GaAs(砷化镓)PPT课件
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。
20
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。
21
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 ) 。
GaAs
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。
二、砷化镓晶体结构
• 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
GaAs砷化镓
一、简介
• 化学式 GaAs。黑灰色固体，熔点 1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧 化性的酸侵蚀。化学键角为109’28’，主要为共价成分。由于镓、砷原子不同，吸引电子的能力 不同，共价键倾向砷原子，具有负电性，导致Ga-As键具有一定的离子特性，使得砷化镓材料具有
GaAs太阳电池的特点——优点
高的能量转换效率：直接带隙能带结构，GaAs的带隙为1.42eV，处于太阳电池材料所要求的最佳 带隙宽度范围； 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108 兆欧 以上；
具有良好的抗辐射能力：由于III-V族化合物是直接带隙，少数载流子扩散长度较短，且抗辐射
阐述半导体砷化镓的晶体结构
阐述半导体砷化镓的晶体结构砷化镓（Gallium Arsenide，简称GaAs）是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用领域，如光电子、微波电子、太阳能电池等。
了解砷化镓的晶体结构对于理解其性质和应用具有重要意义。
砷化镓晶体结构属于菱面晶系，空间群为Fd3m。
它由镓原子（Ga）和砷原子（As）交替排列构成的晶格。
在晶格中，每个镓原子周围分别有四个砷原子，而每个砷原子周围也有四个镓原子。
这种交替排列的结构使得砷化镓具有特殊的电子结构和优异的电学性能。
砷化镓的晶体结构可以用晶格常数和晶胞参数来描述。
晶格常数是指晶胞中原子排列的间距，而晶胞参数则是指晶胞的大小和形状。
对于砷化镓来说，其晶格常数为 5.653 Å，晶胞参数为a=b=c=5.653 Å，α=β=γ=90°。
这说明砷化镓的晶体结构是立方晶系的，晶胞形状是正方体。
砷化镓的晶体结构对其电学性能产生了重要影响。
由于砷化镓的晶体结构中存在着不同的原子排列方式，因此它具有多种晶体结构，如立方相、六方相等。
不同的晶体结构决定了砷化镓的能带结构和晶格常数等物理性质的差异。
例如，立方相的砷化镓具有较小的晶格常数和较大的能带间隙，适用于高频器件的制备；而六方相的砷化镓具有较大的晶格常数和较小的能带间隙，适用于光电器件的制备。
砷化镓的晶体结构还决定了其热稳定性和机械性能。
砷化镓具有较高的熔点和较大的热导率，能够在高温环境下保持稳定性。
同时，砷化镓的晶格结构紧密，具有较高的硬度和强度，可以抵抗外力的作用。
砷化镓的晶体结构是由镓原子和砷原子交替排列构成的立方晶系结构。
这种特殊的晶体结构赋予了砷化镓优异的电学性能、热稳定性和机械性能。
了解砷化镓的晶体结构有助于深入理解其性质和应用，为其在光电子、微波电子等领域的应用提供科学依据和技术支持。
GaAs
特点（与Si相比）
光电转换效率高： GaAs禁带宽度比 Si大、光谱响应特性和空间太阳 光谱匹配能力亦比Si强，因此转化效率高 可制成薄膜和超薄型太阳电池： GaAs 为直接禁带半导体，光吸收率 高于Si，因此GaAs太阳能电池可制成薄膜型，质量大幅度减小 耐高温性能好 抗辐射性能好
制备技术
国外技术的发展
单结GaAs/Ge太阳能电池
多结GaAs太阳能电池
双结GaAs太阳能电池
三结GaAs太阳能电池
四结GaAs太阳能电池
单结GaAs/Ge 太阳能电池 :为克服GaAs／GaAs太阳电池 单晶材料成本高、机械强度较差，不符合空间电源低 成本、高可靠要求等缺点，1983 年起逐步采用 Ge单晶 替代GaAs制备单结GaAs电池 GaAs/Ge太阳能太阳电池的特点是：具有GaAs／GaAs太 阳能电池的高效率、抗辐照和耐高温等优点， Ge单晶 机械强度高，可制备大面积薄型电池，且单晶价格约 为GaAs的30%。单结GaAs电池结构如图所示
