砷化鎵（GaAs）

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1、砷化鎵（GaAs）砷化鎵單晶的導(dǎo)帶為雙能谷結(jié)構(gòu)，其最低能谷位于第一布里淵區(qū)中心，電子有效質(zhì)量是0.068m0(m0為電子質(zhì)量，見載流子)，次低能谷位于<111>方向的L點(diǎn)，較最低能谷約高出0.29eV，其電子有效質(zhì)量為0.55m0，價(jià)帶頂約位于布里淵區(qū)中心，價(jià)帶中輕空穴和重空穴的有效質(zhì)量分別為0.082m0和0.45m0。較純砷化鎵晶體的電子和空穴遷移率分別為8000cm2/(V·s)和100～300cm2/(V·s)，少數(shù)載流子壽命為10-2～10-3μs。在其中摻入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可獲得N型半導(dǎo)體，

2、摻入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半導(dǎo)體，摻入Cr或提高純度可制成電阻率高達(dá)107～108Ω·cm的半絕緣材料。由于GaAs具有很高的電子遷移率，故可用于制備高速或微波半導(dǎo)體器件。砷化鎵還用于制作耐高溫、抗輻照或低噪聲器件，以及近紅外發(fā)光和激光器件，也用于作光電陰極材料等。更重要的是它將成為今后發(fā)展超高速半導(dǎo)體集成電路的基礎(chǔ)材料。制備GaAs單晶的方法有區(qū)熔法和液封直拉法。用擴(kuò)散、離子注入、氣相或液相外延及蒸發(fā)等方法可制成PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)和歐姆接觸等。近十余年來，由于分子束外延和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)的

3、發(fā)展，可在GaAs單晶襯底上制備異質(zhì)結(jié)和超晶格結(jié)構(gòu)，已用這些結(jié)構(gòu)制成了新型半導(dǎo)體器件如高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)及激光器等，為GaAs材料的應(yīng)用開發(fā)了更廣闊的前景。采用氣相沉積或液相沉積等方法，使鎵、砷源或其衍生物在以砷化鎵或其他材料為襯底的表面上生長(zhǎng)砷化鎵或其他材料的單晶薄膜，統(tǒng)稱為砷化鎵外延材料。襯底和外延層如由同一種材料構(gòu)成的則稱為同質(zhì)結(jié)外延層，如由不同材料構(gòu)成則稱為異質(zhì)結(jié)外延層。外延材料可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是多層結(jié)構(gòu)。外延材料的制備方法主要有氣相外延法和液相外延法。隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用

4、的擴(kuò)大，為適應(yīng)寬禁帶、多元化合物、量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)等器件制造的需要，大力探索和開發(fā)金屬有機(jī)物氣相沉積和分子束外延等新技術(shù)得到迅速發(fā)展。氣相外延法：通過氣相輸運(yùn)和氣相反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的一種工藝過程。通常采用氯化物法和氫化物法生長(zhǎng)砷化鎵外延層，Ga-AsCl3-H2已成為氯化物法的代表工藝，其特點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)高純生長(zhǎng)。1970年美國(guó)麻省理工學(xué)院華爾夫(Walf)得到砷化鎵氣相外延層的電子濃度和電子遷移率為n77k＝7×1013cm-3和μ77k＝2.1×105cm2/(V·s)。液相外延法：在一定溫度下的砷化鎵飽和溶液，通過降溫

5、使溶液過飽和，則在砷化鎵襯底上按一定的晶向生長(zhǎng)砷化鎵薄膜。據(jù)1969年的報(bào)道結(jié)果是：77K時(shí)的電子濃度和電子遷移率為n77k＝7.6×1012cm-3、μ77k＝1.75×105cm2/(V·s)。金屬有機(jī)化合物氣相沉積法：用氫氣把三甲基鎵或三乙基鎵和砷烷一起輸送到反應(yīng)區(qū)，經(jīng)分解和相互作用，在砷化鎵襯底沉積砷化鎵薄膜的方法。其優(yōu)點(diǎn)是改變?cè)蠚怏w的種類和濃度，容易控制生長(zhǎng)晶體薄膜的組分和各種特性。分子束外延法：將熱分子束和原子束流在超高真空中入射到砷化鎵襯底的表面上，由于相互作用而生長(zhǎng)具有原子層級(jí)的砷化鎵超薄層外延材料。其主要優(yōu)

6、點(diǎn)是可以生長(zhǎng)出原子層水平的超薄層單晶膜，可嚴(yán)格控制膜層的厚度、組分和結(jié)構(gòu)，還可用組分漸變層或應(yīng)變超晶格結(jié)構(gòu)來消除由于晶格失配而造成的位錯(cuò)，因此該法非常適合于制作光電器件、微波器件、量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)材料。砷化鎵是最重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，其晶格結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型，晶格常數(shù)為5.65?，其解理面為{110}面，原子間的結(jié)合以共價(jià)鍵為主，伴有明顯的離子鍵成分.在<111>方向上有極性，由于極性的存在使砷化鎵的腐蝕和晶體生長(zhǎng)速率都要受到影響。砷化鎵禁帶寬度大，為1.43eV，電子遷移率高達(dá)8800cm2/V·s，少數(shù)載流子壽命短

7、，因而它是制作高溫、高頻、抗輻射和低噪聲器件的良好材料.特別是它的能帶具有雙能谷結(jié)構(gòu)，又屬于直接帶隙材料，故可制作體效應(yīng)器件，高效激光器和紅外光源.砷化鎵還可用來制作雪崩二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、變?nèi)荻O管、勢(shì)壘二極管等微波器件和太陽電池等。與鍺、硅相比，砷化鎵具有更高的電子遷移率，因此它是制作高速計(jì)算機(jī)用集成電路的重要材料。砷化鎵的熔點(diǎn)較高(1237℃)，其中的砷易揮發(fā)，因而從熔體中生長(zhǎng)砷化鎵晶體時(shí)要適當(dāng)控制生長(zhǎng)室的砷壓以防止砷的逸出.在高壓?jiǎn)尉t中采用三氧化二硼液體密封法和水平Bridgman法都可生長(zhǎng)出較大直徑的砷化鎵單晶.

8、砷化鎵中雜質(zhì)和缺陷的性質(zhì)比較復(fù)雜，它的純度和晶體完整性仍有不少問題需要深入研究。