源的砷化镓组件，其功率密度(power density)、电流推动能力(current drive capability)与线性度(linearity)均超过FET，适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放大器，HBT 为最佳组件的选择。
而HBT 组件在相位噪声，高gm、高功率密度、崩溃电压与线性度上占优势，另外它可以单电源操作，因而简化电路设计及次系统实现的难度，十分适合于射频及中频收发模块的研制，特别是微波信号源与高线性放大器等电路。
砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4-6 英寸，比硅晶圆的12 英寸要小得多。
磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC 成本比较高。
磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。
2.)SiGe1980 年代IBM 为改进Si 材料而加入Ge，以便增加电子流的速度，减少耗能及改进功能，却意外成功的结合了Si 与Ge。
GaAs简单介绍
纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的三个方向均 在纳米尺度，如纳米微粒，原子团簇等。 一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的三个方向有 两个方向在纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等。
二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的三个方向有 一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、纳米多层膜、超晶格 薄膜等。
GaAs简单介绍：
砷化镓(Gallium Arsenide）:简称GaAs，是镓和砷两种元素 所合成的化合物，也是重要的要的IIIA族、VA族化合物半 导体材料，用来制作微波集成电路、红外线二极管、半导 体激光器和太阳电池等原件。 优点：GaAs与硅不同，它是直接带隙材料，具有电子饱和 漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、 低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集 成方面占有独特的优势。
超晶格：
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几 十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性 的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细 复合材料。
量子阱、量子线、量子点图示
量子线、量子点、量子阱概念介绍
量子线：在凝聚态物理中,量子线指导电性质受 到量子效应影响的导线.由于传导电子在切向上 受到量子束缚,切向能量呈现量子化 量子点：是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳 米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子 点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观 恰似一极小的点状物 量子阱：量子阱（QW）是指由2种不同的半导体 材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的 电子或空穴的势阱。
2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
砷化镓ppt课件
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
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
从应用领域来说，主要在光电子领域和微电子领域。
在微电子领域中，使用的化合物半导体材料属于高端产品， 主要用于制作无线通讯（卫星通讯、移动通讯）、光纤通讯、汽 车电子等用的微波器。
在光电子领域中，使用的化合物半导体材料属于低端产品， 主要用于制作发光二极管、激光器及其它光电子器件。用砷化镓 制作的主要电子器件和光电子器件。 主要品种、产品形式和应用领域见下表。
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2.1 GaAs单晶材料的制备
从材料特性、工艺特点等方面对上述几种工艺进行比较，如 下表所示，VB/VGF法制备的材料在位错密度、位错分布、电学 均匀性、低应力及机械强度等方面更具有优势。
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三种工艺比较
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2.2GaAs晶体的加工
晶体长成后，进行热处理以消除应力及改善电学性能，然后， 进行头尾切割、滚圆、定向切割、倒角、研磨、抛光等精细加 工，最终研制成具有优良的几何参数和表面状态的抛光片。
为2.5寸；生长周期长，同时熔体与石英舟反应引入 硅的沾污，无法得到高纯GaAs单晶。
LEC法
优点——可生长适用于直接离子注人的高纯非掺杂半绝缘单晶，
单晶纯度高，尺寸大，适于规模生产。
缺点——是结晶质量略差，位错密度较高，生长工艺复杂，工
艺设备昂贵，成本高。
为了进一步提高单晶的质量，随后又发展了一些新工艺， 主要是垂直梯度凝固法(VGF )和垂直布里奇曼法(VB ) 。
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
