砷化镓的主要用途是什么

背景及概述^[1]

砷化镓是一种化合物半导体材料，分子式GaAs。立方晶系闪锌矿结构，即由As和Ga两种原子各自组成面心立方晶格套构而成的复式晶格，其晶格常数是5.6419A。室温下禁带宽度1.428eV，是直接带隙半导体，熔点1238℃，质量密度5.307g/cm³，电容率13.18。砷化镓单晶的导带为双能谷结构，其最低能谷位于布里渊区中心，电子有效质量是0.068m₀(m₀为电子质量，见载流子)，次低能谷位于<111>方向的L点，较最低能谷约高出0.29eV，其电子有效质量为0.55m₀，价带顶约位于布里渊区中心，价带中轻空穴和重空穴的有效质量分别为0.082m₀和0.45m₀。较纯砷化镓晶体的电子和空穴迁移率分别为8000cm²/(V·s)和100～300cm₂/(V·s)，少数载流子寿命为10-²～10-³μs。在其中掺入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可获得N型半导体，掺入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半导体，掺入Cr或提高纯度可制成电阻率高达10⁷～10⁸Ω·cm的半绝缘材料。近十余年来，由于分子束外延和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的发展，可在GaAs单晶衬底上制备异质结和超晶格结构，已用这些结构制成了新型半导体器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极型晶体管(HBT)及激光器等，为GaAs材料的应用开发了更广阔的前景。

结构与性质^[2]

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：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

用途^[3]

由于GaAs具有很高的电子迁移率，故可用于制备高速或微波半导体器件。砷化镓还用于制作耐高温、抗辐照或低噪声器件，以及近红外发光和激光器件，也用于作光电阴极材料等。更重要的是它将成为今后发展超高速半导体集成电路的基础材料。

1. 砷化镓电子器件的开发和利用

根据砷化镓材料电子迁移率高的特性，它是开发超高速计算机很理想的器件材料。它的电子迁移率比硅高约5倍，它的运算速度比硅器件也高许多。在上世纪70-80年代，人们纷纷预测并看好砷化镓材料将在超高速计算机的发展中起着重要作用，并投入了相当的人力和财力进行研究。然而，由于一些技术和成本问题，加之异军突起而开发出的硅材料互补型金属氧化物半导体成电路，其工作电压低、功耗较低、速度较快、成本低，能满足当时的器件需要。因此，形成了对砷化镓的竞争压力，致使砷化镓开发超高速计算机暂时放缓了速度。近年，随着冷战结束，许多军用技术都转入民用。由于砷化镓材料所独具的高频、高速、低噪声、低工作电压特性，它在信息的高频高速传送和数字化的处理方面，发挥着重大的作用。用砷化镓材料所开发出的电子器件：如金属半导体场效应晶体管、高迁移率晶体管、微波单片集电路、异质结双极晶体管（CDB）等在移动通讯、光纤通讯、卫星广播通讯、报处理以及其它一些领域发挥着硅器件不可替代的作用，这些应用的推广大大推动了砷化镓材料的发展。

2. 砷化镓光电器件的应用

砷化镓光电器件的应用方面：可见光发光二极管。由于它体积小、节能、响应快、寿命长，被广泛应用于家电、办公设备、广告牌、交通信号灯及汽车尾灯等；红外发光二极管。用作遥控器、光隔离器、编码器及34机、办公设备的无线连接、近距离情报传送等；激光器。广泛应用于CD、MD、DVD及医疗和其它一些工业领域；砷化镓太阳电池用于卫星通讯等领域。砷化镓器件的这些广泛的军、民领域的使用，极大地推动了掺杂导电性砷化镓的发展。

缺陷^[2]

技术人员在努力地提高晶体的生长质量，但晶体中还是包含大量的点缺陷，位错和杂质。这些晶体缺陷总是时时刻刻在影响着砷化镓器件的性能。这些缺陷的形成主要由向材料中掺杂的方式和生长时的条件状态决定。

