第3章半导体案例.ppt

* Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体具有Ⅳ族元素半导体所没有的或不及的优良性质： 迁移率高。GaAs的电子迁移率是Si的6倍，因而是制备高频、高速器件的理想材料。 禁带宽度大。可用作高温、大功率器件。 能带结构是直接跃迁型，光电转换效率高，可作半导体激光器和发光二极管等。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs的能带结构 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs的能带结构及其主要特征： GaAs的导带极小值k=0处，价带极大值也在k=0处，为直接带隙型。 GaAs材料具有负阻特性。 GaAs的禁带宽度大，对晶体管而言，其工作温度的上限是与材料的Eg成正比的。因此，GaAs器件可在450℃下工作，击穿电压大，适于作功率器件。 GaAs的电子迁移率比Si大得多，可用作高频和高速器件。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * 在具有直接跃迁型能带半导体中，当价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带或相反，电子从导带落到价带与空穴复合而发光时，这种过程应满足能量守恒和动量守恒条件。 发生电子跃迁时要求k值保持不变，显然具有直接跃迁型结构的材料都能满足这一要求。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * 而间接跃迁型材料要实现跃迁必须与晶格作用，把部分动量交给晶格或从晶格取得一部分能量，也就是要与声子作用，才能满足动量守恒的要求，因而非直接跃迁发生的几率是很小的（约为直接跃迁的1/1000）。因此在寻找新的发光材料时一般总是优先考虑直接跃迁型材料。 GsAs是直接跃迁型材料，做光电器件较合适。 还有GaN, InN, InP, GaSb, InAs等都是直接跃迁型材料。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs单晶的制备方法： 目前，Ⅲ-Ⅴ族化合物体单晶主要是从熔体中生长的。生长Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体的方法与锗、硅晶体大致相同，有直接法和横拉法。对于在熔化时不离解的锑化物，可利用制备锗、硅单晶相同的设备，在保护气氛下生长。对于蒸气压较大的砷化物和磷化物，则要适当改变设备与工艺，控制砷、磷压防止熔体离解。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs单晶的制备方法： 控制砷气压有两种方法：一是采用石英密封系统，系统置于双温区炉中，低温端放As源控制系统中砷气压，高温端合成化合物并拉制晶体，而整个系统的温度都必须高于As源端温度，以防止As蒸气凝结。目前使用的水平布里奇曼法属于这一类。 另一种是在熔体上覆盖惰性熔体，再向单晶炉内充入大于熔体离解压的惰性气体控制熔体离解，这就是所谓B2O3液态密封法。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs单晶的制备方法： 水平布里奇曼法（horizontal bridgman technique, 横拉法）：在密封石英系统中进行，污染少，纯度较高。 液态密封法（liquid encapsulation pulling technique，LEP，or liquid encapsulation czochralski method, LEC）：可批量生产大直径具有一定晶向的单晶，生产效率高。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs单晶的制备方法－水平布里奇曼法 合成GaAs时，先将纯Ga 盛于石英舟内，放在石英反应管的一端，纯砷放到另一端。 高真空下分别加温除去氧化膜。通常Ga在700℃，1.3×10-3Pa下恒温处理2h除去氧化膜。砷在280℃，1.3×10-3Pa下恒温处理2h除去氧化膜。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs单晶的制备方法－水平布里奇曼法 在真空条件下分别用氢氧焰封闭石英管。为了便于操作将Ga用干冰或液N2冷冻凝固，用石英撞针（或用固体As）撞破石英隔窗。 将反应管放入炉中，镓舟置于高温炉，砷端置于低温炉，通电升温。开始高、低温炉同时升至617℃，将低温炉恒温于617℃，高温端升至1250℃恒温，开区熔机，使熔区由锭的一端移到另一端，GaAs便合成好了。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs单晶的制备方法－水平布里奇曼法 GaAs合成后，将保温炉退回锭的前端，即可进行晶体生长。 生长晶体时可利用预先放入的籽晶引晶，并可应用缩颈技术，以降低位错密度。 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 * GaAs单晶的制备方法－水平布里奇曼法 3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 与锗单晶生长常用的水平区熔法很相似。两温区横拉法法生长GaAs设备见图。 　加热炉分为低温炉与高温炉，它们分别供电、测温和控温。高温炉外部有一个开有观察孔的保温炉，它装在区熔传动机构上，可以左右移动。 反应室为圆柱形石英管，中间有石英隔窗，一端放有用金刚砂打毛后清洗干净的石英舟，另一端则装砷。 * GaAs单晶的制备方法－水平布里奇曼法 主要问题是“粘