1303-00-0/砷化鎵的主要用途是什么

背景及概述^[1]

砷化鎵是一種化合物半導(dǎo)體材料，分子式GaAs。立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)，即由As和Ga兩種原子各自組成面心立方晶格套構(gòu)而成的復(fù)式晶格，其晶格常數(shù)是5.6419A。室溫下禁帶寬度1.428eV，是直接帶隙半導(dǎo)體，熔點1238℃，質(zhì)量密度5.307g/cm³，電容率13.18。砷化鎵單晶的導(dǎo)帶為雙能谷結(jié)構(gòu)，其最低能谷位于第一布里淵區(qū)中心，電子有效質(zhì)量是0.068m₀(m₀為電子質(zhì)量，見載流子)，次低能谷位于<111>方向的L點，較最低能谷約高出0.29eV，其電子有效質(zhì)量為0.55m₀，價帶頂約位于布里淵區(qū)中心，價帶中輕空穴和重空穴的有效質(zhì)量分別為0.082m₀和0.45m₀。較純砷化鎵晶體的電子和空穴遷移率分別為8000cm²/(V·s)和100～300cm₂/(V·s)，少數(shù)載流子壽命為10-²～10-³μs。在其中摻入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可獲得N型半導(dǎo)體，摻入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半導(dǎo)體，摻入Cr或提高純度可制成電阻率高達10⁷～10⁸Ω·cm的半絕緣材料。近十余年來，由于分子束外延和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)的發(fā)展，可在GaAs單晶襯底上制備異質(zhì)結(jié)和超晶格結(jié)構(gòu)，已用這些結(jié)構(gòu)制成了新型半導(dǎo)體器件如高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)及激光器等，為GaAs材料的應(yīng)用開發(fā)了更廣闊的前景。

結(jié)構(gòu)與性質(zhì)^[2]

砷化鎵晶格是由兩個面心立方(fcc)的子晶格(格點上分別是砷和鎵的兩個子晶格)沿空間體對角線位移1/4套構(gòu)而成。這種晶體結(jié)構(gòu)在物理學上稱之為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。圖1給出了砷化鎵晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖，表1給出了在室溫下目前已知砷化鎵半導(dǎo)體材料的物理、電學參數(shù)。

關(guān)于砷化鎵的化學組成形式，III-V族化合物共價鍵模型認為：這類化合物形成四面體共價結(jié)合，成鍵時III族原子提供3個s2p1組態(tài)的價電子，而V族原子提供5個s2p3組態(tài)的價電子，它們之間平均每個原子有四個價電子，正好可用作形成四面體共價結(jié)合之用。這類化合物以共價結(jié)合為主，但卻混雜有部分離子結(jié)合性質(zhì)。這是由于V族元素的電負性比III族元素大，組成晶體時，部分電子將從電負性低的原子(III族元素)轉(zhuǎn)移到電負性較高的原子(V族元素)中去，電荷的這種轉(zhuǎn)移(極化)使III族元素帶正電，V族元素帶負電。如果引用有效電荷Z*e這個概念來描述這種電荷轉(zhuǎn)移的程度，則“共價鍵”模型可認為砷化鎵晶體以共價結(jié)合為主，但混雜有部分離子結(jié)合性質(zhì)，每個離子帶有效電荷Z*e

用途^[3]

由于GaAs具有很高的電子遷移率，故可用于制備高速或微波半導(dǎo)體器件。砷化鎵還用于制作耐高溫、抗輻照或低噪聲器件，以及近紅外發(fā)光和激光器件，也用于作光電陰極材料等。更重要的是它將成為今后發(fā)展超高速半導(dǎo)體集成電路的基礎(chǔ)材料。

