一、引言
化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵 （GaAs）和磷化銦（InP）是微電子和光電子的基礎(chǔ)材料，而砷化鎵則是化合物半導(dǎo)體中最重要、用途最廣泛的半導(dǎo)體材料，也是目前研究得最成熟、生產(chǎn)量最大的化合物半導(dǎo)體材料。由于砷化鎵具有電子遷移率高（是硅的5~6倍）、禁帶寬度大（它為1.43eV，Si為1.1eV）且為直接帶隙，容易制成半絕緣材料（電阻率
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?cm）、本征載流子濃度低、光電特性好。用砷化鎵材料制作的器件頻率響應(yīng)好、速度快、工作溫度高，能滿足集成光電子的需要。它是目前最重要的光電子材料，也是繼硅材料之后最重要的微電子材料，它適合于制造高頻、高速的器件和電路。
此外, GaAs材料還具有耐熱、耐輻射及對磁場敏感等特性。所以,用該材料制造的器件也具有特殊用途和多樣性,其應(yīng)用已延伸到硅、鍺器件所不能達到的領(lǐng)域。即使在1998年世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不景氣的狀況下, GaAs材料器件的銷售市場仍然看好[1]。當然, GaAs材料也存在一些不利因素,如:材料熔點蒸氣壓高、組分難控制、單晶生長速度慢、材料機械強度弱、完整性差及價格昂貴等,這都大大影響了其應(yīng)用程度。然而, GaAs材料所具有的獨特性能及其在軍事、民用和產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的廣泛用途,都極大地引起各國的高度重視,并投入大量資金進行開發(fā)和研究。
一．?材料的結(jié)構(gòu)
2.1砷化鎵的晶體結(jié)構(gòu)
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(xué)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(xué)參數(shù)。關(guān)于砷化鎵的化學(xué)組成形式,III-V族化合物共價鍵模型認為[2]: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
組態(tài)的價電子,而V族原子提供5個
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。 ????????????
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2.2砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)
由量子理論知道,孤立原子周圍的電子具有確定的能量值,當離散的原子聚集在一起形成晶體時,原子周圍的電子將受到限制,不再是處于單個獨立能級,而是處于一個能量允許的范圍內(nèi),這一模型就是我們在半導(dǎo)體物理學(xué)上所謂的能帶理論模型。[3]
圖2給出了硅和砷化鎵在k空間的能帶結(jié)構(gòu)示意圖,由圖可看出,硅的導(dǎo)帶最小值與價帶最大值位于不同k空間,而砷化鎵的導(dǎo)帶最小值與價帶最大值則位于k=0處,這意味著在砷化鎵中,電子發(fā)生躍遷時可直接從導(dǎo)帶底到達價帶頂。與硅相比,電子在從導(dǎo)帶躍遷到價帶過程中只需要能量的改變,而動量則不發(fā)生改變。這一性質(zhì)使砷化鎵在制造半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)方面具有得天獨厚的優(yōu)勢,當一個電子從高能量導(dǎo)帶進入低能量價帶時,多余能量便以光子的形式釋放。另一方面,當砷化鎵受到光照射時,價帶中的電子便可從外界得到能量而振動加劇,當此能量足夠大時,便可使電子躍遷到導(dǎo)帶,這一性質(zhì)可使砷化鎵應(yīng)用于光電探測領(lǐng)域。
圖2 ????砷化鎵和硅的能帶結(jié)構(gòu)圖
二．?材料的物理特性
3.1.砷化鎵材料的基本物理特性：
砷化鎵半導(dǎo)體材料是直接帶隙結(jié)構(gòu)，雙能谷。晶體呈暗灰色，有金屬光澤。GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應(yīng)，易溶于王水。室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定。加熱到6000C開始氧化，加熱到8000C以上開始離解。有效質(zhì)量越低，電子速度越快。GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3，用GaAs制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快3~4倍。
3.2.砷化鎵材料的其他物理特性
