砷化镓材料物理特性及应用

砷化镓物理特性及应用院系：可再生能源学院专业：新能源材料与器件班级：能材1201班姓名:侯晓娟学号：11215801082015年1月华北电力大学摘要：文章从砷化镓材料的结构，物理特性以及应用方面，对砷化镓材料进行了简单的介绍和了解。Ⅲ-Ⅴ族半导体砷化镓具有禁带宽度大且为直接带隙、本征载流子浓度低，而且具有半绝缘性能，其具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性，制造的器件也具有特殊用途和多样性,应用已经延伸到硅、锗器件所不能达到的领域，是用途广泛，非常重要的一种半导体材料。关键词：砷化镓直接带隙结构Ⅲ-Ⅴ族半导体半绝缘砷化镓一．引言化合物半导体材料砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是微电子和光电子的基础材料，而砷化镓则是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。由于砷化镓具有电子迁移率高（是硅的5~6倍）、禁带宽度大（它为1.43eV，Si为1.1eV）且为直接带隙，容易制成半绝缘材料（电阻率~Ωcm）、本征载流子浓度低、光电特性好。用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高速的器件和电路。此外,GaAs材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性。所以,用该材料制造的器件也具有特殊用途和多样性,其应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。即使在1998年世界半导体产业不景气的状况下,GaAs材料器件的销售市场仍然看好[1]。当然,GaAs材料也存在一些不利因素,如:材料熔点蒸气压高、组分难控制、单晶生长速度慢、材料机械强度弱、完整性差及价格昂贵等,这都大大影响了其应用程度。然而,GaAs材料所具有的独特性能及其在军事、民用和产业等领域的广泛用途,都极大地引起各国的高度重视,并投入大量资金进行开发和研究。华北电力大学二．材料的结构2.1砷化镓的晶体结构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族化合物共价键模型认为[2]:这类化合物形成四面体共价结合,成键时III族原子提供3个组态的价电子,而V族原子提供5个组态的价电子，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。华北电力大学2.2砷化镓的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。[3]图2给出了硅和砷化镓在k空间的能带结构示意图,由图可看出,硅的导带最小值与价带最大值位于不同k空间,而砷化镓的导带最小值与价带最大值则位于k=0处,这意味着在砷化镓中,电子发生跃迁时可直接从导带底到达价带顶。与硅相比,电子在从导带跃迁到价带过程中只需要能量的改变,而动量则不发生改变。这一性质使砷化镓在制造半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)方面具有得天独厚的优势,当一个电子从高能量导带进入低能量价带时,多余能量便以光子的形式释放。另一方面,当砷化镓受到光照射时,价带中的电子便可从外界得到能量而振动加剧,当此能量足够大时,便可使电子跃迁到导带,这一性质可使砷华北电力大学化镓应用于光电探测领域。图2砷化镓和硅的能带结构图三．材料的物理特性3.1.砷化镓材料的基本物理特性：砷化镓半导体材料是直接带隙结构，双能谷。晶体呈暗灰色，有金属光泽。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。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3~4倍。3.2.砷化镓材料的其他物理特性3.2.1砷化镓具有高迁移率,高饱合漂移速度[4]。当半导体处于外场中时,在相继两次散射之间的自由时间内,载流子(比如电子)将被外场加速,从而获得沿一定方向的加速度。因此,在有外场存在时,载流子除了做无规则的热运动外,还存着沿一定方向的有规则的漂移运动,漂移运动的速度称为漂移速度(v),最大漂移速度称为饱合漂移速度。漂移速度与电场的关系如图3所示。华北电力大学砷化镓在弱电场状态(图3中虚线左边区域)下,电子迁移率约为8500cm2/(V·s),比Si要大得多。随着电场强度的增加,砷化镓的电子漂移速度达到一个峰值然后开始下降(图3中虚线右边区域)。在漂移速度——电场强度特性曲线上某个特定点处的斜率即为该点的微分迁移率。当曲线斜率为负时微分迁移率也为负,负微分迁移率产生负微分电阻,振荡器的设计就利用了这一特性。图3砷化镓和硅的漂移速度与电场强度关系3.2.2砷化镓还有一个重要的性能是半绝缘性,通过区域离子注入,其衬底内部仍然能保持电隔离。这样的性质,使其非常适合用作生产集成电路所用衬底的材料。另外,半绝缘砷化镓材料制成的器件,其寄生电容很小,这样可用来制造一些快速器件,比如开发的单片微波集成电路。3.3.砷化镓的应用物理特性砷化镓电池作为Ⅲ-Ⅴ族半导体电池，与硅电池相比有很多特点：3.3.1光电转换效率高：GaAs的禁带宽度较Si为宽,GaAs的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si好,因此,GaAs太阳电池的光电转换效率高。Si太阳电池理论效率为23%,而单结和多结GaAs太阳电池的理论效率分别为27%和50%。