化合物半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料

化合物半導(dǎo)體材料III－V族化合物半導(dǎo)體材料II－VI族化合物半導(dǎo)體材料4.1常見的III-V化合物半導(dǎo)體化合物晶體結(jié)構(gòu)帶隙niunupGaAs閃鋅礦1.421.3×1068500320GaP閃鋅礦2.27150120GaN纖鋅礦3.490010InAs閃鋅礦0.358.1×10143300450InP閃鋅礦1.356.9×1075400150InN纖鋅礦2.054400AlN纖鋅礦6.2430014III-V族化合物半導(dǎo)體性質(zhì)（1）帶隙較大－－帶隙大于1.1eV（2）直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)－－光電轉(zhuǎn)換效率高（3）電子遷移率高－－高頻、高速器件帶隙和溫度的關(guān)系計(jì)算：GaAs300K和400K下的帶隙晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)離子鍵和極性共價(jià)鍵－－沒有極性離子鍵－－有極性兩者負(fù)電性相差越到，離子鍵成分越大，極性越強(qiáng)。極性的影響（1）解理面－－密排面（2）腐蝕速度－－B面易腐蝕（3）外延層質(zhì)量－－B面質(zhì)量好（4）晶片加工－－不對(duì)稱性4.1.1GaAS能帶結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)GaAs能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)雙能谷輕空穴和重空穴帶隙為1.42eVGaAs物理性質(zhì)GaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤分子量為144.64原子密度4.42×1022/cm3GaAs化學(xué)性質(zhì)GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應(yīng)，易溶于王水室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定加熱到6000C開始氧化，加熱到8000C以上開始離解GaAs電學(xué)性質(zhì)電子的速度有效質(zhì)量越低，電子速度越快GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3用GaAs制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快3~4倍高頻器件，軍事上應(yīng)用本征載流子濃度GaAs光學(xué)性質(zhì)直接帶隙結(jié)構(gòu)發(fā)光效率比其它半導(dǎo)體材料要高得多，可以制備發(fā)光二極管，光電器件和半導(dǎo)體激光器等4.1.2GaAs的應(yīng)用GaAs在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢(shì)GaAs是功率放大器的主流技術(shù)1）GaAs在無線通訊方面砷化鎵晶片與硅晶片主要差別，在于它是一種“高頻”傳輸使用的晶片，由于其頻率高，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸品質(zhì)好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低，適合傳輸影音內(nèi)容，符合現(xiàn)代遠(yuǎn)程通訊要求。一般訊息在傳輸時(shí)，因?yàn)榫嚯x增加而使所能接收到的訊號(hào)越來越弱，產(chǎn)生“聲音不清楚”甚至“收不到信號(hào)”的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點(diǎn)，在于傳輸時(shí)的功率損耗比硅晶片小很多，成功克服訊號(hào)傳送不佳的障礙。砷化鎵具有抗輻射性，不易產(chǎn)生信號(hào)錯(cuò)誤，特別適用于避免衛(wèi)星通訊時(shí)暴露在太空中所產(chǎn)生的輻射問題。砷化鎵與硅元件特性比較砷化鎵硅最大頻率范圍2～300GHz<1GHz最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率高低抗輻射性高低具光能是否高頻下使用雜訊少雜訊多，不易克服功率耗損小高元件大小小大材料成本高低產(chǎn)品良率低高應(yīng)用領(lǐng)域頻率范圍個(gè)人通訊服務(wù)900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS）2.2～2.4GHz（3Gwireless）有線電視50～1000MHzGPS1.6GHz衛(wèi)星電視11～13GHzWirelessLAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-pointRadio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型衛(wèi)星地面站）6、14、28GHz衛(wèi)星移動(dòng)電話1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）寬頻衛(wèi)星服務(wù)28GHz汽車?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)76～77GHz電子收費(fèi)系統(tǒng)5.8GHzGaAs非常適合高頻無線通訊2）GaAs是功率放大器的主流技術(shù)砷化鎵具備許多優(yōu)異特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基頻部分以處理數(shù)字信號(hào)為主，內(nèi)部組件多為主動(dòng)組件、線路分布密集，故以細(xì)微化和高集成度純硅CMOS制程為主。手機(jī)中重要關(guān)鍵零部件功率放大器（PowerAmplifier，PA），由于對(duì)放大功率的嚴(yán)格要求，因此使用GaAs制造將是最佳方式。