砷化镓ppt课件
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GaAs砷化镓
1
OUTLINE
பைடு நூலகம்
GaAs半导体材料的特性 GaAs半导体材料的制备 GaAs半导体材料的应用
2
GaAs材料的特性
3
1.1GaAs材料晶体特性
晶体结构：GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格结构， 如图1.1所示。 化学键：四面体键，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独特的性质。
发生化学反应。室温下，不溶于盐酸，但可与浓硝酸发生 反应，易溶于王水。王水是砷化镓材料常用的清洗剂。
7
1.3GaAs材料的半导体性质
表1.2.GaAs材料的半导体性能参数
能带结构——直接跃迁型能带结构
8
1.3GaAs材料的半导体性质
图1.4.300K时砷化镓中载流子迁移率与浓度
9
1.4GaAs材料的性能的优缺点
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 ) 。
4.垂直布里奇曼法(VB) VB法与VGF法基本上市相同的，许多工艺细节基本上是一致
的，最大的区别就是热场与坩埚相对移动的方式不同。VGF技术， 坩埚是不移动的，而是调整各温区的温度，促使生长界面移动； 而VB技术中，热场固定不动，通过驱动坩埚进行移动，导致生 长界面产生相对运动，达到晶体生长的目的。由于控制过程的不 同，设备成本有很大的区别，VB工艺设备相对更便宜。
11
GaAs材料的制备
12
2.GaAs材料的制备工艺
GaAs材料的制备，包括GaAs单晶材料 的制备、晶体的加工和将单晶材料加工成外 延材料，外延材料能直接被用于制造IC器件。 其中最主要是GaAs单晶材料的制备。
13
2.1GaAs单晶材料的制备
GaAs单晶材料的制备流程如下所示：
14
2.1 GaAs单晶材料的制备
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
22
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。
GaAs晶体生长方法有：
15
2.1 GaAs单晶材料的制备
1.液封直拉法（LEC）
液封直拉法的过程：在一密闭的高压容器内设计好的热系统中，放 置一热解氮化硼（PBN）坩埚，坩埚中装入化学计量比的元素砷、镓和 液封剂氧化硼，升温至砷的三相点后，砷液化和镓发生反应，生成砷化 镓多晶，将砷化镓多晶熔化后，将一颗籽晶与砷化镓熔体相接，通过调 整温度，使砷化镓熔体按一定晶向凝固到籽晶上，实现晶体生长。LEC 法示意图如图2.1所示。
图2.1.LEC法示意图
16
2.1 GaAs单晶材料的制备
2.水平布里奇曼法（HB）
图2.2.HB法示意图
该方法的特点使熔体通过具有一定梯度的温区而获得单晶生长
17
2.1 GaAs单晶材料的制备
LEC法和HB法是初期的GaAs晶体生长的工艺方法，有一定 的优点和缺点。
HB法
优点——单晶的结晶质量高，工艺设备较简单。 缺点——晶锭尺寸和形状受石英舟形状的限制，最大晶体尺寸
18
2.1 GaAs单晶材料的制备
3.垂直梯度凝固法(VGF)
工艺过程： (1)熔化多晶料； (2)开始生长时坩埚底部 <100>方向的籽晶处于慢速 降温的温度梯度； (3)为调节化学计量比在熔体 上方保持一定的As压； (4)生长完毕时晶体慢速冷却 到室温。
图2.3.VGF法示意图
19
2.1 GaAs单晶材料的制备
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。
10
1.4GaAs材料的性能的优缺点
砷化镓材料的缺点： 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。
23
2.3GaAs外延片的制备
砷化镓外延片的工艺法有多种。主要包括气相外延（ⅥⅡ）、液 相外延（LPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积 （MOCVD）等方法。它们可制出的多元、多层、同质、异质、 超晶格和量子阱等结构的外延材料。
24
GaAs材料的应用
25
3.GaAs材料的应用
砷化镓材料具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功 率低的特性，,广泛应用于高频及无线通讯，适于制作IC 器件。
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
图1.1.GaAs晶体结构
4
1.1GaAs材料的晶体特性
极性：砷化镓具有闪锌矿型结构，在[111]方向上，由一系列的Ⅲ族
元素Ga及Ⅴ族元素As组成的双原子层（也是电偶极层）依次排列。
在[111]和
方向上是不等效的，从而具有极性，如图1.2所示 。
存在Ga面和As面，在这两个面上形成两种不同的悬挂键，如
图1.3所示，As面的未成键电子偶促使表面具有较高的化学活泼性，
而Ga面只有空轨道，化学性质比较稳定。这一特性有利于GaAs材
料进行定向腐蚀。
图1.2.GaAs的极性
图1.3.GaAs的悬挂键
5
1.2GaAs材料的物理化学性质
表1.1.GaAs材料的物理性质
6
1.2GaAs材料的物理化学性质
化学性质： 室温下，化学性质稳定，在空气中不与氧气、水蒸气等
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OUTLINE
பைடு நூலகம்
GaAs半导体材料的特性 GaAs半导体材料的制备 GaAs半导体材料的应用
2
