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1、第四章 化合物半导体 材料李斌斌化合物半导体材料nIIIV族化合物半导体材料nIIVI族化合物半导体材料4.1 常见的III-V化合物半导体化合物晶体结 构带隙niunupGaAs闪锌矿1.421.31068500320GaP闪锌矿2.27150120GaN纤锌矿3.490010InAs闪锌矿0.358.110143300450InP闪锌矿1.356.91075400150InN纤锌矿2.054400AlN纤锌矿6.2430014III-V族化合物半导体性质（1）带隙较大带隙大于1.1eV（2）直接跃迁能带结构 光电转换效率高（3）电子迁移率高高频、高速器件带隙和温度的关系计算：GaAs 30
2、0 K和400 K下的带隙晶体结构金刚石结构闪锌矿结构纤锌矿结构离子键和极性n共价键没有极性n离子键有极性n两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。极性的影响（1）解理面密排面（2）腐蚀速度B面易腐蚀（3）外延层质量B面质量好（4）晶片加工不对称性4.1.1 GaASn能带结构n物理性质n化学性质n电学性质n光学性质GaAs能带结构n直接带隙结构n双能谷n轻空穴和重空穴n带隙为1.42 eVGaAs物理性质nGaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽n分子量为144.64n原子密度4.421022/cm3GaAs化学性质nGaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应 ，易溶于王水n室温下，GaAs在
3、水蒸气和氧气中稳定n加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开 始离解GaAs电学性质n电子的速度n有效质量越低，电子速 度越快nGaAs中电子有效质量为 自由电子的1/15，是硅 电子的1/3n用GaAs制备的晶体管开 关速度比硅的快34倍n高频器件，军事上应用本征载流子浓度GaAs光学性质n直接带隙结构n发光效率比其它半导体材料要高得多，可 以制备发光二极管，光电器件和半导体激 光器等4.1.2 GaAs的应用nGaAs在无线通讯方面具有众多优势nGaAs是功率放大器的主流技术1）GaAs在无线通讯方面n砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频”传 输使用的晶片，由于其频率高，
4、传输距离远，传输品质 好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合传 输影音内容，符合现代远程通讯要求。n一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号”的情 形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传 输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不 佳的障碍。n砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。砷化镓与硅元件特性比较砷化镓硅最大频率范围2300GHz1.5介电常 数11.812.812.510.09.0GaN的应用n1. 实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新 型
5、的高效、节能和环保光源，将取代目 前使用的大部分传统光源，被称为21世 纪照明光源的革命，而GaN基高效率、 高亮度发光二极管的研制是实现半导体 照明的核心技术和基础。n2. 提高光存储密度.DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光 器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波 长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用 GaAs基半导体激光器的同类产品提高45倍，因 此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的 主流技术。n3. 改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军 事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功 率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的 工作
6、温度将提高到300，不仅将大大提高雷达（ 尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能 武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天 与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系 列难题。4.2 II-VI族化合物半导体材料nII-VI族化合物离子键成分更多，极性更强 ，具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难 。nII-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带 隙比III-V族要大化合物晶体结构带隙unup ZnO纤锌矿3.371000180ZnS闪锌矿3.6660040ZnS纤锌矿3.74280100ZnSe闪锌矿2.7262530ZnSe纤锌矿2.72560110ZnTe闪锌矿2.2340100ZnTe纤锌矿2.80带隙和温度的关系自补偿n自补偿概念n补偿中心：金属空位和硫属元素空位n“两性”杂质Marfaring模型n实验中并没有观察到“单独”的金属离子空 位，而只有金属离子空位与施主杂质的复 合体n高温下，材料中存在着中性的和电离的点 缺陷n冷却过程中，空位和杂质相互作用形成复 合体不易制成n型或者p型材料容易制成n型或者p型材料应用n重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都 是直接带隙，发光效率高n制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等nZnS，薄膜场致发光显示器nCdTe高能辐射，高能粒子探测器n太阳电池，CdS/CdTe 理论转换效率30%其它材料n见教材