GaAs在無線通訊射頻前端應(yīng)用具有高工作頻率、低噪聲、工作溫度使用范圍高以及能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在未來幾年內(nèi)仍是高速模擬電路，特別是功率放大器的主流制程技術(shù)。手機(jī)是促進(jìn)GaAsIC市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Ω鶕?jù)StrategyAnalytics的報(bào)告，手機(jī)仍將是促進(jìn)砷化鎵（GaAs）IC市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Α?004年GaAs芯片市場(chǎng)29億美元，2008年將達(dá)37億美元GaAs器件市場(chǎng)將繼續(xù)主要依賴無線市場(chǎng)，手機(jī)市場(chǎng)是主要增長(zhǎng)動(dòng)力，2003年無線市場(chǎng)占GaAs器件總體需求的41%以上，來自汽車?yán)走_(dá)等其它應(yīng)用的需求將會(huì)增長(zhǎng)，但2008年手機(jī)仍將至少占GaAs市場(chǎng)的33%隨著手機(jī)需求成長(zhǎng)，以及每支手機(jī)所需PA從單頻增為雙頻和三頻，預(yù)計(jì)光手機(jī)這項(xiàng)需求，2008年GaAs芯片將達(dá)到30億顆國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀對(duì)比目前我國(guó)在研制通信用砷化鎵器件方面尚處于起步階段。手機(jī)用砷化鎵電路基本靠進(jìn)口。隨著我國(guó)通信產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)砷化鎵器件需求越來越大。砷化鎵電路用于手機(jī)的功放和開關(guān)部分，還可用于移動(dòng)通信基站、光通信、衛(wèi)星通信、CATV、軍事通信等重要用途，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。3）GaAs還有更多的應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信具有高速、大容量、信息多的特點(diǎn)，是構(gòu)筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信傳輸系統(tǒng)，其收發(fā)系統(tǒng)均需要采用GaAs超高速專用電路。隨著光電子產(chǎn)業(yè)和自動(dòng)化的發(fā)展，用作顯示器件LED、測(cè)距、玩具、條形碼識(shí)別等應(yīng)用的高亮度發(fā)光管、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器等均有極大市場(chǎng)需求，還有GaAs基高效太陽能電池的用量也十分大，對(duì)低阻低位錯(cuò)GaAs產(chǎn)業(yè)的需求十分巨大而迫切。我國(guó)數(shù)十億只LED管芯，所有的可見光激光器、高亮度發(fā)光管、近紅外激光器等幾乎都依靠進(jìn)口，因此生產(chǎn)高質(zhì)量的低阻GaAs單晶，促進(jìn)LED管芯、可見光激光器、高亮度發(fā)光管和高效率高效太陽能電池的商品化生產(chǎn)，將有力地發(fā)展我國(guó)民族的光電子產(chǎn)業(yè)。4.1.2InP1910年，蒂爾合成出InP，是最早制備出來的III-V族化合物；InP單晶體呈暗灰色，有金屬光澤室溫下與空氣中穩(wěn)定，3600C下開始離解InP特性高電場(chǎng)下，電子峰值漂移速度高于GaAs中的電子，是制備超高速、超高頻器件的良好材料；InP作為轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)器件材料，某些性能優(yōu)于GaAsInP的直接躍遷帶隙為1.35eV，正好對(duì)應(yīng)于光纖通信中傳輸損耗最小的波段；InP的熱導(dǎo)率比GaAs好，散熱效能好InP是重要的襯底材料4.1.3GaN寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬度（2.3～6.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜范圍，是到目前為止其它任何半導(dǎo)體材料都無法達(dá)到的GaN禁帶寬度為3.4eVGaN性質(zhì)高頻特性，可以達(dá)到300GHz（硅為10G，砷化鎵為80G）高溫特性，在300℃正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境）電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）高壓特性（耐沖擊，可靠性高）大功率（對(duì)通訊設(shè)備是非?？释模┌l(fā)光二極管LED發(fā)光二極管Light-EmittingDiode是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)通過正向電流時(shí)，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放出能量。LED應(yīng)用半導(dǎo)體白光照明車內(nèi)照明交通信號(hào)燈裝飾燈大屏幕全彩色顯示系統(tǒng)太陽能照明系統(tǒng)其他照明領(lǐng)域紫外、藍(lán)光激光器高容量藍(lán)光DVD、激光打印和顯示、軍事領(lǐng)域等LED照明的優(yōu)點(diǎn)發(fā)光效率高，節(jié)省能源耗電量為同等亮度白熾燈的10%-20%，熒光燈的1/2。綠色環(huán)保冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，產(chǎn)生廢物少壽命長(zhǎng)壽命可達(dá)10萬小時(shí)固體光源、體積小、重量輕、方向性好單個(gè)單元尺寸只有3~5mm響應(yīng)速度快，并可以耐各種惡劣條件低電壓、小電流半導(dǎo)體照明是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一地區(qū)＼條件·效益

