背景及概述[1]
砷化鎵是一種化合物半導(dǎo)體材料，分子式GaAs。立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)，即由As和Ga兩種原子各自組成面心立方晶格套構(gòu)而成的復(fù)式晶格，其晶格常數(shù)是5.6419A。室溫下禁帶寬度1.428eV，是直接帶隙半導(dǎo)體，熔點(diǎn)1238℃，質(zhì)量密度5.307g/cm3，電容率13.18。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，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。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。
結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[2]
砷化鎵晶格是由兩個(gè)面心立方(fcc)的子晶格(格點(diǎn)上分別是砷和鎵的兩個(gè)子晶格)沿空間體對(duì)角線位移1/4套構(gòu)而成。這種晶體結(jié)構(gòu)在物理學(xué)上稱之為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。圖1給出了砷化鎵晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖，表1給出了在室溫下目前已知砷化鎵半導(dǎo)體材料的物理、電學(xué)參數(shù)。
關(guān)于砷化鎵的化學(xué)組成形式，III-V族化合物共價(jià)鍵模型認(rèn)為：這類化合物形成四面體共價(jià)結(jié)合，成鍵時(shí)III族原子提供3個(gè)s2p1組態(tài)的價(jià)電子，而V族原子提供5個(gè)s2p3組態(tài)的價(jià)電子，它們之間平均每個(gè)原子有四個(gè)價(jià)電子，正好可用作形成四面體共價(jià)結(jié)合之用。這類化合物以共價(jià)結(jié)合為主，但卻混雜有部分離子結(jié)合性質(zhì)。這是由于V族元素的電負(fù)性比III族元素大，組成晶體時(shí)，部分電子將從電負(fù)性低的原子(III族元素)轉(zhuǎn)移到電負(fù)性較高的原子(V族元素)中去，電荷的這種轉(zhuǎn)移(極化)使III族元素帶正電，V族元素帶負(fù)電。如果引用有效電荷Z*e這個(gè)概念來描述這種電荷轉(zhuǎn)移的程度，則“共價(jià)鍵”模型可認(rèn)為砷化鎵晶體以共價(jià)結(jié)合為主，但混雜有部分離子結(jié)合性質(zhì)，每個(gè)離子帶有效電荷Z*e
用途[3]
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。
1. 砷化鎵電子器件的開發(fā)和利用
根據(jù)砷化鎵材料電子遷移率高的特性，它是開發(fā)超高速計(jì)算機(jī)很理想的器件材料。它的電子遷移率比硅高約5倍，它的運(yùn)算速度比硅器件也高許多。在上世紀(jì)70-80年代，人們紛紛預(yù)測(cè)并看好砷化鎵材料將在超高速計(jì)算機(jī)的發(fā)展中起著重要作用，并投入了相當(dāng)?shù)娜肆拓?cái)力進(jìn)行研究。然而，由于一些技術(shù)和成本問題，加之異軍突起而開發(fā)出的硅材料互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體成電路，其工作電壓低、功耗較低、速度較快、成本低，能滿足當(dāng)時(shí)的器件需要。因此，形成了對(duì)砷化鎵的競(jìng)爭(zhēng)壓力，致使砷化鎵開發(fā)超高速計(jì)算機(jī)暫時(shí)放緩了速度。近年，隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，許多軍用技術(shù)都轉(zhuǎn)入民用。由于砷化鎵材料所獨(dú)具的高頻、高速、低噪聲、低工作電壓特性，它在信息的高頻高速傳送和數(shù)字化的處理方面，發(fā)揮著重大的作用。用砷化鎵材料所開發(fā)出的電子器件：如金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、高遷移率晶體管、微波單片集電路、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（CDB）等在移動(dòng)通訊、光纖通訊、衛(wèi)星廣播通訊、報(bào)處理以及其它一些領(lǐng)域發(fā)揮著硅器件不可替代的作用，這些應(yīng)用的推廣大大推動(dòng)了砷化鎵材料的發(fā)展。
2. 砷化鎵光電器件的應(yīng)用
砷化鎵光電器件的應(yīng)用方面：可見光發(fā)光二極管。由于它體積小、節(jié)能、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用于家電、辦公設(shè)備、廣告牌、交通信號(hào)燈及汽車尾燈等；紅外發(fā)光二極管。用作遙控器、光隔離器、編碼器及34機(jī)、辦公設(shè)備的無線連接、近距離情報(bào)傳送等；激光器。廣泛應(yīng)用于CD、MD、DVD及醫(yī)療和其它一些工業(yè)領(lǐng)域；砷化鎵太陽電池用于衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域。砷化鎵器件的這些廣泛的軍、民領(lǐng)域的使用，極大地推動(dòng)了摻雜導(dǎo)電性砷化鎵的發(fā)展。
缺陷[4]
