半導(dǎo)體材料第7 8講-化合物半導(dǎo)體1

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1、半導(dǎo)體材料陳易明mpcyjs@gdut.edu.cn第六章III－V族化合物半導(dǎo)體一、重要III－V族化合物半導(dǎo)體介紹二、III－V族化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)三、III－V族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)III一V族化合物半導(dǎo)體是由周期表中IIIA和VA族元素化合而成。幾乎在與鍺、硅等第一代元素半導(dǎo)體材料的發(fā)展和研究的同時，科學(xué)工作者對化合物半導(dǎo)體材料也開始了大量的探索工作。1952年Welker等人發(fā)現(xiàn)Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半導(dǎo)體，而且某些化合物半導(dǎo)體如GaAs、InP等具有Ge、Si所不具備的

2、優(yōu)越特性(如電子遷移率高、禁帶寬度大等等)，可以在微波及光電器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，因而開始引起人們對化合物半導(dǎo)體材料的廣泛注意。但是，由于這些化合物中含有易揮發(fā)的Ⅴ族元素，材料的制備遠(yuǎn)比Ge、Si等困難。到50年代末，科學(xué)工作者應(yīng)用水平布里奇曼法(HB)、溫度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生長出了GaAs、InP單晶，但由于晶體太小不適于大規(guī)模的研究。1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)來制備化合物半導(dǎo)體晶體，1965~1968年Mullin等人第一次用三氧化二硼(B2O3)做液封

3、劑，用LEC法生長了GaAs、InP等單晶材料，為以后生長大直徑、高質(zhì)量Ⅲ-Ⅴ族單晶打下了基礎(chǔ)?；衔锇雽?dǎo)體材料砷化鎵砷化鎵是化合物半導(dǎo)體中最重要、用途最廣泛的半導(dǎo)體材料，也是目前研究得最成熟、生產(chǎn)量最大的化合物半導(dǎo)體材料。優(yōu)點：砷化鎵具有電子遷移率高（是硅的5-6倍）、禁帶寬度大（它為1.43eV，硅為1.1eV），工作溫度可以比硅高為直接帶隙，光電特性好，可作發(fā)光與激光器件容易制成半絕緣材料（電阻率107-109Ωcm），本征載流子濃度低耐熱、抗輻射性能好對磁場敏感易拉制出單晶砷化鎵是由金屬

4、鎵與半金屬砷按原子比1:1化合而成的金屬間化合物。它具有灰色的金屬光澤，其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型。砷化鎵早在1926年就已經(jīng)被合成出來了。到了1952年確認(rèn)了它的半導(dǎo)體性質(zhì)。用砷化鎵材料制作的器件頻率響應(yīng)好、速度快、工作溫度高，能滿足集成光電子的需要。它是目前最重要的光電子材料，也是繼硅材料之后最重要的微電子材料，它適合于制造高頻、高速的器件和電路。砷化鎵在我們?nèi)粘Ｉ钪械囊恍?yīng)用現(xiàn)在我們看電視、聽音響、開空調(diào)都用遙控器。這些遙控器是通過砷化鎵發(fā)出的紅外光把指令傳給主機(jī)的。在許多家電上都有小的紅色、

5、綠色的指示燈，它們是以砷化鎵等材料為襯底做成的發(fā)光二極管。光盤和VCD，DVD都是用以砷化鎵為襯底制成的激光二極管進(jìn)行讀出的。曲折的應(yīng)用歷程到了50年代中期當(dāng)半導(dǎo)體硅的工藝獲得突破以后.人們開始尋找更優(yōu)良的半導(dǎo)體材料。由于其優(yōu)異的半導(dǎo)體性質(zhì)，所以目光就集中在砷化鎵上。砷化鎵單晶在應(yīng)用上曾遭受到不少挫折。首先用它來作晶體管和二極管，結(jié)果其性能還趕不上硅和鍺。到了60年代初，出現(xiàn)了耿氏微波二極管，人們曾寄希望于將此器件取代真空速調(diào)管，使雷達(dá)實現(xiàn)固體化。后終因輸出功率太小而未能實現(xiàn)。在改善計算機(jī)性能中

6、，用砷化鎵制成了超高速電路，可以提高計算機(jī)的計算速度，這個應(yīng)用十分誘人，但是后來開發(fā)出計算機(jī)平行計算技術(shù)，又給砷化鎵的應(yīng)用澆了一飄冷水。所以一直到90年代初期，砷化鎵的應(yīng)用基本限于光電子器件和軍事用途。步入黃金時代由于認(rèn)識到其優(yōu)異性能及其戰(zhàn)略意義人們不斷地對砷化鎵材料器件及應(yīng)用進(jìn)行研究與開拓，這些工作為今天的大發(fā)展打下了基礎(chǔ)。砷化鎵器件有分立器件和集成電路。現(xiàn)在集成電路已不是硅的一統(tǒng)天下，砷化鎵集成電路己占集成電路市場份額的2%強(qiáng)。已獲應(yīng)用的砷化鎵器件有:微波二極管，耿氏二極管、變?nèi)荻O管等;微

7、波晶體管:場效應(yīng)晶體管(FET).高電子遷移率晶體管(HEMT)，異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)等;集成電路:微波單片集成電路(MMIC)、超高速集成電路(VHSIC)等;紅外發(fā)光二極管:(IRLED);.可見光發(fā)光二極管(LED，作襯底用);.激光二極管(LD);.光探測器;高效太陽電池;霍爾元件等砷化鎵應(yīng)用領(lǐng)域最近一個時期以來，有些砷化鎵器件的需求猛增，一些領(lǐng)域的發(fā)展迅速地擴(kuò)大了砷化鎵市場的需求，又帶動了砷化鎵材料和器件的研究與發(fā)展，這些領(lǐng)域是:移動電話近些年來移動電話飛速發(fā)展，年增長率達(dá)兩三

8、倍。由于用戶的增加和功能的擴(kuò)大，就必須提高其使用的頻率。在較高的頻率下，砷化鎵器件與硅器件相比.具有使用的電壓低、功率效率高、噪聲低等優(yōu)點，而且頻率愈高，兩種器件在上述性能方面的差距愈大。所以現(xiàn)在移動通信成了砷化鎵微波電路的最大用戶。光纖通信在此種通信中光的發(fā)射是要用砷化鎵或砷化鎵基的激光二極管或發(fā)光二極管，由于移動通信和因特網(wǎng)的發(fā)展擴(kuò)大了對光纖通信的需求。汽車自動化首先獲得應(yīng)用的是全球定位系統(tǒng)，可以指示給駕駛員關(guān)于汽車的方位、合理的行車路線等信息，這也為汽車的無人駕駛提供了前提條件，這套系統(tǒng)主