负阻现象：电场强度超过某一阈值后，电场 强度增加，电流减小。
产生原因：多能谷散射
主能谷：电子有效质量小，迁移率高
卫星谷：电子有效质量大，迁移率小
电场强度超过某一阈值，电子获得足够的能 量，从主能谷转移到卫星谷，迁移率降低， 平均漂移速度减小，电导率下降。
GaAs物理性质
• GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽
• （2）通过温度场的剪裁和控制，冷却程序的优化，有效 控制固液界面的形状，减少单晶中的热应力
• （3）多步晶片退火工艺，提高电学性质的均匀性，避免 位错密度增加
• 参考文献： • (1) Amon J, J. Cryst. Growth, 1998, 187(1): 1-8 • (2) Oda. O, Semicond. Sci. Technol., 1992, 7(1A): A215-223 • (3) Polyakov A Y, Solid-State Electronics, 2004, 48(1): 155-161
GaAs电学性质
• 有效质量越低，电子速度越快
• 电子的速度
k v * mn
• 电子迁移率
• GaAs中电子有效质量为自由 电子的1/15，是硅电子的1/3 • GaAs电子迁移率比Si大五倍
q * mn
• 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
本征载流子浓度
原因：{111}面间带异性电荷的III族和V族原子间相互作 用，有库仑引力，分离较难。{110}面相邻面间没有库 仑引力，分离较容易
（2）腐蚀速度－－B面（V族原子面）易腐蚀 V族原子面电负性大，原子化学活性强，易被氧化， 所以B面腐蚀速度快。
（3）外延层质量－－B面质量好 通常，沿B面易生长出单晶，位错密度低。 可能与B面电负性大有关系，B面电负性大，具有四 面体键，价键畸变小，基本保持原有的四面体结构。 尚无定论。 （4）晶片加工－－不对称性 晶片加工中引起的损伤层厚度、表面完整性等具有不 对称性。
化合物半导体材料
• 4.1 III－V族化合物半导体材料
• 4.2 II－VI族化合物半导体材料
教学基本要求
• 1、掌握III-V族化合物半导体的共有的特 性 2、掌握GaAs, InP, GaN的电学性质、光 学性质及应用 3、掌握II-VI族化合物半导体的共有的特 性 4、掌握ZnO的性质及应用
150 14
3300
5400
InN
AlN
纤锌矿
纤锌矿
0.7
6.24
4400
300
III-V族化合物半导体性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV 带隙和温度的关系：
Eg (T ) Eg (0)
T
2
T
（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
晶体结构
• 优良的化学稳定性和热稳定性，适合发展高温、 高频、大功率电子器件 • GaN基III族氮化物是目前最引人注目的新一代半导 第04章 化合物半导体材料 体材料
优点：温度梯度小，便于进行挥发性组元（As, P）的蒸汽 压控制，晶体表面不离解，生长晶体位错密度较低。
生长系统：机械及运动系统、电器及控制系统、热场系 统、安全及辅助系统
第04章 化合物半导体材料
GaAs体单晶的研究现状
• 半导体材料的质量是研究半导体物理、实现半导体性能与 应用的关键所在。
• 重要的问题：如何在低成本的条件下，提高材料的结构均 匀性、降低单晶的位错密度和残余应力，提高电学性质均 匀性。 • （1）选择合适的坩埚形状提高单晶的成品率
• 参考文献： • (1)Gulluoglu A N, Acta Materialia, 1999, 47(8): 2313-2322 • (2) Aashi T, Jpn. J. Appl. Phys., 1999, 38(2B): 977-980 • (3)Matsumoto F, J. Cryst. Growth, 1993, 132(1-2): 348-350 • (4)Hosokawa Y, Sumitomo Electric Technical Review, 1993, 35: 69-73
第04章 化合物半导体材料
主讲：郝亚非
