半导体材料课件：第6章 III-V族化合物半导体6-1、6-2.pdf

III-V族化合物半导体是一类广泛应用于光电及电子器件的先进半导体材料，它们由III族元素（硼B、铝Al、镓Ga、铟In）和V族元素（氮N、磷P、砷As、锑Sb）组合形成的化合物。III-V族半导体的特性使其在半导体技术中占有重要地位，特别是在光电子领域和高温、高功率电子器件应用中。下面我们详细探讨III-V族化合物半导体的几个关键知识点。 III-V族化合物半导体中包含的化合物有15种，例如GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等。这些化合物各有其独特的物理和化学性质，这些性质包括材料的熔点、带隙宽度等，对器件性能具有决定性影响。例如，GaN具有较大的带隙宽度，约为3.4eV，适合用于制造蓝色发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。 与传统硅（Si）半导体材料相比，III-V族化合物半导体具有许多独特性质。它们通常具有较大的带隙宽度，这使得III-V族半导体器件能够承受更高的功率和工作在更高的温度。此外，III-V族材料大多数为直接能带结构，这意味着它们在光电器件中能够提供更高的光电转换效率，因此广泛应用于制造LED、LD和太阳能电池等。例如，GaP虽然是间接带隙材料，但由于其较大的带隙能量（2.25eV），其掺杂后的束缚激子发光效率高，是红光LED的主要材料之一。 III-V族化合物半导体的晶体结构大部分为闪锌矿结构，这是一种具有非中心对称性的晶体结构，其物理性质在晶体的不同晶面上表现出不一致性。例如，GaAs晶体由两种面心立方格子组成，这两种格子分别由III族元素和V族元素原子构成。晶体中的III族和V族原子形成了一种正四面体的结构，在这种结构中，由于原子间电子分布的不均匀性，产生了离子键成分，导致材料具有一定的极性。 III-V族化合物半导体的成键类型和结构特性导致了其独特的极性特征。在III-V族化合物半导体中，由于电负性的差异，III族元素和V族元素在形成化学键时存在离子键成分，这使得它们的化学键具有极性。这种极性导致晶体内部形成了电偶极层，进而导致了电学和化学性质的不对称性。例如，在GaAs中，Ga和As原子之间的化学键即有共价键成分也有离子键成分，这使得GaAs在不同的晶面上呈现出不同的化学和电学性质。 在III-V族化合物半导体的制备过程中，其生长方法、杂质控制和晶体完整性对于最终器件性能至关重要。例如，GaAs单晶的生长方法就包括液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）等。这些生长技术不仅影响材料的晶体结构和纯度，而且对器件的性能和可靠性有直接影响。 III-V族化合物半导体的特性包括了它们的晶体结构、带隙宽度、电子迁移率、耐受功率、光电转换效率以及工作温度等。这些性质使得III-V族化合物半导体在众多高科技应用中发挥着关键作用，如光纤通信、卫星通信、光电探测器以及各类激光器等。随着材料科学和半导体技术的不断进步，III-V族化合物半导体的性能在不断提升，应用领域也在不断扩大。