砷化镓LED
目前制作LED都是采用MOCVD外延工艺，以半导体砷化镓材 料作为衬底，外延生长AIGaAs三元或AIGalnP 四元系外延 层结构，可用于制造红、橙、黄光LED。
用于制造LED的砷化镓衬底材料为掺硅的N型低阻材料，为 区别于半绝缘砷化镓材料，一般也可称之为半导体砷化镓 材料。单晶的晶向为(100)偏(111)A面15°，载流子浓度为 10 5~40x ／cm3，迁移度大于1500cm2／V·S，位错密度小 于5000／cm2。
神九采用三结砷化镓太阳能电池
砷化镓太阳能充电器
GaAs太阳能电池的发展
砷化镓材料
❖ 位错：一系列连续的点缺陷贯穿晶体某一区域,就 形成了位错。位错的存在,相当于在半导体内部形 成了一个散射通道,这将会加速半导体中载流子的 散射。如果用能带理论去描述的话,就相当于在禁 带中引入了一个捕获中心,这样会改变晶片刻蚀时 的性能效果,直接导致的后果是改变了器件的电性 能。
❖ 由有效质量的定义， ❖1/m*n =1/ ħ² ∙ d²E/dk²
❖a=dv/dt=1/ ħ ∙ d(dE/dk)/dt=f/ ħ² ∙ d²E/dk²
❖ a=f/m*n
❖
缺陷
❖点缺陷：Asᵢ(砷间隙)、AsGa（砷代镓位）、 VAs VGa、Gai及GaAi（镓代砷位），对于Ⅱ一V族半 导体中每一种元素的原子来说都可处于三种不同 的间隙位置，两种是四面体间隙，一种是六角间 隙。同一种杂质代替Ⅲ族元素的原子与代替V族 元素的原子之后的物理性质也是截然不同的。
Co, Ni等，是GaAs中主要的深受主杂质。
❖ 从图2可以看出： ❖ GaAs里的缺陷、缺陷一杂质络合物，大多数起深
受主作用;这些能级大多同砷空位(VAs)和稼空位 (VGa)相关。因此，在解决了化学杂质对材料性质 (纯度等)的控制之后，要想进一步提高GaAs的质 量，就必须抑制VAs和VGa的产生;
❖ 回旋共振 ❖ 将一块半导体样品置于均匀恒定的磁场中，设磁
感应强度为B，如半导体电子初速度为v, v与B间 夹角为Θ，则电子受到的磁场力f为
❖f=-qv x B ❖电子沿磁场方向以速度v|| =vcos Θ做匀速运动，
在垂直于B的平面内做匀速圆周运动，运动轨迹 是一螺旋线。设圆周半径为r，回旋频率为ωc则 v⊥ =r ωc ，向心加速度a= v⊥ ²/r。
砷化镓量子
砷化镓量子什么是砷化镓量子？砷化镓量子是指利用砷化镓材料构建的量子系统。
砷化镓（GaAs）是一种半导体材料，具有优异的电子传输性能和较高的载流子迁移率。
由于其特殊的能带结构和晶格参数，砷化镓被广泛应用于光电子器件、半导体激光器、太阳能电池等领域。
在砷化镓材料中，当载流子被限制在纳米尺寸的空间中时，其行为会发生量子效应的显著变化。
这些纳米尺度的结构可以作为量子比特（qubits）来实现量子计算和通信。
通过对砷化镓量子系统进行精确控制和测量，我们可以利用其中的量子特性来实现更强大和高效的计算、通信和传感。
砷化镓量子技术与应用1. 量子计算砷化镓量子系统作为一种理想的平台，可以用于实现大规模、高稳定性的量子计算。
通过将多个独立的砷化镓比特相互耦合，可以构建出复杂的量子逻辑门，实现量子算法的运算。
砷化镓材料的优异性能和可扩展性使得其在量子计算领域具有巨大潜力。
2. 量子通信砷化镓量子系统还可以用于实现安全的量子通信。
由于量子信息的传输过程是不可破解的，因此利用砷化镓材料构建的光学器件可以实现高度安全的通信。
通过将信息编码成量子比特，并利用砷化镓材料中电子和光之间的相互作用进行传输和解码，可以实现远距离、高速率、无干扰的量子通信。
3. 量子传感利用砷化镓量子系统进行精确测量和探测也是一项重要应用。
由于砷化镓材料具有高灵敏度和低噪声特性，可以用于制造高精度的传感器。
例如，在生物医学领域，利用砷化镓量子系统可以实现对细胞、分子等微小物体进行高精度测量和成像。
砷化镓量子技术发展与挑战尽管砷化镓量子技术在量子计算、通信和传感领域具有广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战。
1. 器件集成目前，砷化镓量子器件的制备和集成仍然面临一定的困难。
