半导体材料第78讲-化合物半导体.ppt

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1、半导体材料半导体材料陈易明第六章第六章IIIV族化合物半导体族化合物半导体一、重要 IIIV族化合物半导体介绍二、IIIV族化合物半导体的晶体结构三、IIIV族化合物半导体的能带结构 IIIIII一一一一V V族化合物半导体是由周期表中族化合物半导体是由周期表中族化合物半导体是由周期表中族化合物半导体是由周期表中IIIAIIIA和和和和VAVA族元素化合而成。族元素化合而成。族元素化合而成。族元素化合而成。几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学几乎在与锗

2、、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。19521952年年年年WelkerWelker等人发现等人发现等人发现等人发现族和族和族和族和族元素形成的化合物也是半导体，族元素形成的化合物也是半导体，族元素形成的化合物也是半导体，族元素形成的化合物也是半导体，而且某些化合物半导体如而且某些化合物半导体如而且某些化合物半导体如而且某些化合物半导体如GaAsGaAs、InPInP等具有等具有等具有等具有

3、GeGe、SiSi所不具备的优越特所不具备的优越特所不具备的优越特所不具备的优越特性性性性(如电子迁移率高、禁带宽度大等等如电子迁移率高、禁带宽度大等等如电子迁移率高、禁带宽度大等等如电子迁移率高、禁带宽度大等等)，可以在微波及光电器件领域，可以在微波及光电器件领域，可以在微波及光电器件领域，可以在微波及光电器件领域有广泛的应用，因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。有广泛的应用，因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。有广泛的应用，因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。有广泛的应用，因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。但是，由于这些化合物中含有易挥发的但是，由

4、于这些化合物中含有易挥发的但是，由于这些化合物中含有易挥发的但是，由于这些化合物中含有易挥发的族元素，材料的制备远族元素，材料的制备远族元素，材料的制备远族元素，材料的制备远比比比比GeGe、SiSi等困难。到等困难。到等困难。到等困难。到5050年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法(HB)(HB)、温度梯度法温度梯度法温度梯度法温度梯度法(GF)(GF)和磁耦合提拉法生长出了和磁耦合提拉法生长出了和磁耦合提拉法生长出了和磁耦合提拉法生长出了GaAsGaAs、InPInP单晶，但由于晶单

5、晶，但由于晶单晶，但由于晶单晶，但由于晶体太小不适于大规模的研究。体太小不适于大规模的研究。体太小不适于大规模的研究。体太小不适于大规模的研究。19621962年年年年MetzMetz等人提出可以用液封直拉法等人提出可以用液封直拉法等人提出可以用液封直拉法等人提出可以用液封直拉法(LEC)(LEC)来制备化合物半导来制备化合物半导来制备化合物半导来制备化合物半导体晶体，体晶体，体晶体，体晶体，1965196819651968年年年年MullinMullin等人第一次用三氧化二硼等人第一次用三氧化二硼等人第一次用三氧化二硼等人第一次用三氧化二硼(B(B2 2OO3 3)做液封剂，做液封剂，做液封

6、剂，做液封剂，用用用用LECLEC法生长了法生长了法生长了法生长了GaAsGaAs、InPInP等单晶材料，为以后生长大直径、高质量等单晶材料，为以后生长大直径、高质量等单晶材料，为以后生长大直径、高质量等单晶材料，为以后生长大直径、高质量-族单晶打下了基础。族单晶打下了基础。族单晶打下了基础。族单晶打下了基础。化合物半导体材料砷化镓化合物半导体材料砷化镓 砷化镓是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材砷化镓是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材砷化镓是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材砷化镓是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化

7、合物半导体料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。材料。材料。材料。优点：优点：优点：优点：砷化镓具有砷化镓具有砷化镓具有砷化镓具有电子迁移率高电子迁移率高电子迁移率高电子迁移率高（是硅的（是硅的（是硅的（是硅的5-65-6倍）、倍）、倍）、倍）、禁带宽度大禁带宽度大禁带宽度大禁带宽度大（它为，（它为，（它为，（它为，硅为），工作温度可以比硅高硅为），工作温度可以比硅高硅为），工作温度可以比硅高硅为），工作温度可以比硅高 为直接带隙，为直接带隙，为直接带隙，为直接带隙，光电特性好

