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1、无机半导体材料GaAs的结构、制备及应用姓名：陈建春年级：2008级应用物理(1)学号：20084113天津理工大学理学院摘要：20世纪50年代,半导体器件的生产主要采用错单晶材料,到了60年代,由于硅单晶材料的性能远远超过错,因而半导体硅得到了广泛的应用,在半导体材料中硅己经占据主导地位。大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的,11卜V族化合物半导体如伸化傢、磷化际钮化钢等也越来越受到人们的重视,特别是神化镣具冇硅、错所不具备的能在高温度频下工作的优良特性,它还有更大的禁带宽度和电了迁移率,适合于制造微波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体
2、激光器,因而础化镣是一种很冇发展前途的半导体材料。随着大规模集成电路制造工艺水平的提高,半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。础化铸(GaAs)是111-V组化合物半导体屮最重要、用途最广的半导体材料。关键词：GaAs结构性质制备应用1.引言化合物半导体材料神化镣(GaAs)和磷化钢(InP)是微电子和光电子的基础材料，而GaAs则是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料,也是目前研究得最成熟、生产量大的化合物半导体材料。由于GaAsK有电了迁移率高、禁带宽度大且为直接带隙，容易制成半绝缘材料、本征载流子浓度低、光电特性好、以及具有耐热、
3、抗辐射性能好和对磁场敏感等优良特性。用GaAs材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高,能满足集成光电子的需要。它是口前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高速的器件和电路。2.基本结构原理⑴GaAs是一种无机非线性光学材料，它的导带极小值位于k=0处，等能面是球形等能面。导带底电子冇效质量是各向同性的。me=0.068m0o由于这一导带底对应的能量水平较低，故相应的极值能谷称为下能谷。与此同时，在［100］方向述存在另一极小值，能量比k=0的极小值高0.36eVo由丁它的能带曲率小，故对应的电子有效质量大
4、，me*=1.2m0,该导带的底部能量水平高，故称为上能谷。GaAs的价带极值位于k=0处，而且也有两支在k=0重合。有一支重空穴，一支轻空穴。重空穴所在能带，空穴冇效质量为(mp)h=O.45mo；轻空穴所在能带，空穴有效质量为(mp)1=0.082m0oGaAs的能带结构有下述特点：①GaAs导带极小值k=0处，价带极大值也在k=0处，为直接带隙型。对GaAs来说，Eg=1.34eV,因此GaAs屮电子跃迁产生或吸收的光子波长入=9X102nm,光了的波失大致是qTXlotm",而电了的波失k=2Ji/ao对于GaAs,a=0.564nm,因此
5、k~10*cm，。显然光子波失比电子波失小得多，可忽略不计。这时k'=kk'为跃迁后电子的波失；k为跃迁前电子的波失；q为光子的波失。这说明，电了吸收光了产生跃迁时，虽然电了能量增加，但波失仍保持不变。因此在寻求新的发光材料时，一般总是优先选用直接跃迁型材料。由于能带是直接跃迁型，故用它做发光器比较合适，但其发光波氏在红外区。①GaAs材料具有负阻特性。这是因为GaAs在［100］方向上具有双能谷能带结构。除k=0处导带有极小值外，在［100］方向边缘上存在着另一个比中心极小值仅高0.36eV的导带极小值。因此电了可处于主、次两个能谷。在室温下，主
6、能谷屮的电子很难跃迁到次能谷中去。一旦外电场超过一定的阈值，电子就可能由迁移率大的主能谷转移到迁移率小的次能谷，从而出现电场增大、电流减小的负阻现象。②GaAs和Ge、Si在300K吋的禁带宽度瓦分别为1.43eV、0.67eV、1.12eV,可见,GaAs比Ge、Si大得多，对晶体管而言，其工作温度的上限是与材料正比的。因此GaAs器件可在450°C下工作，而且禁带宽度使器件的击穿电压大,适于作功率器件。此外,GaAs具有比Si大得多的电子迁移率，可用作高频和高速器件。3.应用研究⑷GaAs的禁带宽度大，工作温度高，适合制作大功率器件。由于电子迁
7、移率高,有效质量小，用GaAs制作的半导体器件工作速度快，噪声很低。GaAs在微波器件上也冇广泛的应用，如耿氏二极管、肖特基二极管、变容二极管、隧道二极管、雪崩二极管等。由于GaAs为直径带隙半导体,光电转换效率和发光效率都非常高，所以GaAs适合于制作太阳能电池、发光二极管和半导体激光器。GaAs的光吸收系数高,适合于制作红外探测器件。另外，Ga是半导体材料而且还具冇绝缘性质，这在半导体集成电路的集成技术上有很多方便Z处，所以GaAs是集成电路制造中极有而途的半导体材料。新型半导体材料GaAs广泛用于半导体激光器,其作用原理乃是基于电子和空穴的辐
8、射复合现彖。GaAs作为半导体激光工作物质，其激励方式有结、电子束、光、雪崩击穿等。优点是，体积小、重量轻、寿命长、结构简
