化合物半导体材料性质与特点
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电阻率？
21
22
23
GaAs光学性质
❖ 直接带隙结构
❖ 折射率与温度、波长有关： n T、λ
❖ 发光效率比其它半导体材料要高得多， 可以制备发光二极管，光电器件和半导 体激光器等
24
GaAs优缺点
25
26
GaAs的应用
27
28
29
4.1.2 InP
❖ 1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V 族化合物；
105cm-2.基本性质决定难以生长无位错单晶。来源：籽 晶位错、晶体生长中的热应力、晶体加工过程的机械应力 等。 ❖ 缺陷的H钝化：钝化位错和杂质的悬挂键。在250400oC的H等离子体气氛中进行，但钝化过程中容易引 起表面损伤和粗糙，甚至导致As的外扩散，形成As的表 面损耗层，也会使材料性能降低。
❖ InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽 ❖ 室温下与空气中稳定，360oC下开始离解 ❖ 溶于王水、溴甲醇、室温可与盐酸反应，与碱反应
非常缓慢。
30
InP特性
❖ 高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是 制备超高速、超高频器件的良好材料；
❖ InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAs ❖ InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤通信中
13
GaAs能带结构
0.31eV 1.42eV
0.34eV
0.48eV
第二自旋轨道
❖ 直接带隙结构 ❖ 双能谷转移电子效应 ❖ 双重简并 ❖ 带隙为1.42 eV
14
GaAs单晶中的杂质
❖ GaAs晶体纯度比Si低，含有多种杂质。杂质对GaAs性能的影响取 决于其性质和在晶体中的位置。
❖ B、Al、In等III族元素取代Ga，P、Sb等V族元素取代As，不影 响电学性能。若过量会产生沉淀形成位错，恶化器件性能。
6
金刚石结构
晶体结构
闪锌矿结构
纤锌矿结构
7
化学键
III-V族化合物的化学键：共价键和离子键共存
❖ 共价键－－没有极性 ❖ 离子键－－有极性 ❖ 两者电负性相差越大，离子键成分越大，
极性越强。 ❖ 组成元素的原子序数之和越大，材料熔点
越低，带隙越小
8
III-V族 化合物 半导体
4.1.1 GaAs 4.1.2 InP 4.1.3 GaN
纤锌矿 6.24
300
14
4
III-V族化合物半导体性质
III-V族 化合物 半导体 性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV （2）直接跃迁能带结构 －－光电转换效率高 （3）电子迁移率高－－高频、高速器件 （4）带隙随温度变化
5
带隙和温度的关系
Eg(T)Eg(0)TT2
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙? 查表α=5.405*10-4eV/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ，β=204， Eg(0)=1.519eV.
❖ 有效质量越低，电子速度越快
hk
m
* n
❖ 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
❖ 高频器件，军事上应用
20
本征载流子浓度
ni(T)1.051016T3/2exp(1 2.k 6B 0T 4) T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
32
GaN性质
❖高频特性，可以达到300 GHz ❖ 高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、
军事和其它高温环境） ❖ 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好 ❖ 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） ❖ 高压特性（耐冲击，可靠性高） ❖ 大功率（对通讯设备是非常渴望的）
化合物半导体材料性质和 特点
1
2013.11.09考试题 ❖请画出Si(100)、(110)、(111)面原子
排列图，并计算原子面密度。
2
化合物半导体材料
4.1 III－V族 化合物半导体材料
4.2 II－VI族 化合物半导体材料
3
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物
GaAs GaP GaN InAs InP InN AlN
12
极性的影响
（1）解理面－－原子面密度最高、面间距最大
不是{111}而是{110}；Si(111)是自然解理面
（2）腐蚀速度－－B面（V族）易腐蚀
V族原子面由于负电性大，化学活性强
（3）外延层质量－－B面质量好
V族原子面由于负电性大，价键畸变小
（4）晶片加工－－不对称性
损伤层厚度，表面完整性等方面存在不对称性
9
4.1.1 GaAS
❖ 晶体结构 ❖ 能带结构 ❖ 杂质和缺陷 ❖ 物理性质 ❖ 化学性质 ❖ 电学性质 ❖ 光学性质
10
GaAs晶体结构 ❖闪锌矿结构，由Ga原子组成的面心立方结
构和由As原子组成的面心立方结构沿对角 线方向移动1/4间距套构而成。
11
[111]为极化轴，(111)面是Ga面，(111)面是As面，两个面的物理化学性质大不相同。
17
GaAs物理性质
❖ GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽 ❖ 晶格参数与化学计量比有关
18
GaAs化学性质