8、光电特性好光电特性好光电特性好，可作发光与激光器件，可作发光与激光器件，可作发光与激光器件，可作发光与激光器件 容易制成半绝缘材料（电阻率容易制成半绝缘材料（电阻率容易制成半绝缘材料（电阻率容易制成半绝缘材料（电阻率10107 7-10-109 9cmcm），），），），本征载流子浓度低本征载流子浓度低本征载流子浓度低本征载流子浓度低 耐热、抗辐射性能好耐热、抗辐射性能好耐热、抗辐射性能好耐热、抗辐射性能好 对磁场敏感对磁场敏感对磁场敏感对磁场敏感 易拉制出单晶易拉制出单晶易拉制出单晶易拉制出单晶 砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比砷化镓是由金属镓与半金属砷按

9、原子比砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:11:1化合而成的金属化合而成的金属化合而成的金属化合而成的金属间化合物。它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。间化合物。它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。间化合物。它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。间化合物。它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。砷化镓早在砷化镓早在砷化镓早在砷化镓早在19261926年就已经被合成出来了。到了年就已经被合成出来了。到了年就已经被合成出来了。到了年就已经被合成出来了。到了19521952年确认了它年确认了它年确认了它年确认了它的半导体性质。的半导体性质。的半导体性质。的半导体性质。用砷

10、化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、也是继硅材料之后最

11、重要的微电子材料，它适合于制造高频、高速的器件和电路。高速的器件和电路。高速的器件和电路。高速的器件和电路。砷化镓在我们日常生活中的一些应用砷化镓在我们日常生活中的一些应用砷化镓在我们日常生活中的一些应用砷化镓在我们日常生活中的一些应用 现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。这些遥控器现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。这些遥控器现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。这些遥控器现在我们看电视、听音响、开空调都用遥控器。这些遥控器是通过砷化镓发出的红外光把指令传给主机的。是通过砷化镓发出的红外光把指令传给主机的。是通过砷化镓发出的红外光把指令传给主机的。是通过砷化镓发出的红外光把指

12、令传给主机的。在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯，它们是以砷化在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯，它们是以砷化在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯，它们是以砷化在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯，它们是以砷化镓等材料为衬底做成的发光二极管。镓等材料为衬底做成的发光二极管。镓等材料为衬底做成的发光二极管。镓等材料为衬底做成的发光二极管。光盘和光盘和光盘和光盘和VCDVCD，DVD DVD都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管进行读出的。进行读出的。进行读出的。进行读出的。曲折的

13、应用历程曲折的应用历程 到了到了到了到了5050年代中期当半导体硅的工艺获得突破以后年代中期当半导体硅的工艺获得突破以后年代中期当半导体硅的工艺获得突破以后年代中期当半导体硅的工艺获得突破以后.人人人人们开始寻找更优良的半导体材料。由于其优异的半导体性们开始寻找更优良的半导体材料。由于其优异的半导体性们开始寻找更优良的半导体材料。由于其优异的半导体性们开始寻找更优良的半导体材料。由于其优异的半导体性质，所以目光就集中在砷化镓上。质，所以目光就集中在砷化镓上。质，所以目光就集中在砷化镓上。质，所以目光就集中在砷化镓上。砷化镓单晶在应用上曾遭受到不少挫折。首先用它来砷化镓单晶在应用上曾遭受到不少挫

14、折。首先用它来砷化镓单晶在应用上曾遭受到不少挫折。首先用它来砷化镓单晶在应用上曾遭受到不少挫折。首先用它来作晶体管和二极管，结果其性能还赶不上硅和锗。到了作晶体管和二极管，结果其性能还赶不上硅和锗。到了作晶体管和二极管，结果其性能还赶不上硅和锗。到了作晶体管和二极管，结果其性能还赶不上硅和锗。到了6060年代初，出现了年代初，出现了年代初，出现了年代初，出现了耿氏微波二极管耿氏微波二极管耿氏微波二极管耿氏微波二极管，人们曾寄希望于将此器，人们曾寄希望于将此器，人们曾寄希望于将此器，人们曾寄希望于将此器件取代真空速调管，使雷达实现固体化。后终因输出功率件取代真空速调管，使雷达实现固体化。后终因输

