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先进化合物半导体材料
1
▪ 1.定义与分类 ▪ 2.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 ▪ 3.Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料 ▪ 4.Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体材料 ▪ 5.Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体 ▪ 6.其他二元化合物半导体材料
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1.定义与分类
定义：由两种或两种以上元素以确定的原子配比 形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结 构等半导体性质的称为化合物半导体材料。 分类：化合物半导体材料种类繁多，性质各异， 如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及其固溶体材 料，Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体(SiC)和氧化物半导体 (Cu2O)等。它们中有宽禁带材料，也有高电子迁 移率材料；有直接带隙材料，也有间接带隙材料。 因此化合物半导体材料比起元素半导体来，有更 广泛的用途。
9
Δ带隙和温度的关系 Eg (T) Eg (0) T 2 /(T )
化合物
Eg(0)/eV
α/10-4 eV·K-1
β
AlP
2.52
3.18
588
AlAs
2.239
6.0
408
AlSb
1.687
4.97
213
GaP
2.338
5.771
372
GaAs
1.519
5.405
204
GaSb
0.810
3.78
• 1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化
合物半导体晶体，1965~1968年Mullin等人第一次用三
氧化二硼(B2O3)做液封剂，用LEC法生长了GaAs、InP 等单晶材料，为以后生长大直径、高质量Ⅲ-Ⅴ族单晶打
下了基础。
5
2.1 Ⅲ-V族化合物半导体的晶体结构
和硅、锗不同，大多数Ⅲ-V族化合物半导体的晶 体结构是闪锌矿型，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。
94
InP
1.421
3.63
152
InAs
0.420
2.50
75
InSb
0.236
2.99
140
Hale Waihona Puke Baidu
10
2.3 常见Ⅲ-V族化合物半导体
GaAS
能带结构，直接带隙另两个导带极值Ec+0.31 eV, Ec+0.48 eV，禁带宽度比Si大，但电子迁移率比 Si大五倍多，熔点也比Si低一些，并且还具有元 素半导体Si、Ge所不具备的其他性质，因此深受 人们的重视并对它进行了多方面的研究，是目前 最重要的化合物半导体材料之一。
7
• 另一种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。
8
2.2 Ⅲ-V族化合物半导体的性质
Δ目前得到实用的几种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 为GaAs、 InP、 GaP、GaN、 InSb 和GaSb。 Δ直接带隙，光电转换效率高，光电器件（LED， LD，太阳能电池等） Δ带隙较大，室温带隙值一般>1.1 eV。高温、大 功率器件。 ΔGaP是间接带隙，掺入等电子杂质（N）形成束 缚激子仍可得到较高的发光效率。是红、黄、绿 LED的主要材料。 Δ电子迁移率高，适合制备高频、高速器件。
4
• 1952年Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也 是半导体，而且某些化合物半导体如GaAs、InP等具有 Ge、Si所不具备的优越特性(如电子迁移率高、禁带宽度 大等等)，可以在微波及光电器件领域有广泛的应用，因 而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。
• 但是，由于这些化合物中含有易挥发的Ⅴ族元素，材料 的制备远比Ge、Si等困难。到50年代末，科学工作者应 用水平布里奇曼法(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉 法生长出了GaAs、InP单晶，但由于晶体太小不适于大 规模的研究。
3
2.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料
▪ Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料指周期表中第ⅢA族的 元素B、Al、Ga、In和ⅤA族元素N、P、As、Sb 形成的15种化合物BN、BP、BAs、AlN、AlAs、 AlP、AlSb、GaN、GaAs、GaP、GaSb、InN、 InAs、InP和InSb。
▪ 但并不是所有Ⅲ-Ⅴ族化合物都具有半导体性质， 例如：InBi、TlBi和TlSb
6
• 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，关于它们之间价 键的形成机构有几种说法。
• 一种认为是由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。
• 例如，GaAs的Ga原子得到一个价电子变成 Ga-，As原子给出一个价电子变成As+离子。 它们按上述说法键合时，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；
13
ΔGaAs是二元化合物，组成比Si复杂，精确的化 学配比不易控制，不易生长出无位错的单晶。 Δ自然资源远不如Si丰富。 ΔAs元素有挥发性和毒性。 ΔGaAs力学强度较差，热导率低。 ΔGaAs难以进行稳态本征氧化，不易制作MOS器件。
14
ΔGaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽，分子量 144.64，平均原子序数32，原子密度 4.42×1022/cm3，形成焓-83.7 kJ/mol。 Δ闪锌矿结构，晶格常数与温度及化学计量偏离 有关。 Δ室温时， GaAs晶体或薄膜材料对水蒸汽和氧 是稳定的。 Δ大气中加热到600 ℃以上开始氧化；真空中加 热到800 ℃以上开始离解。 ΔGaAs在常温下不溶于盐酸，可与浓硝酸发生反 应，易溶于王水。
7
GaAS 能带结构，直接带隙，禁带宽度比Si大，熔点也 比Si低一些，并且还具有元素半导体Si、Ge所不 具备的其他性质，因此深受人们的重视并对它进 行了多方面的研究，是目前最重要的化合物半导 体材料之一。
7
Δ直接带隙材料，有较高的光电转换效率； Δ电子迁移率高，约为Si的5-6倍，适合制作超高 频、超高速器件和电路； Δ易于制成非掺杂半绝缘单晶，电阻率可达 109Ω·cm，是理想的微波传输介质，在IC加工中 不必制作绝缘隔离层； Δ带隙宽，所制器件可在较高温度（400-450 ℃） 工作； ΔGaAs器件抗辐射能力强（106 拉德γ射线）。 负微分电导，耿氏振荡器件。
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▪ 1.定义与分类 ▪ 2.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 ▪ 3.Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料 ▪ 4.Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体材料 ▪ 5.Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体 ▪ 6.其他二元化合物半导体材料
