III-V族化合物半导体-吉林大学课程中心

第6章 III-V族化合物半导体吉林大学电子科学与工程学院半导体材料第六章 III-V族化合物半导体IIIA元素：B 、Al、Ga、In VA元素： N、P、As、Sb 组合形成的化合物15种（BSb除外） 目前得到实用的III-V族化合物半导体 GaN GaP GaAs GaSb InP InAs InSb 原子序数之和：由小→大 ¾ 材料熔点：由高→低 ¾ 带隙宽度：由大→小吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料元素 B Al Ga InN BN 直接6.4eV AlN 直接6.2eV GaN 直接3.4eV InN 直接0.7eVPAsSbBP BAs 间接2.0eV 间接1.5eV AlP AlAs AlSb 间接2.45eV 间接 2.12eV 间接1.6eV GaP GaAs GaSb 间接2.26eV 直接 1.43eV 直接 0.73eV InP InAs InSb 直接1.35eV 直接0.45eV 直接0.18eV吉林大学电子科学与工程学院半导体材料与Si相比，III-V族二元化合物半导体的独特性质1. 带隙较大，大部分室温时＞ 1.1eV ，因而所制造的 器件耐受较大功率，工作温度更高 2. 大都为直接跃迁型能带，因而其光电转换效率高， 适合制作光电器件，如 LED 、 LD、太阳电池等。

GaP虽为间接带隙，但Eg 较大(2.25eV)，掺入等电 子杂质所形成的束缚激子发光仍可得到较高的发光 效率。

是红 (Zn-O 、 Cd-O) 、黄 (Bi) 、绿 (N) 光 LED 的主要材料之一 3. 电子迁移率高，很适合制备高频、高速器件吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料第六章 III-V族化合物半导体6-1、III-V族化合物半导体的特性 6-2、GaAs单晶的生长方法 6-3、GaAs单晶中杂质的控制 6-4、GaAs单晶的完整性 6-5、其它III-V族化合物的制备吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料6-1-1 III-V族化合物半导体的晶体结构多数为闪锌矿结构（AlN GaN InN为纤锌矿结构） 由两套面心立方格子沿体对角线移动 1/4 长度套构而 成，两套格子一套是Ⅲ族原子，另一套是V族原子。

Ga As闪锌矿结构晶胞吉林大学电子科学与工程学院闪锌矿结构GaAs的Ga、As周围 的正四面体构形半导体材料Ⅲ-V族化合物半导体的成键 在闪锌矿结构中，Ⅲ族元素原子与V族元素原子的价 电子数是不等的，关于成键机构有几种说法。

1. 认为是由 V 族原子的 5 个价电子中拿出一个给Ⅲ族原 子，然后它们相互作用产生 sp3 杂化，形成类似金刚 石结构的共价键。

GaAs： Ga原子得电子→GaAs原子给电子→As+ 按上述说法键合时，虽说是以共 价键为主，但由于 Ga- 和 As+ 离 子的电荷作用而具有离子键性质。

吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料Ⅲ-V族化合物半导体的成键 2. 认为在闪锌矿型晶体结构中，除Ga-和As+形成的共 价键外，还有 Ga3+ 和 As3- 形成的离子键，因此Ⅲ-V 族化合物的化学键属于混合型。

由于离子键作用，电子云的分布是不均匀的，它有 向V族移动的趋向，即产生极化现象。

这样导致在V 族原子处出现负有效电荷，Ⅲ族原子处出现正有效 电荷。

除共价键外还有一定成分离子键，这使它的化学键 有一定极性。

Ⅲ-V族化合物半导体的离子键成分与组成其的Ⅲ族 和 V 族原子的电负性之差有关。

两者差越大，共价 键成分就越小而离子键成分就越大，极性也越强。

吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料6-1-3 III-V族化合物的极性1. 非中心对称性 闪锌矿结构，无对称中心。

从垂直 [111] 方向看， GaAs 是一系列由 Ga 原子和 As 原子组成的双原子层，因此晶体在对称晶面上的性 质不同。

如[111]和[111]是不同的。

III族：A原子，对应的{111}面称为A面 V族：B原子，对应的{111}面称为B面 ¾ A—B组成的双原子层称为电偶极层 ¾ A边和B边化学键，有效电荷不同，电学和化学性 质很不相同，把这种不对称性叫做极性吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料极性（闪锌矿是非中心对称的）[111][111]Ⅲ Ⅴ表面AⅤ Ⅲ[1 1 1]Ⅲ Ⅴ Ⅲ Ⅴ Ⅲ Ⅴ表面B[1 1 1]闪锌矿结构在[110]面上的投影吉林大学电子科学与工程学院显示在[111]方向和 [ 1 1 1 ] 方向的差别半导体材料2. 3.极性对解理性的影响 主要解理面不是｛111｝而是｛110｝ 极性对表面腐蚀及晶体生长的影响对一些特定腐蚀剂的表面腐蚀行为不同。

¾ B (As)面电负性大，化学活性强，更易于氧化 ¾ 含氧化剂(亲电性)的腐蚀剂，腐蚀速度：B面＞A面 对晶体生长的影响 B面生长慢，易生长出单晶，晶体位错密度低 极性对杂质的引入，补偿等都有影响 极性还会在晶片加工中引起损伤层厚度，表面完整 性等方面的差异吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料6-1-2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构 锗和硅的能带结构Ge SiGe Eg= 0.67 eVSi Eg=1.12 eV吉林大学电子科学与工程学院半导体材料GaAs的能带结构与Gunn效应①直接带隙：导 带极小值和价 带极大值都在 k=0 ②300K时的禁带 宽 度 Eg ＝ 1.43eV ③GaAs<100> 方 向上具有双能 谷能带结构。