15、出功率件取代真空速调管，使雷达实现固体化。后终因输出功率件取代真空速调管，使雷达实现固体化。后终因输出功率太小而未能实现。太小而未能实现。太小而未能实现。太小而未能实现。在改善计算机性能中，用砷化镓制成了超高速电路，在改善计算机性能中，用砷化镓制成了超高速电路，在改善计算机性能中，用砷化镓制成了超高速电路，在改善计算机性能中，用砷化镓制成了超高速电路，可以提高计算机的计算速度，这个应用十分诱人，但是后可以提高计算机的计算速度，这个应用十分诱人，但是后可以提高计算机的计算速度，这个应用十分诱人，但是后可以提高计算机的计算速度，这个应用十分诱人，但是后来开发出计算机平行计算技术，又给砷化镓的应用浇

16、了一来开发出计算机平行计算技术，又给砷化镓的应用浇了一来开发出计算机平行计算技术，又给砷化镓的应用浇了一来开发出计算机平行计算技术，又给砷化镓的应用浇了一飘冷水。飘冷水。飘冷水。飘冷水。所以一直到所以一直到所以一直到所以一直到9090年代初期，砷化镓的应用基本限于光电年代初期，砷化镓的应用基本限于光电年代初期，砷化镓的应用基本限于光电年代初期，砷化镓的应用基本限于光电子器件和军事用途。子器件和军事用途。子器件和军事用途。子器件和军事用途。步入黄金时代步入黄金时代 由于认识到其优异性能及其战略意义人们不断地对砷化镓材料由于认识到其优异性能及其战略意义人们不断地对砷化镓材料由于认识到其优异性能及其

17、战略意义人们不断地对砷化镓材料由于认识到其优异性能及其战略意义人们不断地对砷化镓材料器件及应用进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。器件及应用进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。器件及应用进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。器件及应用进行研究与开拓，这些工作为今天的大发展打下了基础。砷化镓器件有砷化镓器件有砷化镓器件有砷化镓器件有分立器件和集成电路分立器件和集成电路分立器件和集成电路分立器件和集成电路。现在集成电路已不是硅的。现在集成电路已不是硅的。现在集成电路已不是硅的。现在集成电路已不是硅的一统天下，砷化镓集成电路己占集成电路市场份额的一统天下，砷化

18、镓集成电路己占集成电路市场份额的一统天下，砷化镓集成电路己占集成电路市场份额的一统天下，砷化镓集成电路己占集成电路市场份额的2%2%强。强。强。强。已获应用的砷化镓器件有已获应用的砷化镓器件有已获应用的砷化镓器件有已获应用的砷化镓器件有:1.1.微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等;2.2.微波晶体管微波晶体管微波晶体管微波晶体管:场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管(FET).(FET).高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管(HEMT)(

19、HEMT)，异质，异质，异质，异质结双极型晶体管结双极型晶体管结双极型晶体管结双极型晶体管(HBT)(HBT)等等等等;3.3.集成电路集成电路集成电路集成电路:微波单片集成电路微波单片集成电路微波单片集成电路微波单片集成电路(MMIC)(MMIC)、超高速集成电路、超高速集成电路、超高速集成电路、超高速集成电路(VHSIC)(VHSIC)等等等等;4.4.红外发光二极管红外发光二极管红外发光二极管红外发光二极管:(IR LED);.:(IR LED);.可见光发光二极管可见光发光二极管可见光发光二极管可见光发光二极管(LED(LED，作衬底用，作衬底用，作衬底用，作衬底用););.激光二极管

20、激光二极管激光二极管激光二极管(LD);.(LD);.5.5.光探测器光探测器光探测器光探测器;6.6.高效太阳电池高效太阳电池高效太阳电池高效太阳电池;7.7.霍尔元件等霍尔元件等霍尔元件等霍尔元件等砷化镓应用领域砷化镓应用领域 最近一个时期以来，有些砷化镓器件的需求猛增，一些领域的发展最近一个时期以来，有些砷化镓器件的需求猛增，一些领域的发展最近一个时期以来，有些砷化镓器件的需求猛增，一些领域的发展最近一个时期以来，有些砷化镓器件的需求猛增，一些领域的发展迅速地扩大了砷化镓市场的需求，又带动了砷化镓材料和器件的研究迅速地扩大了砷化镓市场的需求，又带动了砷化镓材料和器件的研究迅速地扩大了砷化