GaAs材料的特性
3
1.1GaAs材料晶体特性
晶体结构：GaAs材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格结构， 如图1.1所示。 化学键：四面体键，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独特的性质。
发生化学反应。室温下，不溶于盐酸，但可与浓硝酸发生 反应，易溶于王水。王水是砷化镓材料常用的清洗剂。
7
1.3GaAs材料的半导体性质
表1.2.GaAs材料的半导体性能参数
能带结构——直接跃迁型能带结构
8
1.3GaAs材料的半导体性质
图1.4.300K时砷化镓中载流子迁移率与浓度
9
1.4GaAs材料的性能的优缺点
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 ) 。
4.垂直布里奇曼法(VB) VB法与VGF法基本上市相同的，许多工艺细节基本上是一致
的，最大的区别就是热场与坩埚相对移动的方式不同。VGF技术， 坩埚是不移动的，而是调整各温区的温度，促使生长界面移动； 而VB技术中，热场固定不动，通过驱动坩埚进行移动，导致生 长界面产生相对运动，达到晶体生长的目的。由于控制过程的不 同，设备成本有很大的区别，VB工艺设备相对更便宜。
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GaAs材料的制备
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2.GaAs材料的制备工艺
GaAs材料的制备，包括GaAs单晶材料 的制备、晶体的加工和将单晶材料加工成外 延材料，外延材料能直接被用于制造IC器件。 其中最主要是GaAs单晶材料的制备。
13
2.1GaAs单晶材料的制备
GaAs单晶材料的制备流程如下所示：
14
2.1 GaAs单晶材料的制备
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
22
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。
GaAs晶体生长方法有：
15
2.1 GaAs单晶材料的制备
1.液封直拉法（LEC）
液封直拉法的过程：在一密闭的高压容器内设计好的热系统中，放 置一热解氮化硼（PBN）坩埚，坩埚中装入化学计量比的元素砷、镓和 液封剂氧化硼，升温至砷的三相点后，砷液化和镓发生反应，生成砷化 镓多晶，将砷化镓多晶熔化后，将一颗籽晶与砷化镓熔体相接，通过调 整温度，使砷化镓熔体按一定晶向凝固到籽晶上，实现晶体生长。LEC 法示意图如图2.1所示。
图2.1.LEC法示意图
16
2.1 GaAs单晶材料的制备
2.水平布里奇曼法（HB）
图2.2.HB法示意图
该方法的特点使熔体通过具有一定梯度的温区而获得单晶生长
17
2.1 GaAs单晶材料的制备
LEC法和HB法是初期的GaAs晶体生长的工艺方法，有一定 的优点和缺点。
HB法
优点——单晶的结晶质量高，工艺设备较简单。 缺点——晶锭尺寸和形状受石英舟形状的限制，最大晶体尺寸
18
2.1 GaAs单晶材料的制备
3.垂直梯度凝固法(VGF)
工艺过程： (1)熔化多晶料； (2)开始生长时坩埚底部 <100>方向的籽晶处于慢速 降温的温度梯度； (3)为调节化学计量比在熔体 上方保持一定的As压； (4)生长完毕时晶体慢速冷却 到室温。
图2.3.VGF法示意图
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2.1 GaAs单晶材料的制备
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。
10
1.4GaAs材料的性能的优缺点
砷化镓材料的缺点： 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。
23
2.3GaAs外延片的制备
砷化镓外延片的工艺法有多种。主要包括气相外延（ⅥⅡ）、液 相外延（LPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积 （MOCVD）等方法。它们可制出的多元、多层、同质、异质、 超晶格和量子阱等结构的外延材料。
24
GaAs材料的应用
25
3.GaAs材料的应用
砷化镓材料具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功 率低的特性，,广泛应用于高频及无线通讯，适于制作IC 器件。
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
图1.1.GaAs晶体结构
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1.1GaAs材料的晶体特性
极性：砷化镓具有闪锌矿型结构，在[111]方向上，由一系列的Ⅲ族
元素Ga及Ⅴ族元素As组成的双原子层（也是电偶极层）依次排列。
在[111]和
方向上是不等效的，从而具有极性，如图1.2所示 。
存在Ga面和As面，在这两个面上形成两种不同的悬挂键，如
图1.3所示，As面的未成键电子偶促使表面具有较高的化学活泼性，
而Ga面只有空轨道，化学性质比较稳定。这一特性有利于GaAs材
料进行定向腐蚀。
图1.2.GaAs的极性
图1.3.GaAs的悬挂键
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1.2GaAs材料的物理化学性质
表1.1.GaAs材料的物理性质
6
1.2GaAs材料的物理化学性质
化学性质： 室温下，化学性质稳定，在空气中不与氧气、水蒸气等