砷化镓单晶制备
水平布拉奇曼法 HB
A. 在整个拉晶过程中， 砷端永远控制在610～ 620℃以保持砷的平衡 压力。 B. 为了减少硅的污染， 常在高低温之间设一 中温区以防止反应产 物向冷端扩散，称 “三温区法”。
水平布拉奇曼法 HB
此法的优点是设备简单，可制备多种掺杂剂的不同电阻率的单晶，能降低位
错密度，加工后的直径可达76mm圆片、 250-600 mm 。
Байду номын сангаас
长速度小于坩埚下降速度,固-液
界面就要向低温区移动。这种情 况下,晶体很大部分以凹面生长， 生长出来的晶体常有云层和杂质，
甚至出现气泡，
生长出的晶体的均匀性和完整性 才较好，一般为1-60mm/h。
单晶制备-生长炉
1 最高温度：2500°C 2 可在真空、惰性气体下工作，压力范围5x102 至1500mbar（可定制高真空） 3 标准2-4个加热区（最多可定制20个加热区） 4 样品提拉速度1-60mm/h，专利传动技术，最 大限度降低样品震动。 5 精确的样品定位，误差<1mm 6 全自动控制 （高温布里奇曼生长炉）
布拉奇曼法
原理：将晶体生用的材料装在一
定形状的坩埚中，缓慢地在一个具 有一定温度梯度的加热炉中移动， 在加热区域，坩埚中的材料被熔融 ，当坩埚持续移动时，坩埚某些部 分的温度先下降到熔点以下，并开 始结晶，晶体随坩埚移动而晶体持 续长大。
布里奇曼
水平布拉奇曼法 HB
A. 在抽真空的石英管内， 一端放置盛高纯镓的 舟，另一端放高纯砷。 B. 镓端位于高温区，砷 端位于低温区。升温 后，砷扩散到镓中形 成GaAs。 C. 当合成反应达到平衡 后，再以定向结晶的 方式进行晶体生长， 生长速度为3～12mm ／h。
Nature：柔性GaAs半导体的制备方法
Nature：柔性GaAs半导体的制备方法虽然像砷化镓这样的化合物半导体在光伏电池和光电应用中与硅相比有很大的性能优势，但这些优势并不能超过生成这些材料的大型高质量层状结构、并将它们转移到柔性或透明基质上、用在如太阳能电池、夜视照相机和无线通信系统等设备中所涉及的高成本过程（所体现出的劣势）。
然而现在，John Rogers及其团队演示了一个新的制造方法，它能克服这一缺点。
他们是在一个单一沉降序列中、在厚的、多层组合体中来生长GaAs和AlGaAs薄膜的，然后将各层薄膜释放，通过印刷方式使其分布在异质基质上。
.这一策略对于大面积应用的技术潜力，通过如以玻璃为基质的场效应晶体管和以塑料为基质的光伏电池模块等GaAs装置的制造得到了演示。
GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assembliesJongseung Yoon1,5, Sungjin Jo1,4,5, Ik Su Chun2, Inhwa Jung1, Hoon-Sik Kim1, Matthew Meitl3, Etienne Menard3, Xiuling Li2, James J. Coleman2, Ungyu Paik4 & John A. Rogers1,2Department of Materials Science and Engineering, Beckman Institute for Advanced Science and Technology, and Frederick Seitz Materials Research Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, USADepartment of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, USASemprius, Inc., Durham, North Carolina 27713, USADivision of Materials Science Engineering, WCU Department of Energy Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, South KoreaThese authors contributed equally to this work.Compound semiconductors like gallium arsenide (GaAs) provide advantages over silicon for many applications, owing to their direct bandgaps and high electron mobilities. Examples range from efficient photovoltaic devices1, 2 to radio-frequency electronics3, 4 and most forms of optoelectronics5, 6. However, growing large, high quality wafers of these materials, and intimately integrating them on silicon or amorphous substrates (such as glass or plastic) is expensive, which restricts their use. Here we describe materials and fabrication concepts that address many of these challenges, through the use of films of GaAs or AlGaAs grown in thick, multilayer epitaxial assemblies, then separated from each other and distributed on foreign substrates by printing. This method yields large quantities of high