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1.定义与分类
定义：由两种或两种以上元素以确定的原子配比 形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结 构等半导体性质的称为化合物半导体材料。 分类：化合物半导体材料种类繁多，性质各异， 如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及其固溶体材 料，Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体(SiC)和氧化物半导体 (Cu2O)等。它们中有宽禁带材料，也有高电子迁 移率材料；有直接带隙材料，也有间接带隙材料。 因此化合物半导体材料比起元素半导体来，有更 广泛的用途。
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Δ带隙和温度的关系 Eg (T) Eg (0) T 2 /(T )
化合物
Eg(0)/eV
α/10-4 eV·K-1
β
AlP
2.52
3.18
588
AlAs
2.239
6.0
408
AlSb
1.687
4.97
213
GaP
2.338
5.771
372
GaAs
1.519
5.405
204
GaSb
0.810
3.78
• 1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化
合物半导体晶体，1965~1968年Mullin等人第一次用三
氧化二硼(B2O3)做液封剂，用LEC法生长了GaAs、InP 等单晶材料，为以后生长大直径、高质量Ⅲ-Ⅴ族单晶打
下了基础。
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2.1 Ⅲ-V族化合物半导体的晶体结构
和硅、锗不同，大多数Ⅲ-V族化合物半导体的晶 体结构是闪锌矿型，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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InP
1.421
3.63
152
InAs
0.420
2.50
75
InSb
0.236
2.99
140
Hale Waihona Puke Baidu
10
2.3 常见Ⅲ-V族化合物半导体
GaAS
能带结构，直接带隙另两个导带极值Ec+0.31 eV, Ec+0.48 eV，禁带宽度比Si大，但电子迁移率比 Si大五倍多，熔点也比Si低一些，并且还具有元 素半导体Si、Ge所不具备的其他性质，因此深受 人们的重视并对它进行了多方面的研究，是目前 最重要的化合物半导体材料之一。
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• 另一种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。
8
2.2 Ⅲ-V族化合物半导体的性质
Δ目前得到实用的几种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 为GaAs、 InP、 GaP、GaN、 InSb 和GaSb。 Δ直接带隙，光电转换效率高，光电器件（LED， LD，太阳能电池等） Δ带隙较大，室温带隙值一般>1.1 eV。高温、大 功率器件。 ΔGaP是间接带隙，掺入等电子杂质（N）形成束 缚激子仍可得到较高的发光效率。是红、黄、绿 LED的主要材料。 Δ电子迁移率高，适合制备高频、高速器件。
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• 1952年Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也 是半导体，而且某些化合物半导体如GaAs、InP等具有 Ge、Si所不具备的优越特性(如电子迁移率高、禁带宽度 大等等)，可以在微波及光电器件领域有广泛的应用，因 而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。
• 但是，由于这些化合物中含有易挥发的Ⅴ族元素，材料 的制备远比Ge、Si等困难。到50年代末，科学工作者应 用水平布里奇曼法(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉 法生长出了GaAs、InP单晶，但由于晶体太小不适于大 规模的研究。
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2.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料
▪ Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料指周期表中第ⅢA族的 元素B、Al、Ga、In和ⅤA族元素N、P、As、Sb 形成的15种化合物BN、BP、BAs、AlN、AlAs、 AlP、AlSb、GaN、GaAs、GaP、GaSb、InN、 InAs、InP和InSb。
▪ 但并不是所有Ⅲ-Ⅴ族化合物都具有半导体性质， 例如：InBi、TlBi和TlSb
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• 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，关于它们之间价 键的形成机构有几种说法。
• 一种认为是由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。
• 例如，GaAs的Ga原子得到一个价电子变成 Ga-，As原子给出一个价电子变成As+离子。 它们按上述说法键合时，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；
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ΔGaAs是二元化合物，组成比Si复杂，精确的化 学配比不易控制，不易生长出无位错的单晶。 Δ自然资源远不如Si丰富。 ΔAs元素有挥发性和毒性。 ΔGaAs力学强度较差，热导率低。 ΔGaAs难以进行稳态本征氧化，不易制作MOS器件。
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ΔGaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽，分子量 144.64，平均原子序数32，原子密度 4.42×1022/cm3，形成焓-83.7 kJ/mol。 Δ闪锌矿结构，晶格常数与温度及化学计量偏离 有关。 Δ室温时， GaAs晶体或薄膜材料对水蒸汽和氧 是稳定的。 Δ大气中加热到600 ℃以上开始氧化；真空中加 热到800 ℃以上开始离解。 ΔGaAs在常温下不溶于盐酸，可与浓硝酸发生反 应，易溶于王水。
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GaAS 能带结构，直接带隙，禁带宽度比Si大，熔点也 比Si低一些，并且还具有元素半导体Si、Ge所不 具备的其他性质，因此深受人们的重视并对它进 行了多方面的研究，是目前最重要的化合物半导 体材料之一。
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Δ直接带隙材料，有较高的光电转换效率； Δ电子迁移率高，约为Si的5-6倍，适合制作超高 频、超高速器件和电路； Δ易于制成非掺杂半绝缘单晶，电阻率可达 109Ω·cm，是理想的微波传输介质，在IC加工中 不必制作绝缘隔离层； Δ带隙宽，所制器件可在较高温度（400-450 ℃） 工作； ΔGaAs器件抗辐射能力强（106 拉德γ射线）。 负微分电导，耿氏振荡器件。