砷化镓课件

,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,无忧,PPT,整理发布,Thank you,！,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,GaAs,砷化镓,1,GaAs砷化镓1,OUTLINE,GaAs,半导体材料的特性,GaAs,半导体材料的应用,GaAs,半导体材料的制备,2,OUTLINEGaAs半导体材料的特性GaAs半导体材料的应,GaAs,材料的特性,3,GaAs材料的特性3,1.1GaAs,材料晶体特性,晶体结构,：,GaAs,材料的晶体结构属于闪锌矿型晶格结构，如图,1.1,所示。,化学键,：,四面体键，键角为,10928,，主要为共价成分。由于镓、砷原子不同，吸引电子的能力不同，共价键倾向砷原子，具有负电性，导致,Ga-As,键具有一定的离子特性，使得砷化镓材料具有独特的性质。,图,1.1.GaAs,晶体结构,4,1.1GaAs材料晶体特性晶体结构：GaAs材料的晶体结构属,1.1GaAs,材料的晶体特性,极性,：砷化镓具有闪锌矿型结构，在,111,方向上，由一系列的,族元素,Ga,及,族元素,As,组成的双原子层（也是电偶极层）依次排列。在,111,和 方向上是不等效的，从而具有极性，如图,1.2,所示。,存在,Ga,面和,As,面，在这两个面上形成两种不同的悬挂键，如图,1.3,所示，,As,面,的,未成键电子偶促使表面具有较高的化学活泼性，而,Ga,面只有空轨道，化学性质比较稳定。这一特性有利于,GaAs,材料进行定向腐蚀。,图,1.2.GaAs,的极性,图,1.3.GaAs,的悬挂键,5,1.1GaAs材料的晶体特性极性：砷化镓具有闪锌矿型结构，在,1.2GaAs,材料的物理化学性质,表,1.1.GaAs,材料的物理性质,6,1.2GaAs材料的物理化学性质 表1.1.GaAs材料的物,1.2GaAs,材料的物理化学性质,化学性质,：,室温下，化学性质稳定，在空气中不与氧气、水蒸气等发生化学反应。室温下，不溶于盐酸，但可与浓硝酸发生反应，易溶于王水。王水是砷化镓材料常用的清洗剂。,7,1.2GaAs材料的物理化学性质化学性质：7,1.3GaAs,材料的半导体性质,表,1.2.GaAs,材料的半导体性能参数,能带结构,直接跃迁型能带结构,8,1.3GaAs材料的半导体性质表1.2.GaAs材料的半导体,1.3GaAs,材料的半导体性质,图,1.4.300K,时砷化镓中载流子迁移率与浓度,9,1.3GaAs材料的半导体性质图1.4.300K时砷化镓中载,1.4GaAs,材料的性能的优缺点,高的能量转换效率：,直接跃迁型能带结构，,GaAs,的能隙为,1.43eV,，处于,最佳的能隙为,1.4,1.5eV,之间，具有较高的能量转换率；,电子迁移率高,；,易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料,，其电阻率可达 以上；,抗辐射性能好,：,由于,III-V,族化合物是直接能隙，少数载流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领域；,温度系数小：,能在较高的温度下正常工作。,与硅材料比较，砷化镓具有以下优势：,10,1.4GaAs材料的性能的优缺点 高的能量转换效率：直接跃迁,1.4GaAs,材料的性能的优缺点,砷化镓材料的缺点：,资源稀缺,，价格昂贵，约,Si,材料的,10,倍；,污染环境,，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；,机械强度较弱,，易碎；,制备困难,，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比是一件困难的事。,11,1.4GaAs材料的性能的优缺点砷化镓材料的缺点：资源稀缺，,GaAs,材料的制备,12,GaAs材料的制备12,2.GaAs,材料的制备工艺,GaAs,材料的制备，包括,GaAs,单晶材料的制备、晶体的加工和将单晶材料加工成外延材料，外延材料能直接被用于制造,IC,器件。其中最主要是,GaAs,单晶材料的制备。