第四章-化合物半导体材料

第四章化合物半导体材料李斌斌化合物半导体材料III－V族化合物半导体材料II－VI族化合物半导体材料4.1常见的III-V化合物半导体化合物晶体结构带隙niunupGaAs闪锌矿1.421.3×1068500320GaP闪锌矿2.27150120GaN纤锌矿3.490010InAs闪锌矿0.358.1×10143300450InP闪锌矿1.356.9×1075400150InN纤锌矿2.054400AlN纤锌矿6.2430014III-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、高速器件带隙和温度的关系2()(0)ggTETET计算：GaAs300K和400K下的带隙晶体结构金刚石结构闪锌矿结构纤锌矿结构离子键和极性共价键－－没有极性离子键－－有极性两者负电性相差越到，离子键成分越大，极性越强。极性的影响（1）解理面－－密排面（2）腐蚀速度－－B面易腐蚀（3）外延层质量－－B面质量好（4）晶片加工－－不对称性4.1.1GaAS能带结构物理性质化学性质电学性质光学性质GaAs能带结构直接带隙结构双能谷轻空穴和重空穴带隙为1.42eVGaAs物理性质GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽分子量为144.64原子密度4.42×1022/cm3GaAs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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GaAs电学性质电子的速度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高频器件，军事上应用*nhkm本征载流子浓度163/21.604()1.0510exp()2iBnTTkT633001.310/iTKncmGaAs光学性质直接带隙结构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4.1.2GaAs的应用GaAs在无线通讯方面具有众多优势GaAs是功率放大器的主流技术1）GaAs在无线通讯方面砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频”传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合传输影音内容，符合现代远程通讯要求。一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号”的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不佳的障碍。砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。砷化镓与硅元件特性比较砷化镓硅最大频率范围2～300GHz1GHz最大操作温度200oC120oC电子迁移速率高低抗辐射性高低具光能是否高频下使用杂讯少杂讯多，不易克服功率耗损小高元件大小小大材料成本高低产品良率低高应用领域频率范围个人通讯服务900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS）2.2～2.4GHz（3Gwireless）有线电视50～1000MHzGPS1.6GHz卫星电视11～13GHzWirelessLAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-pointRadio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型卫星地面站）6、14、28GHz卫星移动电话1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）宽频卫星服务28GHz汽车雷达控制系统76～77GHz电子收费系统5.8GHzGaAs非常适合高频无线通讯2）GaAs是功率放大器的主流技术砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主，内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。手机中重要关键零部件功率放大器（PowerAmplifier，PA），由于对放大功率的严格要求，因此使用GaAs制造将是最佳方式。GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路，特别是功率放大器的主流制程技术。手机是促进GaAsIC市场增长的主要动力根据StrategyAnalytics的报告，手机仍将是促进砷化镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008年将达37亿美元GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是主要增长动力，2003年无线市场占GaAs器件总体需求的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增长，但2008年手机仍将至少占GaAs市场的33%随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为双频和三频，预计光手机这项需求，2008年GaAs芯片将达到30亿颗国内外现状对比目前我国在研制通信用砷化镓器件方面尚处于起步阶段。手机用砷化镓电路基本靠进口。随着我国通信产业迅速发展，对砷化镓器件需求越来越大。砷化镓电路用于手机的功放和开关部分，还可用于移动通信基站、光通信、卫星通信、CATV、军事通信等重要用途，应用领域非常广泛。3）GaAs还有更多的应用领域光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。我国数十亿只LED管芯，所有的可见光激光器、高亮度发光管、近红外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高质量的低阻GaAs单晶，促进LED管芯、可见光激光器、高亮度发光管和高效率高效太阳能电池的商品化生产，将有力地发展我国民族的光电子产业。4.1.2InP1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V族化合物；InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽室温下与空气中稳定，3600C下开始离解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1.35eV，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4.1.3GaN宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.3～6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的GaN禁带宽度为3.4eVGaN性质高频特性，可以达到300GHz（硅为10G，砷化镓为80G）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）发光二极管LED发光二极管Light-EmittingDiode是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。LED应用半导体白光照明车内照明交通信号灯装饰灯大屏幕全彩色显示系统太阳能照明系统其他照明领域紫外、蓝光激光器高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等LED照明的优点发光效率高，节省能源耗电量为同等亮度白炽灯的10%-20%，荧光灯的1/2。绿色环保冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源、体积小、重量轻、方向性好单个单元尺寸只有3~5mm响应速度快，并可以耐各种恶劣条件低电压、小电流半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一地区＼条件·效益条件能源节约降低二氧化碳排放美国5％白炽灯及55％日光灯被白光LED取代每年节省350亿美元电费。每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100％白炽灯被白光LED取代可少建1-2座核电厂。每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾25％白炽灯及100％日光灯被白光LED取代节省110亿度电，约合1座核电厂发电量。美国半导体照明计划从2000年起国家投资5亿美元到2010年55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代每年节电达350亿美元2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场日本21世纪照明计划投入资金50亿日元到2007年30%的白炽灯被置换为半导体照明灯高亮度白光LED的实现基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光ghEhGe：Eg＝0.67eV红光GaP：Eg＝2.25eV绿光GaN：Eg＝3.4eV蓝光日亚公司1994年首创用MOCVD制备了GaNLED市场分布分析2003年全球GaN基LED芯片产量按全球LED市场划分，目前市场主要集中在日本、美国、欧洲等发达国家和地区，仅日本、美国市场就占到全球的60％以上。按应用领域划分，目前，高亮度LED主要用途及市场有显示器背光源（如手机、PDA）、标志（如户外显示）、景观照明、汽车、电子设备、交通信号灯及照明等。氮化镓与其它半导体材料的比较特性单位半导体材料硅砷化镓磷化铟碳化硅氮化镓能阶带eV1.11.421.352.33.44300K电子迁移Cm2/vs1500850054007001000~2000饱和电压107cm/s1.01.31.02.01.3临界崩溃场效MV/cm0.30.40.53.03.0热传导V/cm*k1.50.50.74.51.5介电常数ε11.812.812.510.09.0GaN的应用1.实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。2.提高光存储密度.DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高4－5倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。3.改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300℃，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。4.2II-VI族化合物半导体材料II-VI族化合物离子键成分更多，极性更强，具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难。II-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带隙比III-V族要大化合物晶体结构带隙unupZnO纤锌矿3.371000180ZnS闪锌矿3.6660040ZnS纤锌矿3.74280100ZnSe闪锌矿2.7262530ZnSe纤锌矿2.72560110ZnTe闪锌矿2.2340100ZnTe纤锌矿2.80带隙和温度的关系2gBdEskdT自补偿自补偿概念补偿中心：金属空位和硫属元素空位“两性”杂质Marfaring模型实验中并没有观察到“单独”的金属离子空位，而只有金属离子空位与施主杂质的复合体高温下，材料中存在着中性的和电离的点缺陷冷却过程中，空位和杂质相互作用形成复合体11gVgVEHEH不易制成n型或者