光波导技术

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In的化合物，一般都具有较大的电子迁移率， 可用来做霍尔器件。
InSb是研究的比较成熟的化合物半导体材料之一， 禁带宽度为0.18eV，可用来制做红外光电器件和超 低温下工作的半导体器件。
InAs性质和GaAs相似，但不如GaAs，发展 的不快。 InP材料做出的耿氏二极管其特性比GaAs的好； 在GaInAs(P)三、四元系激光器研制成功后，InP作 为衬底材料被大量使用，它和GaAs材料一样是重要 的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料之一。
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室温时，电子处在主能谷中很难跃迁到X处导带能谷中。 电子在主能谷中的有效质量较小（m=0.07m0），迁移 率大。 次能谷中，有效质量大（mx=1.2m0），迁移率小。 次能谷中的状态密度比主能谷大，一旦外电场超过一定值 时，电子就可由迁移率大的主能谷转移迁移率较小的次能 谷，出现电场增大电流减小的负阻现象。 GaAs具有比Si大得多的电子迁移率，对提高晶体管的高 频性能有利。
空键 A面
Ga As
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原子排列是每个Ⅲ族原子周围有四个最靠 近的Ⅴ族原子包围，每个Ⅴ族原子周围又 有四个Ⅲ族原子包围形成正四面体。
As
Ga
(a)闪锌矿结构晶胞
(b)闪锌矿型结构GaAs的Ga、 As周围的四面体构形 闪锌矿结构
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S2-位于整个六方柱大晶 胞的各个角顶和底心, 及 由六方柱划出的六个三方 柱中, 相间的三个三方柱 的轴线上, Z2+位于各个 三方柱的棱上及相间的三 个三方柱之轴线上。
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2．GaP的能带结构 价带顶与导带底不处于相同的k处，GaP是间接跃迁型材 料。 电子与空穴复合发光时必须要有声子参与，它的发光效率 比直接跃迁型材料低。Ge、Si和Ⅲ-Ⅴ族化合物中的BN、 AlP、GaP、BA s、AlSb等都属于间接跃迁型半导体材 料。 已用GaP制出了发光效率很高的红、绿、黄等光的发光二 极管。 因为某些杂质（N、Bi等）在GaP中可形成发光的辐射复 合中心，使GaP中的间接跃迁向直接跃迁转化的缘故。
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Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料中，GaAs和GaP被广泛 研究，应用较多。 GaAs 的 禁 带 宽 度 比 Si 稍 大 (EgGaAs=1.43eV, EgSi=1.106eV)，故能在更高的温度和更大的反向 电压下工作。 采用掺杂方法或在GaAs晶体中掺入铬、氧能得到半绝 缘的高阻材料（SI-GaAs），可用作集成电路的衬底 和制备各种红外探测器。 低阻GaAs单晶可作激光器等光电器件的衬底。
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Gatosh和Lavine提出一种原子模型（“摆垂键”）。 晶体表面B面上有四个四面体键，但与体内不同，朝上 的键那对电子不是公有化的（不再与Ga原子公有）， 非公有化的电子对存在容易与外来原子作用，发生氧化。
A面上Ga原子只有三个价电子，朝上的第四个键没有电 子， A面化学反应较弱。
未成键电子对
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2．极性对解理性的影响 Ge、Si等金刚石结构中，（111）面间距最大，（111） 面是金刚石结构的解理面。 闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，（111）面间 距大于（110），但（111）面的两边，一边是A原子， 另一边为B原子，极性使（111）面间存在较强的库仑 吸引力。
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（110）面间距虽比（111）面间距小，但（110） 面由相同数目的A、B原子组成，面与面间除了A、B原 子键合时的库仑引力外，相同原子间还有一定的斥力。 相邻两层（110）面沿[211]方向移动一定距离，会 使两层之间Ⅲ族原子或Ⅴ族原子上下对齐，斥力更大， 使晶面极易沿此面断开。 闪锌矿晶体的解理主要沿（110）面发生。
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4.2-2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的能带结构
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的能带结构比Ⅳ族Ge、 Si的能带结构复杂，它们独特的结构与材料的性质密 切相关。
1.GaAs的能带结构 GaAs是闪锌矿型晶体结构，其布里渊区与金刚石结 构的布里渊区相同，但能带结构不同。
Γ、X和L分别表示布里渊区中心、<100>轴和<111> 轴。
GaP是宜做红光和蓝光等发光器件的材料； GaN的禁带宽度大，是宜做蓝光器件的材料。 GaSb的晶体制备比较容易，禁带宽度和Ge差不多， 电子迁移率比Ge大1.5倍。
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B的化合物BN、BP、BAs制备困难，除BN外，其它 材料的研究较少。BN禁带宽度过大，实际应用上还存 在问题。 Al的化合物一般讲是不稳定的，AlP、AlAs室温下与 水反应而分解，AlN禁带宽度较大，适合做蓝光器件； AlSb从禁带宽度看可做太阳能电池
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沿[111]看，双原子层中的Ga原子层在As原子层的后 面，沿[ 111 ]看正好相反。Ga原子与As原子周围的电 子云分布不同，双原子层便成为电偶极层。晶体由许 多这种电偶极层组成，[111]轴是一极性轴。
