III-V族化合物半导体的晶体结构#

多数为闪锌矿结构（AlNGaN InN为纤锌矿结构）

由两套面心立方格子沿体对角线移动1/4长度套构而成，两套格子一套是Ⅲ族原子，另一套是V族原子，且成键不对称。

III-V族化合物半导体的能带结构#

• GaAs的能带结构
  1. 直接带隙：导带极小值和价带极大值都在$\Gamma =0$
  2. 300K时的禁带宽度$Eg＝1.43eV$
  3. GaAs<100>方向上具有双能谷能带结构。导带中有两个能谷：$\Gamma$主能谷，$X$次能谷，能量差不大，为$0.36eV$。

III-V族化合物的极性#

• 闪锌矿结构性质：因为无对称中心，所以具有非中心对称性
• 极性对解理性的影响：主要解理面不是$｛111｝$而是$｛110｝$
• 极性对表面腐蚀及晶体生长的影响
  • 对一些特定腐蚀剂的表面腐蚀行为不同
    • B(As)面电负性大，化学活性强，更易于氧化
    • 含氧化剂(亲电性)的腐蚀剂，腐蚀速度：B面＞A面
  • 对晶体生长的影响
    • B面生长慢，易生长出单晶，晶体位错密度低
  • 极性对杂质的引入，补偿等都有影响
  • 极性还会在晶片加工中引起损伤层厚度，表面完整性等方面的差异

III-V族化合物体系的平衡相图#

• 选择合适晶体生长方法及条件的依据：相图

• 示例，分析

  • 相图：

  

  

  通过分析相图，可知：

  1. 根据图(a)，可知GaAs的熔点为1237℃，合成GaAs要求温度较高
  2. 根据图(b)，可知在780℃以上，As的蒸汽压大于$10^6$Pa（10个大气压），如果直接把As和Ga放在密封容器中加热，压力太大，对设备要求高，不易拉制单晶，而且在高压下拉制的单晶位错密度大。
  3. 根据图(c)，$GaAs(s)$和液相平衡时，As的蒸汽压为9.5×104Pa，只要维持这个压力就可以长出化学计量比为1:1的GaAs，偏离此压力，则产物中会As或Ga的比例会偏大。
  4. 根据图(b)中的曲线4-2-1可知，固态As在617℃时的蒸汽压为$1\times 10^5$Pa。可设计一个二温区的设备。在一抽空的石英管两端放置As和Ga，As端的温度为617℃，Ga端的温度大于1237℃，As蒸汽与Ga反应完全，达到平衡后，熔体中Ga与As的化学计量比一定是1:1

GaAs单晶的制备方法#

1. 元素熔合法(只是理论方法)
2. 熔体生长(先合成1:1的化合物熔体，然后直接由熔体中生长其单晶)
   • 熔体中制备GaAs单晶，按照控制As气压的方式可有三种方法：
     • 水平布里奇曼法HB
     • 液态密封法LEP
     • 垂直梯度凝固法VGF
3. 溶液生长

GaAs单晶的掺杂#

• GaAs单晶常用的掺杂剂
  • N型掺杂剂：$Te(碲),Sn,Si$
  • P型掺杂剂：$Zn$
  • 高阻掺杂剂：$Cr，Fe，O$
• 掺杂的方法
  • 不易挥发的杂质直接加入Ga中
  • 易挥发的杂质（如Te）与As放在一起，加热后通过气相溶入GaAs中掺杂