GaAs(砷化镓).ppt

砷化镓GaAs 是 族元素化合的化合物 黑灰色固体 熔点1238 它在600 以下 能在空气中稳定存在 并且不为非氧化性的酸侵蚀 是一种重要的化合物半导体材料 同锗 硅比 其禁带宽度和电子迁移率都比较大 用它制造的器件有较好的频率特性和耐高温特性 用来制造微波半导体器件和半导体激光器 由镓和砷在高温下合成 再制成单晶体 英文名称 Galliumarsenide分子量 144 64结构式 半导体材料的种类繁多 从单质到化合物 从无机物到有机物 从单晶体到非晶体 都可以作为半导体材料 根据材料的化学组成和结构 可以将半导体划分为 元素半导体 如硅 Si 锗 Ge 二元化合物半导体 如砷化镓 GaAs 锑化铟 InSb 三元化合物半导体 如GaAsAl GaAsP 固溶体半导体 如Ge Si GaAs GaP 玻璃半导体 又称非晶态半导体 如非晶硅 玻璃态氧化物半导体 有机半导体 如酞菁 酞菁铜 聚丙烯腈等 20世纪50年代 半导体器件的生产主要采用锗单晶材料 到了60年代 由于硅单晶材料的性能远远超过锗 因而半导体硅得到了广泛的应用 在半导体材料中硅已经占据主导地位 大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的 族化合物半导体如砷化镓 磷化镓 锑化铟等也越来越受到人们的重视 特别是砷化镓具有硅 锗所不具备的能在高温度频下工作的优良特性 它还有更大的禁带宽度和电子迁移率 适合于制造微波体效应器件 高效红外发光二极管和半导体激光器 因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料 随着大规模集成电路制造工艺水平的提高 半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展 砷化镓特性 由于传送讯号的射频元件需要工作频率高 低功率消耗 低杂讯等特色 而砷化镓本身具有光电特性与高速 因此砷化镓多用於光电元件和高频通讯用元件 砷化镓可应用在WLAN WLL 光纤通讯 卫星通讯 LMDS VSAT等微波通讯上 砷化镓基本属性 砷化镓于1964年进入实用阶段 砷化镓可以制成电阻率比硅 锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料 用来制作集成电路衬底 红外探测器 光子探测器等 由于其电子迁移率比硅大5 6倍 故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用 用砷化镓制成的半导体器件具有高频 高温 低温性能好 噪声小 抗辐射能力强等优点 此外 还可以用于制作转移器件 体效应器件 砷化镓是半导体材料中 兼具多方面优点的材料 但用它制作的晶体三极管的放大倍数小 导热性差 不适宜制作大功率器件 虽然砷化镓具有优越的性能 但由于它在高温下分解 故要生长理想化学配比的高纯的单晶材料 技术上要求比较高 砷化镓单晶生产技术 中国掌握 半导体贵族 砷化镓单晶生产技术作为第二代半导体 砷化镓单晶因其价格昂贵而素有 半导体贵族 之称 昨天 中国科学家宣布已掌握一种生产这种材料的新技术 使中国成为继日本 德国之后掌握这一技术的又一国家 北京有色金属研究总院宣布 国内成功拉制出了第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓单晶 据专家介绍 砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数据 因而被广泛应用于遥控 手机 DVD计算机外设 照明等诸多光电子领域 另外 因其电子迁移率比硅高6倍 砷化镓成为超高速 超高频器件和集成电路的必需品 它还被广泛使用于军事领域 是激光制导导弹的重要材料 曾在海湾战争中大显神威 赢得 砷化镓打败钢铁 的美名 据悉 砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单晶片的20至30倍 尽管价格不菲 目前国际上砷化镓半导体的年销售额仍在10亿美元以上 在 十五 计划中 我国将实现该产品的产业化 以占据国际市场 1 砷化镓太阳能电池 中文名称 砷化镓太阳能电池英文名称 galliumarsenidesolarcell定义 以砷化镓为基体材料的太阳能电池 砷化镓晶片发展前景2010年5月 新一期英国 自然 杂志报告说 美国研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术 克服了成本上的瓶颈 从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业 2 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说 他们开发出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体 