21、镓市场的需求，又带动了砷化镓材料和器件的研究迅速地扩大了砷化镓市场的需求，又带动了砷化镓材料和器件的研究与发展，这些领域是与发展，这些领域是与发展，这些领域是与发展，这些领域是:移动电话移动电话移动电话移动电话近些年来移动电话飞速发展，年增长率达两三倍。由于近些年来移动电话飞速发展，年增长率达两三倍。由于近些年来移动电话飞速发展，年增长率达两三倍。由于近些年来移动电话飞速发展，年增长率达两三倍。由于用户的增加和功能的扩大，就必须提高其使用的频率。在较高的频率用户的增加和功能的扩大，就必须提高其使用的频率。在较高的频率用户的增加和功能的扩大，就必须提高其使用的频率。在较高的频率用户的增加和功能的

22、扩大，就必须提高其使用的频率。在较高的频率下，砷化镓器件与硅器件相比下，砷化镓器件与硅器件相比下，砷化镓器件与硅器件相比下，砷化镓器件与硅器件相比.具有使用的电压低、功率效率高、噪具有使用的电压低、功率效率高、噪具有使用的电压低、功率效率高、噪具有使用的电压低、功率效率高、噪声低等优点，而且频率愈高，两种器件在上述性能方面的差距愈大。声低等优点，而且频率愈高，两种器件在上述性能方面的差距愈大。声低等优点，而且频率愈高，两种器件在上述性能方面的差距愈大。声低等优点，而且频率愈高，两种器件在上述性能方面的差距愈大。所以现在移动通信成了砷化镓微波电路的最大用户。所以现在移动通信成了砷化镓微波电路的最

23、大用户。所以现在移动通信成了砷化镓微波电路的最大用户。所以现在移动通信成了砷化镓微波电路的最大用户。光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信在此种通信中光的发射是要用砷化镓或砷化镓基的激光在此种通信中光的发射是要用砷化镓或砷化镓基的激光在此种通信中光的发射是要用砷化镓或砷化镓基的激光在此种通信中光的发射是要用砷化镓或砷化镓基的激光二极管或发光二极管，由于移动通信和因特网的发展扩大了对光纤通二极管或发光二极管，由于移动通信和因特网的发展扩大了对光纤通二极管或发光二极管，由于移动通信和因特网的发展扩大了对光纤通二极管或发光二极管，由于移动通信和因特网的发展扩大了对光纤通信的需求。信的需求。信的需求。信的需

24、求。汽车自动化汽车自动化汽车自动化汽车自动化首先获得应用的是全球定位系统，可以指示给驾驶员首先获得应用的是全球定位系统，可以指示给驾驶员首先获得应用的是全球定位系统，可以指示给驾驶员首先获得应用的是全球定位系统，可以指示给驾驶员关于汽车的方位、合理的行车路线等信息，这也为汽车的无人驾驶提关于汽车的方位、合理的行车路线等信息，这也为汽车的无人驾驶提关于汽车的方位、合理的行车路线等信息，这也为汽车的无人驾驶提关于汽车的方位、合理的行车路线等信息，这也为汽车的无人驾驶提供了前提条件，这套系统主要靠砷化镓的微波器件所支持的。另外已供了前提条件，这套系统主要靠砷化镓的微波器件所支持的。另外已供了前提条件

25、，这套系统主要靠砷化镓的微波器件所支持的。另外已供了前提条件，这套系统主要靠砷化镓的微波器件所支持的。另外已接近商品化的汽车防碰撞装置是以砷化镓微波器件所构成的雷达为核接近商品化的汽车防碰撞装置是以砷化镓微波器件所构成的雷达为核接近商品化的汽车防碰撞装置是以砷化镓微波器件所构成的雷达为核接近商品化的汽车防碰撞装置是以砷化镓微波器件所构成的雷达为核心的。心的。心的。心的。砷化镓应用领域砷化镓应用领域 太空高效太阳电池太空高效太阳电池太空高效太阳电池太空高效太阳电池原来人造天体上所用的都是硅的太阳能电原来人造天体上所用的都是硅的太阳能电原来人造天体上所用的都是硅的太阳能电原来人造天体上所用的都是硅

26、的太阳能电池。由于砷化镓太阳能电池的工艺获得突破，现已证明，在太池。由于砷化镓太阳能电池的工艺获得突破，现已证明，在太池。由于砷化镓太阳能电池的工艺获得突破，现已证明，在太池。由于砷化镓太阳能电池的工艺获得突破，现已证明，在太空中使用砷化镓太阳能电池更为合理。最近发射和计划发射的空中使用砷化镓太阳能电池更为合理。最近发射和计划发射的空中使用砷化镓太阳能电池更为合理。最近发射和计划发射的空中使用砷化镓太阳能电池更为合理。最近发射和计划发射的人造天体多使用砷化镓太阳能电池作能源。最引人注目的是美人造天体多使用砷化镓太阳能电池作能源。最引人注目的是美人造天体多使用砷化镓太阳能电池作能源。最引人注目的

