第四章-GaAs基光电子材料与器件-part1

1光电子材料与器件OptoelectronicMaterialsandDevices第四章GaAs基光电子材料与器件III-V族化合物半导体材料III-V化合物半导体材料有周期表中IIIA族元素(B、Al、Ga和In)和VA族元素(N、P、As、Sb)组成的化合物材料。III-V族化合物还能形成多元化合物合金半导体(固溶体或混晶)。2与硅、锗材料相比，主要的III-V族化合物半导体材料，例如GaAs、InP等具有许多优点：具有直接带隙能带结构---LED，LD电子迁移率高---高频电子器件工作温度高---可在恶劣环境下工作抗辐射能力较强---航空、航天这些特性决定了GaAs、InP材料在固态发光、微波通信、光纤通信、制导、卫星等民用和军事等领域有十分广阔的用途。3GaAs的特点和应用4III-V材料的应用范围5绿含B和Al的化合物6含In的III-V化合物78GaAs研究历史历史上，Theil和Koelsch最早人工合成InP。1929年，Goldschmidt合成了GaAs，并明确指出它具有闪锌矿结构。1952年，H.Welker发表了关于化合物半导体材料性质的研究结果，开拓了III-V化合物半导体材料研究的新领域，标志了真正意义上的III-V族化合物半导体材料的研究。GaAs研究始于20世纪50年代。9GaAs研究历史20世纪50年代后期，兴起以水平布里奇曼法生长GaAs单晶的热潮。日本住友电工采用三温区水平布氏生长设备，进行了低位错GaAs单晶生长，并广泛应用于LED器件的生长，标志着化合物半导体材料进入产业化阶段。1961年，原苏联科学家Basov首次提出半导体激光的概念。次年，第一批GaAs半导体激光器诞生。之后，GE，IBM和MIT的研究人员均报道研制成功了GaAs红外(870nm~980nm)LED和激光二极管(LD)。10GaAs研究历史1963年，扩散结激光器实现了77K下的连续激射。Nelson用液相外延（LPE）材料制备的GaAs激光器，实现了室温下的连续激射。同年，发现GaAs的微分负阻现象(耿氏效应)后，很快批量生产出了用作固体微波源的两端器件。20世纪80年代，杂质控制技术和改善晶体电学均匀性的退火技术已广泛用于2~4英寸的半绝缘GaAs单晶的商品化生产。11InP研究历史1941年Tandeli等就以X射线分析了InP的结构。随着高压单晶炉制造水平的不断提高，液封直拉法(LEC)InP单晶生长技术得以快速发展。日本住友电工公司用蒸汽压控制（VCZ）方法研制InP，所得晶体表面光亮，位错密度降低两个数量级，现已经商品化InP。目前，掺Fe的半绝缘InP单晶材料已用来研制频率40GHz以上的微波器件、单片电路和光电集成电路等。而掺S的InP大量用来制作1.3~1.55um波长红外LED和LD，InP基光源和探测器有力地促进了光纤通讯的发展。12GaAs的晶体结构GaAs晶体结构是典型的闪锌矿结构，每个原子最近邻有4个异种原子，配位数为4，其化学键为四面体键，键角为109°28´。这种结构也可以看成Ga原子所构成的面心立方晶格与As原子所构成的面心立方晶格沿体对角线[111]方向¼处穿插而成。13(110)和（111）截面所有(110)面上都包含As，Ga两种原子所有(111)面上都只包含As或Ga异种原子在[111]方向上，GaAs晶体是由一系列Ga原子和As原子组成的双原子依次排列而成的。故其[111]与[-1-1-1]两个晶向时不等价的，使其沿[111]方向具有极性。14晶胞尺寸、原子密度和晶体密度15III-V化合物的价键形式16III-V族化合物半导体的极性17]111[18]111[A面和B面19]111[极性对解理性的影响20闪锌矿晶体的解理面21极性对表面腐蚀的影响22)111(23腐蚀坑24极性对晶体生长的影响25]111[GaAs晶体的能带结构2627负阻现象(耿氏效应)28GaAs的本征吸收光谱29掺杂对GaAs吸收的影响30III-V族化合物单晶的制备III-V族化合物包含III族和V族二个组分，V族元素有较大的挥发性，蒸汽压受温度影响大。讨论其固-液平衡时，要同时考虑相应的平衡压强。31常压Ga-As二元相图32了333435GaAs的P-T-x相图36GaAs单晶的制备方法III-V族化合物体单晶是从熔体中生长的。生长方法：直拉法和横拉法。对在熔化时不离解的锑化物，可利用制备Ge、Si的相同设备，在保护气氛下生长。对蒸汽压较大的砷化物和磷化物，要适当改变设备与工艺，控制As、P压防止熔体解离。37383940生长工艺4142434445464748蒸汽控制直拉技术(VCZ)蒸汽控制直拉法(VapoirControlCzochralski:VCZ)是LEC技术的一项改进。对于生长具有挥发性组元的化合物半导体单晶来说，LEC技术的主要缺点是生长系统中纵向温度梯度较大，导致单晶中位错密度较高；如果减小温度梯度又引起晶体表面解离。为解决这一问题，发展了VCZ技术，将坩埚-晶体置于一密封/准密封的内生长室中，内生长室放置少量挥发性组元(As)，使腔内充满As气氛。这样，即使在相当低的温度梯度下生长，晶体表面也不致解离。4950优点：可以降低位错密度；缺点：生长系统复杂，生长过程不易观察，重复性较差。垂直梯度凝固(VGF)和垂直布里奇曼(VB)技术51四种生长技术简要对比52InP单晶片工业工艺流程535455GaAs单晶中杂质的控制56575859606162不同掺杂GaAs的应用63GaAs单晶的完整性646566676869