然后利用化学物质使砷化镓层分离出来 可同时生成多层砷化镓晶片 大大降低了成本 这些砷化镓晶片可以像 盖章 那样安装到玻璃或塑料等材料表面 然后可使用已有技术进行蚀刻 根据需要制造半导体电路或太阳能电池板 不过 该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓晶片 如边长500微米的太阳能电池单元 下一步研究将致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片 砷化镓太阳能充电器 三结砷化镓太阳能电池片 砷化镓太阳能电池 砷化镓太阳电池技术的进展与前景 GaAs太阳电池的发展已有40余年的历史 20世纪50年代首次发现GaAs材料具有光伏效应后 LOFERSKI确立了太阳电池光电转换效率与材料禁带宽度Eg间的关系 即Eg 1 4 1 6eV的材料光电转换效率高 而GaAs材料的Eg 1 43eV 能获得较高的转换效率 JENNY等首次制成GaAs太阳电池 其效率为6 5 60年代GOBAT等研制了第1个掺锌GaAs太阳电池 但转换效率仅为9 10 远低于27 的理论值 70年代 WOODAL等采用LPE技术 在GaAs表面生长一层宽禁带AlxGa12xAs窗口层 大大减少了表面复 合 转换效率提高至16 开创了高效率砷化镓太阳电池的新纪元 20世纪80年代后 GaAs太阳电池技术经历了从LPE到MOCVD 从同质外延到异质外延 从单结到多结叠层结构的几个发展阶段 其发展速度日益加快 效率也不断提高 最高效率已达到29 与硅太阳电池相比 GaAs太阳电池具有更高的光电转换效率 更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能 是公认的新一代高性能长寿命空间主电源 从80年代至今 GaAs太阳电池在空间主电源领域的应用比例日益增大 1特点GaAs太阳电池是一种 2 族化合物半导体太阳电池 与Si太阳电池相比 其特点为 a 光电转换效率高GaAs的禁带宽度较Si为宽 GaAs的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si好 因此 GaAs太阳电池的光电转换效率高 Si太阳电池理论效率为23 而单结和多结GaAs太阳电池的理论效率分别为27 和50 b 可制成薄膜和超薄型太阳电池GaAs为直接跃迁型材料 而Si为间接跃迁型材料 在可见光范围内 GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料 同样吸收95 的太阳光 GaAs太阳电池只需5 10 m的厚度 而Si太阳电池则需大于150 m 因此 GaAs太阳电池能制成薄膜型 质量可大幅减小 c 耐高温性能好GaAs的本征载流子浓度低 GaAs太阳电池的最大功率温度系数 2 10 3 1 比Si太阳电池 4 4 10 3 1 小很多 200 时 Si太阳电池已不能工作 而GaAs太阳电池的效率仍有约10 d 抗辐射性能好GaAs为直接禁带材料 少数载流子寿命较短 在离结几个扩散度外产生的损伤 对光电流和暗电流均无影响 因此 其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池 在电子能量为1MeV 通量为1 1015个 cm2辐照条件下 辐照后与辐照前太阳电池输出功率比 GaAs单结太阳电池 0 76 GaAs多结太阳电池 0 81 而BSFSi太阳电池仅为0 70 e 可制成效率更高的多结叠层太阳电池MOCVD技术的日益完善 2 族三元 四元化合物半导体材料 GaInP AlGaInP GaInAs等 生长技术取得的重大进展 为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料 2 1LPE技术LPE是NELSON在1963年提出的一种外延生长技术 其原理是以低熔点的金属 如Ga In等 为溶剂 以待生长材料 如GaAs Al等 和掺杂剂 如Zn Te Sn等 为溶质 使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态 通过降温冷却使溶质从溶剂中析出 结晶在衬底上 实现晶体的外延生长 20世纪70年代初 LPE开始用于单结GaAs太阳电池的研制 通过在GaAs单晶衬底上外延生长n2GaAs p2GaAs和一层宽禁带AlxGa12xAs窗口层 使GaAs太阳电池效率明显提高 LPE设备成本较低 技术较为简单 可用于单结GaAs GaAs太阳电池的批产 LPE的缺点是异质界面生长无法进行 多层复杂结构的生长难以实现和外延层参数难以精确控制等 这限制了GaAs太阳电池性能的进一步提高 20世纪90年代初 国外已基本不再发展该技术 但欧 俄 日等地区和国家仍保留LPE设备 用于研制 2 