3.2.1砷化鎵具有高遷移率,高飽合漂移速度[4]。當半導(dǎo)體處于外場中時,在相繼兩次散射之間的自由時間內(nèi),載流子(比如電子)將被外場加速,從而獲得沿一定方向的加速度。因此,在有外場存在時,載流子除了做無規(guī)則的熱運動外,還存著沿一定方向的有規(guī)則的漂移運動,漂移運動的速度稱為漂移速度( v ),最大漂移速度稱為飽合漂移速度。漂移速度與電場的關(guān)系如圖3所示。
砷化鎵在弱電場狀態(tài)(圖3中虛線左邊區(qū)域)下,電子遷移率約為8500cm2/(V·s),比 Si要大得多。隨著電場強度的增加 ,砷化鎵的電子漂移速度達到一個峰值然后開始下降(圖3中虛線右邊區(qū)域)。在漂移速度——電場強度特性曲線上某個特定點處的斜率即為該點的微分遷移率。當曲線斜率為負時微分遷移率也為負,負微分遷移率產(chǎn)生負微分電阻,振蕩器的設(shè)計就利用了這一特性。
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圖3 ??砷化鎵和硅的漂移速度與電場強度關(guān)系
3.2.2砷化鎵還有一個重要的性能是半絕緣性,通過區(qū)域離子注入,其襯底內(nèi)部仍然能保持電隔離。這樣的性質(zhì),使其非常適合用作生產(chǎn)集成電路所用襯底的材料。另外,半絕緣砷化鎵材料制成的器件,其寄生電容很小,這樣可用來制造一些快速器件,比如開發(fā)的單片微波集成電路。
3.3.砷化鎵的應(yīng)用物理特性
砷化鎵電池作為Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體電池，與硅電池相比有很多特點：
3.3.1光電轉(zhuǎn)換效率高： GaAs的禁帶寬度較Si為寬,GaAs的光譜響應(yīng)特性和空間太陽光譜匹配能力亦比Si好,因此,GaAs太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率高。Si太陽電池理論效率為23%,而單結(jié)和多結(jié)GaAs太陽電池的理論效率分別為27%和50%。
3.3.2可制成薄膜和超薄型太陽電池：GaAs為直接躍遷型材料,而Si為間接躍遷型材料。在可見光范圍內(nèi),GaAs材料的光吸收系數(shù)遠高于Si材料。同樣吸收95%的太陽光,GaAs太陽電池只需5~10μm的厚度,而Si太陽電池則需大于150μm。因此,GaAs太陽電池能制成薄膜型,質(zhì)量可大幅減小。
3.3.3耐高溫性能好： GaAs的本征載流子濃度低,GaAs太陽電池的最大功率溫度系數(shù)( -2×?)比Si太陽電池( -4.4×)小很多。200℃時,Si太陽電池已不能工作,而GaAs太陽電池的效率仍有約10%。
3.3.4抗輻射性能好： GaAs為直接禁帶材料,少數(shù)載流子壽命較短,在離結(jié)幾個擴散度外產(chǎn)生的損傷,對光電流和暗電流均無影響。因此,其抗高能粒子輻照的性能優(yōu)于間接禁帶的Si太陽電池。在電子能量為1 MeV,通量為1×個/cm2輻照條件下,輻照后與輻照前太陽電池輸出功率比,GaAs單結(jié)太陽池>0.76,GaAs多結(jié)太陽電池>0. 81,而BSFSi太陽電池僅為0.70。
3.3.5可制成效率更高的多結(jié)疊層太陽電池： MOCVD技術(shù)的日益完善,Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半導(dǎo)體材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生長技術(shù)取得的重大進展,為多結(jié)疊層太陽電池研制提供了多種可供選擇的材料。[5]
三．?材料的的應(yīng)用
4.1.砷化鎵在光電子方面的應(yīng)用
同用其他材料制作的激光器相比,砷化鎵激光器有很多優(yōu)點:首先激光器件可以做得很小,如用砷化鎵激光器制造的小型雷達,只有手電筒那樣大,能產(chǎn)生1.0×10-11s脈沖和6W的功率,是一種戰(zhàn)地條件下很有效的雷達;其次,砷化鎵化合物半導(dǎo)體激光器件使用壽命長。據(jù)報道,砷化鎵激光器的壽命可達到2 700 000 h;第三,容量大是砷化鎵激光器又一個重要的優(yōu)點,用這種激光器通訊可以攜帶幾千路對話通訊光束。
4.2.砷化鎵在微電子方面的應(yīng)用
砷化鎵不僅可直接制作光電子器件，如發(fā)光二級管、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器、紅外探測器和高效太陽能電池；而且在微電子方面，以半絕緣砷化鎵為基體，用直接離子注入自對準平面工藝研制的砷化鎵高速數(shù)字電路、微波單片電路、光電集成電路、低噪聲及大功率場效應(yīng)晶體管，且有速度快、頻率高、低功耗和抗輻射等特點，不僅在國防上具有重要意義，在民用和國民經(jīng)濟建設(shè)中更有廣泛應(yīng)用。同時由于太陽能電池、光纖通信和移動通信的發(fā)展，世界對砷化鎵半導(dǎo)體材料的需求越來越大，砷化鎵的重要性也在不斷提高。?