由于砷化镓材料的特殊性质，需要采用复杂的工艺流程来制备高质量的砷化镓量子结构。
此外，将不同类型的砷化镓器件进行可靠地集成也是一个挑战。
2. 长时间相干性在实际应用中，砷化镓量子系统需要具备较长时间的相干性，以保证量子计算和通信的准确性和稳定性。
氮化镓 砷化镓 硅基
氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）是两种常见的半导体材料，而硅基通常指的是基于硅（Si）的半导体材料。
1.氮化镓（GaN）：氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有优异的电子特性和高功率、高
频率的应用潜力。
它在光电子器件、高速电子器件以及蓝光发光二极管（LED）等领域有广泛应用。
2.砷化镓（GaAs）：砷化镓是一种III-V族化合物半导体材料，其晶格常数与硅非常接近，
因此可以用作硅基集成电路的替代材料。
砷化镓在光电子学、微波电子学和太阳能电池等领域有重要应用。
3.硅基（Silicon-based）：硅基通常指的是以硅为主要基底的半导体材料。
硅是最常用的
半导体材料之一，具有丰富的资源、较低的成本和良好的工艺可控性。
硅基材料广泛应用于集成电路、太阳能电池、传感器以及微电子器件等领域。
这些材料在不同的应用中具有各自的特点和优势。
具体选择哪种材料取决于应用需求、性能要求以及制备和工艺方面的因素。
双结砷化镓太阳能电池(GaAs)
Load
V Vph
Generated power = lphʷ Vph
n–layer
Photoexcited minority carriers
hv
(electron and hole)
Electrode
Space charge region
Fig. 1ʵSchematic cross section of a pn junction solar cell under illumination with a load across the electrodes.
U.D.C. 621.383.51 : 523.9-7 : [546.681'62'19 : 546.681'19]
High-efficiency AlGaAs/GaAs Tandem Solar Cells
Ken Takahashi* Shigeki Yamada* Tsunehiro Unno*
ABSTRACT : The tandem solar cell concept, in which high-energy photons are converted into high electrical power, is proved with an A1GaAs/GaAs tandem solar cell. Although the potential to achieve high efficiency of over 30% was previously shown, the performance of the AlGaAs single-junction solar cell and power loss at the GaAs tunnel junction were problems. Improved quality for AlGaAs layers focusing on minority carrier lifetime has resulted in achieving a high efficiency with the singlejunction solar cell. An experiment to find thermally stable dopants in the GaAs layer reduced the power loss at the tunnel junction. Base on these results, AlGaAs/GaAs tandem solar cells were fabricated. The most efficient cell featured an excellent efficiency of 28.85% due to conversion of high energy photons into high photovoltage.
