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

姓名：陈建春

年级：2008级应用物理（1）

学号：20084113

天津理工大学理学院

摘要：20世纪50年代，半导体器件的生产主要采用锗单晶材料，到了60年代，

由于硅单晶材料的性能远远超过锗，因而半导体硅得到了广泛的应用，在半导体材料中硅已经占据主导地位。大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如砷化镓、磷化镓、锑化铟等也越来越受到人们的重视，特别是砷化镓具有硅、锗所不具备的能在高温度频下工作的优良特性，它还有更大的禁带宽度和电子迁移率，适合于制造微波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激光器，因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料。随着大规模集成电路制造工艺水平的提高，半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。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。

关键词：GaAs 结构性质制备应用

1. 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. 基本结构原理[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。对于GaAs，a=0.564nm，因此k≈108cm-1。显然光子波失比电子波失小得多，可忽略不计。这时

k´= k

k´为跃迁后电子的波失；k为跃迁前电子的波失；q为光子的波失。这说明，电子吸收光子产生跃迁时，虽然电子能量增加，但波失仍保持不变。因此在寻求新的发光材料时，一般总是优先选用直接跃迁型材料。由于能带是直接跃迁型，故用它做发光器比较合适，但其发光波长在红外区。

②GaAs材料具有负阻特性。这是因为GaAs在[100]方向上具有双能谷能带结构。除k=0处导带有极小值外，在[100]方向边缘上存在着另一个比中心极小值仅高0.36eV的导带极小值。因此电子可处于主、次两个能谷。在室温下，主能谷中的电子很难跃迁到次能谷中去。一旦外电场超过一定的阈值，电子就可能由迁移率大的主能谷转移到迁移率小的次能谷，从而出现电场增大、电流减小的负阻现象。

③GaAs和Ge、Si在300K时的禁带宽度E g分别为1.43eV、0.67eV、1.12eV,可见，GaAs比Ge、Si大得多，对晶体管而言，其工作温度的上限是与材料E g成正比的。因此GaAs器件可在450℃下工作，而且禁带宽度使器件的击穿电压大，适于作功率器件。此外,GaAs具有比Si大得多的电子迁移率，可用作高频和高速器件。

3. 应用研究[4]

GaAs的禁带宽度大,工作温度高,适合制作大功率器件。由于电子迁移率高,有效质量小,用GaAs制作的半导体器件工作速度快,噪声很低。GaAs在微波器件上也有广泛的应用,如耿氏二极管、肖特基二极管、变容二极管、隧道二极管、雪崩二极管等。

由于GaAs为直径带隙半导体,光电转换效率和发光效率都非常高,所以GaAs 适合于制作太阳能电池、发光二极管和半导体激光器。GaAs的光吸收系数高,适合于制作红外探测器件。

另外, Ga是半导体材料而且还具有绝缘性质,这在半导体集成电路的集成技术上有很多方便之处,所以GaAs是集成电路制造中极有前途的半导体材料。

新型半导体材料GaAs广泛用于半导体激光器,其作用原理乃是基于电子和空穴的辐射复合现象。GaAs作为半导体激光工作物质,其激励方式有结、电子束、光、雪崩击穿等。优点是,体积小、重量轻、寿命长、结构简单等,特别适于飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用;缺点是激光性能受温度影响大。[3] GaAs薄膜太阳能电池,优点质量轻,可制成大面积膜而且还可以弯曲,缺点是工艺复杂、质量不稳定、转换效率也不够高,η实际只有4.5%~8.0%。[3]由GaAs制备的发光二极管具有发光效率高、低电压、小电流、低功耗、高速响应和高亮度等特性,易与晶体管和集成电路相匹配,用作固体显示器、讯号显示、文字数字显示等器件。[5]

GaAs隧道二极管具有高迁移率和短寿命等特性,用于计算机开关时,速度快、时间短。GaAs是制备场效应晶体管最合适的材料。振荡频率目前已达数百千兆赫以上,主要用于微波及毫米波放大、振荡、调制和高速逻辑电路等方面。[5] GaAs材料的应用不仅开创了硕果累累的光电时代,还将固体电子器件的工

作频率扩展到mm波和µm波频段。

GaAs材料的制备主要有从熔体中生长体单晶和外延生长薄层单晶等方法。GaAs单晶的制备主要有水平布里奇曼法和液态密封法。[2]

①水平布里奇曼法又叫横拉法.两温区HB法的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,一端放有金刚砂打毛后清洗干净的石英舟,另一端则装砷。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。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。这可以通过将石英舟喷砂打毛,或将喷砂后的石英舟用Ga在1000~1100℃高温下处理10h.另外脱氧时真空度要高。合成及拉晶时严格控制温度并防止Ga与As化学比的偏离来解决。目前用这种方法可以拉制截面最大直径为75mm的GaAs单晶。

②液态密封法也称LEP或LEC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,用这种方法技术可以拉制GaAs、InP、GaP等大直径单晶。目前用这种方法可拉制出直径150mm,重达十几千克的GaAs单晶,无错位的GaAs单晶直径可达100mm。

GaAs单晶薄膜的制备主要是应用外延生长技术,包括液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物化学淀积(MOCVD),外延材料质量大大提高。外延工艺是器件制作的关键工艺,可在单晶衬底上生长不同材料、不同薄膜厚度的单晶bm层。[4]

GaAs外延工艺具有生长温度低、原料能得到有效提纯、杂质污染少、可控掺杂等特点,可以得到任意厚度、完整性好和均匀性好的外延片。[5]

4. 结论

新型半导体材料GaAs的发展规律趋势是增大晶体直径,提高材料的电学和光学微区均匀性。尽管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,然而其所具有的独特性能及在军事、民用和产业等领域的广泛用途,都极大的引起各国的高度重视,并投入大量资金进行开发和研究。我国应随着我们的经济和国力的发展而加快该领域的发展,尽快赶上世界水平。

参考文献

[1]李言荣，恽正中.电子材料导论.北京：清华大学出版社，2001

[2]杨树人，王宗昌，王兢.半导体材料.北京：科学出版社，2004

[3]周馨我.功能材料学.北京：北京理工大学出版社，2002

[4]赵连城，国风云.信息功能材料学.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005

[5]殷景华，王雅珍.功能材料概论. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002