砷化鎵材料

Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料。它具有一些優於硅的性能，已成為僅次於硅材料的重要半導體材料。H.韋爾克於1952年提出的Ⅲ－Ⅴ族化合物具有優良的半導電性質。當時從禁帶寬度和電子遷移率推測砷化鎵兼具硅和鍺的優點，於是開展了對砷化鎵等化合物半導體材料的研究。最初10年進展不大。1962年砷化鎵激光器問世以後，砷化鎵器件發展很快。儘管由砷化鎵取代硅、鍺的設想尚未實現，但它在激光、發光和微波等方面已顯示出優異的性能。用砷化鎵已製造出高速集成電路，對材料質量提出更高要求，促使砷化鎵材料的研究更加深入。

砷化鎵材料的製備　與硅相仿，砷化鎵材料也可分為體單晶和外延材料兩類。體單晶可以用作外延的襯底材料，也可以採用離子注入摻雜工藝直接製造集成電路（採用高質量、大截面、半絕緣砷化鎵單晶）。重點是液封直拉法（即液封喬赫拉斯基法，簡稱LEC法）,但水平舟生長法（即水平布里其曼法）因制出的單晶質量和均勻性較好，仍然受到一定的重視。液封直拉法的一個新發展是在高壓單晶爐內用熱解氮化硼(PBN)坩堝和乾燥的氧化硼液封劑直接合成和拉制不摻雜、半絕緣砷化鎵單晶。另外，常壓下用石英坩堝和含水氧化硼為液封劑的方法也已試驗成功。不論水平舟生長法或是液封直拉法，晶體的直徑均可達到100～150毫米而與硅單晶相仿。

砷化鎵的外延生長按工藝可分為氣相和液相外延，所得外延層在純度和晶體完整性方面均優於體單晶材料。通用的氣相外延工藝為Ga/AsCl3/H2法，這種方法的變通工藝有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。為了改進Ga/AsCl3/H2體系氣相外延層的質量，還研究出低溫和低溫低壓下的外延生長工藝。液相外延工藝是用 Ga/GaAs熔池覆蓋襯底表面，然後通過降溫以生長外延層，也可採用溫度梯度生長法或施加直流電的電外延法。在器件(特別是微波器件)的製造方面，汽相外延的應用比液相外延廣泛。液相外延可用來製造異質結(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是製造砷化鎵雙異質結激光器和太陽電池等的重要手段。

砷化鎵外延技術還有分子束外延和金屬有機化合物汽相沉積外延。分子束外延是在超高真空條件下，使一個或多個熱分子束與晶體表面相作用而生長出外延層的方法。對入射分子或原子束流施加嚴格的控制，可以生長出超晶格結構，例如由交替的GaAs和AlxGaAs薄層（厚度僅10埃）所組成的結構。金屬有機化合物汽相沉積外延是用三甲基鎵或三乙基鎵與砷烷相作用而生長外延層。用這種方法也能適當地控制外延層的濃度、厚度和結構。與分子束外延相比，金屬有機化合物汽相沉積外延設備和工藝均較簡單，但分子束外延層的質量較高。

材料中的深能級缺陷　砷化鎵中的雜質和缺陷（特別是深能級缺陷）對器件性能影響很大。作為化合物半導體，砷化鎵中的深能級缺陷問題遠比硅、鍺複雜。例如，半絕緣砷化鎵中最重要的深電子陷阱ELZ和在液相外延砷化鎵中發現的A、B空穴陷阱的本性和行為都有待於研究。

應用　砷化鎵器件主要包括光電器件和微波器件兩大類。砷化鎵以及其他Ⅲ-Ⅴ族化合物具有直接躍遷的能帶結構，在光電應用方面處於有利的地位。常用的光電器件有:AlxGaAs/GaAs和InGaxPAsy/InP兩種結構的雙異質結激光器，紅外和可見光發光管，砷化鎵太陽電池。在微波器件方面，砷化鎵的高遷移率和低有效質量使器件得以在更高頻率下工作。另外，基於電子轉移效應，已研製出耿氏管一類器件。70年代初，由於高質量砷化鎵外延材料和精細光刻工藝的突破，砷化鎵肖特基勢壘場效應晶體管(MESFET)取得了顯著的進展，頻率、增益和雜訊等參數均優於硅場效應晶體管。超晶格結構的出現為高電子遷移率晶體管(HEMT)的研製成功創造了條件。

砷化鎵材料的研究課題有：低位錯、大直徑、非摻雜、半絕緣砷化鎵單晶的製備；深能級缺陷的闡明與控制；低界面態密度氧化物層的獲得等。