信号与系统
常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP
闪锌矿 2.27
150
120
GaN
纤锌矿
3.4
900
10
InAs
闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
450
InP
闪锌矿 1.35 6.9×107 5400
GaP 材料属于间接带隙半导体，主要用于生产中、低亮度的发 光管（LED），这一领域市场比较成熟，竞争十分激烈，并呈现 逐步被GaAs 基高亮度、超高亮度LED 取代的趋势，发展前景不 容乐观。
GaAs、InP 材料由于自身的固有优点，在微电子、光电子领域 同时具有重要应用，成为III-V族化合物半导体材料的主要代表。
3
信号与系统
半导体材料的发展
Si为代表的，第一代半导体材料
GaAs为代表的，第二代半导体材料
SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代 半导体材料。包括材料本身和器件开发，仍 在发展中。
信号与系统
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 。。。。。。
信号与系统
150
InN
纤锌矿 2.05
4400
AlN
纤锌矿 6.24
300
14
信号与系统
晶体结构
闪锌矿： β－ZnS，立方晶系，同结构的有： β－SiC, GaAs, AlP, InSb……
纤锌矿： α－ZnS，六方晶系，同结构的有： ZnO, AlN, GaN……
闪锌矿结构
纤锌矿结构
信号与系统 III-V族化合物半导体性质
信号与系统
高温宽带隙半导体材料，特别是SiC、GaN等，
是研制高频大功率、耐高温、抗辐照微电子器件 、电路的理想材料;
国际军事高技术应用领域研发的重点和竞争的焦
点之一！
信号与系统
禁带宽度对于半导体器件性能的影响非常大，它 直接决定着器件的耐压和最高工作温度；
比如氮化镓禁带宽度很大，即便高温价带电子也 很难吸收大于Eg的热辐射的能量跳变到导带，这 样就能继续发挥半导体作用，
InP半导体
✓ 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
信号与系统
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；
信号与系统
所谓III-V族化合物材料，应包括所有的三族元素（B、Al、Ga、 In、Tl）和五族元素（N、P、As、Sb、Bi）结合而成的化合物， 人们先后开展研究的有十几种。其中作为电子信息材料研究、应 用较多的有GaSb、InAs、InSb、GaN、GaP、GaAs、InP 等几种。
GaSb、InAs、InSb 几种材料主要用于制作红外光电器件和霍 尔器件等，相对来说，市场总量较小，发展前景受到限制。
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；
信号与系统
宽带隙半导体
随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。
耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（>300℃）、高 功率和低损耗电子器件；
（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
信号与系统
GaAs半导体
光电子领域 直接带隙半导体，发光效率 高，在LED照明等领域具有 重要的应用前景；
微电子领域 高频无线通讯等领域具有 重要应用
GaAs 能带结构
信号与系统
高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源；
短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及紫半导体器件应用领域的不断扩大，特别 是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功 率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。 ❖于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体 材料的研究，如金刚石、SiC、GaN、ZnO和AlN 等。 ❖这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的 物理和化学性能。
2
信号与系统
中国在集成电路制造领域，最先进规模最大的就是中芯国际，华虹宏力的最 高水平制程，只有90纳米，华虹是全球最大的智能卡（包括第二代居民身份 证、社保卡、手机SIM卡、奥运会门票、世博会门票、金融IC卡等）IC的代 工厂。 下图中国最大的十家集成电路制造商，除开在中国大陆设厂的外资企业以外， 只有5家：中芯国际，华润微电子，华虹宏力，华力微电子，西安微电子技术 研究所。 上海华力微电子目前是国家重点扶持的集成电路制造企业，华力微电子二期 第二座12英寸晶圆厂也在2016年投资347亿元动工，设计工艺为28-20-14nm，
信号与系统
化合物半导体材料
主讲：申 慧
信号在与系这统个堪称最高水平的精密制造产业， 中国正在爆发！
集成电路产业是中国产业升级的重中之 重，汽车是人类第一大工业，绝大多数 的外资车企，在中国销售的车辆都是在 中国制造; 在中国集成电路的设计、制造、封装三 大环节之中，制造目前是最弱小，差距 最大的部分。 在世界集成电路制造领域，总的来说台湾最为强大。2016年，全球排名前十 的芯片代工厂商如下: 1. 台积电:市场占有率为59%, 2. 美国格罗方德,市场占有率为11%, 3.台湾联 华电子, 4.中国大陆中芯国际, 5 . 台湾力晶科技,6. 美国Tower Jazz, 7. 世界先 进积体电路,8.中国华虹半导体, 9. 韩国Dongbu hiTek 10.德国X-Fab
同理因为跃迁能量较大，所以GaN更难被击穿， 因此常用作高压耐高温器件，也有很高的抗辐射 性能。
17
信号与系统
三代材料并不存在相互替代的关系，而是在应用上各有 侧重。硅材料的应用最为普及，是构成电子信息技术的主 要支柱，砷化镓、磷化铟材料在工作速度、频率上优势明 显，而碳化硅、氮化镓将在更高的工作温度和高频下更大 的功率密度方面具有优势。