砷化镓材料的制备
与硅相仿,砷化镓材料也可分为体单晶和外延材料两类。体单晶可以用作外延的衬底材料,也可以采用离子注入掺杂工艺直接制造
集成电路(采用高质量、大截面、半绝缘砷化镓单晶)。重点是液封直拉法(即液封乔赫拉斯基法,简称LEC法),但水平舟生长法(即水平布里其曼法)因制出的单晶质量和均匀性较好,仍然受到一定的重视。液封直拉法的一个新发展是在高压单晶炉内用热解氮化硼(PBN)坩埚和干燥的
氧化硼液封剂直接合成和拉制不掺杂、半绝缘砷化镓单晶。另外,常压下用
石英坩埚和含水氧化硼为液封剂的方法也已试验成功。不论水平舟生长法或是液封直拉法,晶体的直径均可达到100~150毫米而与硅单晶相仿。
砷化镓的外延生长按工艺可分为气相和液相外延,所得外延层在纯度和晶体完整性方面均优于体单晶材料。通用的气相外延工艺为Ga/AsCl3/H2法,这种方法的变通工艺有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。为了改进Ga/AsCl3/H2体系气相外延层的质量,还研究出低温和低温低压下的外延生长工艺。液相外延工艺是用 Ga/GaAs熔池覆盖衬底表面,然后通过降温以生长外延层,也可采用温度梯度生长法或施加
直流电的电外延法。在器件(特别是微波器件)的制造方面,汽相外延的应用比液相外延广泛。液相外延可用来制造
异质结(如GaAs/AlxGa1-xAs),因此它是制造砷化镓双异质结激光器和太阳电池等的重要手段。
砷化镓外延技术还有
分子束外延和金属有机化合物汽相沉积外延。分子束外延是在超高真空条件下,使一个或多个热分子束与晶体表面相作用而生长出外延层的方法。对入射分子或原子束流施加严格的控制,可以生长出超晶格结构,例如由交替的GaAs和AlxGaAs薄层(厚度仅10埃)所组成的结构。金属有机化合物汽相沉积外延是用三甲基镓或三乙基镓与
砷烷相作用而生长外延层。用这种方法也能适当地控制外延层的浓度、厚度和结构。与分子束外延相比,金属有机化合物汽相沉积外延设备和工艺均较简单,但分子束外延层的质量较高。
材料中的深能级缺陷 砷化镓中的杂质和缺陷(特别是深能级缺陷)对器件性能影响很大。作为化合物半导体,砷化镓中的深能级缺陷问题远比硅、锗复杂。例如,半绝缘砷化镓中最重要的深电子陷阱ELZ和在液相外延砷化镓中发现的A、B空穴陷阱的本性和行为都有待于研究。
应用 砷化镓器件主要包括光电器件和微波器件两大类。砷化镓以及其他Ⅲ-Ⅴ族化合物具有直接跃迁的能带结构,在光电应用方面处于有利的地位。常用的光电器件有:AlxGaAs/GaAs和InGaxPAsy/InP两种结构的双异质结激光器,红外和
可见光发光管,砷化镓太阳电池。在微波器件方面,砷化镓的高
迁移率和低有效质量使器件得以在更高频率下工作。另外,基于电子转移效应,已研制出
耿氏管一类器件。70年代初,由于高质量砷化镓外延材料和精细光刻工艺的突破,砷化镓肖特基势垒场效应晶体管(MESFET)取得了显著的进展,频率、增益和噪声等参数均优于硅场效应晶体管。超晶格结构的出现为高电子迁移率晶体管(HEMT)的研制成功创造了条件。
砷化镓材料的研究课题有:低位错、大直径、非掺杂、半绝缘砷化镓单晶的制备;深能级缺陷的阐明与控制;低界面态密度氧化物层的获得等。