一、引言
化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵 （GaAs）和磷化銦（InP）是微電子和光電子的基礎(chǔ)材料，而砷化鎵則是化合物半導(dǎo)體中最重要、用途最廣泛的半導(dǎo)體材料，也是目前研究得最成熟、生產(chǎn)量最大的化合物半導(dǎo)體材料。由于砷化鎵具有電子遷移率高（是硅的5~6倍）、禁帶寬度大（它為1.43eV，Si為1.1eV）且為直接帶隙，容易制成半絕緣材料（電阻率
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?cm）、本征載流子濃度低、光電特性好。用砷化鎵材料制作的器件頻率響應(yīng)好、速度快、工作溫度高，能滿足集成光電子的需要。它是目前最重要的光電子材料，也是繼硅材料之后最重要的微電子材料，它適合于制造高頻、高速的器件和電路。
此外, GaAs材料還具有耐熱、耐輻射及對(duì)磁場(chǎng)敏感等特性。所以,用該材料制造的器件也具有特殊用途和多樣性,其應(yīng)用已延伸到硅、鍺器件所不能達(dá)到的領(lǐng)域。即使在1998年世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不景氣的狀況下, GaAs材料器件的銷售市場(chǎng)仍然看好[1]。當(dāng)然, GaAs材料也存在一些不利因素,如:材料熔點(diǎn)蒸氣壓高、組分難控制、單晶生長(zhǎng)速度慢、材料機(jī)械強(qiáng)度弱、完整性差及價(jià)格昂貴等,這都大大影響了其應(yīng)用程度。然而, GaAs材料所具有的獨(dú)特性能及其在軍事、民用和產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的廣泛用途,都極大地引起各國(guó)的高度重視,并投入大量資金進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究。
一．?材料的結(jié)構(gòu)
2.1砷化鎵的晶體結(jié)構(gòu)
砷化鎵晶格是由兩個(gè)面心立方(fcc)的子晶格(格點(diǎn)上分別是砷和鎵的兩個(gè)子晶格)沿空間體對(duì)角線位移1/4套構(gòu)而成。這種晶體結(jié)構(gòu)在物理學(xué)上稱之為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。圖1給出了砷化鎵晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖,表1給出了在室溫下目前已知砷化鎵半導(dǎo)體材料的物理、電學(xué)參數(shù)。關(guān)于砷化鎵的化學(xué)組成形式,III-V族化合物共價(jià)鍵模型認(rèn)為[2]:這類化合物形成四面體共價(jià)結(jié)合,成鍵時(shí)III族原子提供3個(gè)
組態(tài)的價(jià)電子,而V族原子提供5個(gè)
組態(tài)的價(jià)電子，它們之間平均每個(gè)原子有四個(gè)價(jià)電子，正好可用作形成四面體共價(jià)結(jié)合之用。這類化合物以共價(jià)結(jié)合為主,但卻混雜有部分離子結(jié)合性質(zhì)。這是由于V族元素的電負(fù)性比III族元素大,組成晶體時(shí),部分電子將從電負(fù)性低的原子(III族元素)轉(zhuǎn)移到電負(fù)性較高的原子(V族元素)中去,電荷的這種轉(zhuǎn)移(極化)使III族元素帶正電,V族元素帶負(fù)電。如果引用有效電荷Z*e這個(gè)概念來(lái)描述這種電荷轉(zhuǎn)移的程度,則“共價(jià)鍵”模型可認(rèn)為砷化鎵晶體以共價(jià)結(jié)合為主,但混雜有部分離子結(jié)合性質(zhì),每個(gè)離子帶有效電荷Z*e。 ????????????
