砷化镓材料

GaAs砷化镓OUTLINEGaAs半导体材料的特性GaAs半导体材料的应用GaAs半导体材料的制备GaAs材料的特性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。图1.1.GaAs晶体结构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1.2GaAs材料的物理化学性质表1.1.GaAs材料的物理性质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。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1.4GaAs材料的性能的优缺点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。与硅材料比较，砷化镓具有以下优势：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。GaAs材料的制备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。2.1GaAs单晶材料的制备GaAs单晶材料的制备流程如下所示：2.1GaAs单晶材料的制备GaAs晶体生长方法有：2.1GaAs单晶材料的制备1.液封直拉法（LEC）图2.1.LEC法示意图液封直拉法的过程：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。2.1GaAs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2.1GaAs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)。2.1GaAs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2.1GaAs单晶材料的制备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。2.1GaAs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。三种工艺比较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。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。GaAs材料的应用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。从应用领域来说，主要在光电子领域和微电子领域。在微电子领域中，使用的化合物半导体材料属于高端产品，主要用于制作无线通讯（卫星通讯、移动通讯）、光纤通讯、汽车电子等用的微波器。在光电子领域中，使用的化合物半导体材料属于低端产品，主要用于制作发光二极管、激光器及其它光电子器件。用砷化镓制作的主要电子器件和光电子器件。主要品种、产品形式和应用领域见下表。