掺铋砷化镓晶体性能研究+文献综述(2)
一 文献综述
1.1 GaAs单晶研究进展
砷化镓（GaAs）晶体是一种重要的化合物半导体材料，在光电子器件方面具有独特优势，也是继硅材料之后最重要的微电子材料。GaAs作为目前研究的最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。和第一代半导体硅相比，GaAs单晶有很多的不同点：（1）Si是间接带隙半导体，在光子发射和吸收效率上很低，而GaAs是直接带隙半导体，光电转换效率较高，可广泛应用于LED（发光二极管）、LD（激光二极管）、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器。（2）室温下GaAs带隙为1.424eV，Si的禁带宽度为1.12eV，因此，在耐高温和抗辐射能力远比不上GaAs。Si电路最高工作温度为150℃，而GaAs电路却可以达到450℃，因此GaAs电路更适合做成大功率电路。（3）GaAs电子迁移率比Si元素半导体约高6~7倍(300K下，Si电子迁移率为1500cm2 v-1 s-1，GaAs为8500cm2 v-1 s-1，因此很适合制备高频、高速器件和电路。 其中用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、低噪声及大功率场效应晶体管，具有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等诸多优点，在RF电路及卫星通讯等领域得到广泛应用[1-5]。
GaAs从二十世纪五十年代问世以来，最初十年的发展速度不是很快，在吹冰十年代由于耿氏效应的发现和半导体激光器取得重大突破，充分显示了它的重要性，并且获得了快速的发展。进入七十年代后，通过深入的研究工作，取得了一批重要的成果，在光电和微波器件方面有效的补充了硅电路的不足性能，成为仅次于硅的重要半导体材料。在光电器件方面GaAs的能带结构和禁带宽度使它具有良好的光电性能，已经制成了GaAs异质结激光器[6]。GaAs在LED即发光二极管方面也得到了很大的发展与应用，成功的制造出能发红外光、红光和绿光的 LED。砷化镓在微波器件方面也取得了很大的成果，由于高质量的 GaAs 外延材料和精细光刻工艺的突破[7]，使 GaAs 集成电路的制作得到突破性进展。主要用于制作GaAs 微波大功率器件、GaAs 低噪声器件、微波毫米波单片集成电路、超高速数字集成电路。这些成果可以很好的应用到雷达、卫星电视广播、微波及毫米波通信、超高速计算机及光纤通信等领域。
二十世纪八十年代和九十年代以来，由于信息大量传输和处理的要求，GaAs基器件的地位也上升到了一个新的高度，相对发展速度也更快了，产生了一系列高速、高集成度器件。异质结场效应管（H-FET）和异质结双极晶体管（HBT）是当前发展最快的异质结器件，和同质结MESFET一起构成GaAs微电子的三种主要器件。
进入21 世纪信息时代，以 GaAs 为主的化合物半导体材料的可见光 LED、红外 LED、光敏元件、激光器及其相关装置如 CD、DVD 和个人电脑等的需求将不断增加。砷化镓LED还将普及于家电遥控器、传感器及照相机测距的红外 LED器件领域，作计算机外围办公设备的空间数据资料传输用的高速、高功率红外 LED的市场前景也十分巨大。
1.2 掺杂GaAs单晶研究进展
近年来，科研工作者基于同族元素等价掺杂的原理，已经对少量N掺杂GaAs1-xNx的各种特性已展开广泛研究，N掺杂可以干扰GaAs导带进而调控GaAs的禁带宽度，但会使GaAs的电子迁移率有明显的下降。为了弥补这一缺陷，开始探索同族其他元素的掺杂。研究发现，Bi的掺杂会干扰GaAs价带从而降低其禁带宽度，且Bi掺杂对GaAs的电子迁移率没有显著影响，这是我们所期待的。更重要的是，Bi掺杂使GaAs的吸收限产生红移，同时改善了GaAs的光学和电学性能，这使GaAs1-xBix在长波长光电器件和自旋电子器件领域有广阔的应用前景。如GaAs光学带宽的降低，使多结太阳能电池产生更高的效率；GaAs1-xBix在异质结双极晶体管（HBT）中GaAs1-xBix作为基层，其带宽的减小使器件拥有较低的阈值也成为可能。另外，从技术上讲，用GaAs1-xBix代替GaAs1-xNx也有潜在的优势。表1是砷化镓晶体的掺杂及掺杂杂质的性质，而表2则是不同杂质在GaAs中形成不同的能级。