quality semiconductor material capable of device integration in large area formats, in a manner that also allows the wafer to be reused for additional growths. We demonstrate some capabilities of this approach with three different applications: GaAs-based metal semiconductor field effect transistors and logic gates on plates of glass, near-infrared imaging devices on wafers of silicon, and photovoltaic modules on sheets of plastic. These results illustrate the implementation of compound semiconductors such as GaAs in applications whose cost structures, formats, area coverages or modes of use are incompatible with conventional growth or integration strategies.半导体技术对显示及太阳能产业的巨大影响半导体产业经过了50年的发展，其影响可以大致分为两方面。
无机半导体材料GaAs的结构、制备及应用
无机半导体材料GaAs的结构、制备及应用摘要砷化镓(GaAs)是Ⅲ-Ⅴ组化合物半导体中最重要、用途最广的半导体材料。
本文综述了GaAs材料的结构性质、主要制备方法及其典型应用。
关键词GaAs 结构性质制备应用1. 前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GaAs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、生产量大的化合物半导体材料。
由于GaAs具有电子迁移率高、禁带宽度大且为直接带隙,容易制成半绝缘材料、本征载流子浓度低、光电特性好、以及具有耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感等优良特性。
用GaAs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。
2. 结构性质[1]GaAs是一种无机非线性光学材料，它的导带极小值位于k=0处，等能面是球形等能面。
导带底电子有效质量是各向同性的。
m e*=0.068m0。
由于这一导带底对应的能量水平较低，故相应的极值能谷称为下能谷。
与此同时，在[100]方向还存在另一极小值，能量比k=0的极小值高0.36eV。
由于它的能带曲率小，故对应的电子有效质量大，m e*=1.2m0，该导带的底部能量水平高，故称为上能谷。
GaAs的价带极值位于k=0处，而且也有两支在k=0重合。
有一支重空穴，一支轻空穴。
重空穴所在能带，空穴有效质量为(m p)h=0.45m0；轻空穴所在能带，空穴有效质量为(m p)l=0.082m0。
GaAs的能带结构有下述特点：①GaAs导带极小值k=0处，价带极大值也在k=0处，为直接带隙型。
对GaAs来说，Eg=1.34eV, 因此GaAs中电子跃迁产生或吸收的光子波长λ=9×102nm，光子的波失大致是q=7×104cm-1,而电子的波失k=2л/a。
砷化镓半导体材料
砷化镓半导体材料砷化镓（Gallium Arsenide，简称GaAs）是一种重要的半导体材料，具有较高的电子迁移率和较宽的能带间隙，广泛应用于光电子器件、集成电路和微波器件等领域。
砷化镓是由镓原子和砷原子按照1:1的比例组成的化合物，具有类似于硅的晶体结构。
由于GaAs在晶体质量、材料纯度和生长工艺等方面都具有优势，因此被广泛应用于高性能电子器件的制造中。
与硅相比，砷化镓具有更好的热导率、更低的饱和漂移速度和更高的饱和电子迁移率，因此在高频和高功率应用中表现得更出色。
砷化镓材料可以通过多种方法生长，包括分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和液相外延（LPE）等。
其中，MBE和MOCVD是目前最常用的砷化镓生长技术。
MBE是利用分子束外延设备，在真空中逐层生长砷化镓晶体，可以实现高纯度材料的生长，但生长速度较慢；MOCVD是利用金属有机前体在高温下进行化学反应生成砷化镓薄膜，生长速度较快，适合大面积的生长需求。
砷化镓材料具有很多优点，使其在许多领域得到广泛应用。
首先，砷化镓具有较高的电子迁移率，使得其在高频电子器件中能够实现较高的工作频率。
其次，砷化镓的能带间隙为1.43eV，远大于硅的1.12eV，使其具有较高的光吸收系数和较短的载流子寿命，适合于光电子器件的制造，如激光器、太阳能电池和光电二极管等。
此外，与硅相比，砷化镓在高温下的电学性能更稳定，适用于高温环境下的工作。
在光电子器件方面，砷化镓被广泛应用于激光器的制造。
砷化镓激光器具有较高的发光效率和较宽的发光波长范围，适用于光通信、光存储和光制造等领域。
此外，砷化镓也可以用于制造太阳能电池，由于其能带间隙较大，对高能光的吸收更高，可以提高太阳能电池的转换效率。
在集成电路领域，砷化镓常用于制造高电子迁移率晶体管（HEMT）和互补金属氧化物半导体（CMOS）。
HEMT是一种高频、高功率应用的场效应晶体管，具有较高的电子迁移率和较高的工作频率。
GaAs的制备和应用
半导体材料---- GaAs的制备和应用从半导体材料进入人们的视线以来，在短短的几十年间半导体材料有了飞速的发展，人们对半导体材料的研究越来越来深，半导体的种类越来越到多，应用方面越来越广。
由于半导体学科的飞速发展，其产品涉及到了世界的各个方面，包括了通讯、医疗、军事等等个领域，使得世界发生了翻天覆地的变化。