1. 砷化鎵電子器件的開發(fā)和利用

根據(jù)砷化鎵材料電子遷移率高的特性，它是開發(fā)超高速計算機很理想的器件材料。它的電子遷移率比硅高約5倍，它的運算速度比硅器件也高許多。在上世紀70-80年代，人們紛紛預(yù)測并看好砷化鎵材料將在超高速計算機的發(fā)展中起著重要作用，并投入了相當?shù)娜肆拓斄M行研究。然而，由于一些技術(shù)和成本問題，加之異軍突起而開發(fā)出的硅材料互補型金屬氧化物半導(dǎo)體成電路，其工作電壓低、功耗較低、速度較快、成本低，能滿足當時的器件需要。因此，形成了對砷化鎵的競爭壓力，致使砷化鎵開發(fā)超高速計算機暫時放緩了速度。近年，隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，許多軍用技術(shù)都轉(zhuǎn)入民用。由于砷化鎵材料所獨具的高頻、高速、低噪聲、低工作電壓特性，它在信息的高頻高速傳送和數(shù)字化的處理方面，發(fā)揮著重大的作用。用砷化鎵材料所開發(fā)出的電子器件：如金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、高遷移率晶體管、微波單片集電路、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（CDB）等在移動通訊、光纖通訊、衛(wèi)星廣播通訊、報處理以及其它一些領(lǐng)域發(fā)揮著硅器件不可替代的作用，這些應(yīng)用的推廣大大推動了砷化鎵材料的發(fā)展。

2. 砷化鎵光電器件的應(yīng)用

砷化鎵光電器件的應(yīng)用方面：可見光發(fā)光二極管。由于它體積小、節(jié)能、響應(yīng)快、壽命長，被廣泛應(yīng)用于家電、辦公設(shè)備、廣告牌、交通信號燈及汽車尾燈等；紅外發(fā)光二極管。用作遙控器、光隔離器、編碼器及34機、辦公設(shè)備的無線連接、近距離情報傳送等；激光器。廣泛應(yīng)用于CD、MD、DVD及醫(yī)療和其它一些工業(yè)領(lǐng)域；砷化鎵太陽電池用于衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域。砷化鎵器件的這些廣泛的軍、民領(lǐng)域的使用，極大地推動了摻雜導(dǎo)電性砷化鎵的發(fā)展。

缺陷^[2]

技術(shù)人員在努力地提高晶體的生長質(zhì)量，但晶體中還是包含大量的點缺陷，位錯和雜質(zhì)。這些晶體缺陷總是時時刻刻在影響著砷化鎵器件的性能。這些缺陷的形成主要由向材料中摻雜的方式和生長時的條件狀態(tài)決定。

1.點缺陷

晶體中原子尺度范圍內(nèi)的缺陷，稱為點缺陷。可存在于完美晶體或非完美晶體中。點缺陷包括晶格中的空位，填隙原子，錯位原子，在晶體生長過程中有意或無意引入的雜質(zhì)原子。研究這些點缺陷在晶體中的行為具有十分重要的意義，因為這些缺陷的行為效應(yīng)及缺陷類型對材料中載流子的散射、載流子數(shù)量有較大的影響，將直接關(guān)系到材料的電學性能的穩(wěn)定。當這些機理研究清楚以后，我們可以通過有意的在晶體材料生長過程中摻雜引入有益缺陷，從而達到改善晶體料電學性能的目的。

2. 位錯

一系列連續(xù)的點缺陷貫穿晶體某一區(qū)域，就形成了位錯。當晶體晶格所受的應(yīng)力超過了晶格發(fā)生彈性形變所需的最大彈力時，便可產(chǎn)生這種連續(xù)的缺陷。如果將晶體制作成一薄片，并經(jīng)磨平和拋光，那么薄片上位錯露頭的地方在化學試劑腐蝕的作用下可表現(xiàn)出一些獨特的腐蝕坑形貌。這些腐蝕坑形貌僅存在于位錯附近一定距離內(nèi)的位置處。半導(dǎo)體工業(yè)的砷化鎵晶片加工技術(shù)中，規(guī)定單位面積腐蝕坑數(shù)量為晶片的位錯密度(EtchPitDensity-EPD)。位錯的存在，相當于在半導(dǎo)體內(nèi)部形成了一個散射通道，這將會加速半導(dǎo)體中載流子的散射。如果用能帶理論去描述的話，就相當于在禁帶中引入了一個捕獲中心，這樣會改變晶片刻蝕時的性能效果，直接導(dǎo)致的后果是改變了器件的電性能。研究表明，在場效應(yīng)晶體管中，由于位錯效應(yīng)，會給源溝道電流、柵電壓、載流子濃度和襯底電阻率等帶來不利影響。