• 尽管硅在微电子技术应用方面取得了巨大成功，但 是硅是间接带隙半导体，在硅基发光器件的研究方 面进展缓慢。 • III-V族化合物半导体材料，作为第二代半导体材料， 以其优异的光学和电学性能成为当今重要的光电子 和电子器件的基础材料之一，所制备的光电器件、 微波器件、太阳能电池、红外成像及传感器件等在 军事领域、信息技术领域和人们的日常生活中发挥 着举足轻重的作用。 • II-VI族宽禁带半导体材料具有非常优异的光电性能， 在可见、紫外光电器件领域具有重要的应用前景， 是目前宽禁带半导体中非常活跃的研究方向和重要 的研究热点。
• 垂直布里奇曼法（VB）和垂直梯度凝固法 （VGF）生长的单晶位错密度极低，单晶 炉制造成本低，是工业化III-V族化合物单晶 材料生长的主流方法之一。
装炉：籽晶、多晶、三氧化 二硼覆盖剂。
加热使多晶全部融化，管状 坩埚，从籽晶端开始单晶生 长。 加热器由多段加热炉构成。
VGF：坩埚和炉体静止， 通过温度场的移动，使 熔体和单晶的固液界面 从籽晶端开始以一定速 度逐渐移动到坩埚顶部， 完成单晶生长； VB：通过热场建立一 定的温度梯度，坩埚由 高温区逐渐向低温区移 动，完成单晶的生长。
4.1.2 InP
• 1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的IIIV族化合物； • InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
• 室温下与空气中稳定，3600C下开始离解 • 熔点下离解压27atm • 溶于无机酸
• N型InP通过掺S和Se获得 • P型InP通过掺Zn获得 • 半绝缘的InP通过掺Fe获得
4.1.1 GaAS
• GaAs单晶是目前生产工艺最成熟、产量最大、 应用面最广的化合物半导体材料，是仅次于Si 的重要微电子材料。
• • • • •
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
卫星谷
• 双能谷 • 轻空穴和重空穴
• 带隙为1.42 eV
• 负阻现象
• 生长方法：VGF, VB, LEC
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 第04章 化合物半导体材料
GaAs的应用
• GaAs带隙较大、电子迁移率和饱和速度高，所 制备的器件比硅器件工作速度快、工作频率高、 工作温度高。 • 微电子领域：用于制作高速、高频、大功率等微 电子器件、微波器件和电路，用于移动通信、卫 星通信、雷达系统、红外探测及成像。 • 光电子领域：作为发光二极管和激光器的衬底材 料。 • 太阳能电池领域：转换效率、抗辐照、温度稳定 性方面有独特优势。
• 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 • 熔点12380C • 熔点下离解压1atm
• GaAs单晶分为半绝缘型和半导体型 • 半绝缘型GaAs通常采用掺碳的方法获得， 电阻率在107欧姆厘米以上 • N型掺杂的半导体型GaAs通过掺Si和Te （VIA族）获得 • P型掺杂的半导体型GaAs通过掺Zn（IIB） 获得
InP研究现状
• InP衬底的结构和光电性质均匀性对于外延器件的 性能有着非常重要的影响。 • 目前努力的方向：提高单晶的成品率、结构性质 均匀性，降低生产成本 • 计算机模拟研究VGF生长工艺参数对InP单晶中位 错产生的影响 • 用VGF生长工艺和LEC生长工艺生长2~6英寸的单 晶，并对熔体的组分和生长工艺参数进行优化 • 市场需求以2英寸衬底为主，6英寸的未进行量化 生产
•
• •
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
InP
纤锌矿 闪锌矿
闪锌矿
3.4 0.35
1.34
900 8.1×1014
6.9×107
10 450
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 2～300GHz 200oC 高 高 硅 <1GHz 120oC 低 低
具光能
高频下使用 功率耗损 元件大小
是
杂讯少 小 小
否
杂讯多，不易克 服 高 大
材料成本
产品良率
高
低
低
高
GaAs非常适合高频无线通讯
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
n i (T ) 1.05 10 T
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