17
GaAs物理性质
GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽 晶格参数与化学计量比有关
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GaAs化学性质
GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸
反应，易溶于王水
化
学
性
室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定
质 加热到6000C开始氧，加热到800oC以 上开始离解
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GaAs电学性质
电子的速度
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4.2 II-VI族化合物半导体材料
II-VI族化合物离子键成分更多，极性更强，具有 更高的蒸气压，生长单晶更为困难。
II-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带隙比III-V 族要大；
II-VI族化合物半导体均为直接跃迁，随平均原子 序数增加，带隙逐渐减小。
本征载流子浓度较低，其电导主要由缺陷引起。
红光 绿光 紫光
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日亚公司1994年首创用MOCVD制备了GaN LED
中村修二，蓝色LED
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市场分布分析
2003年全球GaN基LED芯片产量
按全球LED市场划分， 目前市场主要集中在 日本、美国、欧洲等 发达国家和地区，仅 日本、美国市场就占 到全球的60％以上。
按应用领域划分，目前，高亮度LED主要用途及市场有 显示器背光源（如手机、PDA）、标志（如户外显示）、 景观照明、汽车、电子设备、交通信号灯及照明等。
电阻率？
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GaAs光学性质
直接带隙结构
折射率与温度、波长有关： n T、λ
发光效率比其它半导体材料要高得多， 可以制备发光二极管，光电器件和半导 体激光器等
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GaAs优缺点
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26
GaAs的应用
27
28
29
4.1.2 InP
1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V 族化合物；
传输损耗最小的波段； InP的热导率比GaAs好，散热效能好 InP是重要的衬底材料：制备半绝缘体单晶
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4.1.3 GaN
1928年被合成。化学性质稳定。 稳定结构为纤锌矿结构，键能大，熔点较高，晶格常数
较小 GaN禁带宽度为3.4 eV 非掺杂是n型半导体；Mg掺杂是p型半导体
晶体结 带隙 ni（cm-3） μn
μp
构 （eV）
（cm2/Vs）（cm2/Vs）
闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
闪锌矿 2.27
150
120
纤锌矿 3.4
900
10
闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
450
闪锌矿 1.35 6.9×107 5400
150
纤锌矿 0.7
4400
性杂质。 Cu、Au、Fe、Cr等过渡金属杂质，深能级。
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GaAs单晶中的缺陷
点缺陷：空位、间隙、反位，及复合缺陷。 位错：非辐射复合中心，降低少子寿命。位错密度104-
105cm-2.基本性质决定难以生长无位错单晶。来源：籽 晶位错、晶体生长中的热应力、晶体加工过程的机械应力 等。 缺陷的H钝化：钝化位错和杂质的悬挂键。在250400oC的H等离子体气氛中进行，但钝化过程中容易引 起表面损伤和粗糙，甚至导致As的外扩散，形成As的表 面损耗层，也会使材料性能降低。
构和由As原子组成的面心立方结构沿对角 线方向移动1/4间距套构而成。
11
[111]为极化轴，(111)面是Ga面，(111)面是As面，两个面的物理化学性质大不相同。
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极性的影响
（1）解理面－－原子面密度最高、面间距最大
不是{111}而是{110}；Si(111)是自然解理面
（2）腐蚀速度－－B面（V族）易腐蚀
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氮化镓与其它半导体材料的比较
特性
硅 Si
带隙（eV） 1.1
300K电子迁 移（cm2/Vs ）
1500
电子饱和速度 （107cm/s） 1.0
击穿场强 （MV/cm）
0.3
热导率 （W/cm*K）
1.5
介电常数ε 11.8
砷化镓 GaAs
1.42
8500
半导体材料
磷化铟InP 碳化硅SiC
1.35
投入资金50亿日元
到2007年 30%的白炽灯 被置换为半导体照明灯
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高亮度白光LED的实现
通过红、绿、 蓝三种LED组 合成为白光
基于紫外光LED， 通过三基色粉，组
合成为白光
基于蓝光LED，通过 黄色荧光粉激发出黄 光，组合成为白光
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Eg
h

hc

Ge： Eg＝0.67 eV GaP：Eg＝2.25 eV GaN：Eg＝3.4 eV
极性越强。 组成元素的原子序数之和越大，材料熔点
越低，带隙越小
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III-V族 化合物 半导体
4.1.1 GaAs 4.1.2 InP 4.1.3 GaN
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4.1.1 GaAS
