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1、第4章 化合物半导体材料基础 n 4.1 化合物半导体材料概述 按化学组分分类，化合物半导体是由两种或两种以上元素以确定原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物，其次是三元和多元化合物及某些稀土化合物。目前已经得到实用的二元化合物半导体材料只有部分-族、-族、-族及-族化合物等，涉及的相关元素如图所示。化合物半导体相关元素 化合物及其固溶体的品种繁多，性能各异，给应用扩大了选择。在光电子方面，所有的发光二极管、激光二极管都是用化合物半导体制成的，已获工业应用的有GaAs、GaN、GaP、GaAlAs、Ga
2、AsP、InGaAsP等；用作光敏元件、光探测器、光调制器的有InAsP、CdS、CdSe、CdTe、GaAs等；一些宽禁带半导体（SiC、ZnSe等）、三元化合物具有光电子应用的潜力；GaAs是制作超高速集成电路的最主要的材料；微波器件的制作是使用GaAs、InP、GaAlAs等；红外器件则用GaAs、GaAlAs、CdTe、HgCdTe、PbSnTe等；太阳电池是使用CdS、CdTe、CulnSe2、GaAs、GaAlAs等。n 4.2 化合物半导体单晶的制备 n 4.2.1-族化合物半导体单晶的制备 1.水平布里奇曼法 2.液态密封法液态密封法拉制单晶示意图 水平布里奇曼法的装置利温度分
3、布图 n 4.2.2-族化合物半导体单晶的制备 -族化合物单晶的生长方法有垂直布里奇曼法、升华法、移动加热法等。1.垂直布里奇曼法 2.升华法 3.移动加热法 导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。垂直布里奇曼炉及炉温分布 升华法制备-族化合物单晶材料的装置及温度分布图 移动加热法示意图 n 4.3 化合物半导体外延生长技术 n 4.3.1 气相外延生长 MOVPE技术是于1968年提出来的生长化合物半导体薄层晶体的方法，又称为MOCVD，它是采用族、族元素的有机化合物和族、族元素的氢
4、化物等作为晶体生长的原材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长-族、-族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶。例如用TMG与AsH3反应生长GaAs。Ga（CH3）3+AsH3 GaAs+CH4 MOVPE技术主要特点有：（1）生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器。可精确控制各种气体的流量，控制外延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚度等特性。可以生长纳米级的薄层和多层结构。（2）反应器中气体流速快，气体改变迅速，改变多元化合物组分和杂质浓度时，杂质分布陡峭，过渡层薄，利于生长异质和多层结构。（3）晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要控制的参数少，设备简单。便于多片
5、和大片外延生长，有利于批量生长。（4）晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。（5）源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物，因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。MOVPE工艺流程示意图 n 4.3.2 4.3.2 液相外延生长液相外延生长 液相外延技术（LPE），是一种从生长界面处于饱和状态的熔融溶液中进行沉积，借以在单晶衬底上生长外延层的技术。与其他外延技术相比，液相外延有以下优点：1）生长设备比较简单；2）生长速率快；3）外延材料纯度比较高；4）掺杂剂选择范围较广泛；5）外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；6）成分和厚度
6、都可以比较精确的控制，重复性好；7）操作安全，没有汽相外延中反应气体和反应产物所造成的高毒、易燃、易爆和强腐蚀等危险。液相外延系统配置 n 1.液相外延生长原理和生长方法 1）生长原理 液相外延生长的基础是溶质在液态溶剂内的溶解度随温度降低而减少。因此一个饱和溶液，在它与单晶衬底接触后被冷却时，如条件适宜，就会有溶质析出，析出的溶质就外延生长在衬底上。GaAs液相外延生长原理 n 2.液相外延工艺过程 1）外延生长前的准备工作 （1）石墨舟处理。（2）反应管处理。（3）炉温设定。（4）衬底制备。（5）生长源称量。（6）生长源腐蚀清洗。2）外延生长步骤 （1）开炉 （2）烧杯和量桶清洗。（3）称
7、Ga和装Ga。（4）抽真空和通氢气。（5）脱氧。（6）装源。（7）熔源。（8）外延生长。（9）关炉取片。n 4.3.3 其他外延生长技术 1.分子束外延（MBE）分子束外延技术主要是一种可在原子尺度上精确控制外延层厚度、掺杂和界面平整度的半导体超薄层单晶薄膜制备技术，可用以直接生长制备出二维、一维、零维的纳米结构。2.溅射 溅射过程可定义为因受到高能投射粒子的撞击而引起的靶粒子喷射。溅射是物理过程而不是化学过程。因此该技术极适于生长熔点和蒸汽压大不相同的元素组分所构成的化合物与合金。主要溅射方法包括：1.辉光放电溅射 2.离子束溅射n 4.4 化合物半导体的应用 n 4.4.1 发光二极管的显
8、示和照明方面的应用 发光二极管简称LED，是在半导体p-n结或与其类似的结构加正向电流时以高效率发出可见光、近红外光或近紫外光的器件。按照不同半导体基本材料的物理特性，发光二极管所产生的光的波长是不同的。商品化LED的材料、颜色和生长技术 n 4.4.2 集成电路方面的应用 1.砷化镓（GaAs）GaAs是继Si之后发展最快的第二化化合物半导体材料。是一种性能优异的窄禁带半导体材料，被广泛的用于各种光电子器件中。2.磷化铟（InP）InP是一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光纤通信用的激光器、探测器、网络光通信用的集成电路以及高频微波，毫未波器件等。3.氮化镓（GaN）GaN作为第三代宽带半导体的典型代表，具有禁宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高，抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优异特性。n 4.4.3 太阳能电池方面的应用 太阳能电池 GaAs为直接跃迁型化合物半导体，是非常理想的半导体太阳能电池材料，在GaAs单晶衬底上生长的单结电池效率已超过25%，大都采用液相外延工艺。GaAs又可与其它-族元素形成三元或四元固溶体半导体，能续改变其带隙和晶格参数，从而易于制备多结、高效电池。（Ga）Se2（CIGS）太阳能电池 CuIn（Ga）Se2（CIGS）或CuInSe2（CIS）是最重要的多元半导体光伏材料系统，由于具有优良的光电性能而受到光伏产业界的高度重视。电池