4.3.砷化鎵在通信方面的應(yīng)用
半絕緣砷化鎵材料主要用于高頻通信器件，受到近年民用無線通信市場尤其是手機市場的拉動，半絕緣砷化鎵材料的市場規(guī)模也出現(xiàn)了快速增長的局面[6]。同時砷化鎵太陽能電池作為新一代高性能長壽命空間主電源，必將逐步取代目前采用的硅電池在空間電伏領(lǐng)域占領(lǐng)主導(dǎo)地位。我國航天事業(yè)飛速發(fā)展也需要高性能、長壽的空間主電源。
4.4.砷化鎵在微波方面的應(yīng)用
與硅微波器件相比,砷化鎵微波器件特點是:功率大、頻率高、增益高、噪聲小,并且能夠在比較低的電壓下工作,現(xiàn)在,砷化鎵場效應(yīng)晶體管和雪崩二極管的工作效率已經(jīng)達到幾十千兆周,有可能突破100千兆周,這在雷達和微波通訊方面,都有著極為重要的意義。由于砷化鎵微波器件增容高,噪聲小,所以大大改善了微波系統(tǒng)的靈敏度。砷化鎵甘氏二級管可以在操作電壓5V到7V的條件下工作。所以砷化鎵甘氏二級管,可以使用尺寸小和重量輕的電源,對宇宙空間技術(shù)有極為重要的意義。
4.5.砷化鎵在太陽能電池方面的應(yīng)用
砷化鎵是一種很有發(fā)展前途的制作太陽能電池的材料。太陽能電池可以把太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。硅太陽能電池是世界上使用最多的一種,它的轉(zhuǎn)換效率最高能夠達到18%～20%,而砷化鎵太陽能電池最大效率預(yù)計可以達到23%～26%,它是目前各種類型太陽能電池中效率預(yù)計最高的一種。砷化鎵太陽能電池抗輻射能力強,并且能在比較高的溫度環(huán)境中工作。這不僅對探索宇宙的研究提供了有利條件,而且也標志著人類在直接利用無窮無盡的太陽能方面又邁進了一步。
四．?總結(jié)
砷化鎵作為Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，它的閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)和直接帶隙結(jié)構(gòu)讓它具有相比于硅，鍺更為優(yōu)良的性能。砷化鎵具有更高的電子遷移率和飽和遷移速率，而且還有獨特的半絕緣性，而且砷化鎵材料還具有耐熱、耐輻射及對磁場敏感等特性，使砷化鎵材料具有特殊用途和多樣性,應(yīng)用已延伸到硅、鍺器件所不能達到的領(lǐng)域。砷化鎵材料雖然在制備方面具有一定的難度，但其應(yīng)用前景仍舊是一片光明，在光電子，微電子，太陽能電池等各個方面都有非常廣泛的應(yīng)用。
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