2MOCVD技术MOCVD是MANASEVIT在1968年提出的一种制备化合物半导体薄层单晶的方法 其原理是采用 族 族元素的金属有机化合物Ga CH3 3 Al CH3 3 Zn C2H5 2等和 族 族元素的氢化物 PH3 AsH3 H2Se 等作为晶体生长的源材料 以热分解的方式在衬底上进行气相沉积 气相外延 生长 2 族 2 族化合物半导体及其三元 四元化合物半导体薄膜单晶 20世纪70年代末 MOCVD开始用于研制GaAs太阳电池 与LPE相比 MOCVD虽然设备成本较高 但具有不可比拟的优越性 3国外技术的进展3 1单结GaAs太阳电池3 1 1单结GaAs GaAs太阳电池20世纪70 80年代 以GaAs单晶为衬底的单结GaAs GaAs太阳电池研制基本采用LPE技术生长 最高效率达到21 80年代中期 已能大批量生产面积为2cm 2cm或2cm 4cm的GaAs GaAs电池 如美国休斯公司采用多片LPE设备 年产3万多片2cm 2cm电池 最高效率达19 平均效率为17 AM0 日本三菱公司采用垂直分离三室LPE技术 一个外延流程可生产200片2cm 2cmGaAs电池 最高效率达19 3 平均效率为17 5 AM0 此外 国外也用MOCVD技术研制GaAs GaAs太阳电池 美国生产的GaAs GaAs太阳电池 批产的平均效率达到了17 5 AM0 3 1 2单结GaAs Ge太阳电池 3 2多结GaAs太阳电池单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光 其转换效率不高 不同禁带宽度的 2 族材料制备的多结GaAs电池 按禁带宽度大小叠合 分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域 可大幅度提高太阳电池的光电转换效率 理论计算表明 AM0光谱和1个太阳常数 双结GaAs太阳电池的极限效率为30 三结GaAs太阳电池的极限效率为38 四结GaAs太阳电池的极限效率为41 20世纪80年代中期 国外逐步开始研制高效率多结叠层电池 多结叠层电池效率高 温度系数低 抗辐射能力强 其空间应用更具吸引力 4国内技术进展70年代中期至90年代中期 国内均采用LPE技术研制GaAs电池 这种方法设备简单 毒性小 外延层质量较高 但GaAs的表面复合速率较高 多层复杂结构的生长和厚度的精确控制难以实现 单结GaAs GaAs电池效率已从14 提高至20 电池面积从1cm 1cm提高至2cm 4cm 从单片研制发展到50 100片 炉 已达到空间实用化水平 5前景5 1高效率多结GaAs太阳电池改进多结GaAs太阳电池的结构和制备工艺 提高电池的光电转换效率 三结Ga0 5In0 5P GaAs Ge太阳电池突破32 四结GaAs太阳电池突破35 扩大批产能力 年产量大于10MW 大幅提高空间太阳电池方阵的面积比功率 质量比功率和应用寿命 降低太阳电池阵的成本 5 2GaAs薄膜太阳电池GaAs电池质量大 费用高 利用GaAs材料对阳光吸收系数大的特点 可制成薄膜型 厚度5 10 m 就空间应用而言 薄膜化可大大减轻太阳方阵质量 从而提高电池的质量比功率 由120W kg提高到600W kg以上 80 90年代 GaAs薄膜电池的最高效率虽已达到22 但由于制备技术难度很大 且大面积薄膜的移植和组装非常困难 因此 其空间应用受到较大的限制 随着大面积GaAs薄膜电池的均匀性 剥离 移植 组装及配套柔性帆板等方面研究的深入 预期在未来5 10a内 高效率大面积GaAs薄膜电池将逐步应用于空间 5 3聚光太阳电池采用聚光器是目前空间光伏界的趋势之一 空间聚光阵列具有更高的抗辐射性能 更低的费用和更高的效率 并可减少电池批产的资金投入 多结GaAs太阳电池因其高效率 高电压 低电流 和高温特性好等优点 而被广泛用于聚光系统 目前高效率三结Ga0 5In0 5P GaAs Ge聚光电池的最高效率已达到34 AM1 5 210太阳常数 批产效率已达到28 AM1 5 100 300太阳常数 聚光太阳电池大部分用于地面系统 空间应用的进展缓慢 主要的难题是对日跟踪机构非常复杂 空间散热非常困难 目前少部分用于空间的聚光太阳电池 聚光倍数均较低 成本相应较高 GaAs太阳电池作为新一代高性能长寿命空间主电源 必将逐步取代目前广泛采用的Si电池 在空间光伏领域占据主导地位 我国航天事业的飞速发展 迫切需要高性能 长寿命的空间主电源 目前在GaAs电池领域与国外先进水平差距较大 必须加快研制 重点发展三结以上的高效率GaAs多结太阳电池 非聚光 聚光和薄膜太阳电池 参考文献 1 CHIANGPK etal ExperimentalresultsofGaInP GaAs Getriplejunctioncelldevelopmentforspacesys2terns C WashingtonDC Proceedingsof25thIEE