首先，简单介绍一下半导体材料的一些特性和发展历史。
导电能力介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。
半导体材料是一类具有半导体性能，可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
半导体材料的电学性质对光、热、电、磁灯外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的导电率。
同时也是因为这些因素使得半导体材料可以制成多种多样的元器件，称为现代工业的基础。
现在使用的半导体材料种类非常多，大致可以分为这么几类：1、元素类半导体，包括了硅、鍺、硒等等，大多数是使用硅材料；2、化合物半导体，有两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料，包括了砷化镓、磷化铟、碳化硅等等；3、无定形半导体材料，用作半导体的玻璃是一种非晶无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种，具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力；4、有机增半导体材料，已知的有机半导体材料有几十种，包罗了萘、聚丙烯晴和一些芳香族化合物等等。
下面我选择介绍的是GaAs，这是一种Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料，到目前为止是一种用来制作微波器件和集成电路的重要材料。
类比于其他种类的半导体材料，GaAs具有Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料的独特性质：带隙大，制作的期间耐受较大功率，工作温度更高；为直接跃迁型带隙，因而光电转换效率高，适合制作光电器件；电子迁移率高，适合制作高频、高速器件。
GaAs是闪锌矿结构：V族原子的5个共价键电子中拿出一个给Ⅲ族原子，相互作用产生sp³杂化，形成类似金刚石结构的共价键。
GaAs在300K时禁带宽度Eg为1.43eV，最高工作温度450。
GaAs和AlGaAs半导体材料的制备及其电学性能研究
GaAs和AlGaAs半导体材料的制备及其电学性能研究GaAs 和 AlGaAs 半导体材料是当前广泛应用于光电子与微电子领域的重要半导体材料。
本文将介绍这两种材料的制备方法及其电学性能研究。
一、GaAs半导体材料制备方法1.分子束外延法（MBE）分子束外延法是目前制备GaAs薄膜的主要方法之一。
该方法的步骤如下：首先，在高真空条件下，将Ga和As分子通过热源加热并喷射到基片表面上，形成一个薄膜。
在此过程中，基片表面会先被As覆盖，然后再加入Ga原子，使其与As原子反应生成GaAs晶体。
此外，在该过程中，可以通过控制加热器的温度和压强来调节Ga和As的流速和比例，从而得到不同形态和组成的薄膜。
2.金属有机气相沉积法（MOCVD）金属有机气相沉积法也是制备GaAs半导体材料的主要方法之一。
该方法的步骤与MBE法类似，但是使用的是金属有机化合物和气态源材料。
在此过程中，液态有机金属化合物通过加热分解生成金属原子和有机气态物质。
Ga和As源材料也以气态形式加入，控制金属源和As源的蒸发速率，使它们分子间相遇反应生成GaAs晶体。
3.分别生长法分别生长法是指先在基片上生长一层厚度较大的相应衬底层，然后在衬底层上沉积半导体薄膜。
衬底层可以选择Si、Ge等单晶材料，以保证晶体与基片的匹配度和质量。
GaAs的制备中，一般采用Ge衬底，因为GaAs的晶格参数与Ge较接近，容易获得高质量的GaAs晶体。
二、AlGaAs半导体材料制备方法AlGaAs的制备方法基本上和GaAs相同，只是在加入As源材料的同时，还加入Al原子和As原子的混合源材料。
Al和Ga原子相互掺杂，生成含有不同Al含量的AlGaAs晶体。
三、 GaAs和AlGaAs半导体材料的电学性能研究1.电性能特点GaAs半导体材料具有较高的电子迁移率、较快的载流子寿命和较小的激子激子复合系数等特点，从而表现出良好的高频性能和高速性能。
AlGaAs半导体材料中，Al含量的增加可以降低禁带宽度，从而改变电学性能。
gaas和inp材料工艺
gaas和inp材料工艺全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：【GaAs和InP材料工艺】GaAs和InP是两种常见的半导体材料，它们在电子器件制造领域有着重要的应用。
本文将介绍这两种材料的工艺制备过程，并探讨它们的特性及在电子器件中的应用。
GaAs（镓砷化镓）是一种重要的半导体材料，具有良好的导电性和光电性能。
GaAs的工艺制备过程主要包括外延生长、器件制备和封装等步骤。
1. 外延生长GaAs的外延生长主要通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）或氢化金属有机气相外延（HMOCVD）技术实现。
在外延生长过程中，需要控制反应温度、气氛、气压等参数，以获得高质量的GaAs薄膜。
2. 器件制备通过光刻、腐蚀、金属沉积、电性能测试等工艺步骤，可以制备出基础的GaAs器件，如二极管、场效应晶体管等。
在器件制备过程中，还需要考虑电性能的匹配和稳定性。
3. 封装将GaAs器件封装在合适的封装盒中，以保护器件不受外界环境的影响，并方便连接测试和使用。
封装工艺也包括焊接、膨胀、密封等步骤，需要注意器件的热散热和连接质量。
二、InP材料工艺在电子器件制造领域，GaAs和InP材料因其优越的性能而受到广泛关注。
通过合理的工艺设计和制备，可以生产出高性能的电子器件，推动信息通信、光电显示等领域的发展。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地了解GaAs和InP材料工艺，推动相关技术的进步和应用。
第二篇示例：GaAs和InP是两种常用的半导体材料，它们在电子器件制造工艺中起着重要作用。
本文将介绍GaAs和InP材料的工艺流程及其应用领域。