华北电力大学3.3.2可制成薄膜和超薄型太阳电池：GaAs为直接跃迁型材料,而Si为间接跃迁型材料。在可见光范围内,GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光,GaAs太阳电池只需5~10µm的厚度,而Si太阳电池则需大于150µm。因此,GaAs太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。3.3.3耐高温性能好：GaAs的本征载流子浓度低,GaAs太阳电池的最大功率温度系数(-2×℃)比Si太阳电池(-4.4×℃)小很多。200℃时,Si太阳电池已不能工作,而GaAs太阳电池的效率仍有约10%。3.3.4抗辐射性能好：GaAs为直接禁带材料,少数载流子寿命较短,在离结几个扩散度外产生的损伤,对光电流和暗电流均无影响。因此,其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。在电子能量为1MeV,通量为1×个/cm2辐照条件下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,GaAs单结太阳池0.76,GaAs多结太阳电池0.81,而BSFSi太阳电池仅为0.70。3.3.5可制成效率更高的多结叠层太阳电池：MOCVD技术的日益完善,Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生长技术取得的重大进展,为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料。[5]四．材料的的应用4.1.砷化镓在光电子方面的应用同用其他材料制作的激光器相比,砷化镓激光器有很多优点:首先激光器件可以做得很小,如用砷化镓激光器制造的小型雷达,只有手电筒那样大,能产生1.0×10-11s脉冲和6W的功率,是一种战地条件下很有效的雷达;其次,砷化镓化合物半导体激光器件使用寿命长。据报道,砷化镓激光器的寿命可达到2700华北电力大学000h;第三,容量大是砷化镓激光器又一个重要的优点,用这种激光器通讯可以携带几千路对话通讯光束。4.2.砷化镓在微电子方面的应用砷化镓不仅可直接制作光电子器件，如发光二级管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池；而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，且有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点，不仅在国防上具有重要意义，在民用和国民经济建设中更有广泛应用。同时由于太阳能电池、光纤通信和移动通信的发展，世界对砷化镓半导体材料的需求越来越大，砷化镓的重要性也在不断提高。4.3.砷化镓在通信方面的应用半绝缘砷化镓材料主要用于高频通信器件，受到近年民用无线通信市场尤其是手机市场的拉动，半绝缘砷化镓材料的市场规模也出现了快速增长的局面[6]。同时砷化镓太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间主电源，必将逐步取代目前采用的硅电池在空间电伏领域占领主导地位。我国航天事业飞速发展也需要高性能、长寿的空间主电源。4.4.砷化镓在微波方面的应用与硅微波器件相比,砷化镓微波器件特点是:功率大、频率高、增益高、噪声小,并且能够在比较低的电压下工作,现在,砷化镓场效应晶体管和雪崩二极管的工作效率已经达到几十千兆周,有可能突破100千兆周,这在雷达和微波通讯方面,都有着极为重要的意义。由于砷化镓微波器件增容高,噪声小,所以大大改善了微波系统的灵敏度。砷化镓甘氏二级管可以在操作电压5V到7V的条件下华北电力大学工作。所以砷化镓甘氏二级管,可以使用尺寸小和重量轻的电源,对宇宙空间技术有极为重要的意义。4.5.砷化镓在太阳能电池方面的应用砷化镓是一种很有发展前途的制作太阳能电池的材料。太阳能电池可以把太阳能直接转换为电能。硅太阳能电池是世界上使用最多的一种,它的转换效率最高能够达到18%～20%,而砷化镓太阳能电池最大效率预计可以达到23%～26%,它是目前各种类型太阳能电池中效率预计最高的一种。砷化镓太阳能电池抗辐射能力强,并且能在比较高的温度环境中工作。这不仅对探索宇宙的研究提供了有利条件,而且也标志着人类在直接利用无穷无尽的太阳能方面又迈进了一步。五．总结砷化镓作为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，它的闪锌矿晶体结构和直接带隙结构让它具有相比于硅，锗更为优良的性能。砷化镓具有更高的电子迁移率和饱和迁移速率，而且还有独特的半绝缘性，而且砷化镓材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性，使砷化镓材料具有特殊用途和多样性,应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。砷化镓材料虽然在制备方面具有一定的难度，但其应用前景仍旧是一片光明，在光电子，微电子，太阳能电池等各个方面都有非常广泛的应用。参考文献：[1]白须崇一，金属时评,1999,(1722):21.[2]陈金富，固体物理学,高等教育出版社,1986.[3]孟庆巨,刘海波等.半导体器件物理,科学出版社,2005.华北电力大学[4]王建利牛沈军等，科技创新导报，2010.[5]张忠卫,陆剑峰等，上海航天，2003.[6]伍钢柱，化学与社会，1998，180~190合期.