砷化镓课件.ppt

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1、GaAs砷化镓,1,OUTLINE,GaAs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,2,GaAs材料的特性,3,1.1GaAs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10928，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,4,1.1GaAs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，由一系列的族元素Ga及族元素As组成的双原子层（也是电偶极层）

2、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,5,1.2GaAs材料的物理化学性质,表1.1.GaAs材料的物理性质,6,1.2GaAs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。,7

3、,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,8,1.3GaAs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,9,1.4GaAs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1.41.5eV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

4、以下优势：,10,1.4GaAs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。,11,GaAs材料的制备,12,2.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。,13,2.1GaAs单晶材料的制备,GaAs单晶材料的制备流程如下所示：,14,2

5、.1 GaAs单晶材料的制备,GaAs晶体生长方法有：,15,2.1 GaAs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。,16,2.1 GaAs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

6、定梯度的温区而获得单晶生长,17,2.1 GaAs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 )

7、 。,18,2.1 GaAs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,19,2.1 GaAs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

8、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。,20,2.1 GaAs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。,21,三种工艺比较,22,2.2GaAs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。,23,2.3GaAs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（）、液相外延（LPE）、分子束外延（

9、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。,24,GaAs材料的应用,25,3.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。,26,27,28,Thank You !,29,