3. 砷化鎵中的雜質(zhì)

在晶體生長過程中，會有意或無意地引入雜質(zhì)。一般情況下，引入的雜質(zhì)都是具有電活性的，但是有一些引進的污染會在晶體中形成空位，從而不具有電活性。規(guī)定摻入的雜質(zhì)在半導(dǎo)體中要么是施主原子，要么是受主原子。施主原子是比其替代的原子多一個或一個以上的電子，這些多出的電子在晶體中可以自由移動從而形成電流；相反，受主原子是比其替代的原子少一個或一個以上的電子，因此，受主原子可以捕獲晶體中的自由移動的電子。不管是在半導(dǎo)體中摻入哪一種類型的雜質(zhì)，都會導(dǎo)致半導(dǎo)體材料電學性能的改變。淺施主雜質(zhì)能級和淺受主雜質(zhì)能級分別位于禁帶中靠近導(dǎo)帶和價帶的3kT能量范圍內(nèi)。由于使雜質(zhì)能級中的載流子躍遷到其對應(yīng)的較高能級中所需能量非常小，所以在室溫下，一般認為半導(dǎo)體中的雜質(zhì)是完全電離的。

因為費米能級是表示能帶中電子填充能級的水平，所以費米能級隨所摻入的摻雜劑的種類而從中間位置移到雜質(zhì)能級附近。換句話說，當摻入施主雜質(zhì)時，費米能級將會移動靠近導(dǎo)帶，費米能級與導(dǎo)帶底的能級差隨著摻雜濃度的增加而減小；受主雜質(zhì)在導(dǎo)帶中的行為與施主雜質(zhì)恰恰相反。砷化鎵中摻雜的目的就是為了引入淺施主或淺受主雜質(zhì)。如果引進雜質(zhì)的能級位于禁帶寬度中心區(qū)域，則稱這種雜質(zhì)為深能級雜質(zhì)。一般情況下，深能級雜質(zhì)由于減少載流子的壽命從而會影響器件性能。兩種類型的雜質(zhì)，即不管是淺能級雜質(zhì)還是深能級雜質(zhì)，通過與砷原子或鎵原子的復(fù)雜結(jié)合而存在于砷化鎵晶體中。硅就是目前得到最廣泛研究的一種摻雜劑，這種四族元素，在低溫下與砷化鎵作用，可形成p型材料，在高溫下與砷化鎵作用，可形成n型材料。鉻在砷化鎵中是深受主原子，它的雜質(zhì)能級接近禁帶中心位置，利用這一特點，可以在淺n型砷化鎵材料中通過摻鉻進行補償而得到半絕緣材料。其它的元素，如銅、氧、硒、碲、錫等在砷化鎵中的行為也得到了廣泛的研究，這樣，我們可根據(jù)器件設(shè)計的需求進行摻雜得到n型或p型砷化鎵。

制備^[1]

制備GaAs單晶的方法有區(qū)熔法和液封直拉法。用擴散、離子注入、氣相或液相外延及蒸發(fā)等方法可制成PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)和歐姆接觸等。

主要參考資料

[1] 中國電力百科全書·電工技術(shù)基礎(chǔ)卷

[2] 砷化鎵材料

[3] 砷化鎵材料的發(fā)展與前景