GaAs方案研究.ppt

* 目录 一、砷化镓材料 二、砷化镓太阳能电池 三、砷化镓LED 英文名称:Gallium arsenide 分子量:144.64? 结构式: 砷化镓的发展史 砷化镓属III—V族化合物半导体材料，由化学元素周期表中III族元素镓和V族元素砷化合而成。砷化镓材料最早见报于1929年，是由一位名叫高德斯密特(Goldschmidt)的科学家合成出来的，但是，直到1952年，德国科学家威克尔(Welker）才发现GaAs材料具有半导体性质。随着现代工业冶炼提纯技术的进步和微电产技术的发展，砷化镓材料已是III—V族化合物半导体材料中应用最为广泛、相关技术最为成熟的材料 砷化镓的性质 是Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物 黑灰色固体 熔点1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸侵蚀。 晶体砷化镓 砷化镓晶体材料指的是砷化镓原子在空间的排列形式。砷化镓材料的晶体结构为闪锌矿型结构。由两个面心立方晶格沿空间对角线位移1/4的长度套构而成，每个原子周围有四个最近邻的原子且总是处于一个正四面体的顶点而呈四面体结构。若认为砷原子处于正四面体的中心，四个顶点上的原子必为镓原子。 砷化镓材料的能带结构 ? 如图所示砷化镓价带顶部导带最低处在相同的动量处，当电子从价带转换到导带不需要动量转换。因此砷化镓是直接禁带半导体。这使得砷化镓具有较高的光电转换效率。 ?在【100】方向上，在导带的极小值的0.36eV处有一个卫星谷。一旦电子进入卫星谷会出现电场增强、电流减小的负阻现象，即耿氏效应。利用其产生的耿氏振荡，可以制备高频器件 300K时： 砷化镓单晶生产技术 从20世纪50年代开始，已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括：液封直拉法（LEC）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。以下介绍液封直拉法（LEC）、垂直布里其曼法（VB） LEC法：是生长非掺半绝缘砷化镓单晶（SI?GaAs）的主要工艺，目前市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采用LEC法生长的。LEC法采用石墨加热器和PBN坩埚，以氧化硼作为液封剂，在2MPa的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。 VB法：是上世纪80年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺，将合成好的砷化镓多晶、氧化硼以及籽晶装入PBN坩埚并密封在抽真空的石英瓶中，炉体垂直放置，采用电阻丝加热，石英瓶垂直放入炉体中间。高温下将砷化镓多晶熔化后与籽晶进行熔接，然后通过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶与坩埚向下移动，在一定的温度梯度下，单晶从籽晶端开始缓慢向上生长。 砷化镓的应用 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：AlxGal—xAs／GaAs和Im—xGaxPl一gAs／InP两种结构的双异质结激光器，红外和可见光发光管，砷化镓太阳电池等。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。 砷化镓太阳能充电器 神九采用三结砷化镓太阳能电池 GaAs太阳能电池的发展 GaAs太阳能电池的发展已有50余年的历史。20世纪50年代首次发现GaAs材料具有光伏效应后，LOFERSKI确立了太阳能电池光电转换效率与材料禁带宽度Eg的间的关系，即Eg=1.4~1.6eV的材料光电转换效率高。而GaAs材料的Eg=1.43eV，能获得较高的转换效率。首次制成GaAs太阳能电池，其效率为6.5%，60年代研制了第一个掺锌的GaAs太阳能电池，转化效率为9%~10%，远低于理论值27%。70年代采用LPE技术，转化率提高至16%。20世纪80年代后，GaAs太阳能电池技术经历了从LPE到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高，最高效率已达到29%.与硅太阳电池相比GaAs太阳能电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能，是公认的新一代高性能、长寿命空间主电源。 特点（与Si相比） 光电转换效率高：GaAs禁带宽度比Si大、光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si强，因此转化效率高 可制成薄膜和超薄型太阳电池：GaAs为直接禁带半导体，光吸收率高于Si，因此GaAs太阳能电池可制成薄膜型，质量大幅度减小 耐高温性能好 抗辐射性能好 制备技术 LPE法：NELSON在1963年提出的一种外延生长技术。20世纪70年代初，LPE开始用于单结GaAs太阳电池的研制通过在GaAs单晶衬底上外延生长n-GaAs、p-G