第一讲+化合物半导体材料简介

电子器件包括高速高频微波器件(金属绝缘场效应晶体管 MISFET 、HEMT高电子迁移率晶体管 和HBT异质结晶 体管 )
InP基器件在毫米波通讯、防撞系统、图象传感器等新的 领域也有广泛应用。
目前，InP微波器件和电路的应用还都主要集中在军事领 域，随着各种技术的进步，InP微电子器件必将过渡到军 民两用，因此InP将有着不可估量的发展前景。
二元化合物半导体特点：
1）大部分是直接能带隙 （对光电器件很重要）； 2）有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上； 3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片(晶圆片）。
1.1 半导体材料的分类
1.1.4.1 砷化镓（GaAs）
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences
InP的禁带宽度为1.34eV，InP高转换效率的太阳能电池，具有高抗辐射 性能被用于空间卫星的太阳能电池，对未来航空技术的开发利用起着重 要的推动作用。
1.1 半导体材料的分类
1.1.4.2 磷化铟（InP）
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1.1.1 什么是半导体？
绝缘体（1018-1010Ωcm），半导体（108-10-3Ωcm），金属（10-4-10-8Ωcm） 绝缘体（禁带宽度Eg大），半导体（禁带宽度Eg小），金属（导带与价带重叠）
1.1 半导体材料的分类
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现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。这些遥控器 是通过砷化镓发出的红外光把指令传给主机的。
在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯，它们是以砷化 镓等材料为衬底做成的发光二极管。
光盘和VCD， DVD都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管 进行读出的。
1.1 半导体材料的分类
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
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半导体材料的分类 化合物半导体材料的基本特性
1.1 半导体材料的分类
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1.1.2 半导体的特性
温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相
应地降低50%左右 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如 磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在 室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
砷化镓是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材 料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体 材料。
优点： 砷化镓具有电子迁移率高（是硅的5-6倍）、 禁带宽度大（它为1.43eV， 硅为1.1eV），工作温度可以
比硅高
为直接带隙，光电特性好，可作发光与激光器件 容易制成半绝缘材料（电阻率107-109Ωcm）， 本征载流子浓度低 耐热、抗辐射性能好 对磁场敏感 易拉制出单晶
砷化镓应用领域
1.1 半导体材料的分类
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
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砷化镓衬底使用量占化合物半导体衬底使用总量的很大一部分！
1.1 半导体材料的分类
1.1.4.2 磷化铟（InP）
1.1.2 半导体的特征 室温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-3～
108Ωcm）其中， 电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性） 两种载流子参与导电（金属只有一种）
1.1 半导体材料的分类
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按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为： 1）元素半导体 2）化合物半导体 3）合金（固溶体）
2.1.3 元素半导体
C（金刚石）,Si, Ge, Sn
晶格结构：金刚石 能带结构：间接带隙
Sn: 0.08 eV Ge: 0.67 eV Si: 1.12 eV
C: 5.50 eV
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第一讲 化合物半导体材料
Compound Semiconductor Materials
参考教材
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曲折的应用历程
到了50年代中期当半导体硅的工艺获得突破以后.人
们开始寻找更优良的半导体材料。由于其优异的半导体性
质，所以目光就集中在砷化镓上。
砷化镓单晶在应用上曾遭受到不少挫折。首先用它来 作晶体管和二极管，结果其性能还赶不上硅和锗。到了60 年代初，出现了耿氏微波二极管，人们曾寄希望于将此器 件取代真空速调管，使雷达实现固体化。后终因输出功率 太小而未能实现。在改善计算机性能中，用砷化镓制成了 超高速电路，可以提高计算机的计算速度，这个应用十分 诱人，但是后来开发出计算机平行计算技术，又给砷化镓 的应用浇了一飘冷水。
4. 霍尔元件等
光
பைடு நூலகம்
5. 红外发光二极管:(IR LED); 可见光发光二极管(LED，作衬底用); 电
6. 激光二极管(LD);
子
7. 光探测器;
领
8. 高效太阳电池;
域
1.1 半导体材料的分类
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
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InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤通信中 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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1.1.4.2 磷化铟（InP）
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磷化铟(InP)是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料之一，是继 Si、GaAs之后的新一代电子功能材料。
由于InP在熔点温度1335±7K时，磷的离解压为27.5atm， 因此InP多晶的合成相对比较困难，单晶生长也困难得多，整个 过程始终要在高温高压下进行，所以InP单晶就难获得，而且在 高温高压下生长单晶，其所受到的热应力也大，所以晶片加工 就很难，再加上InP的堆垛层错能较低，容易产生孪晶，致使高 质量的InP单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的InP抛光 片要比GaAs的贵3~5倍。而对InP材料的研究还远不如Si、GaAs 等材料来得深入和广泛。
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1.1.3 化合物半导体
Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形成， 如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。
Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形成， 如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时 的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十 KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
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1.1 半导体材料的分类
1.1.4.2 磷化铟（InP）
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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
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光纤随波长损耗系数变化
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Ⅳ-Ⅳ族：SiC
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1.1.4 化合物半导体
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重要的二元化合物半导体：
1）GaAs,InP：第二代半导体 2）GaN与SiC：第三代半导体(宽禁带半导体）
砷化镓早在1926年就已经被合成出来了。到了1952年确认了 它的半导体性质。
用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高， 能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，也 是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高 速的器件和电路。
砷化镓在我们日常生活中的一些应用:
砷化镓器件有分立器件和集成电路。现在集成电路已不是硅的一统 天下，砷化镓集成电路己占集成电路市场份额重要一块。
已获应用的砷化镓器件有:
微
1. 微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等;
电
2. 微波晶体管:场效应晶体管(FET).高电子迁移率晶体管(HEMT) ，异 子
质结双极型晶体管(HBT)等;
领
3. 集成电路:微波单片集成电路(MMIC )、超高速集成电路(VHSIC)等; 域
1.1.4.2 磷化铟（InP）
InP作为衬底材料主要有以下应用途径: 光电器件,包括光源(LED、LD)和探测器(PD、 APD 雪崩光电探测器)等,
主要用于光纤通信系统。
集成激光器、光探测器和放大器等的光电集成电路（OEIC）是新一代 40Gb/s通信系统必不可少的部件，可以有效提升器件可靠性和减小器件 的尺寸。
所以一直到90年代初期，砷化镓的应用基本限于光电 子器件和军事用途。
1.1 半导体材料的分类
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
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步入黄金时代
由于认识到其优异性能及其战略意义人们不断地对砷化镓材料器件 及应用进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。
与GaAs材料相比，在器件制作中，InP材料具有下列优势: ①InP器件的电流峰-谷比高于GaAs，因此，InP器件比GaAs 器件有更高的转换效率; ②惯性能量时间常数小，只及GaAs的一半，故其工作频率的 极限比GaAs器件高出一倍; ③热导率比GaAs高，更有利于制作连续波器件; ④基于InP材料的InP器件有更好的噪声特性;
1.1 半导体材料的分类
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1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:1化合而成的化合物。 它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。