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半导体砷化镓材料的分析 砷化镓半导体 　　砷化镓材料分析　　摘要：本文关键介绍半导体材料GaAs 的性质、用途、制备工艺及我国外发展现实状况半导体材料的性质和结构参数决定了她的特征和用途GaAs 在生活中也有着广泛的作用，经过对它的讨论期望有利于对半导体材料的认识和了解　　关键词：半导体材料 GaAs 性质 结构 特征 用途 认识　　Abstract: this paper mainly introduces the properties of GaAs semiconductor materials, application, preparation technology and development situation at home and apoad. The nature of the semiconductor material and structure parameters determine his character and purpose. GaAs also has a poad role in our daily life, through the discussion of it hope to contribute to understanding and the understanding of semiconductor materials.　　Keywords ：Semiconductor Materials GaAs Properties Structure Characteristics Purpose Understanding　　1 引言 化合物半导体材料的研究能够追溯到上世纪初，最早报导的是1910年由Thiel 等人研究的InP 材料。

1952年，德国科学家Welker 首次把Ⅲ-Ⅴ族化合物作为一个新的半导体族来研究，并指出它们含有Ge 、Si 等元素半导体材料所不具有的优越特征五十多年来，化合物半导体材料的研究取得了巨大进展，在微电子和光电子领域也得到了日益广泛的应用 砷化镓材料是现在生产量最大、应用最广泛，因此也是最主要的化合物半导体材料，是仅次于硅的最主要的半导体材料因为其优越的性能和能带结构，使砷化镓材料在微波器件和发光器件等方面含有很大发展潜力现在砷化镓材料的优秀生产技术仍掌握在日本、德国和美国等国际大企业手中，和国外企业相比我国企业在砷化镓材料生产技术方面还有较大差距　　2 砷化镓材料的性质及用途 砷化镓是经典的直接跃迁型能带结构，导带极小值和价带极大值均处于布里渊区中心，即K=0处，这使其含有较高的电光转换效率，是制备光电器件的优良材料　　在300 K时，砷化镓材料禁带宽度为 eV，远大于锗的 eV和硅的 eV，所以，砷化镓器件能够工作在较高的温度下和承受较大的功率　　砷化镓材料和传统的硅半导体材料相比，它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特征，电子迁移率约为硅材料的倍所以，广泛应用于高频及无线通讯中制做IC 器件。

所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于无线通信、光纤通信、移动通信、GPS 全球导航等领域除在I C 产品应用以外，砷化镓材料也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应，制成半导体发光器件，还能够制做砷化镓太阳能电池　　3 砷化镓材料制备工艺　　从20世纪50年代开始，已经开发出了多个砷化镓单晶生长方法现在主流的工业化 1　　生长工艺包含：液封直拉法、水平布里其曼法、垂直布里其曼法和垂直梯度凝固法等　　液封直拉法　　LEC 法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶的关键工艺，现在市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采取LEC 法生长的LEC 法采取石墨加热器和PBN 坩埚，以B2O3作为液封剂，在2MPa 的氩气环境下进行砷化镓晶体生长LEC 工艺的关键优点是可靠性高，轻易生长较长的大直径单晶，晶体碳含量可控，晶体的半绝缘特征好其关键缺点是：化学剂量比较难控制、热场的温度梯度大、晶体的位错密度高达104以上且分布不均匀日本日立电线企业于1998年首先建立了6英寸LEC 砷化镓单晶生产线，该企业安装了当初世界上最大的砷化镓单晶炉，坩埚直径400mm ，投料量50千克，生长的6英寸单晶长度达成350 mm。

