砷化镓半导体材料论文
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二：对砷化镓单晶制备过程中的一些讨论
接下来我将就制备单晶中涉及到的一些问题和知识进行一些讨论.
(1)制备出的单晶可能受到si的污染。这里有些能够抑制si污染的方法：
1、采用三温区横拉单晶炉改变炉温分布。
2、降低合成GaAs及拉晶时高温区温度。
3、压缩反应系统与GaAs熔体的体积比。
4、反应系统中添加O2、Ga2O3、As2O3，减少Si的影响。
关键字：半导体材料 GaAs 导电能力 载流子 电子 空穴
引言：从半导体材料进入人们的视线以来，在短短的几十年间半导体材料有了飞速的发展，人们对半导体材料的研究越来越来深，半导体的种类越来越到多，应用方面越来越广。由于半导体学科的飞速发展，其产品涉及到了世界的各个方面，包括了通讯、医疗、军事等等各个领域，使得世界发生了翻天覆地的变化。
4，将反应管放入炉中，镓舟置于高温炉中， As端置于低温炉中，通电升温。砷：低温炉恒温于617度，镓：高温炉恒温1250度。
5，开动区熔机，是熔区由锭一端移到另一端，这时 GaAs便合成好了。
6，GaAs合成后，将保温炉退回锭的前端，即可进行晶体生长。生长晶体时可以用预先放入的籽晶，并可以应用缩颈技术，以降低位错密度。
《中国电子商情》2004年Z1期
《砷化镓：应用广泛的半导体材料》江莹 2004年
《砷化镓材料国内外现状及发展趋势》中国电子科技集团公司 纪秀峰
《半导体材料》
半导体材料wenku.baidu.com
----GaAs的制备和应用
摘要：本文将以GaAs半导体为例介绍介绍有关半导体材料的制备、分类、特征及半导体材料的一些参数。半导体材料的结构和参数决定了它的特性，而半导体材料的结构和性能同时决定了他的适用范围。GaAs在生活中也有着广泛的应用，通过对它的讨论希望能有助于对半导体材料的理解和认识。
下面我选择介绍的是GaAs，这是一种Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料，到目前为止是一种用来制作微波器件和集成电路的重要材料。类比于其他种类的半导体材料，GaAs具有Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料的独特性质：带隙大，制作的期间耐受较大功率，工作温度更高；为直接跃迁型带隙，因而光电转换效率高，适合制作光电器件；电子迁移率高，适合制作高频、高速器件。
（3）制备砷化镓单晶中的位错
砷化镓单晶中的位错对制作期间有着很大的影响，它能引起耿氏器件电击穿，使发光器件发光不均匀，寿命短。也能与点缺陷作用，减少缺陷杂质络合物的形成，有时也是需要在制作器件时用到位错。砷化镓晶体中引入为错的原因：①由应力引起的位错，HB法生长单晶发生单晶粘舟将产生大量位错，此外，研磨和热处理过程也能引入位错。砷化镓的滑移面为[111]面，滑移方向为<110>，在[111]面上呈星形，在[100]面上呈方格。②生长时引入的位错。籽晶中位错的延伸，由于小平面效应和熔体的组分过冷，由于SiO沉淀或富砷泡的凝聚灯引起位错异质成核，特别是砷化镓中其他杂志的偏析的沉淀，形成第二相，在其周围可能出现高密度位错。
5、改变GaAs熔体与石英舟接触的状态。如喷砂打毛石英舟减少“粘舟”现象
（2）制作砷化镓单晶中出现的点缺陷
在制作砷化镓时，很难做到使单晶中的化学比为1：1，如果在晶体生长时As压控制不稳就很容易产生镓空位或砷空位。镓空位是受主，激活能为+0.18eV。同时在制备的砷化镓单晶中也可能存在着间隙原子Ga和As，以及反结构原子。在砷化镓中的结构缺陷往往生成种种络合物，他们是两个二货两个以上的点缺陷通过库伦力作用、偶极矩、共价键作用在低温下形成的。这些络合物因为存在偶极矩，因而能够吸引电子或空穴，所以具有能级位置，有独特的温度依赖关系和特定的荧光激发光谱等特征。在提高砷化镓质量方面，消除结构缺陷也是一个十分重要的方面。