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2.2砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)
由量子理論知道,孤立原子周圍的電子具有確定的能量值,當(dāng)離散的原子聚集在一起形成晶體時(shí),原子周圍的電子將受到限制,不再是處于單個(gè)獨(dú)立能級(jí),而是處于一個(gè)能量允許的范圍內(nèi),這一模型就是我們?cè)诎雽?dǎo)體物理學(xué)上所謂的能帶理論模型。[3]
圖2給出了硅和砷化鎵在k空間的能帶結(jié)構(gòu)示意圖,由圖可看出,硅的導(dǎo)帶最小值與價(jià)帶最大值位于不同k空間,而砷化鎵的導(dǎo)帶最小值與價(jià)帶最大值則位于k=0處,這意味著在砷化鎵中,電子發(fā)生躍遷時(shí)可直接從導(dǎo)帶底到達(dá)價(jià)帶頂。與硅相比,電子在從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶過(guò)程中只需要能量的改變,而動(dòng)量則不發(fā)生改變。這一性質(zhì)使砷化鎵在制造半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),當(dāng)一個(gè)電子從高能量導(dǎo)帶進(jìn)入低能量?jī)r(jià)帶時(shí),多余能量便以光子的形式釋放。另一方面,當(dāng)砷化鎵受到光照射時(shí),價(jià)帶中的電子便可從外界得到能量而振動(dòng)加劇,當(dāng)此能量足夠大時(shí),便可使電子躍遷到導(dǎo)帶,這一性質(zhì)可使砷化鎵應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域。
圖2 ????砷化鎵和硅的能帶結(jié)構(gòu)圖
二．?材料的物理特性
3.1.砷化鎵材料的基本物理特性：
砷化鎵半導(dǎo)體材料是直接帶隙結(jié)構(gòu)，雙能谷。晶體呈暗灰色，有金屬光澤。GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應(yīng)，易溶于王水。室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定。加熱到6000C開(kāi)始氧化，加熱到8000C以上開(kāi)始離解。有效質(zhì)量越低，電子速度越快。GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3，用GaAs制備的晶體管開(kāi)關(guān)速度比硅的快3~4倍。
3.2.砷化鎵材料的其他物理特性
3.2.1砷化鎵具有高遷移率,高飽合漂移速度[4]。當(dāng)半導(dǎo)體處于外場(chǎng)中時(shí),在相繼兩次散射之間的自由時(shí)間內(nèi),載流子(比如電子)將被外場(chǎng)加速,從而獲得沿一定方向的加速度。因此,在有外場(chǎng)存在時(shí),載流子除了做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)外,還存著沿一定方向的有規(guī)則的漂移運(yùn)動(dòng),漂移運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度( v ),最大漂移速度稱為飽合漂移速度。漂移速度與電場(chǎng)的關(guān)系如圖3所示。
砷化鎵在弱電場(chǎng)狀態(tài)(圖3中虛線左邊區(qū)域)下,電子遷移率約為8500cm2/(V·s),比 Si要大得多。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加 ,砷化鎵的電子漂移速度達(dá)到一個(gè)峰值然后開(kāi)始下降(圖3中虛線右邊區(qū)域)。在漂移速度——電場(chǎng)強(qiáng)度特性曲線上某個(gè)特定點(diǎn)處的斜率即為該點(diǎn)的微分遷移率。當(dāng)曲線斜率為負(fù)時(shí)微分遷移率也為負(fù),負(fù)微分遷移率產(chǎn)生負(fù)微分電阻,振蕩器的設(shè)計(jì)就利用了這一特性。
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圖3 ??砷化鎵和硅的漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系
3.2.2砷化鎵還有一個(gè)重要的性能是半絕緣性,通過(guò)區(qū)域離子注入,其襯底內(nèi)部仍然能保持電隔離。這樣的性質(zhì),使其非常適合用作生產(chǎn)集成電路所用襯底的材料。另外,半絕緣砷化鎵材料制成的器件,其寄生電容很小,這樣可用來(lái)制造一些快速器件,比如開(kāi)發(fā)的單片微波集成電路。
3.3.砷化鎵的應(yīng)用物理特性
砷化鎵電池作為Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體電池，與硅電池相比有很多特點(diǎn)：
3.3.1光電轉(zhuǎn)換效率高： GaAs的禁帶寬度較Si為寬,GaAs的光譜響應(yīng)特性和空間太陽(yáng)光譜匹配能力亦比Si好,因此,GaAs太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率高。Si太陽(yáng)電池理論效率為23%,而單結(jié)和多結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的理論效率分別為27%和50%。
3.3.2可制成薄膜和超薄型太陽(yáng)電池：GaAs為直接躍遷型材料,而Si為間接躍遷型材料。在可見(jiàn)光范圍內(nèi),GaAs材料的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于Si材料。同樣吸收95%的太陽(yáng)光,GaAs太陽(yáng)電池只需5~10μm的厚度,而Si太陽(yáng)電池則需大于150μm。因此,GaAs太陽(yáng)電池能制成薄膜型,質(zhì)量可大幅減小。
3.3.3耐高溫性能好： GaAs的本征載流子濃度低,GaAs太陽(yáng)電池的最大功率溫度系數(shù)( -2×?)比Si太陽(yáng)電池( -4.4×)小很多。200℃時(shí),Si太陽(yáng)電池已不能工作,而GaAs太陽(yáng)電池的效率仍有約10%。