德国Freiberger 企业于2021年报道了世界上第一颗采取LEC 工艺研制的8英寸砷化镓单晶　　水平布里其曼法　　HB 法是曾经是大量生产半导体砷化镓单晶的关键工艺，使用石英舟和石英管在常压下生长，可靠性和稳定性高HB 法的优点是可利用砷蒸汽准确控制晶体的化学剂量比，温度梯度小从而达成降低位错的目标HB 砷化镓单晶的位错密度比LEC 砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上关键缺点是难以生长非掺杂的半绝缘砷化镓单晶，所生长的晶体界面为D 形，在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费同时，因为高温下石英舟的承重力所限，难以生长大直径的晶体现在采取HB 工艺工业化大量生产的关键是2英寸和3英寸晶体，报道的HB 法砷化镓最大晶体直径为4英寸现在采取HB 工艺进行砷化镓材料生产的企业已经不多，伴随VB 和VGF 工艺的日渐成熟，HB 工艺有被逐步替代的趋势　　垂直布里其曼法　　VB 法是上世纪80年代末开始发展起来的一个晶体生长工艺，将合成好的砷化镓多晶、B2O3和籽晶装入PBN 坩埚并密封在抽真空的石英瓶中，炉体垂直放置，采取电阻丝加热，石英瓶垂直放入炉体中间高温下将砷化镓多晶熔化后和籽晶进行熔接，然后经过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶和坩埚向下移动，在一定的温度梯度下，单晶从籽晶端开始缓慢向上生长。

VB 法即能够生长低阻砷化镓单晶，也能够生长高阻半绝缘砷化镓单晶晶体的平均EPD 在5 000个/cm-2以下　　垂直梯度凝固法　　VGF 工艺和VB 工艺的原理和应用领域基础类似其最大区分在于VGF 法取消了晶体下降走车机构和旋转机构，由计算机准确控制热场进行缓慢降温，生长界面由熔体下端逐步向上移动，完成晶体生长这种工艺因为取消了机械传动机构，使晶体生长界面愈加稳定，适合生长超低位错的砷化镓单晶VB 和VGF 工艺的缺点是晶体生长过程中无法观察和判定晶体的生长情况，同时晶体的生长周期较长现在国际上商用水平已经能够批量生产6英寸的VB/VGF砷化镓晶体，Freiberger 企业在2021年报道了世界上第一颗采取VGF 工艺研制的8英寸砷化镓单晶　　4 我国外砷化镓材料技术的发展　　国外砷化镓材料技术的现实状况和发展　　砷化镓材料作为一个新型的电子信息材料，技术水平的发展十分快速现在的技术发展趋势表现在以下多个方面：　　晶体的尺寸、重量不停增大半绝缘砷化镓材料在上个世纪末实现了直径从 3 英寸向 4 英寸的提升后，现在正在实现 4 英寸向 6 英寸的跃升；　　2　　材料性能上，关键集中于改进材料的电学性能径向均匀性和轴向一致性、降低材料的微观缺点等方面；　　晶体的后工艺技术方面，首先致力于超平坦晶片的研制，其次，着重处理晶片的免清洗问题；　　致力于新工艺技术的开发。

VB/VGF 技术在成功地应用于光电子器件用的砷化镓材料研制后，现在已被普遍地用于半绝缘材料的研制和生产　　在本事域中，美国、日本的科技发展水平相对较高，德国上升速度较快，俄罗斯基础上停滞不前　　美国的化合物半导体材料发展是比较经典的由军事需求牵引发展起来后转为民用的例子美国的 GaAs 材料发展一直受到军方的高度支持，尤其在“Title III”计划中，美国防部投巨款给 Litton Airtron、AXT 、M/A-COM 三家企业，帮助其形成生产能力，使这三家企业成为世界著名的 GaAs 生产商其中 Litton Airtron 企业采取常压 LEC 工艺、M/A-COM 企业采取高压 LEC 工艺关键生产半绝缘 GaAs 材料，AXT 企业采取其独创的 VGF 工艺，以生产低阻 GaAs 材料为主，也生产部分半绝缘材料，三家企业均可生产 6 英寸“开盒即用”的抛光片日本的发展模式是以企业为主，首先发展光电子器件用 GaAs 材料，然后切入微电子用半绝缘 GaAs 材料，住友电工、日立电线现在是世界上技术水平最高、规模最大的厂商之一其中住友电工采取 LEC 、VB 工艺，日立电线采取 LEC 、HB 、VGF 工艺，两企业 LEC 、VB 、VGF 工艺均可生长 6 英寸单晶，尤其是日立电线企业 4 英寸直径 GaAs 单晶长度达成 480mm ，3 英寸直径 GaAs 单晶长度达成 770mm ，为现在世界最高水平。

