第四章 化合物半导体 材料
李斌斌
化合物半导体材料

III－V族化合物半导体材料
II－VI族化合物半导体材料

4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 GaAs GaP 晶体结 构 闪锌矿 闪锌矿 带隙 1.42 2.27 ni 1.3×106 un 8500 150 up 320 120
GaN InAs
4.1.1 GaAS

能带结构
物理性质 化学性质



电学性质
光学性质

GaAs能带结构

直接带隙结构
双能谷 轻空穴和重空穴



带隙为1.42 eV
GaAs物理性质

GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽
分子量为144.64 原子密度4.42×1022/cm3


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 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开 始离解
有线电视 GPS 卫星电视 Wireless LAN
Point-to-point Radio VSAT（小型卫星地面站） 卫星移动电话 宽频卫星服务 汽车雷达控制系统 电子收费系统
2）GaAs是功率放大器的主流技术

砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率 方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主， 内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细 微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。

3）GaAs还有更多的应用领域

1）GaAs在无线通讯方面

砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频” 传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品 质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合 传输影音内容，符合现代远程通讯要求。 一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯 号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号” 的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在 于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传 送不佳的障碍。 砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
Hale Waihona Puke 砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
最大频率范围
最大操作温度
电子迁移速率 抗辐射性 具光能 高频下使用 功率耗损 元件大小 材料成本 产品良率
2～300GHz 200oC 高 高 是 杂讯少 小 小 高 低
硅 <1GHz 120oC
低 低 否 杂讯多，不易克 服 高 大 低 高
GaAs非常适合高频无线通讯


GaAs电学性质

电子的速度

有效质量越低，电子速 度越快 GaAs中电子有效质量为 自由电子的1/15，是硅 电子的1/3 用GaAs制备的晶体管开 关速度比硅的快3~4倍 高频器件，军事上应用

hk * mn


本征载流子浓度
1 . 6 0 4 nT () 1 . 0 51 0T e x p ( ) i 2 k T B



国内外现状对比

目前我国在研制通信用砷化 镓器件方面尚处于起步阶段。 手机用砷化镓电路基本靠进 口。随着我国通信产业迅速 发展，对砷化镓器件需求越 来越大。 砷化镓电路用于手机的功放 和开关部分，还可用于移动 通信基站、光通信、卫星通 信、CATV、军事通信等重 要用途，应用领域非常广泛。

带隙和温度的关系
T E T) E ) g( g(0 T
2
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构
闪锌矿结构
纤锌矿结构
离子键和极性

共价键－－没有极性
离子键－－有极性


两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面
（2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性
InP InN AlN
纤锌矿 闪锌矿
闪锌矿 纤锌矿 纤锌矿
3.4 0.35
1.35 2.05 6.24
900 8.1×1014
6.9×107
10 450
150 14
3300
5400 4400 300
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

手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA），由于对放大功率的严格要求， 因此使用GaAs制造将是最佳方式。
GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、 低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高 等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路， 特别是功率放大器的主流制程技术。
1 6 3 / 2
T 3 0 0 Kn 1 . 3 1 0 / c m i
6 3
GaAs光学性质

直接带隙结构
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

4.1.2 GaAs的应用

GaAs在无线通讯方面具有众多优势
GaAs是功率放大器的主流技术

手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力

根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。 2019年GaAs芯片市场29亿美元，2019年将达37亿美元 GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是 主要增长动力，2019年无线市场占GaAs器件总体需求 的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增 长，但2019年手机仍将至少占GaAs市场的33% 随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为 双频和三频，预计光手机这项需求，2019年GaAs芯片 将达到30亿颗
应用领域 个人通讯服务 频率范围 900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS） 2.2～2.4GHz（3G wireless） 50～1000MHz 1.6GHz 11～13GHz 900MHz 2.4、5.8、60GHz 6、8、11、15、18、23、38、60GHz 6、14、28GHz 1.6、2.5GHz（subscriber） 20、23、29GHz（up/down/crosslink） 28GHz 76～77GHz 5.8GHz