條件

能源節(jié)約

降低二氧化碳排放

美國(guó)

5％白熾燈及55％日光燈被白光LED取代

每年節(jié)省350億美元電費(fèi)。

每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。

日本

100％白熾燈被白光LED取代

可少建1-2座核電廠。

每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。

臺(tái)灣

25％白熾燈及100％日光燈被白光LED取代

節(jié)省110億度電，約合1座核電廠發(fā)電量。

美國(guó)半導(dǎo)體照明計(jì)劃從2000年起國(guó)家投資5億美元到2010年55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈取代每年節(jié)電達(dá)350億美元2015年形成每年500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)日本21世紀(jì)照明計(jì)劃投入資金50億日元到2007年30%的白熾燈被置換為半導(dǎo)體照明燈高亮度白光LED的實(shí)現(xiàn)基于藍(lán)光LED，通過黃色熒光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光通過紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光Ge：Eg＝0.67eV紅光GaP：Eg＝2.25eV綠光GaN：Eg＝3.4eV藍(lán)光日亞公司1994年首創(chuàng)用MOCVD制備了GaNLED市場(chǎng)分布分析2003年全球GaN基LED芯片產(chǎn)量按全球LED市場(chǎng)劃分，目前市場(chǎng)主要集中在日本、美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，僅日本、美國(guó)市場(chǎng)就占到全球的60％以上。按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，目前，高亮度LED主要用途及市場(chǎng)有顯示器背光源（如手機(jī)、PDA）、標(biāo)志（如戶外顯示）、景觀照明、汽車、電子設(shè)備、交通信號(hào)燈及照明等。

氮化鎵與其它半導(dǎo)體材料的比較特性單位半導(dǎo)體材料硅砷化鎵磷化銦碳化硅氮化鎵能階帶eV1.11.421.352.33.44300K電子遷移Cm2/vs1500850054007001000~2000飽和電壓107cm/s1.01.31.02.01.3臨界崩潰場(chǎng)效MV/cm0.30.40.53.03.0熱傳導(dǎo)V/cm*k1.50.50.74.5>1.5介電常數(shù)ε11.812.812.510.09.0GaN的應(yīng)用1.實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明。國(guó)內(nèi)外倍加關(guān)注的半導(dǎo)體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀(jì)照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度發(fā)光二極管的研制是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的核心技術(shù)和基礎(chǔ)。2.提高光存儲(chǔ)密度.DVD的光存儲(chǔ)密度與作為讀寫器件的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)平方成反比，如果DVD使用GaN基短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，則其光存儲(chǔ)密度將比當(dāng)前使用GaAs基半導(dǎo)體激光器的同類產(chǎn)品提高4－5倍，因此，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)還將成為光存儲(chǔ)和處理的主流技術(shù)。3.改善軍事系統(tǒng)與裝備性能。高溫、高頻、高功率微波器件是雷達(dá)、通信等軍事領(lǐng)域急需的電子器件，如果目前使用的微波功率管輸出功率密度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，微波器件的工作溫度將提高到300℃，不僅將大大提高雷達(dá)（尤其是相控陣?yán)走_(dá)）、通信、電子對(duì)抗以及智能武器等軍事系統(tǒng)與裝備的性能，而且將解決航天與航空用電子裝備以及民用移動(dòng)通信系統(tǒng)的一系列難題。4.2II-VI族化合物半導(dǎo)體材料II-VI族化合物離子鍵成分更多，極性更強(qiáng)，具有更高的蒸氣壓，生長(zhǎng)單晶更為困難。II-VI族化合物均為直接躍遷帶隙結(jié)構(gòu)，帶隙比III-V族要大化合物晶體結(jié)構(gòu)帶隙unupZnO纖鋅礦3.371000180ZnS閃鋅礦3.6660040ZnS纖鋅礦3.74280100ZnSe閃鋅礦2.7262530ZnSe纖鋅礦2.72560110ZnTe閃鋅礦2.2340100ZnTe纖鋅礦2.80帶隙和溫度的關(guān)系自補(bǔ)償