❖ GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸
反应，易溶于王水
化
学
性
❖ 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定
质
❖ 加热到6000C开始氧化，加热到800oC 以上开始离解
19
GaAs电学性质
❖ 电子的速度
❖ S、Se、Te等VI族元素通常取代As，浅施主。 ❖ Zn、Be、Mg、Cd、Hg等II族元素，通常取代Ga，浅受主。 ❖ C、Si、Ge、Sn、Pb等IV族元素，可取代Ga、As或同时取代，两
性杂质。 ❖ Cu、Au、Fe、Cr等过渡金属杂质，深能级。
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GaAs单晶中的缺陷
❖ 点缺陷：空位、间隙、反位，及复合缺陷。 ❖ 位错：非辐射复合中心，降低少子寿命。位错密度104-
晶体结 带隙 ni（cm-3） μn
μp
构 （eV）
（cm2/Vs）（cm2/Vs）
闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
闪锌矿 2.27
150
120
纤锌矿 3.4
900
10
闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
450
闪锌矿 1.35 6.9×107 5400
150
纤锌矿 0.7
4400
传输损耗最小的波段； ❖ InP的热导率比GaAs好，散热效能好 ❖ InP是重要的衬底材料：制备半绝缘体单晶
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4.1.3 GaN
❖ 1928年被合成。化学性质稳定。 ❖ 稳定结构为纤锌矿结构，键能大，熔点较高，晶格常数
较小 ❖ GaN禁带宽度为3.4 eV ❖ 非掺杂是n型半导体；Mg掺杂是p型半导体
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23
GaAs光学性质
❖ 直接带隙结构
❖ 折射率与温度、波长有关： n T、λ
❖ 发光效率比其它半导体材料要高得多， 可以制备发光二极管，光电器件和半导 体激光器等
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GaAs优缺点
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GaAs的应用
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28
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4.1.2 InP
❖ 1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V 族化合物；
105cm-2.基本性质决定难以生长无位错单晶。来源：籽 晶位错、晶体生长中的热应力、晶体加工过程的机械应力 等。 ❖ 缺陷的H钝化：钝化位错和杂质的悬挂键。在250400oC的H等离子体气氛中进行，但钝化过程中容易引 起表面损伤和粗糙，甚至导致As的外扩散，形成As的表 面损耗层，也会使材料性能降低。
❖ InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽 ❖ 室温下与空气中稳定，360oC下开始离解 ❖ 溶于王水、溴甲醇、室温可与盐酸反应，与碱反应
非常缓慢。
30
InP特性
❖ 高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是 制备超高速、超高频器件的良好材料；
❖ InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAs ❖ InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤通信中
13
GaAs能带结构
0.31eV 1.42eV
0.34eV
0.48eV
第二自旋轨道
❖ 直接带隙结构 ❖ 双能谷转移电子效应 ❖ 双重简并 ❖ 带隙为1.42 eV
14
GaAs单晶中的杂质
❖ GaAs晶体纯度比Si低，含有多种杂质。杂质对GaAs性能的影响取 决于其性质和在晶体中的位置。
❖ B、Al、In等III族元素取代Ga，P、Sb等V族元素取代As，不影 响电学性能。若过量会产生沉淀形成位错，恶化器件性能。
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金刚石结构
晶体结构
闪锌矿结构
纤锌矿结构
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化学键
III-V族化合物的化学键：共价键和离子键共存
❖ 共价键－－没有极性 ❖ 离子键－－有极性 ❖ 两者电负性相差越大，离子键成分越大，
极性越强。 ❖ 组成元素的原子序数之和越大，材料熔点
越低，带隙越小
8
III-V族 化合物 半导体
4.1.1 GaAs 4.1.2 InP 4.1.3 GaN
纤锌矿 6.24
300
14
4
III-V族化合物半导体性质
III-V族 化合物 半导体 性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV （2）直接跃迁能带结构 －－光电转换效率高 （3）电子迁移率高－－高频、高速器件 （4）带隙随温度变化
5
带隙和温度的关系
Eg(T)Eg(0)TT2
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙? 查表α=5.405*10-4eV/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ，β=204， Eg(0)=1.519eV.