半导体材料课件GaAs单晶中杂质的控制、完整性
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
6-3-3 砷化镓单晶中Si沾污的抑制
实验表明GaAs单晶中常有较多Si沾污，平均浓度在 1016～ 1017 cm-3左右。 Si沾污主要来源于GaAs熔体侵蚀石英舟 引起Si的沾污的主要化学反应 高温区
4Ga(l) + SiO2 (s) ↔ Si(s) + 2Ga2O(g)
受 主
中 性
两 性
中性施主
受
深能级
主
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
6-3-1 GaAs中的杂质的性质
施主杂质 ¾ Ⅵ族元素（S,Se,Te）替代As,浅施主，N型掺杂剂 ¾ O在液相外延的GaAs中有浅施主，也有深施主能级 ¾ GaAs中有浅受主存在时，O施主起补偿作用-高阻
（半绝缘）的GaAs材料。
lg C S = 16 .82 + 0.2C0
（Sn）
LEC法中不能掺Si，引起B沾污
3Si + 2B2O3 ↔ 4B + 3SiO2
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
掺杂量的计算与杂质均匀性
拉制GaAs单晶时，杂质在晶体中的分布状况与Si、 Ge大致类似。 LEC 中 ， 因 为 B2O3 抑 制 了 杂 质 的 挥 发 ， （ HB 密 闭，蒸发有限）所以杂质的分布只与分凝作用有 关—变速拉晶有利于获得电阻率均匀的晶体。 杂质扩散会进入B2O3中，B2O3起着使熔体内杂质 浓度缓慢变化的作用，对K<1，有利于杂质的纵 向均匀性的提高。
Eg=2.26eV
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
等电子陷阱(isoelectronic trap)
等电子杂质指与点阵中被替代的原子处于周期表 中同一族的其他原子。例如 GaP中取代P位的N或 Bi原子。
GaAs(砷化镓)
砷化镓太阳能电池
• 中文名称：
– 砷化镓太阳能电池
• 英文名称：
– gallium arsenide solar cell
• 定义：
– 以砷化镓为基体材料的太阳能电池。
• 砷化镓晶片发展前景 • 2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国 研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服 了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良 的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业[2]。 • 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发 出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体， 然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层 砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像 “盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用 已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电 池板。 • 不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓 晶片，如边长500微米的太阳能电池单元。下一步研究将 致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。
• • • • • • • • • • • • • • • •
3 国外技术的进展 3. 1 单结GaAs 太阳电池 3. 1. 1 单结GaAs/ GaAs 太阳电池 20 世纪70～80 年代,以GaAs 单晶为衬底的单 结GaAs/ GaAs 太阳电池研制基本采用L PE 技术生 长,最高效率达到21 %。80 年代中期,已能大批量 生产面积为2 cm ×2 cm 或2 cm ×4 cm 的GaAs/ GaAs 电池,如美国休斯公司采用多片L PE 设备,年 产3 万多片2 cm ×2 cm 电池,最高效率达19 % ,平 均效率为17 %(AM0) ;日本三菱公司采用垂直分离 三室L PE 技术,一个外延流程可生产200 片2 cm × 2 cm GaAs 电池,最高效率达19. 3 % ,平均效率为 17. 5 %(AM0) 。此外,国外也用MOCVD 技术研制 GaAs/ GaAs 太阳电池,美国生产的GaAs/ GaAs 太阳 电池,批产的平均效率达到了17. 5 %(AM0) 。 3. 1. 2 单结GaAs/ Ge 太阳电池
砷化镓
砷化镓（GaAs）砷化镓单晶的导带为双能谷结构，其最低能谷位于第一布里渊区中心，电子有效质量是0.068m0 (m0为电子质量，见载流子)，次低能谷位于<111>方向的L点，较最低能谷约高出0.29eV，其电子有效质量为0.55m0，价带顶约位于布里渊区中心，价带中轻空穴和重空穴的有效质量分别为0.082m0和0.45m0。
较纯砷化镓晶体的电子和空穴迁移率分别为8000cm2/(V·s)和100～300cm2/(V·s)，少数载流子寿命为10-2～10-3μs。
在其中掺入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可获得N型半导体，掺入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P 型半导体，掺入Cr或提高纯度可制成电阻率高达107～108Ω·cm的半绝缘材料。
由于GaAs具有很高的电子迁移率，故可用于制备高速或微波半导体器件。
砷化镓还用于制作耐高温、抗辐照或低噪声器件，以及近红外发光和激光器件，也用于作光电阴极材料等。
更重要的是它将成为今后发展超高速半导体集成电路的基础材料。
制备GaAs单晶的方法有区熔法和液封直拉法。
用扩散、离子注入、气相或液相外延及蒸发等方法可制成PN结、异质结、肖特基结和欧姆接触等。
近十余年来，由于分子束外延和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的发展，可在GaAs单晶衬底上制备异质结和超晶格结构，已用这些结构制成了新型半导体器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极型晶体管(HBT)及激光器等，为GaAs材料的应用开发了更广阔的前景。
采用气相沉积或液相沉积等方法，使镓、砷源或其衍生物在以砷化镓或其他材料为衬底的表面上生长砷化镓或其他材料的单晶薄膜，统称为砷化镓外延材料。
衬底和外延层如由同一种材料构成的则称为同质结外延层，如由不同材料构成则称为异质结外延层。
外延材料可以是单层结构，也可以是多层结构。
