选修课作业02

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1、砷化镓材料的研究进展陈鲁佳12101034（北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京，100191）摘要：在航空航天领域，信息功能材料正逐渐显示出它们的重要性。在信息功能材料中，以砷化镓等为代表的半导体材料以众多优良的特性，在信息功能材料中占有重要地位。本文将简要介绍半导体材料砷化镓的制备方法、材料特点和应用状况，并对这种材料的未来发展趋势进行了一些展望。关键词：砷化镓，信息功能材料，半导体1.引言：21世纪是以信息产业为核心的知识经济时代。随着信息技术向数字化、网络化的迅速发展，超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度

2、信息存储已成为信息技术追求的目标。[1]在航空航天领域，信息技术也在经历同样的发展过程。随着对飞行器和航天器的设计的精细化和飞行任务的复杂化，航天器需要接收、存储、处理和传输的信息量大大增加，迫使航空航天事业去寻求更强大的处理设备和手段。而历史的发展证明，信息功能材料是信息技术发展的基础和先导。[1]为了解决当今各行业面临的信息收集、处理与传输难题，信息功能材料的发展是十分重要的。在所有信息功能材料中，半导体信息功能材料是较为重要的一种材料。这种材料以其优越的信息特性极大推动了人类信息技术的发展。20世纪40年代末50年代初

3、，晶体管的发明、硅单晶材料和硅集成电路的研制成功、导致了电子工业大革命。20世纪60～70年代，光导纤维材料和以砷化镓为基的半导体激光器的发明，超晶格、量子阱微结构材料和高速器件的研制成功，使人类进入到光纤通信、移动通信和高速、宽带信息网络的时代。纳米科学技术的发展和应用将使人们能从原子、分子或纳米尺度的水平上控制、操纵和制造功能强大的人工结构材料和量子器件，极有可能触发新的技术革命，并将深刻地影响人类的生产和生活方式。[2]而在半导体信息功能材料中，砷化镓对于相当一部分人来说是有些陌生的。它的名字似乎没有单晶硅那么耳熟能详

4、。但是，砷化镓确实是半导体材料中的一种有突出重要性的材料。这种化合物早在1926年就已经被合成出来了。到了1952年确认了它的半导体性质。在20世纪90年代之后，砷化镓由于其众多优异特性，使得人们对其给予了极大的关注。[3]2.砷化镓材料特点硅是现在应用最广泛的半导体材料，且很多特性已经被人们知晓。而砷化镓已成为仅次于硅的最重要的半导体材料。之所以如此,是基于材料的优异本性。将砷化镓的特性与硅作对比，能够更突出的体现砷化镓材料的优势特点。砷化镓的禁带宽度比硅大,因此其工作温度可以比硅高；它的力学和热学性能虽不如硅，但却优于其

5、它化合物半导体材料,能拉侧出大单晶。[3]在高频工作条件下，砷化镓器件与硅器件相比,具有使用的电压低、功率效率高、噪声低等优点,而且频率愈高,两种器件在上述性能方面的差距愈大。[3]砷化镓在某些方面与单质半导体硅和锗相似,但是在电性能上的某些差异使它在某些特殊的应用中显示了巨大的优越性。砷化镓中的电子比硅中的电子活跃,可以达到很高的峰值速度。因而能够制出工作速度和频率更高的固体器件。[4]砷化镓的能带结构不同于硅和锗。它具有两个非常重要的性质:一是能带隙高,可以把整块基片材料做成绝缘形式以改进器件和集成电路;二是它的能带结构

6、使光电过程更为有效。因此,它是光电器件中的关键材料,并将最终导致在同一芯片上集成高速的电子和光学功能。[4]从上可以看出，砷化镓具有许多的在制作电子元件上的优势，这也决定了它在半导体信息功能材料中重要的地位。3.砷化镓的制备方法由于砷化镓是二元化合物，在砷化镓熔点时离解蒸汽压0.9atm。并且固体砷蒸气压随温度的升高较快，故合成砷化镓多晶和生长单晶必须考虑以上性质。现在主要形成了热壁法和液体覆盖法从熔体生长砷化镓单晶。基于GaAs材料的基本性质，GaAs单晶的基本生长方法为熔体生长法。液体覆盖法包括液封直拉法（LiquidE

7、ncapsulatedCzochralski简称LEC）和全液封直拉法(FullEncapsulatedCzochralski简称FEC)。热壁法包括水平布里奇曼(horizontalbridgman简称HB)、垂直布里奇曼(verticalbridgman简称VB)、水平梯度冷凝法（HGF）、垂直梯度冷凝法（VGF）和As蒸汽压控制液封直拉法（VCZ）。[4]根据现有的资料，在此仅介绍HB、VB、VGF、LEC和VCZ五种方法。3.1HB单晶生长方法HB方法主要生产低位错腐蚀坑密度半导体砷化镓单晶材料。其加工过程中对材料形

8、状有限制，容易造成材料浪费。[4]HB单晶炉已由最初的两段加热器，发展到成熟的三段加热器单晶炉。三段加热器分别由独立的加热控制相应的电阻丝，每一段加热器的温度由热电偶监控并反馈控温器。[5]HB砷化镓单晶生长，一般选用<111>晶向的籽晶，也可选用与其接近的<110>和<311>方向的籽晶