技術(shù)人員在努力地提高晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量，但晶體中還是包含大量的點(diǎn)缺陷，位錯(cuò)和雜質(zhì)。這些晶體缺陷總是時(shí)時(shí)刻刻在影響著砷化鎵器件的性能。這些缺陷的形成主要由向材料中摻雜的方式和生長(zhǎng)時(shí)的條件狀態(tài)決定。
1.點(diǎn)缺陷
晶體中原子尺度范圍內(nèi)的缺陷，稱為點(diǎn)缺陷?？纱嬖谟谕昝谰w或非完美晶體中。點(diǎn)缺陷包括晶格中的空位，填隙原子，錯(cuò)位原子，在晶體生長(zhǎng)過程中有意或無意引入的雜質(zhì)原子。研究這些點(diǎn)缺陷在晶體中的行為具有十分重要的意義，因?yàn)檫@些缺陷的行為效應(yīng)及缺陷類型對(duì)材料中載流子的散射、載流子數(shù)量有較大的影響，將直接關(guān)系到材料的電學(xué)性能的穩(wěn)定。當(dāng)這些機(jī)理研究清楚以后，我們可以通過有意的在晶體材料生長(zhǎng)過程中摻雜引入有益缺陷，從而達(dá)到改善晶體料電學(xué)性能的目的。
2. 位錯(cuò)
一系列連續(xù)的點(diǎn)缺陷貫穿晶體某一區(qū)域，就形成了位錯(cuò)。當(dāng)晶體晶格所受的應(yīng)力超過了晶格發(fā)生彈性形變所需的最大彈力時(shí)，便可產(chǎn)生這種連續(xù)的缺陷。如果將晶體制作成一薄片，并經(jīng)磨平和拋光，那么薄片上位錯(cuò)露頭的地方在化學(xué)試劑腐蝕的作用下可表現(xiàn)出一些獨(dú)特的腐蝕坑形貌。這些腐蝕坑形貌僅存在于位錯(cuò)附近一定距離內(nèi)的位置處。半導(dǎo)體工業(yè)的砷化鎵晶片加工技術(shù)中，規(guī)定單位面積腐蝕坑數(shù)量為晶片的位錯(cuò)密度(EtchPitDensity-EPD)。位錯(cuò)的存在，相當(dāng)于在半導(dǎo)體內(nèi)部形成了一個(gè)散射通道，這將會(huì)加速半導(dǎo)體中載流子的散射。如果用能帶理論去描述的話，就相當(dāng)于在禁帶中引入了一個(gè)捕獲中心，這樣會(huì)改變晶片刻蝕時(shí)的性能效果，直接導(dǎo)致的后果是改變了器件的電性能。研究表明，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，由于位錯(cuò)效應(yīng)，會(huì)給源溝道電流、柵電壓、載流子濃度和襯底電阻率等帶來不利影響。
3. 砷化鎵中的雜質(zhì)
在晶體生長(zhǎng)過程中，會(huì)有意或無意地引入雜質(zhì)。一般情況下，引入的雜質(zhì)都是具有電活性的，但是有一些引進(jìn)的污染會(huì)在晶體中形成空位，從而不具有電活性。規(guī)定摻入的雜質(zhì)在半導(dǎo)體中要么是施主原子，要么是受主原子。施主原子是比其替代的原子多一個(gè)或一個(gè)以上的電子，這些多出的電子在晶體中可以自由移動(dòng)從而形成電流；相反，受主原子是比其替代的原子少一個(gè)或一個(gè)以上的電子，因此，受主原子可以捕獲晶體中的自由移動(dòng)的電子。不管是在半導(dǎo)體中摻入哪一種類型的雜質(zhì)，都會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的改變。淺施主雜質(zhì)能級(jí)和淺受主雜質(zhì)能級(jí)分別位于禁帶中靠近導(dǎo)帶和價(jià)帶的3kT能量范圍內(nèi)。由于使雜質(zhì)能級(jí)中的載流子躍遷到其對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)中所需能量非常小，所以在室溫下，一般認(rèn)為半導(dǎo)體中的雜質(zhì)是完全電離的。
因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)是表示能帶中電子填充能級(jí)的水平，所以費(fèi)米能級(jí)隨所摻入的摻雜劑的種類而從中間位置移到雜質(zhì)能級(jí)附近。換句話說，當(dāng)摻入施主雜質(zhì)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)將會(huì)移動(dòng)靠近導(dǎo)帶，費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶底的能級(jí)差隨著摻雜濃度的增加而減小；受主雜質(zhì)在導(dǎo)帶中的行為與施主雜質(zhì)恰恰相反。砷化鎵中摻雜的目的就是為了引入淺施主或淺受主雜質(zhì)。如果引進(jìn)雜質(zhì)的能級(jí)位于禁帶寬度中心區(qū)域，則稱這種雜質(zhì)為深能級(jí)雜質(zhì)。一般情況下，深能級(jí)雜質(zhì)由于減少載流子的壽命從而會(huì)影響器件性能。兩種類型的雜質(zhì)，即不管是淺能級(jí)雜質(zhì)還是深能級(jí)雜質(zhì)，通過與砷原子或鎵原子的復(fù)雜結(jié)合而存在于砷化鎵晶體中。硅就是目前得到最廣泛研究的一種摻雜劑，這種四族元素，在低溫下與砷化鎵作用，可形成p型材料，在高溫下與砷化鎵作用，可形成n型材料。鉻在砷化鎵中是深受主原子，它的雜質(zhì)能級(jí)接近禁帶中心位置，利用這一特點(diǎn)，可以在淺n型砷化鎵材料中通過摻鉻進(jìn)行補(bǔ)償而得到半絕緣材料。其它的元素，如銅、氧、硒、碲、錫等在砷化鎵中的行為也得到了廣泛的研究，這樣，我們可根據(jù)器件設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行摻雜得到n型或p型砷化鎵。
制備[5]
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。
主要參考資料
[1] 中國(guó)電力百科全書·電工技術(shù)基礎(chǔ)卷
[2] 砷化鎵材料
[3] 砷化鎵材料的發(fā)展與前景
