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1、第四章 化合物半导体材料,李斌斌,化合物半导体材料,IIIV族化合物半导体材料IIVI族化合物半导体材料,4.1 常见的III-V化合物半导体,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,带隙和温度的关系,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,4.1.1 GaA
2、S,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4.421022/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,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34倍高频器件，军事上应用,本征载流子浓度,GaAs光学性质,
3、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,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。
4、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。,砷化镓与硅元件特性比较,GaAs非常适合高频无线通讯,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。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
5、模拟电路，特别是功率放大器的主流制程技术。,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。2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008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，2003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2008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，2008年GaAs芯片将达到30亿颗,国内外现状对比,目前我国在
6、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。,3）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GaA
7、s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，将有力地发展我国民族的光电子产业。,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；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,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
8、料，某些性能优于GaAsInP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,4.1.3 GaN,宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.36.2eV)，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GaN禁带宽度为3.4 eV,GaN性质,高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G）高温特性，在300正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）高压特性（耐冲击，可靠性
9、高）大功率（对通讯设备是非常渴望的）,发光二极管 LED,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结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。,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 高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等,LED照明的优点,发光效率高，节省能源耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的1/2。绿色环保冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源、体积小、重量轻、方向性好单
10、个单元尺寸只有35mm响应速度快，并可以耐各种恶劣条件低电压、小电流,半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一,美国半导体照明计划从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,日本21世纪照明计划投入资金50亿日元到2007年 30%的白炽灯被置换为半导体照明灯,高亮度白光LED的实现,基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光,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,Ge：Eg0.67 eV 红光GaP：Eg2.25 eV
11、 绿光GaN：Eg3.4 eV 蓝光,日亚公司1994年首创用MOCVD制备了GaN LED,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。,氮化镓与其它半导体材料的比较,GaN的应用,1.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G
12、aN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。,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45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
13、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。,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,带隙和温度的关系,自补偿,自补偿概念补偿中心：金属空位和硫属元素空位“两性”杂质,Marfaring模型,实验中并没有观察到“单独”的金属离子空位，而只有金属离子空位与施主杂质的复合体高温下，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,不易制成n型或者p型材料,容易制成n型或者p型材料,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%,其它材料,见教材,