正文：首先，简单介绍一下半导体材料的一些特性和发展历史。导电能力介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能，可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁灯外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的导电率。同时也是因为这些因素使得半导体材料可以制成多种多样的元器件，称为现代工业的基础。
砷化镓半导体材料是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料之一，广泛应用于光电子和微电子领域，目前全球砷化镓单晶已经大量投入生产，其应用的范围包括了移动通行、太阳能电池、红外线激光器、大功率激光器和全球定位系统。
砷化镓不仅可直接制作光电子器件，如发光二级管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池；而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，且有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点，不仅在国防上具有重要意义，在民用和国民经济建设中更有广泛应用。同时由于太阳能电池、光纤通信和移动通信的发展，世界对砷化镓半导体材料的需求越来越大，砷化镓的重要性也在不断提高。
制备砷气压有两种方法：一是采用石英密封系统，系统置于双温区炉中，低温端放As源控制系统中砷气压，高温端合成化合物并拉制晶体，而整个系统的问的都必须高于As源端温度，以防止As正气凝结。目前使用的水平布里奇曼法是这一类，污染少，纯度较高。第二种方法是在熔体上覆盖惰性熔体，在向单晶炉内充入大于熔体离解压的惰性气体，以控制熔体离解，一般惰性熔体用的是B2O3，所以这种方法通常称为B2O3液态密封法。生产效率高。
目前可以通过选择合适的籽晶，防止粘舟，调整单晶炉热场，稳定生长条件，以及采取缩颈等工艺措施，可以生长出无位错或地位错的砷化镓单晶。
（4）砷化镓晶体的热处理
目前外延法生长的砷化镓材料dρ∕dT>0，而体单晶材料则dρ∕dT<0，且锭条的局部或全部形成高阻。一般认为这是由于砷化镓材料中存在着较高深度的深能级缺陷的缘故。因为在一般半导体材料中，温室下杂质已全部电离升高温度时，会使本征载流子增加，但砷化镓的禁带宽度较大，因此由本征激发提供的载流子浓度很少。另一方面升温会使晶格散射作用增强，使迁移率很快下降。因此在掺在浅施主能级杂质的材料中dρ∕dT>0。但当材料含有深能级电子缺陷时，它的能态密度超过或相当于浅施主的状态密度时，它们将逐渐电离参加到点，结果使晶体电阻率下降呈现dρ∕dT<0。关于它们的本质目前尚不清楚，若把砷化镓体单晶进行热处理，可以消除或降低深能级电子陷阱，是dρ∕dT>0。
半绝缘砷化镓材料主要用于高频通信器件，受到近年民用无线通信市场尤其是手机市场的拉动，半绝缘砷化镓材料的市场规模也出现了快速增长的局面。同时砷化镓太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间主电源，必将逐步取代目前采用的硅电池在空间电伏领域占领主导地位。我国航天事业飞速发展也需要高性能、长寿的空间主电源。
参考文献：
砷化镓单晶热处理方法有两种：一是生长单晶后不打开石英管，在原气氛下降温退火。另一种方法是取出单晶，在流动的氢气下热处理，温度为700到850度，时间为12小时，热处理后，一般都能使其电阻下降，迁移率升高，电阻率温度系数变正，dρ∕dT>0。
三：砷化镓半导体材料的物理特性
1，砷化镓半导体材料是直接带隙结构，双能谷。晶体呈暗灰色，有金属光泽。
该方法的缺点：
用此方法生长 GaAs单晶的主要问题是粘舟，即 GaAs与石英舟黏在一起，不易分开。解决方法：
1，将石英舟喷砂打毛，或将喷砂后的石英舟用 Ga在1000到1100度的高温下处理10小时。
2，脱氧是真空度要高。
3，合成及拉晶时严格控制温度并防止 Ga与As化学比的偏离。
制备单晶只是为器件制备做准备的第一步，在之后还必须通过严密的步骤对单晶在加工。在制片方面，需要先将单晶进行定向法切割，然后对单晶进行外圆研磨和标志面研磨，接下来是切片、清洗，然后再进行磨片、清洗、腐蚀，接下来是抛光和擦片，经过检验后就是能够进行器件制造的单晶片了。
