砷化镓的制备和使用1

   摘要：砷化镓（SaAs）半导体材料与传统的硅材料相比有着自己特有的属性。砷化镓属III-V族半导体,具有高速、高频、耐高温、低噪声和发光等特点.是继锗、硅之后最主要的半导体材料之一.它具有迁移率高,禁带宽度大(1.43eV),抗辐射等特点。因此我们在这里讲述一下砷化镓的制备和应用。

  英文摘要： Gallium arsenide (SaAs) semiconductor materials and the traditional material than silicon has their own special attributes. Gallium arsenide of iii-v semiconductor, high speed, high frequency, high temperature resistant, low noise and light, etc. Is the silicon germanium, after one of the most major semiconductor materials. It has a high mobility, forbidden band width big (1.43 eV), resist radiation etc. Characteristics. So here we describe a gallium arsenide of preparation and application.

 关键词：砷化镓、水平布里奇曼法（横拉法）、液态密封法、 制备、通讯应用

   引言：砷化稼材料是除硅单晶之外最重要、用途最广泛的化合物半导体材料之一。在微电子和光电子领域有巨大的应用空间，主要用于制作高速、高频、大功率电子器件。随着全球半导体产业的发展，砷化稼晶片的需求迅速增大，我们在这里就来研究一下砷化镓的制备和应用。

  内容：制作砷化镓的方法有两种：一种是水平布里奇曼法又叫横拉法；另一种叫做液态密封法又叫LEP法或者LEC法。前一种方法在密封石英系统中进行，污染少，纯度高。而第二种方法可以批量生产大直径具有一定晶向的单晶生产效率高。

  第一种常见的方法是水平水平法。下面我们介绍一下水平法　可以使合成与拉晶在一个设备内进行。在抽真空的石英管内，一端放置盛高纯镓的舟，另一端放高纯砷。镓端位于高温区，砷端位于低温区。升温后，砷扩散到镓中形成GaAs。当合成反应达到平衡后，再以定向结晶的方式进行晶体生长，生长速度为3～12mm／h，在整个拉晶过程中，砷端永远控制在610～620℃以保持砷的平衡压力。为了减少硅的污染，常在高低温之间设一中温区以防止反应产物向冷端扩散，称“三温区法”。此法的优点是设备简单，可制备多种掺杂剂的不同电阻率的单晶，能降低位错密度。缺点是截面为D形，需滚磨成圆形，造成材料的损耗；由于舟的污染，不能制备不掺杂高纯半绝缘GaAs单晶。用此法能生产掺碲或硅n＝1×10”～5×10”cm-3或掺锌p＝1×1017～1×1020cm-3以及掺铬的p＝1017Ω•cm的单晶，加工后的直径可达76mm圆片。单晶的位错密密度为500～10000cm-2。

               （水平法布里奇曼法制作砷化镓）  

  第二种常见的方法是液态密封法，也称LEP或LEC法。在高压单晶炉内进行。可以用合成后的多晶进行拉制；也可在炉内直接合成后进行拉晶，称为“原位合成法”。所用的坩埚为石英坩埚或热裂解氮化硼(PBN)坩埚，后者可以排除硅的污染。使用B。0。作覆盖剂。在原位合成阶段，炉内的压力要保持5～6MPa，在820rC左右，发生剧烈的反应；在拉晶过程中，炉内的压力为1～2MPa。炉内的压力靠氮气维持。该法的优点是：单晶的纯度高，适合制备非掺杂高纯半绝缘GaAs单晶；晶体的截面为圆形。缺点是：设备昂贵；单晶的位错高，虽然采取了各种措施，包括掺铟，也未能较好地解决。用此法生产直径为10。～150mm的单晶，品种以半绝缘GaAs为主。单晶的位错密度一般大于1×104cm-2。

     （液态密封法制作砷化镓）

  密封化合物熔体的惰性熔体应具备以下条件：一是密度比化合物材料小，溶化后能浮在化合物熔体上面；二是，透明，便于观察晶体生长的情况：三是，不与化合物及石英坩埚反应，而且在化合物及其组分中溶解度小。四是易提存，蒸汽压低，易融化，易去掉。所以对于这种制作工艺我们采用的是B2O3 。因为他具备了以上的所有。可是也有缺点便是他易吸水，在高温下对石英坩埚有轻微的腐蚀。造成一定的Si污染。那么如何抑制Si污染也是讨论砷化镓的重要方面所以要做的有以下措施（1）采用三温区横拉单晶炉改变炉的温度分布；（2）降低合成GaAs及拉晶时高温区温度；（3）压缩系统与GaAs熔体的体积比；（4）往反应系统中添加O2，Ga2O3，As2O3；（5）改变GaAs熔体与石英舟接触的状态。   

   在这种晶体中位错对器件有明显的影响，他会使发光器件发光不均匀，寿命短但他也能与点缺陷作用，减少缺陷一杂质络合物的形成，故生长低位错GaAs单晶有时也是器件所需求的。目前可以通过选择合适的籽晶，防止粘舟，调整单晶炉热场，稳定生长条件，以及采取缩颈等工艺措施，可以生长出无位错或者低 位错的GaAs单晶。

  如今的砷化镓已经成为除了Si以外的最重要的化合物这与其物理性质是分不开的。 主要物理性质见表。Ga．As在禁带结构及宽度、电子迁移率等方面具有明显的优点。   

砷化镓半导体材料与传统的硅材料相比，它的电子移动率约为硅材料的5 . 7

倍,。它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的特性。因此,广泛运用於高频及无线通讯(主要为超过1 G H z 以上的频率).适于制做IC 器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、GPS 全球导航等领域。砷化镓除在I C 产品应用以外,也可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应，达到所对应的光波波长,制作成光电元件。

  砷化镓IC器件在微电子领域应用市场主要表现在：无线通讯、光通讯、无线局域网、汽车电子产品、军事电子产品等方面。

  在最近这些年里，砷化镓的重要性越来越被人看重，其独特的性质可以说是在半导体材料中的一朵奇葩。砷化镓现在可以熟练地被应用在各种通讯，汽车，军事中，足以看到砷化镓的重要性。

  参考文献：[1]MichaelQuirk，JulianSerda著，韩郑生译.半导造技术「M〕.北京:电子工业出版社，2004；

           [2]半导体材料.山东：山东大学出版社；

           [3]叶式中，杨树人，康昌鹤。半导体材料及其应用.北京：机械工业出版社，1986；

           [4]莫党。半导体材料.北京：人民教育出版社.1963.