27、是美人造天体多使用砷化镓太阳能电池作能源。最引人注目的是美国发射的火星探路者，它使用了砷化镓太阳能电池来驱动自动国发射的火星探路者，它使用了砷化镓太阳能电池来驱动自动国发射的火星探路者，它使用了砷化镓太阳能电池来驱动自动国发射的火星探路者，它使用了砷化镓太阳能电池来驱动自动小车在火星上工作了小车在火星上工作了小车在火星上工作了小车在火星上工作了3030天。天。天。天。军事应用军事应用军事应用军事应用在海湾战争和科索沃战争中，电子信息技术显示出在海湾战争和科索沃战争中，电子信息技术显示出在海湾战争和科索沃战争中，电子信息技术显示出在海湾战争和科索沃战争中，电子信息技术显示出巨大的威力，其中砷化镓

28、起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达、巨大的威力，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达、巨大的威力，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达、巨大的威力，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达、电子对抗、激光描准、夜视、通信等方面，砷化镓器件都起了电子对抗、激光描准、夜视、通信等方面，砷化镓器件都起了电子对抗、激光描准、夜视、通信等方面，砷化镓器件都起了电子对抗、激光描准、夜视、通信等方面，砷化镓器件都起了关键的作用。现在各发达国家都在研究供军事用的砷化镓材料关键的作用。现在各发达国家都在研究供军事用的砷化镓材料关键的作用。现在各发达国家都在研究供军事用的砷化镓材料关键的作用。现在各发

29、达国家都在研究供军事用的砷化镓材料与器件。与器件。与器件。与器件。GaN材料的特性材料的特性 GaNGaN首先由首先由首先由首先由JohnsonJohnson等人合成，等人合成，等人合成，等人合成，GaGa和和和和NHNH3 3为原料，在为原料，在为原料，在为原料，在600900600900加热合成。可生成白色、灰色或棕色粉末加热合成。可生成白色、灰色或棕色粉末加热合成。可生成白色、灰色或棕色粉末加热合成。可生成白色、灰色或棕色粉末(是含是含是含是含有有有有OO或未反应的或未反应的或未反应的或未反应的GaGa所致所致所致所致)。GaNGaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，融是极稳定的化

30、合物，又是坚硬的高熔点材料，融是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，融是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，融点约点约点约点约17001700。GaNGaN具有高的电离度，在具有高的电离度，在具有高的电离度，在具有高的电离度，在-族化合物中是族化合物中是族化合物中是族化合物中是最高的或最高的或最高的或最高的或0.43)0.43)。在大气压力下，。在大气压力下，。在大气压力下，。在大气压力下，GaNGaN晶体一般呈六方纤锌晶体一般呈六方纤锌晶体一般呈六方纤锌晶体一般呈六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有矿结构。它在一个元胞中有矿结构。它在一个元胞中有矿结构。它在一个元胞中有4 4个原子，原子体积

31、大约为个原子，原子体积大约为个原子，原子体积大约为个原子，原子体积大约为GaAsGaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。料。料。料。人们关注的人们关注的人们关注的人们关注的GaNGaN的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。所以不少研究小组多年来对其光学特性进行了上的应用。所以不少研究小组多年来对其光学特性进行了上的应用。所以不少研究小

32、组多年来对其光学特性进行了上的应用。所以不少研究小组多年来对其光学特性进行了研究。研究。研究。研究。GaN GaNGaN具有宽的直接带隙，强的原子键，高的热导率等性质和强具有宽的直接带隙，强的原子键，高的热导率等性质和强具有宽的直接带隙，强的原子键，高的热导率等性质和强具有宽的直接带隙，强的原子键，高的热导率等性质和强的抗辐照能力，不仅是短波长光电子材料，也是高温半导体器的抗辐照能力，不仅是短波长光电子材料，也是高温半导体器的抗辐照能力，不仅是短波长光电子材料，也是高温半导体器的抗辐照能力，不仅是短波长光电子材料，也是高温半导体器件的换代材料。件的换代材料。件的换代材料。件的换代材料。紫外光可