GaAs是闪锌矿结构：V族原子的5个共价键电子中拿出一个给Ⅲ族原子，相互作用产生sp³杂化，形成类似金刚石结构的共价键。GaAs在300K时禁带宽度Eg为1.43eV，最高工作温度450。GaAs单晶的（111）A和（111）B面有不同的腐蚀性。
一：砷化镓半导体材料的制备
下面来介绍一下GaAs单晶的制备方法：目前单晶主要是从熔体中生长的，有直拉法和横拉法。
水平布里奇曼法
1，将纯Ga盛于石英舟内，放在石英反应管一端，纯砷防盗另一端。
2，高真空下分别加温除去氧化膜。Ga在700度，1300pa下恒温处理2h除去氧化膜。As在 280度，1300pa真空下恒温处理2h出去氧化膜。
3，在真空条件下分别用氢氧焰封闭石英管。为了便于操作将 Ga用干冰或氮气冷冻凝固，用石英撞针撞破石英隔窗。
现在使用的半导体材料种类非常多，大致可以分为这么几类：1,元素类半导体，包括了硅、鍺、硒等等，大多数是使用硅材料；2，化合物半导体，有两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料，包括了砷化镓、磷化铟、碳化硅等等；3，无定形半导体材料，用作半导体的玻璃是一种非晶无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种，具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力；4，有机增半导体材料，已知的有机半导体材料有几十种，包罗了萘、聚丙烯晴和一些芳香族化合物等等。
2，GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水。室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定。 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离解
3，有效质量越低，电子速度越快。GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3，用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快3~4倍
四：砷化镓半导体材料的目前应用及前景
接下来我将就制备单晶中涉及到的一些问题和知识进行一些讨论.
(1)制备出的单晶可能受到si的污染。这里有些能够抑制si污染的方法：
1、采用三温区横拉单晶炉改变炉温分布。
2、降低合成GaAs及拉晶时高温区温度。
3、压缩反应系统与GaAs熔体的体积比。
4、反应系统中添加O2、Ga2O3、As2O3，减少Si的影响。
关键字：半导体材料 GaAs 导电能力 载流子 电子 空穴
引言：从半导体材料进入人们的视线以来，在短短的几十年间半导体材料有了飞速的发展，人们对半导体材料的研究越来越来深，半导体的种类越来越到多，应用方面越来越广。由于半导体学科的飞速发展，其产品涉及到了世界的各个方面，包括了通讯、医疗、军事等等各个领域，使得世界发生了翻天覆地的变化。
4，将反应管放入炉中，镓舟置于高温炉中， As端置于低温炉中，通电升温。砷：低温炉恒温于617度，镓：高温炉恒温1250度。
5，开动区熔机，是熔区由锭一端移到另一端，这时 GaAs便合成好了。
6，GaAs合成后，将保温炉退回锭的前端，即可进行晶体生长。生长晶体时可以用预先放入的籽晶，并可以应用缩颈技术，以降低位错密度。
《中国电子商情》2004年Z1期
《砷化镓：应用广泛的半导体材料》江莹 2004年
《砷化镓材料国内外现状及发展趋势》中国电子科技集团公司 纪秀峰
《半导体材料》
半导体材料wenku.baidu.com
----GaAs的制备和应用
摘要：本文将以GaAs半导体为例介绍介绍有关半导体材料的制备、分类、特征及半导体材料的一些参数。半导体材料的结构和参数决定了它的特性，而半导体材料的结构和性能同时决定了他的适用范围。GaAs在生活中也有着广泛的应用，通过对它的讨论希望能有助于对半导体材料的理解和认识。
