半导体材料第7 8讲-化合物半导体

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1、半导体材料陈易明mpcyjs@gdut.edu.cn第六章III－V族化合物半导体一、重要III－V族化合物半导体介绍二、III－V族化合物半导体的晶体结构三、III－V族化合物半导体的能带结构III一V族化合物半导体是由周期表中IIIA和VA族元素化合而成。几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。1952年Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半导体，而且某些化合物半导体如GaAs、InP等具有Ge、Si所不具备的优越特性(如电子迁移率高、禁带宽度

2、大等等)，可以在微波及光电器件领域有广泛的应用，因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。但是，由于这些化合物中含有易挥发的Ⅴ族元素，材料的制备远比Ge、Si等困难。到50年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生长出了GaAs、InP单晶，但由于晶体太小不适于大规模的研究。1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半导体晶体，1965~1968年Mullin等人第一次用三氧化二硼(B2O3)做液封剂，用LEC法生长了GaAs、InP等单晶材料，为以后生长大直径、高

3、质量Ⅲ-Ⅴ族单晶打下了基础。化合物半导体材料砷化镓砷化镓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、生产量最大的化合物半导体材料。优点：砷化镓具有电子迁移率高（是硅的5-6倍）、禁带宽度大（它为1.43eV，硅为1.1eV），工作温度可以比硅高为直接带隙，光电特性好，可作发光与激光器件容易制成半绝缘材料（电阻率107-109Ωcm），本征载流子浓度低耐热、抗辐射性能好对磁场敏感易拉制出单晶砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:1化合而成的金属间化合物。它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。砷化镓早

4、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。用砷化镓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。它是目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。砷化镓在我们日常生活中的一些应用现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。这些遥控器是通过砷化镓发出的红外光把指令传给主机的。在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯，它们是以砷化镓等材料为衬底做成的发光二极管。光盘和VCD，DVD都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管进行读出的。曲折的应用

5、历程到了50年代中期当半导体硅的工艺获得突破以后.人们开始寻找更优良的半导体材料。由于其优异的半导体性质，所以目光就集中在砷化镓上。砷化镓单晶在应用上曾遭受到不少挫折。首先用它来作晶体管和二极管，结果其性能还赶不上硅和锗。到了60年代初，出现了耿氏微波二极管，人们曾寄希望于将此器件取代真空速调管，使雷达实现固体化。后终因输出功率太小而未能实现。在改善计算机性能中，用砷化镓制成了超高速电路，可以提高计算机的计算速度，这个应用十分诱人，但是后来开发出计算机平行计算技术，又给砷化镓的应用浇了一飘冷水。所以一直到90年代初期，砷化镓的应

6、用基本限于光电子器件和军事用途。步入黄金时代由于认识到其优异性能及其战略意义人们不断地对砷化镓材料器件及应用进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。砷化镓器件有分立器件和集成电路。现在集成电路已不是硅的一统天下，砷化镓集成电路己占集成电路市场份额的2%强。已获应用的砷化镓器件有:微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等;微波晶体管:场效应晶体管(FET).高电子迁移率晶体管(HEMT)，异质结双极型晶体管(HBT)等;集成电路:微波单片集成电路(MMIC)、超高速集成电路(VHSIC)等;红外发光二极管:(IRLED);.

7、可见光发光二极管(LED，作衬底用);.激光二极管(LD);.光探测器;高效太阳电池;霍尔元件等砷化镓应用领域最近一个时期以来，有些砷化镓器件的需求猛增，一些领域的发展迅速地扩大了砷化镓市场的需求，又带动了砷化镓材料和器件的研究与发展，这些领域是:移动电话近些年来移动电话飞速发展，年增长率达两三倍。由于用户的增加和功能的扩大，就必须提高其使用的频率。在较高的频率下，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。所以现在移动通信成了砷化镓微波电路的最大用户。光纤

8、通信在此种通信中光的发射是要用砷化镓或砷化镓基的激光二极管或发光二极管，由于移动通信和因特网的发展扩大了对光纤通信的需求。汽车自动化首先获得应用的是全球定位系统，可以指示给驾驶员关于汽车的方位、合理的行车路线等信息，这也为汽车的无人驾驶提供了前提条件，这套系统主