33、用于大气层外空间的探测，短的波长，使激光打印紫外光可用于大气层外空间的探测，短的波长，使激光打印紫外光可用于大气层外空间的探测，短的波长，使激光打印紫外光可用于大气层外空间的探测，短的波长，使激光打印光盘存储更微细化、高密度化。又由于光盘存储更微细化、高密度化。又由于光盘存储更微细化、高密度化。又由于光盘存储更微细化、高密度化。又由于族族族族NN化物可组成带隙化物可组成带隙化物可组成带隙化物可组成带隙从从从从1.9eV(InN)1.9eV(InN)、3.4eV(GaN)3.4eV(GaN)到到到到6.2eV(AlN)6.2eV(AlN)的连续变化固溶体合的连续变化固溶体合的连续变化固溶体合的连

34、续变化固溶体合金，因而可实现波长从红外到紫外全可见光范围的光发射。金，因而可实现波长从红外到紫外全可见光范围的光发射。金，因而可实现波长从红外到紫外全可见光范围的光发射。金，因而可实现波长从红外到紫外全可见光范围的光发射。GaNGaN也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功率器件材料。代高温度频大功率器件材料。代高温度频大功率器件材料。代高温度频大功率器件材料。GaN应用前景应用前景 对于对于对于对于GaNGaN材料，长期

35、以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，但是目前器件水平已可实用化。陷密度相当高，但是目前器件水平已可实用化。陷密度相当高，但是目前器件水平已可实用化。陷密度相当高，但是目前器件水平已可实用化。19941994年日本日亚化学所制成年日本日亚化学所制成年日本日亚化学所制成年日本日亚化学所制成1200mcd1200mcd的的的的LEDLED，19951995又制成又制成又制成又制成2 2cdcd蓝光蓝光蓝光蓝光(450nmLED)(450nmLED)，

36、绿光，绿光，绿光，绿光12cd(520nmLED12cd(520nmLED证明这一材料研制工作证明这一材料研制工作证明这一材料研制工作证明这一材料研制工作取得相当成功，进入实用化阶段。取得相当成功，进入实用化阶段。取得相当成功，进入实用化阶段。取得相当成功，进入实用化阶段。InGaNInGaN系合金的生成，系合金的生成，系合金的生成，系合金的生成，InGaNAlGaNInGaNAlGaN双异质结双异质结双异质结双异质结LEDLED，InGaNInGaN单量子阱单量子阱单量子阱单量子阱LEDLED，InGaNInGaN多量子阱多量子阱多量子阱多量子阱LDLD等相继开发成功。等相继开发成功。等相继

37、开发成功。等相继开发成功。InGaNInGaNSQWSQWLED6cdLED6cd高亮度纯绿色、高亮度纯绿色、高亮度纯绿色、高亮度纯绿色、2cd2cd高亮度蓝色高亮度蓝色高亮度蓝色高亮度蓝色LEDLED已已已已制作出来，今后，与制作出来，今后，与制作出来，今后，与制作出来，今后，与AlInGaPAlInGaP、AlGaAsAlGaAs系红色系红色系红色系红色LEDLED组合形成高组合形成高组合形成高组合形成高亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白光光源也打开新亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白光光源也打开新亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白光光源也打开新亮度全色显示就可实现。这样

38、三原色混成的白光光源也打开新的应用领域。高可靠、长寿命的应用领域。高可靠、长寿命的应用领域。高可靠、长寿命的应用领域。高可靠、长寿命LEDLED为特征的时代就会到来。日为特征的时代就会到来。日为特征的时代就会到来。日为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被光灯和电灯泡都将会被光灯和电灯泡都将会被光灯和电灯泡都将会被LEDLED所替代。所替代。所替代。所替代。为节约能源，日前欧盟已开始执行全面停用白炽灯的政策。为节约能源，日前欧盟已开始执行全面停用白炽灯的政策。为节约能源，日前欧盟已开始执行全面停用白炽灯的政策。为节约能源，日前欧盟已开始执行全面停用白炽灯的政策。目前LED专利核心基本被德国