下面我选择介绍的是GaAs，这是一种Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料，到目前为止是一种用来制作微波器件和集成电路的重要材料。类比于其他种类的半导体材料，GaAs具有Ⅲ--Ⅴ族化合物半导体材料的独特性质：带隙大，制作的期间耐受较大功率，工作温度更高；为直接跃迁型带隙，因而光电转换效率高，适合制作光电器件；电子迁移率高，适合制作高频、高速器件。
（3）制备砷化镓单晶中的位错
砷化镓单晶中的位错对制作期间有着很大的影响，它能引起耿氏器件电击穿，使发光器件发光不均匀，寿命短。也能与点缺陷作用，减少缺陷杂质络合物的形成，有时也是需要在制作器件时用到位错。砷化镓晶体中引入为错的原因：①由应力引起的位错，HB法生长单晶发生单晶粘舟将产生大量位错，此外，研磨和热处理过程也能引入位错。砷化镓的滑移面为[111]面，滑移方向为<110>，在[111]面上呈星形，在[100]面上呈方格。②生长时引入的位错。籽晶中位错的延伸，由于小平面效应和熔体的组分过冷，由于SiO沉淀或富砷泡的凝聚灯引起位错异质成核，特别是砷化镓中其他杂志的偏析的沉淀，形成第二相，在其周围可能出现高密度位错。
5、改变GaAs熔体与石英舟接触的状态。如喷砂打毛石英舟减少“粘舟”现象
（2）制作砷化镓单晶中出现的点缺陷
在制作砷化镓时，很难做到使单晶中的化学比为1：1，如果在晶体生长时As压控制不稳就很容易产生镓空位或砷空位。镓空位是受主，激活能为+0.18eV。同时在制备的砷化镓单晶中也可能存在着间隙原子Ga和As，以及反结构原子。在砷化镓中的结构缺陷往往生成种种络合物，他们是两个二货两个以上的点缺陷通过库伦力作用、偶极矩、共价键作用在低温下形成的。这些络合物因为存在偶极矩，因而能够吸引电子或空穴，所以具有能级位置，有独特的温度依赖关系和特定的荧光激发光谱等特征。在提高砷化镓质量方面，消除结构缺陷也是一个十分重要的方面。
正文：首先，简单介绍一下半导体材料的一些特性和发展历史。导电能力介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能，可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁灯外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的导电率。同时也是因为这些因素使得半导体材料可以制成多种多样的元器件，称为现代工业的基础。
砷化镓半导体材料是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料之一，广泛应用于光电子和微电子领域，目前全球砷化镓单晶已经大量投入生产，其应用的范围包括了移动通行、太阳能电池、红外线激光器、大功率激光器和全球定位系统。
砷化镓不仅可直接制作光电子器件，如发光二级管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池；而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，且有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点，不仅在国防上具有重要意义，在民用和国民经济建设中更有广泛应用。同时由于太阳能电池、光纤通信和移动通信的发展，世界对砷化镓半导体材料的需求越来越大，砷化镓的重要性也在不断提高。
制备砷气压有两种方法：一是采用石英密封系统，系统置于双温区炉中，低温端放As源控制系统中砷气压，高温端合成化合物并拉制晶体，而整个系统的问的都必须高于As源端温度，以防止As正气凝结。目前使用的水平布里奇曼法是这一类，污染少，纯度较高。第二种方法是在熔体上覆盖惰性熔体，在向单晶炉内充入大于熔体离解压的惰性气体，以控制熔体离解，一般惰性熔体用的是B2O3，所以这种方法通常称为B2O3液态密封法。生产效率高。
目前可以通过选择合适的籽晶，防止粘舟，调整单晶炉热场，稳定生长条件，以及采取缩颈等工艺措施，可以生长出无位错或地位错的砷化镓单晶。
（4）砷化镓晶体的热处理