1. GaAs材料工艺：GaAs是镓砷化镓的简称，是一种宽禁带半导体材料。
在电子器件中，GaAs常被用于制造高频、高速、高功率的器件，如微波放大器、MOSFET等。
GaAs材料的制备主要包括外延生长、刻蚀、金属化、离子注入等步骤。
外延生长是GaAs材料制备的关键步骤。
一般采用分子束外延或金属有机化学气相沉积等方法来进行外延生长。
半导体材料分析第五章硅外延生长
气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是 在距衬底表面几微米的空间中发生。反 应生成的原子或原子团再转移到衬底表 面上完成晶体生长。
20
5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
5
6
5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
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气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反 应式、生长温度及所属反应类型
半导体材料分析 第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，
生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
3. 加热到氢气烘烤温度（1200 ℃ ）以除去氧化层 （该步骤能去除50-100A的SiO2层）
4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6) 以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质 和HCl
5. a)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉 积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂 剂
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N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此 称为外掺杂
GaAs化合物半导体及高速集成电路
化合物半导体高速集成电路前言1.课程研究内容•介绍以GaAs为代表的化合物半导体材料与器件的基础知识和发展动态。
•阐述典型的化合物半导体器件工作原理、制作工艺和基本特性及其在超高速微电子学中的应用。
•介绍微波单片集成电路的基本理论、制作工艺和设计方法。
2、课程目的•掌握化合物半导体材料与器件的基本知识与基本概念•掌握典型化合物半导体器件的制作工艺、基本原理和基本特性•了解GaAs场效应管在混合微波集成电路中的应用•掌握微波单片集成电路的设计和制作方法3、成绩评定平时成绩30%，期末考试成绩70%，采取闭卷考试，试题主要包括填空、名词解释、简答和计算题。
4、参考文献《砷化镓微波场效应管及其集成电路》李效白主编科学出版社《高速GaAs集成电路》史常忻等著上海交通大学出版社《超高速化合物半导体器件》谢永贵主编宇航出版社第1章绪论1.1化合物半导体材料及其器件概述1.2 GaAs集成电路的发展和现状1.1化合物半导体材料及其器件概述1.1.1 化合物半导体材料的研究背景硅作为第一代半导体材料被广泛应用到通讯设备中，但是硅电路传输信息的速度慢、杂讯多。
传输信息速度的关键在于电子移动速率快慢，这是材料的基本电学特性之一，很难加以改良。
为了改善硅电路遇到的问题，新材料的研发成为必然趋势。
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。
元素周期表中，Ⅳ族列中有著名的半导体Si，Ⅳ族的左右周期性地排列着Ⅲ族和Ⅴ族元素的镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）、氮（N）、铟（In）、磷（P）等，这些元素的组合形成了化合物半导体的主体。
这种组合可以是两种元素也可以是多种元素。
常用的化合物半导体有GaAs、InP、GaN、AlχGa1-χAs、InχGa1-χAs、GaχIn1-χP、（AlχGa1-χ）y In1-y P等。
1.1.2 化合物半导体材料特性表1-1 典型化合物半导体GaAs材料与Si材料性能对比参量GaAs Si电子迁移率8000cm2/V.s 1350cm2/V.s最大电子漂移速度2×107 cm2/V.s 1×107 cm2/V.s能带形式直接间接最大电阻率109Ω105Ω肖特基势垒高度0.7-0.8V 0.4-0.6V禁带宽度(300K) 1.43eV 1.12eV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。
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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 +GaAsn -GaAs P -GaAs P -AlGaAs P -GaAs 衬底n +GaAs P +-GaAs P -GaInP P -GaAs n -GaAs n -GaInP P -AlGaInP P -GaInPn -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 %。
第五章GaAs 半导体材料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。
第五章GaAs 半导体材料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。
第五章GaAs半导体材料§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。