砷化镓半导体材料.ppt

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1、GaAs半导体材料1、GaAs材料的性质和太阳电池1.1GaAs的基本性质1.2GaAs太阳电池2、GaAs单晶体材料2.1布里奇曼法制备GaAs单晶2.2液封直拉法制备GaAs单晶3、GaAs薄膜单晶材料3.1液相外延制备GaAs薄膜单晶3.2金属-有机化学气相沉积外延3.3Si、Ge衬底上外延制备GaAs薄膜材料1、GaAs材料的性质和太阳电池1.1GaAs材料的性质GaAs材料是一种典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。1952年，H.Welker首先提出了GaAs的半导体性质，随后人们在GaAs材料制备、电子器件、太阳电池等领域开展了深入研究。1962年成功研制出了GaAs半导体激光器，

2、1963年又发现了耿氏效应，使得GaAs的研究和应用日益广泛，已经成为目前生产工艺最成熟、应用最广泛的化合物半导体材料，它不仅是仅次于硅材料的微电子材料，而且是主要的光电子材料之一，在太阳电池领域也有一定的应用。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109°28‘，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GaAs的原子结构是闪锌矿结构，由Ga原子组成的面心立方体结构和由As原子组成的面心立方体结构沿

3、对角线方向移动1/4间距套构而成的。Ga原子和As原子之间主要是共价键，也有部分离子键。极性：砷化镓具有闪锌矿型结构，在[111]方向上，由一系列的Ⅲ族元素Ga及Ⅴ族元素As组成的双原子层（也是电偶极层）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。GaAs在室温条件下呈现暗灰色，有金属光泽，相对分子质量为144.64；在空气或水蒸气中能稳定存在；但在空气中，高温600

4、℃条件下可以发生氧化反应，高温800℃以上可以产生化学离解；常温下，化学性质也很稳定，不溶于盐酸，但可溶于硝酸和王水。图1.4.300K时砷化镓中载流子迁移率与浓度高的能量转换效率：直接跃迁型能带结构，GaAs的能隙为1.43eV，处于最佳的能隙为1.4～1.5eV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108兆欧以上；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，砷化镓具有以下优势：砷化镓材料的缺点：资源稀缺，价格昂贵，约Si材

5、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。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。GaAs材料本身为直接带隙半导体，其禁带宽度为1.43ev，作为太阳电池材料，GaAs具有良好的光吸收系数，在波长0.85μm以下，GaAs的光吸收系数急

6、剧升高，达到104/cm，比硅材料要高1个数量级，而这正是太阳光谱中最强的部分。因此，对于GaAs太阳电池而言，只要厚度达到3μm，就可以吸收太阳光谱中的95%的能量。由于GaAs材料的尽带宽度为1.43ev，光谱响应特性好，因此太阳光电转换理论效率相对较高。1.2GaAs太阳电池早在1956年，GaAs太阳电池就已经被研制。20世纪60年代，同质结GaAs太阳电池的制备和性能研究开始发展，一般采用同质结p-GaAs/n-GaAs太阳电池，由于GaAs衬底表面复合速率大于106cm/s，入射光在近表面处产生的光生载流子出一部分流向n-GaAs区提供光生电流外，其余则流向表面产生表面复合电流

7、损失，使同质结GaAs太阳电池的光电转换效率较低。与硅电池相比，GaAs电池具有几个显著特点：1）具有最佳禁带宽度1.43ev，具有高的光电转换效率2）温度系数低，可在高温条件下工作3）可采用薄膜层结构4）较高的电子迁移率使得相同掺杂浓度情况下，材料的电阻率比Si的电阻率小，因此有电池体电阻引起的功率消耗较小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