砷化镓(galliLim arsenide)

由镓和砷构成的最重要的Ⅲ一V族化合物半导体材料。自从1952年德国人韦尔克(H．Welker)发现了砷化镓(GaAs)等Ⅲ一V族化合物的半导体性质以后，在开始阶段，进行了单晶制备方法的研究和应用的探索。当1962年用GaAs制成激光器，1963年发现耿氏(Gunn)效应以来，材料和器件得到了很大的发展。GaAs分体单晶和外延材料两大类。

性质 主要物理性质见表。Ga．As在禁带结构及宽度、电子迁移率等方面具有明显的优点。平衡相图见图。

单晶的制备　所有的GaAs体单晶都是用熔体生长法制成的。用此法生长GaAs的困难是：(1)GaAs在熔点下砷的分解压为O．095MPa；(2)镓在高温下化学性质活泼，易与石英等坩埚材料起化学反应；(3)如相图所示，在低于熔点附近可以形成GaAs与砷或GaAs与镓的固溶体。生产的方法有水平法和液封直拉法，以及正在研究与开发的控制气氛直拉法和垂直梯度凝固法等。

水平法　可以使合成与拉晶在一个设备内进行。在抽真空的石英管内，一端放置盛高纯镓的舟，另一端放高纯砷。镓端位于高温区，砷端位于低温区。升温后，砷扩散到镓中形成GaAs。当合成反应达到平衡后，再以定向结晶的方式进行晶体生长，生长速度为3～12mm／h，在整个拉晶过程中，砷端永远控制在610～620℃以保持砷的平衡压力。为了减少硅的污染，常在高低温之间设一中温区以防止反应产物向冷端扩散，称“三温区法”。此法的优点是设备简单，可制备多种掺杂剂的不同电阻率的单晶，能降低位错密度。缺点是截面为D形，需滚磨成圆形，造成材料的损耗；由于舟的污染，不能制备不掺杂高纯半绝缘GaAs单晶。用此法能生产掺碲或硅n＝1×10”～5×10”cm^－３或掺锌p＝1×10^１７～1×10²⁰cm^－３以及掺铬的p＝10^１７Ω•cm的单晶，加工后的直径可达76mm圆片。单晶的位错密度为500～10000cm^－２。

液封直拉法　在高压单晶炉内进行。可以用合成后的多晶进行拉制；也可在炉内直接合成后进行拉晶，称为“原位合成法”。所用的坩埚为石英坩埚或热裂解氮化硼(PBN)坩埚，后者可以排除硅的污染。使用B。0。作覆盖剂。在原位合成阶段，炉内的压力要保持5～6MPa，在820rC左右，发生剧烈的反应；在拉晶过程中，炉内的压力为1～2MPa。炉内的压力靠氮气维持。该法的优点是：单晶的纯度高，适合制备非掺杂高纯半绝缘GaAs单晶；晶体的截面为圆形。缺点是：设备昂贵；单晶的位错高，虽然采取了各种措施，包括掺铟，也未能较好地解决。用此法生产直径为10。～150mm的单晶，品种以半绝缘GaAs为主。单晶的位错密度一般大于1×10^４cm^－２。

控制气氛法　在特制的直拉炉内控制整个炉室的温度，以保证砷在炉室内压力为O．1MPa左右。在此条件下进行拉晶，可获得化学配比得到控制、位错密度为2000cm。的直径为50mm的GaAs单晶。此法设备复杂，正在发展中。

垂直梯度凝固法　利用温度梯度使GaAs在垂直方向进行定向结晶。所用的坩埚材料为PBN。用此法已生长出φ100mm的GaAs单晶，位错密度小于1000cm^－２。此法已开始批量供应产品。

晶体缺陷　GaAs单晶中的位错是重要的缺陷。此外Ga．As中还存在着各种类型的点缺陷，有的构成深能级。其中O．76eV深施主称为EL。，它决定着半绝缘Ga．As的电学性质。

外延材料的制备　采用气相沉积或液相沉积等方法，使镓、砷源或其衍生物在以砷化镓或其他材料为衬底的表面上生长砷化镓或其他材料的单晶薄膜，统称为砷化镓外延材料。衬底和外延层如由同一种材料构成的则称为同质结外延层，如由不同材料构成则称为异质结外延层。外延材料可以是单层结构，也可以是多层结构。外延材料的制备方法主要有气相外延法和液相外延法。随着技术进步和应用的扩大，为适应宽禁带、多元化合物、量子阱和超晶格结构等器件制造的需要，大力探索和开发金属有机物气相沉积和分子束外延等新技术得到迅速发展。

气相外延法　通过气相输运和气相反应来实现薄膜生长的一种工艺过程。通常采用氯化物法和氢化物法生长砷化镓外延层，Ga—Ascl₃一H₂已成为氯化物法的代表工艺，其特点是易于实现高纯生长。1970年美国麻省理工学院华尔夫(Walf)得到砷化镓气相外延层的电子浓度和电子迁移率为n_77k=7×10¹²cm^-3和μ_77k=1.75x10⁵_cm2／(V•s)。

液相外延法 在一定温度下的砷化镓饱和溶液，通过降温使溶液过饱和，则在砷化镓衬底上按一定的晶向生长砷化镓薄膜。据1969年的报道结果是：77K时的电子浓度和电子迁移率为n_77k=7．6×10¹²cm^-3、μ_77k=1．75×10⁵cm²／(V•s)。

金属有机化合物气相沉积法用氢气把三甲基镓或三乙基镓和砷烷一起输送到反应区，经分解和相互作用，在砷化镓衬底沉积砷化镓薄膜的方法。其优点是改变原料气体的种类和浓度，容易控制生长晶体薄膜的组分和各种特性。

分子束外延法将热分子束和原子束流在超高真空中入射到砷化镓衬底的表面上，由于相互作用而生长具有原子层级的砷化镓超薄层外延材料。其主要优点是可以生长出原子层水平的超薄层单晶膜，可严格控制膜层的厚度、组分和结构，还可用组分渐变层或应变超晶格结构来消除由于晶格失配而造成的位错，因此该法非常适合于制作光电器件、微波器件、量子阱和超晶格结构材料。

应用GaAs单晶可以直接用来作器件，也可以作为外延的衬底，也可以用来构成多种量子阱与超晶格。它们的主要应用领域有：微波，包括各种微波管与微波集成；光电子，包括发光管、激光管与光电集成；超706高速集成电路；太阳能电池等。