目前外延法生长的砷化镓材料dρ∕dT>0，而体单晶材料则dρ∕dT<0，且锭条的局部或全部形成高阻。一般认为这是由于砷化镓材料中存在着较高深度的深能级缺陷的缘故。因为在一般半导体材料中，温室下杂质已全部电离升高温度时，会使本征载流子增加，但砷化镓的禁带宽度较大，因此由本征激发提供的载流子浓度很少。另一方面升温会使晶格散射作用增强，使迁移率很快下降。因此在掺在浅施主能级杂质的材料中dρ∕dT>0。但当材料含有深能级电子缺陷时，它的能态密度超过或相当于浅施主的状态密度时，它们将逐渐电离参加到点，结果使晶体电阻率下降呈现dρ∕dT<0。关于它们的本质目前尚不清楚，若把砷化镓体单晶进行热处理，可以消除或降低深能级电子陷阱，是dρ∕dT>0。
半绝缘砷化镓材料主要用于高频通信器件，受到近年民用无线通信市场尤其是手机市场的拉动，半绝缘砷化镓材料的市场规模也出现了快速增长的局面。同时砷化镓太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间主电源，必将逐步取代目前采用的硅电池在空间电伏领域占领主导地位。我国航天事业飞速发展也需要高性能、长寿的空间主电源。
参考文献：
砷化镓单晶热处理方法有两种：一是生长单晶后不打开石英管，在原气氛下降温退火。另一种方法是取出单晶，在流动的氢气下热处理，温度为700到850度，时间为12小时，热处理后，一般都能使其电阻下降，迁移率升高，电阻率温度系数变正，dρ∕dT>0。
三：砷化镓半导体材料的物理特性
1，砷化镓半导体材料是直接带隙结构，双能谷。晶体呈暗灰色，有金属光泽。
该方法的缺点：
用此方法生长 GaAs单晶的主要问题是粘舟，即 GaAs与石英舟黏在一起，不易分开。解决方法：
1，将石英舟喷砂打毛，或将喷砂后的石英舟用 Ga在1000到1100度的高温下处理10小时。
2，脱氧是真空度要高。
3，合成及拉晶时严格控制温度并防止 Ga与As化学比的偏离。
制备单晶只是为器件制备做准备的第一步，在之后还必须通过严密的步骤对单晶在加工。在制片方面，需要先将单晶进行定向法切割，然后对单晶进行外圆研磨和标志面研磨，接下来是切片、清洗，然后再进行磨片、清洗、腐蚀，接下来是抛光和擦片，经过检验后就是能够进行器件制造的单晶片了。
GaAs是闪锌矿结构：V族原子的5个共价键电子中拿出一个给Ⅲ族原子，相互作用产生sp³杂化，形成类似金刚石结构的共价键。GaAs在300K时禁带宽度Eg为1.43eV，最高工作温度450。GaAs单晶的（111）A和（111）B面有不同的腐蚀性。
一：砷化镓半导体材料的制备
下面来介绍一下GaAs单晶的制备方法：目前单晶主要是从熔体中生长的，有直拉法和横拉法。
水平布里奇曼法
1，将纯Ga盛于石英舟内，放在石英反应管一端，纯砷防盗另一端。
2，高真空下分别加温除去氧化膜。Ga在700度，1300pa下恒温处理2h除去氧化膜。As在 280度，1300pa真空下恒温处理2h出去氧化膜。
3，在真空条件下分别用氢氧焰封闭石英管。为了便于操作将 Ga用干冰或氮气冷冻凝固，用石英撞针撞破石英隔窗。
现在使用的半导体材料种类非常多，大致可以分为这么几类：1,元素类半导体，包括了硅、鍺、硒等等，大多数是使用硅材料；2，化合物半导体，有两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料，包括了砷化镓、磷化铟、碳化硅等等；3，无定形半导体材料，用作半导体的玻璃是一种非晶无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种，具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力；4，有机增半导体材料，已知的有机半导体材料有几十种，包罗了萘、聚丙烯晴和一些芳香族化合物等等。
2，GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水。室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定。 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离解
3，有效质量越低，电子速度越快。GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3，用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快3~4倍
四：砷化镓半导体材料的目前应用及前景