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（2） GaN

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿 和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体 材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是 继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合 物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学 稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照 能力 在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有 着广阔的前景。是很优越的微波材料
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。


(4) 半导体的电学性质
(5) 半导体的光学性质
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（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格 Au、Ag、Cu、Al…
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
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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 光伏器件
发光器件
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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。

分子量为144.64
原子密度4.42×1022/cm3

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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 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
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GaAs电学性质


电子迁移率高达 8000 cm2 V S
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。
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GaAs还有更多的应用领域

光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑 “信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信 传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电 路。 随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、 测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见 光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有 极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也 十分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫 切。 我国数十亿只LED管芯，所有的可见光激光器、高亮度 发光管、近红外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高 质量的低阻GaAs单晶，促进LED管芯、可见光激光器、 高亮度发光管和高效率高效太阳能电池的商品化生产， 32
35



室温下GaN禁带宽度为3.4 Ev
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构 其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料


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氮化镓与其它半导体材料的比较
半导体材料 特性 能阶带 300K电 子迁移 饱和电 压 临界崩 溃场效 热传导 介电常 数 单位 硅 eV Cm2/vs 107cm/s MV/cm V/cm*k ε 1.1 1500 1.0 0.3 1.5 11.8 砷化镓 1.42 8500 1.3 0.4 0.5 12.8 磷化铟 1.35 5400 1.0 0.5 0.7 12.5 碳化硅 2.3 700 2.0 3.0 4.5 10.0 氮化镓 3.44 1000~ 2000 1.3 3.0 >1.5 9.0
2


3
光电半导体 热电半导体 微波半导体 按功能和应用 气敏半导体 微电子半导体 ∶ ∶
4
元素半导体
无机半导体 按组成
有机半导体 化合物半导体
单晶半导体
晶体 按结构
多晶半导体
非晶、无定形半导体
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3.半导体材料的基本性质及应用

(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷
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GaN的化学特性


在室温下，GaN不溶于水、酸和碱；
在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解； NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差GaN， 可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测； GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性； 而在N2气下最为稳定。
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结构特征
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（4）电学性质
本征载流子浓度 a. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由 电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。
b. 温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并 且自由电子与空穴的浓度相等。
c. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由 电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高）， 导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导 电性能变差。
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3. 砷化镓、氮化镓、磷化铟半导体材料
IIIA族和VA族元素组成的IIIA-VA族化合物半导体。 即Al，Ga，In和N, P，As，Sb组成的9种IIIA-VA 族化合物半导体，如AlP，AlAs，Alsb，GaP， GaAs，GaSb，InP，InAs，InSb, GaN, InN等。

需要掌握GaAs， GaN, InP， GaSb，InN
应用领域 个人通讯服务
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
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

立方系闪锌矿结构和六方纤锌矿结构； 在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
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GaN的电学特性

GaN的电学特性是影响器件的主要因素。 未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最 好的样品的电子浓度约为 4 1016 / cm2


一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。
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GaN的光学特性
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间接跃迁时需要声子的参 与

ห้องสมุดไป่ตู้
吸收系数 透射率 折射率 自发辐射、受激辐射

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(二)、半导体材料
IV族（元素）、III-V族 、II-VI（氧化 物）族半 导体 材料
1.典型半导体材料的应用与工艺技术 2 .硅和锗半导体材料 3. 砷化镓、氮化镓、磷化铟半导体材料 4. 氧化锌、硫化镉

宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度 （2.3～6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫 和紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半导 体材料都无法达到的

主要在蓝光和紫光发射器件上应用
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GaN的应用

实现半导体照明。 国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的 高效、节能和环保光源，将取代目前使用的 大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的 革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管 的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。
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（1）砷化镓性质

能带结构
物理性质 化学性质 电学性质




光学性质
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GaAs能带结构

直接带隙结构 双能谷：强电场下电子从 高迁移率能谷向低迁移率 能谷转移，引起电子漂移 速度随电场的升高而下降 的负微分迁移率效应


带隙为1.42 eV
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GaAs物理性质

GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽
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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。

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
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本征载流子浓度
T 300K ni 1.310 / cm
6
3
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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


三结GaAs太阳能电池对太阳光谱的利用率
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叠层化合物太阳能电池原理

太阳光光谱可以被分成连续的若干部 分，用能带宽度与这些部分有最好匹 配的材料做成电池，并按禁带宽度从 大到小的顺序从外向里叠合起来，让 波长最短的光被最外边的宽隙材料电 池利用，波长较长的光能够透射进去 让较窄禁带宽度材料电池利用，这就 有可能最大限度地将光能变成电能， 这样结构的电池就是叠层太阳能电池。