外延材料的制备方法主要有气相外延法和液相外延法。
砷化镓
同时还有很多对砷化镓的研究与了解的报告，例如“GaAs基微机械加工 技术", “GaAs微结构中共振隧穿薄膜介观压阻效应研究”，“基于GaAs PIN二极管的宽带大功率单片单刀双掷开关”，“GaAs 10 bit DAC的抗 辐射设计和实验”，“具有正斜率增益的GaAs MMIC宽带放大器芯片设 计”等。 一些相关文献资料：
1 辐照效应
1.1 电路选取 GaAs加权相加电路是一个中等规模集成电路，完成将输入的数字信 号合成模拟信号的功能，具有数模混合的功能，在试验过程中可以充分 研究辐射对数模结构的影响。通过研究加权相加电路在辐射前后的效应， 统计分析试验结果，从而优化电路，开发具有抗辐射能力的GaAs IC，建 立涵盖电路设计、工艺制造、测试和试验等一整套GaAs IC的生产制造技 术，满足我国航空航天领域对GaAs IC的需求。 1.2辐照损伤机理 GaAs MESFET是以“多子”来输运电流的有源器件，因此其本身具 有很高的抗辐照特性。从资料上看GaAs MESFET在抗辐射加固上的主要
1
应用
砷化镓于1964年进入实用阶段，砷 化镓可以制成电阻率比硅、锗高 3 个数量级以上的半绝缘高阻材料 , 用来制作集成电路衬底、红外探测 器、γ 光子探测器、微波集成电路、 红外线发光二极管、半导体激光器 和太阳电池等元件。由于其电子迁 移率比硅大 5 ～6倍，故在制作微波 器件和高速数字电路方面得到重要 应用。此外，还可以用于制作转移 器件──体效应器件。
2.制造技术
以热分解的方式在衬底上进行气相沉积（气相外延），生成Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ 04 族化合物半导体及其三元、四元化合物半导体薄膜单晶。20世纪70年代末， MOCVD开始用于研制GaAs太阳电池。与LPE相比，MOCVD虽然设备成本较高，但 具有不可比拟的优越性。两者的比较如表1所示。 外延技术 LPE MOCVD
阐述半导体砷化镓的晶体结构
阐述半导体砷化镓的晶体结构半导体砷化镓（Gallium Arsenide，简称GaAs）是一种重要的半导体材料，其晶体结构对其性能和应用具有重要影响。
砷化镓的晶体结构是指由砷化镓晶体中原子的排列方式和空间结构组成的。
了解砷化镓的晶体结构对于深入理解其性质和应用非常重要。
砷化镓属于锗石英结构，其晶体结构与钻石、锗等半导体材料有一定的相似性。
砷化镓的晶体结构可以用空间群F-43m表示，属于立方晶系。
在砷化镓的晶体结构中，砷（As）和镓（Ga）原子以共价键的形式相互连接，形成一个类似于钻石结构的三维晶格。
砷化镓的晶体结构中，每个砷原子被周围的四个镓原子包围，同时每个镓原子也被四个砷原子包围。
这种四面体结构的排列方式使得砷化镓晶体具有较高的结构稳定性和热稳定性。
除了共价键的形式，砷化镓的晶体结构中还存在一些离子键的相互作用，这种离子键的存在使得砷化镓具有良好的导电性能和光电性能。
砷化镓的晶体结构还具有一定的缺陷和杂质。
在砷化镓晶体中，镓原子和砷原子之间的大小差异会导致晶体中存在一些晶格缺陷，如位错和空位等。
此外，砷化镓还容易受到一些杂质元素的污染，如硅、碳等，这些杂质元素会影响砷化镓的导电性能和光电性能。
砷化镓的晶体结构对其性能和应用具有重要影响。
由于砷化镓具有较好的导电性能和光电性能，广泛应用于半导体器件和光电子器件领域。
例如，在微电子领域，砷化镓可用于制造高速、高频的场效应晶体管（FET）、电子器件、集成电路等。
在光电子器件领域，砷化镓可用于制造高效能、高速度的光电探测器、激光器等。
砷化镓的晶体结构是由砷和镓原子的排列方式和空间结构决定的。
砷化镓的晶体结构对其性能和应用具有重要影响，了解砷化镓的晶体结构有助于深入理解其性质和应用。
砷化镓作为一种重要的半导体材料，其晶体结构的研究和应用将进一步推动半导体器件和光电子器件的发展。
GaAs(砷化镓)
砷化镓太阳能电池
• 中文名称：
– 砷化镓太阳能电池
• 英文名称：
– gallium arsenide solar cell
• 定义：
– 以砷化镓为基体材料的太阳能电池。
• 砷化镓晶片发展前景 • 2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国 研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服 了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良 的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业[2]。 • 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发 出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体， 然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层 砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像 “盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用 已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电 池板。 • 不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓 晶片，如边长500微米的太阳能电池单元。下一步研究将 致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。
• • • • • • •
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 %。
大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的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
砷化镓 GaAs
砷化镓材料
❖ 砷化镓掺铬 ❖ 铬(Cr)是制备半绝缘体GaAs材料最常用的掺杂剂. 铬在砷化镓中是深受主原子,它的杂质能级接近禁
带中心位置,约位于价带顶以上0.79eV，利用这一 特点,可以在浅n型砷化镓材料 中通过掺铬进行补 偿而得到半绝缘材料。 GaAs中的Cr在未填电子时，以Cr3+的电荷态出现， 当充以电子时，电荷态转变为Cr2+
能带图
❖ 如果我们从实际上计算能带结构，可以通过回旋 共振实验测载流子有效质量，并据此推出半导体 能带结构。
❖导带底附近 E(k）-E(0)= ħ ²k²/2 m*n ❖价带顶附近 E(k）-E(0)= ħ ²k²/2 m*p
❖ 砷化镓导带极小值位于布里渊区中心k=0的Γ处， 等能面是球面，导带底电子的有效质量为0.063m 。在【1 1 1】和【1 0 0】方向布里渊区边界L和 X处还各有一个极小值，电子的有效质量分别为 0.55m和0.85m。室温下， Γ，L，X三个极小值 与价带顶的能量差分别为1.424eV，1.708eV和 1.900eV。
