电子材料及元器件5.3.ppt

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1、5.3Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是由周期表中ⅢA和ⅤA族元素化合而成的。Ⅲ-Ⅴ族化合物的优良性质：禁带宽度大载流子迁移率高直接跃迁和独特的双能谷能带结构。以上性质使它们在制备光电器件和微波器件上具有比锗、硅更大的优势。www.themegallery.comCompanyLogo5.3.1Ⅲ-Ⅴ族半导体的性质Ⅲ族原子比Ⅳ族原子少一个价电子，而Ⅴ族原子则比Ⅳ族多一个价电子。Ⅲ-Ⅴ族化合物每个原子的平均电子数与Ⅳ族半导体的相同。Ⅲ-Ⅴ族化合物与Ⅳ族半导体相似，它们的结晶都是闪锌矿结构，类似于Ⅳ族元素金刚石结构，价键主要是共价键形式。www.themeg

2、allery.comCompanyLogoⅢ-Ⅴ族化合物和Ⅳ族半导体的差别，来源于构成原子的负电性。它使键能具有离子成分。离子成分的引入，使得Ⅲ-Ⅴ族的总能量高于相对应的Ⅳ族元素的总能量。它们的结合强，熔点较高，禁带宽度也较大，这是制备高温与大功率器件所需材料的必备条件。www.themegallery.comCompanyLogo5.3.2Ⅲ-Ⅴ族化合物的晶体结构立方闪锌矿型结构少数几种Ⅲ-Ⅴ族化合物（如BN、AlN、GaIn）的晶格为六角纤维锌矿结构六角纤维锌矿型结构。大多数Ⅲ-Ⅴ族化合物（包括AlP、AlAs、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、

3、InSn）的晶格都是闪锌矿型结构。www.themegallery.comCompanyLogo闪锌矿型结构与Si的金刚石结构的比较每个原子最近邻有四个原子，配位数为4，若该原子处在一个正四面体的中心，则四个近邻原子处在四面体的顶角，这种键称为四面体键，键角为109°28ˊ。www.themegallery.comCompanyLogo两种结构的异同：金刚石结构中全部由一种原子组成，而闪锌矿结构则由二种原子组成，每一个原子的近邻是四个异类原子。正是由于二者在晶格结构上有不同之处，而引起Ⅲ-Ⅴ族化合物与金刚石结构的Ge、Si相比有不同的新特征。www.themeg

4、allery.comCompanyLogo5.3.3Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体化学键和极性1.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的化学键Ⅲ族元素的原子A外层有三个电子，Ⅴ族元素的原子B外层有五个价电子。当组成Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体时，B原子由五个价电子中拿出一个给Ⅲ族A原子，然后它们相互作用产生sp3杂化，A、B原子各有四个外层电子正好组成四个共价键，形成四面体键合。www.themegallery.comCompanyLogo由于形成的正、负离子的电荷库仑吸引作用，使Ⅲ-Ⅴ族化合物中原子的相互作用除了共价键主要成分外，还有离子键成分存在。2.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的极性及对材料物理化学

5、性质的影响由于离子键的作用，Ⅴ族B原子吸引电子的能力比Ⅲ族A原子的大，使得化学键中的电子与B原子键合的较强，这种原子电荷分布的不对称现象通常称为极化现象，在键合方向上产生极性。这种具有极性的共价键叫做极性键。www.themegallery.comCompanyLogo极性键的存在，对Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的材料物理化学性质产生影响。（1）极性对解离解的影响金刚石结构中（111）面间距大，价键密度低，易断裂，因此（111）面是它的解理面。闪锌矿结构的GaAs材料，虽然（111）面间距大于（110），但（111）面的原子层全部是由Ga原子和As原子交替组成。以（11

6、1）为界面分开时，界面的一边为一种离子，另一边为另一种离子，由于两种离子间有较强的库仑吸引力，不易断开。www.themegallery.comCompanyLogo（110）面间距虽然比（111）面小，但（110）面每一个面都是由相同数目的Ga、As原子组成，呈中性状态。在（110）面上存在较强的的库仑作用，而平行晶面间作用较弱。当相邻两层（110）面沿[211]方向移动一定距离后，刚好使两层之间的Ⅲ族原子和Ⅴ族原子上下对齐，产生静电斥力而使晶体沿此面断开。因此闪锌矿结构的解理面不是（111）面，而主要是（110）面。www.themegallery.comC

7、ompanyLogo（2）极性对表面腐蚀和晶体生长的影响GaAs单晶的（111）A面和B面具有不同的腐蚀特性。把研磨过的GaAs片放HNO3:HF:H2O=1:1:2的腐蚀液中，腐蚀10分钟，在A面上将出现蚀坑，而B面则无。在AlSb、InSb、InAs、InP中也有类似现象。材料腐蚀性能的差异与Ⅲ-Ⅴ族化合物的极性（电子状态）有关。www.themegallery.comCompanyLogo由下图可见，A、B面原子的键和电子分布是不同，由于B面存在电子，供腐蚀时电子交换，故B面的腐蚀速度比A面快。www.themegallery.comCompanyLogo

8、极性对晶体生长也会发生影