晶体结构 能带结构 杂质和缺陷 物理性质 化学性质 电学性质 光学性质
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GaAs晶体结构 闪锌矿结构，由Ga原子组成的面心立方结
2. 提高光存储密度. DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比， 如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使 用GaAs基半导体激光器的同类产品提高4－5倍，因此，宽禁带半导体 技术还将成为光存储和处理的主流技术。
3. 改善军事系统与装备性能。 高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件， 如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的 工作温度将提高到300℃，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、 通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航 天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。
纤锌矿 6.24
300
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4
III-V族化合物半导体性质
III-V族 化合物 半导体 性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV （2）直接跃迁能带结构 －－光电转换效率高 （3）电子迁移率高－－高频、高速器件 （4）带隙随温度变化
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带隙和温度的关系
T 2 Eg (T ) Eg (0) T
发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂 半导体材料制成。
当通过正向电流时，n区电子 获得能量越过PN结的空间电 荷区与p区的空穴复合以光的 形式释放出能量。
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LED应用
半导体白光照明 车内照明 交通信号灯 装饰灯 大屏幕全彩色显示系统 太阳能照明系统 其他照明领域 紫外、蓝光激光器
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II－VI化合物的应用
重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都是直接带 隙，发光效率高
制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等 ZnS，薄膜场致发光显示器 CdTe高能辐射，高能粒子探测器 太阳电池，CdS/CdTe 理论转换效率30%，大面积10％ 热、远红外探测：可以制备一些大气窗口的探测器
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GaAs单晶中的杂质
GaAs晶体纯度比Si低，含有多种杂质。杂质对GaAs性能的影响取 决于其性质和在晶体中的位置。
B、Al、In等III族元素取代Ga，P、Sb等V族元素取代As，不影 响电学性能。若过量会产生沉淀形成位错，恶化器件性能。
S、Se、Te等VI族元素通常取代As，浅施主。 Zn、Be、Mg、Cd、Hg等II族元素，通常取代Ga，浅受主。 C、Si、Ge、Sn、Pb等IV族元素，可取代Ga、As或同时取代，两
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽 室温下与空气中稳定，360oC下开始离解 溶于王水、溴甲醇、室温可与盐酸反应，与碱反应
非常缓慢。
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InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是 制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAs InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤通信中
油消耗。
台湾
25％白炽灯及 节省110亿度电， 100％日光灯被 约合1座核电厂 白光LED取代 发电量。
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美国半导体照明计划
日本21世纪照明计划
从2000年起国家投资5亿美 元
到2010年 55%的白炽灯和荧 光灯被半导体灯取代
每年节电达350亿美元
2015年形成每年500亿美元 的半导体照明产业市场
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II-VI族化合物半导体量子点
TiO2 particles TiO2 nanotube
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半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一
地区＼条 件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳 排放
美国 日本
5％白炽灯及55 ％日光灯被白光
LED取代
每年节省350 亿美元电费。
每年减少7.55 亿吨二氧化碳
排放量。
100％白炽灯被 白光LED取代
可少建1-2座核 电厂。
每年节省10亿 公升以上的原
模
型
高温下，材料中存在着中性的和电离的 点缺陷
冷却过程中，空位和杂质相互作用形成 复合体和沉淀，其他点缺陷消失在表面或 位错处，电学性质只与沉淀之外的杂质有 关。
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定量描述自补偿度的方法
Eg 1 H V
Eg 1 H V
不易制成n型或者p型材料 容易制成n型或者p型材料
Eg，ΔHv是材料带隙和空位形成焓。
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自补偿
自补偿：掺入的杂质被同时引入的具有相反电荷的缺陷中 心所补偿，使掺杂失效。