❖ 由有效质量的定义， ❖1/m*n =1/ ħ² ∙ d²E/dk²
❖a=dv/dt=1/ ħ ∙ d(dE/dk)/dt=f/ ħ² ∙ d²E/dk²
❖ a=f/m*n
❖
缺陷
❖点缺陷：Asᵢ(砷间隙)、AsGa（砷代镓位）、 VAs VGa、Gai及GaAi（镓代砷位），对于Ⅱ一V族半 导体中每一种元素的原子来说都可处于三种不同 的间隙位置，两种是四面体间隙，一种是六角间 隙。同一种杂质代替Ⅲ族元素的原子与代替V族 元素的原子之后的物理性质也是截然不同的。
砷化镓太阳电池PPT课件
2、GaAs材料的性质
大多数Ⅲ一V族化合物半导体的晶体结构是闪锌矿型晶体 结构，这种晶体结构与金刚石型很相似，也是由两套面心立方 格子沿体对角线移动1/4长度套构而成，不过金刚石这两套格 子的原子是相同的，而闪锌矿型则一套是Ⅲ族原子，另一套是 V族原子。
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Ga分布于晶胞之角顶及所有 面的中心。 As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。
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小结
1、GaAs属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。 2、GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格结构。
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3、GaAs太阳电池的特点——优点
➢ 高的能量转换效率：直接带隙能带结构，GaAs的带隙为 1.42eV，处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围；
➢ 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108 兆 欧 以上； ➢ 具有良好的抗辐射能力：由于III-V族化合物是直接带隙，少 数载流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领 域； ➢ 温度系数小：能在较高的温度下正常工作。
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3、GaAs太阳电池的特点——缺 点
资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍；
污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；
机械强度较弱，易碎；
制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料 是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的 化学计量比是一件困难的事。
材料密度大，GaAs材料密度为5.32g/cm3，是Si材料密 度的2倍多
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总结 3、 GaAs太阳电池的优缺点——缺点 资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍；
污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；
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致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。
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砷化镓太阳能充电器,
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三结砷化镓太阳能电池片
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• 砷化镓太阳能电池
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砷化镓太阳电池技术的进展与前景
• 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Eg 间的关系,即Eg = 1. 4～1. 6 eV 的材 • 料光电转换效率高。而GaAs 材料的Eg = 1. 43 eV , • 能获得较高的转换效率。J ENN Y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L PE 技术,在GaAs 表面生长一 • 层宽禁带Al x Ga12 x As 窗口层,大大减少了表面复
据，因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照
明等诸多光电子领域。另外，因其电子迁移率比硅高6倍，
砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它
还被广泛使用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料，
曾在海湾战争中大显神威，赢得“砷化镓打败钢铁”的美
名。 据悉，砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单
外，还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷 化镓是半导体材料中,兼具多方面优点的材料,但用 它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差， 不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的 性能，但由于它在高温下分解，故要生长理想化
学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。
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砷化镓单晶生产技术
• 中国掌握“半导体贵族”砷化镓单晶生产技术
半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。
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砷化镓特性
• 由于传送讯号的射频元件需要工作频率高、 低功率消耗、低杂讯等特色，而砷化镓本 身具有光电特性与高速，因此砷化镓多用 於光电元件和高频通讯用元件。砷化镓可 应用在WLAN、WLL、光纤通讯、卫星通讯、 LMDS、VSAT等微波通讯上。