Ga As Ga As [111]
Ga As
Ga As
Ga As
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Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料常把Ⅲ族原子称A原子，表面为 A原子的{111}面称为A面，或（111）面； Ⅴ族原子称为B原子，表面为B原子的{111}面称为B面， 或（ 111 ）面。 [111]表面和[ 111 ]表面上的化学键结构、有效电荷不同， 它们各为电偶极层的一边，A边为Ga原子，B边为As原子， 其电学和化学性质在A边和B边不相同，把这种不对称性称 极性。
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Ge
0.67eV
Si
E
Lc
Γc
GaAs
Χ ΔE=0.36eV Eg=1.43eV
1.12eV
L
Γ
Γ
Χ
k
Ge、Si、GaAs能带结构图
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GaAs的能带结构与Ge、Si相比的特点：
(1) GaAs的导带极小值和价带极大值在k=0；Ge、Si的价 带极大值在k=0处，导带极小值不在k=0，即它们的导带 极小值和价带极大值所处的k值不同。 前一种能带结构称为直接跃迁型，后一种结构称为间接 跃迁型。 （2）GaAs〈100〉方向上具有双能谷能带结构，除k=0处 有极小值外，在〈100〉方向边缘上存在着一个比中心 极小值仅高0.36eV的导带极小值（称X极小值），电子 具有主、次两个能谷。 (3) GaAs 在300K时的禁带宽度Eg为1.43eV，晶体管的工作 温度上限与材料的Eg 成正比，用GaAs做晶体管，可在 450℃以下工作。
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3．极性对表面腐蚀和晶体生长的影响 实验表明，GaAs单晶的（111）A面和（111）B面 有不同的腐蚀特性。 例如，磨抛过的GaAs片放在HNO3：HF：H2O=1： 1：2的腐蚀液中腐蚀10min，A面上出现腐蚀坑，B 面没有。 InSb、InP等化合物中也可以观察到类似的现象。 这种差异与Ⅲ-Ⅴ族化合物的极性有关。
相当于S2-构成简单六方 紧密堆积， Z2+则填塞于 半数的四面体隙中，即每 个原子均处于异种原子构 成的正四面体中心。
纤维锌矿型晶体结构更适 于那些两类原子之间电负 性差别大，化学键极性强 的晶体。
Zn 纤维锌矿型结构
S
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Ⅲ -Ⅴ族化合物的价键形式
两种说法：
I）从Ⅴ族原子的5个价电子中拿出一个价电子给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。 ii）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- 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 族原子移动的趋向，即产生极化的现象。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。
5.613 ZB 0.6094 712 直接 0.72 7700 1400
4.787 ZB 0.5868 1070 直接 1.351 6000 150
5.667 ZB 0.6058 943 直接 0.356 33000 460
5.775 ZB 0.5478 525 直接 0.18 78000 1700
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主要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的物理性质
化合物性质 GaP GaAs GaSb InP InAs InSb Si
4.129 5.303 密度/（g/cm3） ZB ZB 晶体结构 0.5450 0.5642 晶格常数/nm 1467 1238 熔点/℃ 跃迁形式 间接 直接 2.24 1.428 能带宽/eV 2/（V· 200 8500 电子迁移率/[cm s 120 420 ）] 空穴迁移率/[cm2/（V· s ）] ZB：闪锌矿型；D：金刚石型（300K）
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晶体中掺入和组成晶体元素具有相同价电子数的元素， 它们处于替代位置，由于其对电子吸引力的大小不同， 会吸引电子和空穴，晶体中这类元素称等电子陷阱。 例如GaP中掺入氮，氮原子取代磷原子的位置而呈电中 性。氮原子的电子亲合势（电子亲合势越大，元素越容 易获得电子）比磷原子的大，氮原子可俘获一个电子而 带负电。库仑力作用，带负电的氮原子又吸引一个空穴 而形成束缚激子状态。
第四章 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料
引言
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Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料由周期表中ⅢA族元素 （B、Al、Ga和In）和ⅤA族元素（N、P、As和Sb）组 成的化合物材料。 1952年H.Welker开始研究它们的半导体性质， 由于它们独特的能带结构与性质，获得了很大的发展。
Ⅲ-Ⅴ 族 化 合 物 之 间 还 能 形 成 多 元 化 合 物 半 导 体 （固溶体或混晶），它们的能带结构和禁带宽度随组分 变化，从而为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的进一步发展 括展了道路。
电子迁移率比Si大五倍多，可在更高的频率下工作， 是 制作高速集成电路和高速电子器件的理想材料。
熔点比Si低。
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GaAs各项指标都比较高，具有“一材多用”的优点。 但与Ge、Si相比，它的制造工艺复杂、成本高、价格 贵。As是一种有毒的物质，需采取防护措施，防止它 对周围环境的污染和对人体的侵害。