德国在化合物半导体材料发展方面属后起之秀，关键在东、西德合并以后，原西德瓦克企业的 GaAs 生产能力和原东德晶体研究所的技术力量加之民间资金的注入，使新成立的 Freiberger 企业的实力得到快速提升，已成为世界著名的 GaAs 材料生产商　　我国砷化镓材料技术现实状况及发展趋势　　中国从上世纪 60 年代初开始研制砷化镓，中科镓英企业成功拉制出中国第一根 千克 5 英寸 LEC 法大直径砷化镓单晶；信息产业部 46 所生长出中国第一根 6 英寸砷化镓单晶，单晶重 12kg ，并已连续生长出 6 根 6 英寸砷化镓单晶；西安理工大在高压单晶炉上称重单元技术研发方面取得突破性进展2021 年，中科院半导体所研制成功了中国第一个５英寸液封直拉法砷化镓单晶，和中国最重最长４英寸、６英寸液封直拉法砷化镓单晶，成为我国经过相关应用部门及美国、中国台湾等芯片制造商“用户认证”的晶片供给商　　2021 年 4 月，大庆国家高新技术产业开发区大庆佳昌科技有限企业正式公布：经过三年的努力，由企业首席科学家王永鸿教授率领的技术团体，采取自主创新的WLEC 法技术，成功拉制出我国第一颗直径 200 毫米砷化镓单晶，实现了中国大直径8 英寸砷化镓单晶生长技术零的突破，使中国砷化镓单晶生长技术跨入世界领先行列。

由此，大庆将成为以生产优质砷化镓材料为主的含有国际影响力的化合物半导体材料主要生产基地　　砷化镓材料的尺寸经历了从 2 英寸、3 英寸、4 英寸、6 英寸的发展过程　　现在砷化镓单晶材料的制备关键有 VGF 、LEC 、HB 等方法，伴随单晶尺寸的增大，VGF 法已成为主流技术中国在 LEC 和 HB 单晶生长技术方面相对较成熟中科镓英企业于 2021 年 1 月正式投产，LEC 方法生产半绝缘砷化镓单晶，已成为我国半绝缘砷化镓单晶材料的关键供给基地中科镓英企业的 2 英寸 HB 半导体砷化镓材料已畅销我国外，现在已占到世界市场的 10%左右　　伴随国家科技体制改革的不停深入，中国的砷化镓材料产业化工作发展很快，拥有该材料技术的各研究单位正在大力实施该领域的产业化，同时我国外多家有实力的企业看好该领 3　　域的良好发展前景，也在主动地涉足该领域的产业化工作，使得砷化镓材料的产业化展现如火如荼态势中电科技集团四十六所在收购美国 LittonAirtron 企业生产线的同时，自主开发 VB-GaAs 单晶生产技术，现在正在同时进行半绝缘砷化镓材料和低阻光电器件用砷化镓材料的产业化工作，目标是实现光电砷化镓衬底年产 20 万片、半绝缘砷化镓材料年产 15-20 万片，市场份额达成世界前四位；以中科院半导体所的技术为基础，联合北新建材等单位成立的中科镓英企业正在开展半掘缘砷化镓材料及其外延材料的产业化工作；以北京有色金属研究总院的HB-GaAs 技术为基础成立的国瑞电子企业已实现光电器件用砷化镓材料生产多年；其它如大庆佳昌、北京美西半导体材料有限企业、新乡市神舟晶体科技发展有限企业等企业也在主动地开展砷镓材料的产业化工作。

能够讲，中国是现在世界上生产和正在主动努力准备生产砷化镓材料企业最多的国家，预示着很快的未来。