,13,2.GaAs材料的制备工艺 GaAs材料的制备，,2.1GaAs,单晶材料的制备,GaAs,单晶材料的制备流程如下所示,：,14,2.1GaAs单晶材料的制备GaAs单晶材料的制备流程如下所,2.1 GaAs,单晶材料的制备,GaAs,晶体生长方法有,：,15,2.1 GaAs单晶材料的制备 GaAs晶体生长方法有：15,2.1 GaAs,单晶材料的制备,1.,液封直拉法（,LEC,）,图,2.1.LEC,法示意图,液封直拉法的过程：在一密闭的高压容器内设计好的热系统中，放置一热解氮化硼（,PBN,）坩埚，坩埚中装入化学计量比的元素砷、镓和液封剂氧化硼，升温至砷的三相点后，砷液化和镓发生反应，生成砷化镓多晶，将砷化镓多晶熔化后，将一颗籽晶与砷化镓熔体相接，通过调整温度，使砷化镓熔体按一定晶向凝固到籽晶上，实现晶体生长。,LEC,法示意图如图,2.1,所示。,16,2.1 GaAs单晶材料的制备1.液封直拉法（LEC）图2.,2.1 GaAs,单晶材料的制备,2.,水平布里奇曼法（,HB,）,图,2.2.HB,法示意图,该方法的特点使熔体通过具有一定梯度的温区而获得单晶生长,17,2.1 GaAs单晶材料的制备2.水平布里奇曼法（HB）图2,2.1 GaAs,单晶材料的制备,LEC,法和,HB,法是初期的,GaAs,晶体生长的工艺方法，有一定的优点和缺点。,HB,法,优点,单晶的结晶质量高，工艺设备较简单。,缺点,晶锭尺寸和形状受石英舟形状的限制，最大晶体尺寸,为,2.5,寸；生长周期长，同时熔体与石英舟反应引入,硅的沾污，无法得到高纯,GaAs,单晶。,LEC,法,优点,可生长适用于直接离子注人的高纯非掺杂半绝缘单晶，,单晶纯度高，尺寸大，适于规模生产。,缺点,是结晶质量略差，位错密度较高，生长工艺复杂，工,艺设备昂贵，成本高。,为了进一步提高单晶的质量，随后又发展了一些新工艺，主要是,垂直梯度凝固法,(VGF),和,垂直布里奇曼法,(VB),。,18,2.1 GaAs单晶材料的制备 LEC法和HB法是初,2.1 GaAs,单晶材料的制备,3.,垂直梯度凝固法,(VGF),工艺过程：,(1),熔化多晶料；,(2),开始生长时坩埚底部,方向的籽晶处于慢速降温的温度梯度；,(3),为调节化学计量比在熔体上方保持一定的,As,压；,(4),生长完毕时晶体慢速冷却到室温。,图,2.3.VGF,法示意图,19,2.1 GaAs单晶材料的制备3.垂直梯度凝固法(VGF)工,2.1 GaAs,单晶材料的制备,4.,垂直布里奇曼法,(VB),VB,法与,VGF,法基本上市相同的，许多工艺细节基本上是一致的，最大的区别就是热场与坩埚相对移动的方式不同。,VGF,技术，坩埚是不移动的，而是调整各温区的温度，促使生长界面移动；而,VB,技术中，热场固定不动，通过驱动坩埚进行移动，导致生长界面产生相对运动，达到晶体生长的目的。由于控制过程的不同，设备成本有很大的区别，,VB,工艺设备相对更便宜。,20,2.1 GaAs单晶材料的制备4.垂直布里奇曼法(VB),2.1 GaAs,单晶材料的制备,从材料特性、工艺特点等方面对上述几种工艺进行比较，如下表所示，,VB/VGF,法制备的材料在位错密度、位错分布、电学均匀性、低应力及机械强度等方面更具有优势。,21,2.1 GaAs单晶材料的制备 从材料特性、工艺特点,三种工艺比较,22,三种工艺比较22,2.2,GaAs,晶体的加工,晶体长成后，进行热处理以消除应力及改善电学性能，然后，进行头尾切割、滚圆、定向切割、倒角、研磨、抛光等精细加工，最终研制成具有优良的几何参数和表面状态的抛光片。,23,2.2GaAs晶体的加工晶体长成后，进行热处理以消除应力及改,2.3,GaAs,外延片的制备,砷化镓外延片的工艺法有多种。主要包括气相外延（,）、液相外延（,LPE,）、分子束外延（,MBE,）、金属有机化学气相沉积（,MOCVD,）等方法。它们可制出的多元、多层、同质、异质、超晶格和量子阱等结构的外延材料。,24,2.3GaAs外延片的制备砷化镓外延片的工艺法有多种。主要包,GaAs,材料的应用,25,GaAs材料的应用25,3.GaAs,材料的应用,砷化镓材料具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的特性，,广泛应用于高频及无线通讯，适于制作,IC,器件。,从应用领域来说，主要在光电子领域和微电子领域。,在微电子领域中，使用的化合物半导体材料属于高端产品，主要用于制作无线通讯（卫星通讯、移动通讯）、光纤通讯、汽车电子等用的微波器。,在光电子领域中，使用的化合物半导体材料属于低端产品，主要用于制作发光二极管、激光器及其它光电子器件。用砷化镓制作的主要电子器件和光电子器件。,主要品种、产品形式和应用领域见下表。,26,3.GaAs材料的应用砷化镓材料具有很高的电子迁移率、宽禁带,27,27,28,28,Thank You!,29,Thank You!29,