砷化镓材料_王建利

工　程　技　术

２０１０　　ＮＯ．３２

科技创新导报

砷化镓材料

王建利 牛沈军 兰天平 周春峰 孙强

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津 300220)

摘　要:文章介绍了III-V族化合物半导体材料——砷化镓。从砷化镓材料的基本性质、参数出发,深入浅出地讨论了其相关性质形成的机理,以及与这些性质、参数相对应的有关半导体器件方面的应用情况,同时指出了为了适应器件的需求,如何在制造过程中得到性能参数较为理想的晶体材料而应采取的有关工艺措施。

关键词:砷化镓 半导体材料 迁移率 能带结构 掺杂剂 载流子浓度 位错密度(EPD) 饱合漂移速度中图分类号:X703

文献标识码

:

A

文章编号

:1674-098X(2010)11(b)-0075-03

1 引言

砷化镓属III-V族化合物半导体材料,由化学元素周期表中III族元素镓和V族元素砷化合而成。砷化镓材料最早见报于1929年,是由一位名叫高德斯密特(Goldschmidt)的科学家合成出来的,但是,直到1952年,才出现了有关砷化镓在半导体电学性能方面的研究报道[1]。随着现代工业冶炼提纯技术的进步和微电子技术的发展,砷化镓材料已是III-V族化合物半导体材料中应用最为广泛、相关技术最为成熟的材料。采用半绝缘砷化镓材料制作的超高速集成电路和微波毫米波单片集成电路,是雷达,电子对抗,计算机,卫星通信设备提高速度的关键电路,亦广泛用于蜂窝电话,数字个人通信,光纤通信以及航天系统等领域;采用低阻低位错砷化镓材料可制作半导体发光器件,如发光二极管(LED)和固体半导体激光器(LD)。尤其是以低位错砷化镓材料为衬底制作的各种发光LED,具有耗电量小、寿命长﹑发热量少、反应速率快﹑体积小﹑耐碰撞、适合多种环境等许多优点,是当今半导体照明工程中不可或缺的一大材料分支,其相关产品已在室内及户外显示、LCD背光源、全彩显示屏、交通信号灯、汽车灯具等领域得到了广范应用。

砷化镓晶格是由两个面心立方(fcc)的子晶格(格点上分别是砷和镓的两个子晶格)沿空间体对角线位移1/4套构而成。这种晶体结构在物理学上称之为闪锌矿结构。图1给出了砷化镓晶胞结构的示意图,表1给出了在室温下目前已知砷化镓半导体材料的物理、电学参数。关于砷化镓的化学组成形式,III-V族化合物共价键

[2]

模型认为:这类化合物形成四面体共价结合,成键时III族原子提供3个s2p1组态的价电子,而V族原子提供5个s2p3组态的价电子，它

们之间平均每个原子有四个价电子，正好可用作形成四面体共价

结合之用。这类化合物以共价结合为主,但却混杂有部分离子结合性质。这是由于V族元素的电负性比III族元素大,组成晶体时,部分电子将从电负性低的原子(III族元素)转移到电负性较高的原子(V族元素)中去,电荷的这种转移(极化)使III族元素带正电,V族元素带负电。如果引用有效电荷Z*e这个概念来描述这种电荷转移的程度,则“共价键”模型可认为砷化镓晶体以共价结合为主,但混杂有部分离子结合性质,每个离子带有效电荷Z*e。下面结合砷化镓在微电子应用方面的一些主要性质和参数,从半导体物理学角度出发,对其做一论述。

2 能带结构

由量子理论知道,孤立原子周围的电子具有确定的能量值,当离散的原子聚集在一起形成晶体时,原子周围的电子将受到限制,不再是处于单个独立能级,而是处于一个能量允许的范围内,这一模型就是我们在半导体物理学上所谓的能带理论模型(本征半导体的能带图如图2所示)。能带主要包括价带和导带,价带上完全被电子填满时,也称满带,外电场不能给满带中的电子以净的动量,因此,满带上的电子不能起导电作用;导带上没有电子时,也称空带,在只有满带和空带的这种情况下,晶体就是良好的绝缘体。当导带上一旦有电子时,在电场作用下,电子的状态在布里渊区中的分布不再是对称的,与电场方向相反的状态上电子多,与电场方向相同的状态上电子少,电子产生的电流不能全部抵消,总电流不为零,所以导带中的电子有导电作用[2],这时晶体就是半导体。导带和价带这两个能带被一个具有一定宽度的禁带隔离,这个禁带宽度Eg对半导体材料来说是一个非常重要的参数。电子填充能级的水

图1 砷化镓晶胞示意图

表1 室温下砷化镓材料的性质

图2 本征半导体能带结构示意图

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