电子材料及元器件5.3

1、,Company Logo,5.3 -族化合物半导体,-族化合物半导体是由周期表中A和A族元素化合而成的。 -族化合物的优良性质： 禁带宽度大 载流子迁移率高 直接跃迁和独特的双能谷能带结构 。 以上性质使它们在制备光电器件和微波器件上具有比锗、硅更大的优势。,Company Logo,5.3.1-族半导体的性质 族原子比族原子少一个价电子，而族原子则比族多一个价电子 。 -族化合物每个原子的平均电子数与族半导体的相同。 -族化合物与族半导体相似，它们的结晶都是闪锌矿结构，类似于族元素金刚石结构，价键主要是共价键形式。,Company Logo,-族化合物和族半导体的差别，来源于构成原子的负电

2、性。 它使键能具有离子成分。 离子成分的引入，使得-族的总能量高于相对应的族元素的总能量。 它们的结合强，熔点较高， 禁带宽度也较大，这是制备高温与大功率器件所需材料的必备条件。,Company Logo,5.3.2-族化合物的晶体结构 立方闪锌矿型结构 少数几种-族化合物（如 BN、AlN、GaIn）的晶格为六角纤维锌矿结构 六角纤维锌矿型结构。 大多数-族化合物（包括AlP 、AlAs、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSn）的晶格都是闪锌矿型结构。,Company Logo,闪锌矿型结构与Si的金刚石结构的比较,每个原子最近邻有四个原子，配位数为4，若该原子处在一个正四面

3、体的中心，则四个近邻原子处在四面体的顶角，这种键称为四面体键，键角为10928。,Company Logo,两种结构的异同： 金刚石结构中全部由一种原子组成， 而闪锌矿结构则由二种原子组成，每一个原子的近邻是四个异类原子。 正是由于二者在晶格结构上有不同之处，而引起-族化合物与金刚石结构的Ge、Si相比有不同的新特征。,Company Logo,5.3.3-族化合物半导体化学键和极性 1. -族化合物半导体的化学键 族元素的原子A外层有三个电子，族元素的原子B外层有五个价电子。 当组成-族化合物晶体时，B原子由五个价电子中拿出一个给族A原子，然后它们相互作用产生sp3杂化， A、B原子各有四个

4、外层电子正好组成四个共价键，形成四面体键合。,Company Logo,由于形成的正、负离子的电荷库仑吸引作用，使-族化合物中原子的相互作用除了共价键主要成分外，还有离子键成分存在。 2.-族化合物半导体的极性及对材料物理化学性质的影响 由于离子键的作用，族B原子吸引电子的能力比族A原子的大，使得化学键中的电子与B原子键合的较强，这种原子电荷分布的不对称现象通常称为极化现象，在键合方向上产生极性。 这种具有极性的共价键叫做极性键。,Company Logo,极性键的存在，对-族化合物半导体的材料物理化学性质产生影响 。 （1）极性对解离解的影响 金刚石结构中（111）面间距大，价键密度低，易断

5、裂，因此（111）面是它的解理面。 闪锌矿结构的GaAs材料，虽然（111）面间距大于（110），但（111）面的原子层全部是由Ga原子和As原子交替组成。 以（111）为界面分开时，界面的一边为一种离子，另一边为另一种离子，由于两种离子间有较强的库仑吸引力，不易断开。,Company Logo,（110）面间距虽然比（111）面小，但（110）面每一个面都是由相同数目的Ga、As原子组成，呈中性状态。 在（110）面上存在较强的的库仑作用，而平行晶面间作用较弱。 当相邻两层（110）面沿211方向移动一定距离后，刚好使两层之间的族原子和族原子上下对齐，产生静电斥力而使晶体沿此面断开。 因此闪

6、锌矿结构的解理面不是（111）面，而主要是（110）面。,Company Logo,（2）极性对表面腐蚀和晶体生长的影响 GaAs单晶的（111）A面和 B面具有不同的腐蚀特性。 把研磨过的GaAs片放HNO3:HF:H2O=1:1:2的腐蚀液中，腐蚀10分钟，在A面上将出现蚀坑，而B面则无。 在AlSb、InSb、InAs、InP中也有类似现象。 材料腐蚀性能的差异与-族化合物的极性（电子状态）有关 。,Company Logo,由下图可见，A、B面原子的键和电子分布是不同，由于B面存在电子，供腐蚀时电子交换，故B面的腐蚀速度比A面快 。,Company Logo,极性对晶体生长也会发生影响

7、。 实验发现：InSb沿A方向生长总不如沿B方向生长的晶体完整，A方向易生孪晶或多晶，而且位错密度高，B方向位错密度低。 在GaAs晶体生长时，也发现A、B面生长速度不同，B面生长速度最快； 外延生长也有极性效应。 极性对杂质的掺入、补偿度等都有影响。,Company Logo,5.3.4 GaAs中的杂质和缺陷 1.GaAs杂质对性质的影响 杂质对GaAs的电学性能起着决定性影响。 根据杂质对GaAs电学性质的影响不同，可以把杂质大致分成以下五类： 施主、受主、两性杂质、中性杂质、复杂的深能级杂质。,Company Logo,（1）施主杂质 周期表中的族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常

8、都替代族元素As原子的晶格位置，由于族原子比族原子多一个价电子，因此族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。 （2）受主杂质 族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代族元素Ga原子的晶格位置，由于族原子比族原子少一个价电子，因此族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主。,Company Logo,（3）两性杂质 族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比较复杂，可以取代族的Ga，也可以取代族的As，甚至可以同时取代两者，因此族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质作用。 （4）中性杂质 族元素（B、Al、In）和族元素（P、Sb）在GaAs中通常分别替代Ga和As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数。,Company Logo,因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对GaAs的电学性质没有明显影响。 （5）深能级杂质 实验测定表明，Cu、Au、Cr、Fe等杂质在GaAs中具有深的杂质能级，有的还有多重能级，例如Cu。 这些杂质引入GaAs中会使材料的电阻率大大增加，甚至使GaAs变成半绝缘体。 Cr便是制备半绝缘体GaAs体单晶和外延层时常用的掺杂剂。,Company Logo,2.GaAs晶体中的点缺陷 当T0K时，由于晶格的振动会生成两类热缺陷：空位VGa、VAs和