1.点缺陷

晶体中原子尺度范围内的缺陷，称为点缺陷。可存在于完美晶体或非完美晶体中。点缺陷包括晶格中的空位，填隙原子，错位原子，在晶体生长过程中有意或无意引入的杂质原子。研究这些点缺陷在晶体中的行为具有十分重要的意义，因为这些缺陷的行为效应及缺陷类型对材料中载流子的散射、载流子数量有较大的影响，将直接关系到材料的电学性能的稳定。当这些机理研究清楚以后，我们可以通过有意的在晶体材料生长过程中掺杂引入有益缺陷，从而达到改善晶体料电学性能的目的。

2. 位错

一系列连续的点缺陷贯穿晶体某一区域，就形成了位错。当晶体晶格所受的应力超过了晶格发生弹性形变所需的弹力时，便可产生这种连续的缺陷。如果将晶体制作成一薄片，并经磨平和抛光，那么薄片上位错露头的地方在化学试剂腐蚀的作用下可表现出一些独特的腐蚀坑形貌。这些腐蚀坑形貌仅存在于位错附近一定距离内的位置处。半导体工业的砷化镓晶片加工技术中，规定单位面积腐蚀坑数量为晶片的位错密度(EtchPitDensity-EPD)。位错的存在，相当于在半导体内部形成了一个散射通道，这将会加速半导体中载流子的散射。如果用能带理论去描述的话，就相当于在禁带中引入了一个捕获中心，这样会改变晶片刻蚀时的性能效果，直接导致的后果是改变了器件的电性能。研究表明，在场效应晶体管中，由于位错效应，会给源沟道电流、栅电压、载流子浓度和衬底电阻率等带来不利影响。

3. 砷化镓中的杂质

在晶体生长过程中，会有意或无意地引入杂质。一般情况下，引入的杂质都是具有电活性的，但是有一些引进的污染会在晶体中形成空位，从而不具有电活性。规定掺入的杂质在半导体中要么是施主原子，要么是受主原子。施主原子是比其替代的原子多一个或一个以上的电子，这些多出的电子在晶体中可以自由移动从而形成电流；相反，受主原子是比其替代的原子少一个或一个以上的电子，因此，受主原子可以捕获晶体中的自由移动的电子。不管是在半导体中掺入哪一种类型的杂质，都会导致半导体材料电学性能的改变。浅施主杂质能级和浅受主杂质能级分别位于禁带中靠近导带和价带的3kT能量范围内。由于使杂质能级中的载流子跃迁到其对应的较高能级中所需能量非常小，所以在室温下，一般认为半导体中的杂质是完全电离的。

因为费米能级是表示能带中电子填充能级的水平，所以费米能级随所掺入的掺杂剂的种类而从中间位置移到杂质能级附近。换句话说，当掺入施主杂质时，费米能级将会移动靠近导带，费米能级与导带底的能级差随着掺杂浓度的增加而减小；受主杂质在导带中的行为与施主杂质恰恰相反。砷化镓中掺杂的目的就是为了引入浅施主或浅受主杂质。如果引进杂质的能级位于禁带宽度中心区域，则称这种杂质为深能级杂质。一般情况下，深能级杂质由于减少载流子的寿命从而会影响器件性能。两种类型的杂质，即不管是浅能级杂质还是深能级杂质，通过与砷原子或镓原子的复杂结合而存在于砷化镓晶体中。硅就是目前得到最广泛研究的一种掺杂剂，这种四族元素，在低温下与砷化镓作用，可形成p型材料，在高温下与砷化镓作用，可形成n型材料。铬在砷化镓中是深受主原子，它的杂质能级接近禁带中心位置，利用这一特点，可以在浅n型砷化镓材料中通过掺铬进行补偿而得到半绝缘材料。其它的元素，如铜、氧、硒、碲、锡等在砷化镓中的行为也得到了广泛的研究，这样，我们可根据器件设计的需求进行掺杂得到n型或p型砷化镓。

制备^[1]

制备GaAs单晶的方法有区熔法和液封直拉法。用扩散、离子注入、气相或液相外延及蒸发等方法可制成PN结、异质结、肖特基结和欧姆接触等。

主要参考资料

[1] 中国电力百科全书·电工技术基础卷

[2] 砷化镓材料

[3] 砷化镓材料的发展与前景