❖ 有效质量越低，电子速度越快
hk
m
* n
❖ 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
❖ 高频器件，军事上应用
20
本征载流子浓度
ni(T)1.051016T3/2exp(1 2.k 6B 0T 4) T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
32
GaN性质
❖高频特性，可以达到300 GHz ❖ 高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、
军事和其它高温环境） ❖ 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好 ❖ 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） ❖ 高压特性（耐冲击，可靠性高） ❖ 大功率（对通讯设备是非常渴望的）
化合物半导体材料性质和 特点
1
2013.11.09考试题 ❖请画出Si(100)、(110)、(111)面原子
排列图，并计算原子面密度。
2
化合物半导体材料
4.1 III－V族 化合物半导体材料
4.2 II－VI族 化合物半导体材料
3
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物
GaAs GaP GaN InAs InP InN AlN
12
极性的影响
（1）解理面－－原子面密度最高、面间距最大
不是{111}而是{110}；Si(111)是自然解理面
（2）腐蚀速度－－B面（V族）易腐蚀
V族原子面由于负电性大，化学活性强
（3）外延层质量－－B面质量好
V族原子面由于负电性大，价键畸变小
（4）晶片加工－－不对称性
损伤层厚度，表面完整性等方面存在不对称性
9
4.1.1 GaAS
❖ 晶体结构 ❖ 能带结构 ❖ 杂质和缺陷 ❖ 物理性质 ❖ 化学性质 ❖ 电学性质 ❖ 光学性质
10
GaAs晶体结构 ❖闪锌矿结构，由Ga原子组成的面心立方结
构和由As原子组成的面心立方结构沿对角 线方向移动1/4间距套构而成。
11
[111]为极化轴，(111)面是Ga面，(111)面是As面，两个面的物理化学性质大不相同。
17
GaAs物理性质
❖ GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽 ❖ 晶格参数与化学计量比有关
18
GaAs化学性质
❖ GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸
反应，易溶于王水
化
学
性
❖ 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定
质
❖ 加热到6000C开始氧化，加热到800oC 以上开始离解
19
GaAs电学性质
❖ 电子的速度
❖ S、Se、Te等VI族元素通常取代As，浅施主。 ❖ Zn、Be、Mg、Cd、Hg等II族元素，通常取代Ga，浅受主。 ❖ C、Si、Ge、Sn、Pb等IV族元素，可取代Ga、As或同时取代，两
性杂质。 ❖ Cu、Au、Fe、Cr等过渡金属杂质，深能级。
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16
GaAs单晶中的缺陷
❖ 点缺陷：空位、间隙、反位，及复合缺陷。 ❖ 位错：非辐射复合中心，降低少子寿命。位错密度104-
晶体结 带隙 ni（cm-3） μn
μp
构 （eV）
（cm2/Vs）（cm2/Vs）
闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
闪锌矿 2.27
150
120
纤锌矿 3.4
900
10
闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
450
闪锌矿 1.35 6.9×107 5400
150
纤锌矿 0.7
4400
传输损耗最小的波段； ❖ InP的热导率比GaAs好，散热效能好 ❖ InP是重要的衬底材料：制备半绝缘体单晶
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4.1.3 GaN
❖ 1928年被合成。化学性质稳定。 ❖ 稳定结构为纤锌矿结构，键能大，熔点较高，晶格常数
较小 ❖ GaN禁带宽度为3.4 eV ❖ 非掺杂是n型半导体；Mg掺杂是p型半导体