砷化镓的技术工艺

中国掌握“半导体贵族”砷化镓单晶生产技术

作为第二代半导体，砷化镓单晶因其价格昂贵而素有“半导体贵族”之称。2001年7月31日，中国科学家宣布已掌握一种生产这种材料的新技术，使中国成为继日本、德国之后掌握这一技术的又一国家。 北京有色金属研究总院宣布，国内成功拉制出了第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓单晶。

据专家介绍，砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数据，因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照明等诸多光电子领域。另外，因其电子迁移率比硅高6倍，砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它还被广泛使用于军事领域，是激光制导导d的重要材料，曾在海湾战争中大显神威，赢得“砷化镓打败钢铁”的美名。 据悉，砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单晶片的20至30倍。尽管价格不菲，目前国际上砷化镓半导体的年销售额仍在10亿美元以上。在“十五”计划中，我国将实现该产品的产业化，以占据国际市场。

主流的工业化砷化镓生长工艺包括：直拉法（Cz法）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB法）以及垂直梯度凝固法（VGF法）等。以上方法各有优劣，除了实际工艺制备的方法，另外一种就是通过计算机来实现砷化镓的晶体生长数值模拟，如利用FEMAG/VB能模拟VB、VGF法生长工艺，利用FEMAG/Cz能模拟CZ法生长工艺；国内北京有色金属研究总院在晶体生长过程中的微缺陷 、以及熔体和气流流动对晶体生长过程的影响作出了有效的计算模拟 ，对晶体生长的制备起到了技术指导的作用。

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。

有很多，例如：TSMC台积电，联电（台湾），中芯国际，宏力，华虹NEC，先进半导体ASMC等等。

半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（ 硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物）,以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

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