导带中有两个 能谷：Γ主能 谷 ， X 次 能 谷，能量差不 大 ， 为 0.36eV 。

E Lc XcΓcΔE=0.36eVEg=1.43eV k吉林大学电子科学与工程学院半导体材料GaAs能带结构和Gunn效应主能谷中：曲率大，电子有效质量较小，迁移率较 高 次能谷中：曲率小，电子有效质量大，迁移率小， 态密度大E¾ 室温下：电子处于主能谷 ¾ 当外电场超过某一阈值时： 电子由主能谷→次能谷， 迁移率由大→小 表现：电场增大，电流减 小的负阻效应吉林大学电子科学与工程学院LcΓcXcΔE=0.36eVEg=1.43eV k半导体材料GaAs能带结构和Gunn效应¾ 体效应（电子转移效 应 ） ， Gunn effect （J.B. Gunn at IBM in 1962） ¾ Gunn 效应是制作体效 应微波二极管（耿氏二 极管）的基础吉林大学电子科学与工程学院半导体材料GaAs的物理、化学性质物理性质 ¾ 暗灰色，有金属光泽 ¾ 密度：5.32g/cm3 ¾ 熔点：1237 ℃ ¾ 电子迁移率：8500cm2/V·s~10500cm2/V·s ¾ 其晶格常数随温度及化学计量偏离有关 化学性质 ¾ 室温下对H2O和O2是稳定的 ¾ 大气中600℃以上开始氧化 ¾ 真空中800℃以上开始离解 ¾ 与盐酸不反应×，与浓硝酸反应√ ，易溶于王水√吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料GaAs作为重要半导体材料的主要特征① 直接带隙，光电特性好，光电材料，可作发光与激 光器件，Si，Ge 只作微电子材料 ② 迁移率高（是硅的 5-6 倍），适于制作超高频超高 速器件和电路 ③ 易于制成非掺杂半绝缘单晶， IC 中不必作绝缘隔 离层，简化IC，减少寄生电容，提高集成度 ④ Eg 较大（ 1.43eV ），可在较高温度下（450℃ ） 工作。

硅：250℃， 锗：100℃ ⑤ 耐热、抗辐射能力强 ⑥ 太阳能电池，转换率比Si高 ⑦ Gunn效应，新型功能器件吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料GaAs作为重要半导体材料的主要特征用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 Si 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。

GaAs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。

吉林大学电子科学与工程学院半导体材料曲折的应用历程GaAs早在1926年就已经被合成。

直到1952年确认了它 的半导体性质。

因价格昂贵而素有“半导体贵族”之称 50 年代中期当半导体硅的工艺获得突破以后，因其优 异的半导体性质，人们的目光集中在GaAs上。

但是用 它制作的晶体管和二极管，性能不及Si和Ge。

60年代初，出现了Gunn微波二极管，人们曾寄希望于 将此器件取代真空速调管，使雷达实现固体化。

后终 因输出功率太小而未能实现。

在改善计算机性能中，用GaAs制成了超高速电路，可 以提高计算机的计算速度，但是后来开发出计算机并 行计算技术，又给GaAs的应用泼了冷水。

直到90年代初期，GaAs的应用基本限于光电子器件和 军事用途。

吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料步入黄金时代由于认识到其优异性能及其战略意义，人们不断 地对 GaAs 材料器件及应用进行研究与开拓，这 些工作为今天的GaAs大发展打下了基础。

GaAs 器件有分立器件和集成电路。

现在集成电 路已不是硅的一统天下， GaAs 集成电路已占集 成电路市场份额的2%强。

吉林大学电子科学与工程学院半导体材料已获应用的GaAs器件有:微波二极管：耿氏 二极管、变容二极 管等 微波晶体管:场效应 晶体管，高电子迁 移率晶体管，异质 结双极型晶体管等 集成电路 : 微波单片集成 电路(MMIC )、超高速集 成电路(VHSIC)等;吉林大学电子科学与工程学院发光二极管：红外发光 二极管(IR LED)、可见 光发光二极管(作衬底用) 、激光二极管(LD) 光探测器 高效太阳电池 霍尔元件半导体材料GaAs在我们日常生活中的一些应用遥控器是通过 GaAs 发出的红 外光把指令传给主机的。

家电上的红色、绿色指示灯是 以 GaAs 等材料为衬底做成的 发光二极管。

CD ， DVD ， BD 光盘是用以 GaAs 为衬底制成的 GaAlAs 激 光二极管进行读出的。

......吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料GaAs应用领域移动电话 GaAs微波电路，高频 下，使用电压低、功率 效率高、噪声低光纤通信 GaAs或GaAs基 LD或LED发射 汽车 GPS，防碰装置 用GaAs的微波器 件所支持吉林大学电子科学与工程学院GaAs 材 料 与器件的 应用领域军事应用 相控阵雷达、电 子对抗、激光描 准、夜视、通信 太空高效太阳电池 人造天体多使用GaAs 太阳能电池作能源半导体材料第六章 III-V族化合物半导体6-1、III-V族化合物半导体的特性 6-2、GaAs单晶的生长方法 6-3、GaAs单晶中杂质的控制 6-4、GaAs单晶的完整性 6-5、其它III-V族化合物的制备吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料6-2-1 III－V族化合物体系的平衡相图¾选择合适晶体 生长方法及条件 的依据：相图 ¾III 族元素和 V 族元素在液相时 可以无限互溶， 它们在 III 族和 V 族 原 子 比 为 1:1 处生成一个固液 同组成的化合物。