砷化鎵材料國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、1砷化鎵材料國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)砷化鎵材料國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所紀(jì)秀峰1引言引言化合物半導(dǎo)體材料的研究可以追溯到上世紀(jì)初，最早報(bào)導(dǎo)的是1910年由Thiel等人研究的InP材料。1952年，德國(guó)科學(xué)家Welker首次把ⅢⅤ族化合物作為一種新的半導(dǎo)體族來(lái)研究，并指出它們具有Ge、Si等元素半導(dǎo)體材料所不具備的優(yōu)越特性。五十多年來(lái)，化合物半導(dǎo)體材料的研究取得了巨大進(jìn)展，在微電子和光電子領(lǐng)域也得到了日益廣泛的應(yīng)

2、用。砷化鎵（GaAs）材料是目前生產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛，因而也是最重要的化合物半導(dǎo)體材料，是僅次于硅的最重要的半導(dǎo)體材料。由于其優(yōu)越的性能和能帶結(jié)構(gòu)，使砷化鎵材料在微波器件和發(fā)光器件等方面具有很大發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳吧榛壊牧系南冗M(jìn)生產(chǎn)技術(shù)仍掌握在日本、德國(guó)以及美國(guó)等國(guó)際大公司手中，與國(guó)外公司相比國(guó)內(nèi)企業(yè)在砷化鎵材料生產(chǎn)技術(shù)方面還有較大差距。2砷化鎵材料的性質(zhì)及用途砷化鎵材料的性質(zhì)及用途砷化鎵是典型的直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值

3、均處于布里淵區(qū)中心，即K=0處，這使其具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率，是制備光電器件的優(yōu)良材料。在300K時(shí)，砷化鎵材料禁帶寬度為1.42eV，遠(yuǎn)大于鍺的0.67eV和硅的1.12eV，因此，砷化鎵器件可以工作在較高的溫度下和承受較大的功率。砷化鎵（GaAs）材料與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，它具電子遷移率高、禁帶寬度大、直接帶隙、消耗功率低等特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無(wú)線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速

4、、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于無(wú)線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。除在IC產(chǎn)品應(yīng)用以外，砷化鎵材料也可加入其它元素改變其能帶結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生光電效應(yīng)，制成半導(dǎo)體發(fā)光器件，還可以制做砷化鎵太陽(yáng)能電池。表1砷化鎵材料的主要用途砷化鎵材料的主要用途材料名稱制作器件主要用途砷化鎵各種微波器件雷達(dá)、微波通訊、電視、移動(dòng)通訊3生產(chǎn)的主要是2英寸和3英寸晶體，報(bào)道的HB法砷化鎵最大晶體直徑為4英寸。目前采用HB工藝進(jìn)行砷化鎵材料生產(chǎn)的公司

5、已經(jīng)不多，隨著VB和VGF工藝的日漸成熟，HB工藝有被逐漸取代的趨勢(shì)。3.3垂直布里其曼法（VerticalBridgman，簡(jiǎn)稱VB）VB法是上世紀(jì)80年代末開始發(fā)展起來(lái)的一種晶體生長(zhǎng)工藝，將合成好的砷化鎵多晶、B2O3以及籽晶裝入PBN坩堝并密封在抽真空的石英瓶中，爐體垂直放置，采用電阻絲加熱，石英瓶垂直放入爐體中間。高溫下將砷化鎵多晶熔化后與籽晶進(jìn)行熔接，然后通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由支撐桿帶動(dòng)石英瓶與坩堝向下移動(dòng)，在一定的溫度梯度下，單

6、晶從籽晶端開始緩慢向上生長(zhǎng)。VB法即可以生長(zhǎng)低阻砷化鎵單晶，也可以生長(zhǎng)高阻半絕緣砷化鎵單晶。晶體的平均EPD在5000個(gè)cm2以下。3.4垂直梯度凝固法（VerticalGradientFreeze，簡(jiǎn)稱VGF）VGF工藝與VB工藝的原理和應(yīng)用領(lǐng)域基本類似。其最大區(qū)別在于VGF法取消了晶體下降走車機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由計(jì)算機(jī)精確控制熱場(chǎng)進(jìn)行緩慢降溫，生長(zhǎng)界面由熔體下端逐漸向上移動(dòng)，完成晶體生長(zhǎng)。這種工藝由于取消了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使晶體生長(zhǎng)界面

7、更加穩(wěn)定，適合生長(zhǎng)超低位錯(cuò)的砷化鎵單晶。VB與VGF工藝的缺點(diǎn)是晶體生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)法觀察與判斷晶體的生長(zhǎng)情況，同時(shí)晶體的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)。目前國(guó)際上商用水平已經(jīng)可以批量生產(chǎn)6英寸的VBVGF砷化鎵晶體，F(xiàn)reiberger公司在2002年報(bào)道了世界上第一顆采用VGF工藝研制的8英寸砷化鎵單晶。表2GaAs單晶生長(zhǎng)方法比較單晶生長(zhǎng)方法比較工藝特點(diǎn)LECHBVGFVB低位錯(cuò)差好很好很好位錯(cuò)均勻性差中等好好長(zhǎng)尺寸好差好好大直徑好差好好監(jiān)控可觀察可觀