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砷化镓基本属性
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• 英文名称:Gallium arsenide • 分子量:144.64
• 结构式:
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• 半导体材料的种类繁多，从单质到化合物，从无 机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为 半导体材料。根据材料的化学组成和结构，可以 将半导体划分为：元素半导体，如硅（Si）、锗 （Ge）；二元化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、 锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、 GaAsP；固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP； 玻璃半导体(又称非晶态半导体），如非晶硅、玻 璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁 铜、聚丙烯腈等。
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• 砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成 电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材 料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子 探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故 在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应 用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、 低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此
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• 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。20 世纪80 年代后, GaAs 太阳电 • 池技术经历了从L PE 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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• 砷化镓晶片发展前景
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2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国
研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服
了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良
的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业[2]。
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美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发
出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，
晶片的20至30倍。尽管价格不菲，目前国际上砷化镓半导
体的年销售额仍在10亿美元以上。在“十五”计划中，我
国将实现该产品的产业化，以. 占据国际市场。[1]
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砷化镓太阳能电池
• 中文名称：
– 砷化镓太阳能电池
• 英文名称：
– gallium arsenide solar cell
• 定义：
– 以砷化镓为基体材料的太阳能电池。
然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层
砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像
“盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用
已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电
池板。
•
不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓
晶片，如边长பைடு நூலகம்00微米的太阳能电池单元。下一步研究将
砷化镓 GaAs
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• 是Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物，黑灰色固体，熔点 1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在， 并且不为非氧化性的酸侵蚀。
• 是一种重要的化合物半导体材料，同锗、硅比， 其禁带宽度和电子迁移率都比较大，用它制造的 器件有较好的频率特性和耐高温特性。用来制造 微波半导体器件和半导体激光器。由镓和砷在高 温下合成，再制成单晶体。
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• 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，
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作为第二代半导体，砷化镓单晶因其价格昂贵而素有
“半导体贵族”之称。昨天，中国科学家宣布已掌握一种
生产这种材料的新技术，使中国成为继日本、德国之后掌
握这一技术的又一国家。 北京有色金属研究总院宣布，
国内成功拉制出了第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓
单晶。
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据专家介绍，砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数