什么是砷化镓材料?

什么是砷化镓材料?

[拼音]：shenhuajia cailiao

[外文]：gallium arsenide material

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。它具有一些优于硅的性能，已成为仅次于硅材料的重要半导体材料。H.韦尔克于1952年提出的Ⅲ－Ⅴ族化合物具有优良的半导电性质。当时从禁带宽度和电子迁移率推测砷化镓兼具硅和锗的优点，于是开展了对砷化镓等化合物半导体材料的研究。最初10年进展不大。1962年砷化镓激光器问世以后，砷化镓器件发展很快。尽管由砷化镓取代硅、锗的设想尚未实现，但它在激光、发光和微波等方面已显示出优异的性能。用砷化镓已制造出高速集成电路，对材料质量提出更高要求，促使砷化镓材料的研究更加深入。

砷化镓材料的制备

与硅相仿，砷化镓材料也可分为体单晶和外延材料两类。体单晶可以用作外延的衬底材料，也可以采用离子注入掺杂工艺直接制造集成电路（采用高质量、大截面、半绝缘砷化镓单晶）。重点是液封直拉法（即液封乔赫拉斯基法，简称LEC法），但水平舟生长法（即水平布里其曼法）因制出的单晶质量和均匀性较好，仍然受到一定的重视。液封直拉法的一个新发展是在高压单晶炉内用热解氮化硼 (PBN)坩埚和干燥的氧化硼液封剂直接合成和拉制不掺杂、半绝缘砷化镓单晶。另外，常压下用石英坩埚和含水氧化硼为液封剂的方法也已试验成功。不论水平舟生长法或是液封直拉法，晶体的直径均可达到100～150毫米而与硅单晶相仿。

砷化镓的外延生长按工艺可分为气相和液相外延，所得外延层在纯度和晶体完整性方面均优于体单晶材料。通用的汽相外延工艺为Ga/AsCl3/H2法，这种方法的变通工艺有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。为了改进Ga/AsCl3/H2体系气相外延层的质量，还研究出低温和低温低压下的外延生长工艺。液相外延工艺是用 Ga/GaAs熔池覆盖衬底表面，然后通过降温以生长外延层，也可采用温度梯度生长法或施加直流电的电外延法。在器件(特别是微波器件)的制造方面，汽相外延的应用比液相外延广泛。液相外延可用来制造异质结(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化镓双异质结激光器和太阳电池等的重要手段。

砷化镓外延技术还有分子束外延和金属有机化合物汽相沉积外延。分子束外延是在超高真空条件下，使一个或多个热分子束与晶体表面相作用而生长出外延层的方法。对入射分子或原子束流施加严格的控制，可以生长出超晶格结构，例如由交替的GaAs和AlxGa


As薄层（厚度仅10埃）所组成的结构。金属有机化合物汽相沉积外延是用三甲基镓或三乙基镓与砷烷相作用而生长外延层。用这种方法也能适当地控制外延层的浓度、厚度和结构。与分子束外延相比，金属有机化合物汽相沉积外延设备和工艺均较简单，但分子束外延层的质量较高。

材料中的深能级缺陷

砷化镓中的杂质和缺陷（特别是深能级缺陷）对器件性能影响很大。作为化合物半导体，砷化镓中的深能级缺陷问题远比硅、锗复杂。例如，半绝缘砷化镓中最重要的深电子陷阱 ELZ和在液相外延砷化镓中发现的A、B空穴陷阱的本性和行为都有待于研究。

应用

砷化镓器件主要包括光电器件和微波器件两大类。砷化镓以及其他Ⅲ-Ⅴ族化合物具有直接跃迁的能带结构，在光电应用方面处于有利的地位。常用的光电器件有:AlxGa


As/GaAs和In


GaxP


Asy/InP两种结构的双异质结激光器，红外和可见光发光管，砷化镓太阳电池。在微波器件方面，砷化镓的高迁移率和低有效质量使器件得以在更高频率下工作。另外，基于电子转移效应，已研制出耿氏管一类器件。70年代初，由于高质量砷化镓外延材料和精细光刻工艺的突破，砷化镓肖特基势垒场效应晶体管(MESFET)取得了显著的进展，频率、增益和噪声等参数均优于硅场效应晶体管。超晶格结构的出现为高电子迁移率晶体管(HEMT)的研制成功创造了条件。

砷化镓材料的研究课题有：低位错、大直径、非掺杂、半绝缘砷化镓单晶的制备；深能级缺陷的阐明与控制；低界面态密度氧化物层的获得等。