3.3.4抗輻射性能好： GaAs為直接禁帶材料,少數(shù)載流子壽命較短,在離結(jié)幾個(gè)擴(kuò)散度外產(chǎn)生的損傷,對(duì)光電流和暗電流均無(wú)影響。因此,其抗高能粒子輻照的性能優(yōu)于間接禁帶的Si太陽(yáng)電池。在電子能量為1 MeV,通量為1×個(gè)/cm2輻照條件下,輻照后與輻照前太陽(yáng)電池輸出功率比,GaAs單結(jié)太陽(yáng)池>0.76,GaAs多結(jié)太陽(yáng)電池>0. 81,而B(niǎo)SFSi太陽(yáng)電池僅為0.70。
3.3.5可制成效率更高的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池： MOCVD技術(shù)的日益完善,Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半導(dǎo)體材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生長(zhǎng)技術(shù)取得的重大進(jìn)展,為多結(jié)疊層太陽(yáng)電池研制提供了多種可供選擇的材料。[5]
三．?材料的的應(yīng)用
4.1.砷化鎵在光電子方面的應(yīng)用
同用其他材料制作的激光器相比,砷化鎵激光器有很多優(yōu)點(diǎn):首先激光器件可以做得很小,如用砷化鎵激光器制造的小型雷達(dá),只有手電筒那樣大,能產(chǎn)生1.0×10-11s脈沖和6W的功率,是一種戰(zhàn)地條件下很有效的雷達(dá);其次,砷化鎵化合物半導(dǎo)體激光器件使用壽命長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道,砷化鎵激光器的壽命可達(dá)到2 700 000 h;第三,容量大是砷化鎵激光器又一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn),用這種激光器通訊可以攜帶幾千路對(duì)話通訊光束。
4.2.砷化鎵在微電子方面的應(yīng)用
砷化鎵不僅可直接制作光電子器件，如發(fā)光二級(jí)管、可見(jiàn)光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器、紅外探測(cè)器和高效太陽(yáng)能電池；而且在微電子方面，以半絕緣砷化鎵為基體，用直接離子注入自對(duì)準(zhǔn)平面工藝研制的砷化鎵高速數(shù)字電路、微波單片電路、光電集成電路、低噪聲及大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，且有速度快、頻率高、低功耗和抗輻射等特點(diǎn)，不僅在國(guó)防上具有重要意義，在民用和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中更有廣泛應(yīng)用。同時(shí)由于太陽(yáng)能電池、光纖通信和移動(dòng)通信的發(fā)展，世界對(duì)砷化鎵半導(dǎo)體材料的需求越來(lái)越大，砷化鎵的重要性也在不斷提高。?
4.3.砷化鎵在通信方面的應(yīng)用
半絕緣砷化鎵材料主要用于高頻通信器件，受到近年民用無(wú)線通信市場(chǎng)尤其是手機(jī)市場(chǎng)的拉動(dòng)，半絕緣砷化鎵材料的市場(chǎng)規(guī)模也出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)的局面[6]。同時(shí)砷化鎵太陽(yáng)能電池作為新一代高性能長(zhǎng)壽命空間主電源，必將逐步取代目前采用的硅電池在空間電伏領(lǐng)域占領(lǐng)主導(dǎo)地位。我國(guó)航天事業(yè)飛速發(fā)展也需要高性能、長(zhǎng)壽的空間主電源。
4.4.砷化鎵在微波方面的應(yīng)用
與硅微波器件相比,砷化鎵微波器件特點(diǎn)是:功率大、頻率高、增益高、噪聲小,并且能夠在比較低的電壓下工作,現(xiàn)在,砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雪崩二極管的工作效率已經(jīng)達(dá)到幾十千兆周,有可能突破100千兆周,這在雷達(dá)和微波通訊方面,都有著極為重要的意義。由于砷化鎵微波器件增容高,噪聲小,所以大大改善了微波系統(tǒng)的靈敏度。砷化鎵甘氏二級(jí)管可以在操作電壓5V到7V的條件下工作。所以砷化鎵甘氏二級(jí)管,可以使用尺寸小和重量輕的電源,對(duì)宇宙空間技術(shù)有極為重要的意義。
4.5.砷化鎵在太陽(yáng)能電池方面的應(yīng)用
砷化鎵是一種很有發(fā)展前途的制作太陽(yáng)能電池的材料。太陽(yáng)能電池可以把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能。硅太陽(yáng)能電池是世界上使用最多的一種,它的轉(zhuǎn)換效率最高能夠達(dá)到18%～20%,而砷化鎵太陽(yáng)能電池最大效率預(yù)計(jì)可以達(dá)到23%～26%,它是目前各種類型太陽(yáng)能電池中效率預(yù)計(jì)最高的一種。砷化鎵太陽(yáng)能電池抗輻射能力強(qiáng),并且能在比較高的溫度環(huán)境中工作。這不僅對(duì)探索宇宙的研究提供了有利條件,而且也標(biāo)志著人類在直接利用無(wú)窮無(wú)盡的太陽(yáng)能方面又邁進(jìn)了一步。
四．?總結(jié)
砷化鎵作為Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，它的閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)和直接帶隙結(jié)構(gòu)讓它具有相比于硅，鍺更為優(yōu)良的性能。砷化鎵具有更高的電子遷移率和飽和遷移速率，而且還有獨(dú)特的半絕緣性，而且砷化鎵材料還具有耐熱、耐輻射及對(duì)磁場(chǎng)敏感等特性，使砷化鎵材料具有特殊用途和多樣性,應(yīng)用已延伸到硅、鍺器件所不能達(dá)到的領(lǐng)域。砷化鎵材料雖然在制備方面具有一定的難度，但其應(yīng)用前景仍舊是一片光明，在光電子，微電子，太陽(yáng)能電池等各個(gè)方面都有非常廣泛的應(yīng)用。
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