39、欧司朗(Osram)公司、日本日亚化学所有日亚化学所有日亚化学所有日亚化学所有 为什么高亮度为什么高亮度为什么高亮度为什么高亮度LEDLED如此受重视如此受重视如此受重视如此受重视?这是因为这是因为这是因为这是因为LEDLED光电转换效光电转换效光电转换效光电转换效率高，亮灭响应速度快，因而大大降低电力消耗，一般情率高，亮灭响应速度快，因而大大降低电力消耗，一般情率高，亮灭响应速度快，因而大大降低电力消耗，一般情率高，亮灭响应速度快，因而大大降低电力消耗，一般情况下，钨丝灯泡发光效率为况下，钨丝灯泡发光效率为况下，钨丝灯泡发光效率为况下，钨丝灯泡发光效率为20 lm/W20 lm/W（光通量（

40、光通量（光通量（光通量/电功率），电功率），电功率），电功率），萤光灯为萤光灯为萤光灯为萤光灯为6080 lm/W6080 lm/W，而蓝光，而蓝光，而蓝光，而蓝光LEDLED为为为为120 lm/W120 lm/W，是灯泡，是灯泡，是灯泡，是灯泡电力消耗的电力消耗的电力消耗的电力消耗的1/61/6，萤光灯的，萤光灯的，萤光灯的，萤光灯的1/21/2。城市中商店，公司，机关，办公室，街道，娱乐场所，城市中商店，公司，机关，办公室，街道，娱乐场所，城市中商店，公司，机关，办公室，街道，娱乐场所，城市中商店，公司，机关，办公室，街道，娱乐场所，道路等照明用电量约占整个电力消耗的道路等照明用电量约占

41、整个电力消耗的道路等照明用电量约占整个电力消耗的道路等照明用电量约占整个电力消耗的20%20%。据日本估计，。据日本估计，。据日本估计，。据日本估计，如交通信号灯，霓红灯，广告牌及半数的白炽灯和萤光灯如交通信号灯，霓红灯，广告牌及半数的白炽灯和萤光灯如交通信号灯，霓红灯，广告牌及半数的白炽灯和萤光灯如交通信号灯，霓红灯，广告牌及半数的白炽灯和萤光灯由由由由LEDLED代替，代替，代替，代替，20102010年，将削减能源年，将削减能源年，将削减能源年，将削减能源(换算为石油换算为石油换算为石油换算为石油)约约约约8 8亿亿亿亿L L。由此可见，由此可见，由此可见，由此可见，LEDLED在节约能

42、源，减少污染在节约能源，减少污染在节约能源，减少污染在节约能源，减少污染!改善人们的生活改善人们的生活改善人们的生活改善人们的生活环境等方面都有着重大的意义。环境等方面都有着重大的意义。环境等方面都有着重大的意义。环境等方面都有着重大的意义。GaP的应用的应用目前市场主要供应的红、绿色普通LED，主要使用GaP衬底材料，超高亮度LED主要使用GaAs，GaN，ZnSe和SiC等材料磷化铟磷化铟 磷化铟磷化铟磷化铟磷化铟(InP)(InP)是重要的是重要的是重要的是重要的-族化合物半导体材料之一，是继族化合物半导体材料之一，是继族化合物半导体材料之一，是继族化合物半导体材料之一，是继SiSi、G

43、aAsGaAs之后的新一代电子功能材料。之后的新一代电子功能材料。之后的新一代电子功能材料。之后的新一代电子功能材料。由于由于由于由于InPInP在熔点温度在熔点温度在熔点温度在熔点温度13357K13357K时，磷的离解压为，因此时，磷的离解压为，因此时，磷的离解压为，因此时，磷的离解压为，因此InPInP多晶的合成相对比较困难，单晶生长也困难得多，整个过程始多晶的合成相对比较困难，单晶生长也困难得多，整个过程始多晶的合成相对比较困难，单晶生长也困难得多，整个过程始多晶的合成相对比较困难，单晶生长也困难得多，整个过程始终要在高温高压下进行，所以终要在高温高压下进行，所以终要在高温高压下进行，

44、所以终要在高温高压下进行，所以InPInP单晶就难获得，而且在高温高单晶就难获得，而且在高温高单晶就难获得，而且在高温高单晶就难获得，而且在高温高压下生长单晶，其所受到的热应力也大，所以晶片加工就很难，压下生长单晶，其所受到的热应力也大，所以晶片加工就很难，压下生长单晶，其所受到的热应力也大，所以晶片加工就很难，压下生长单晶，其所受到的热应力也大，所以晶片加工就很难，再加上再加上再加上再加上InPInP的堆垛层错能较低，容易产生孪晶，致使高质量的的堆垛层错能较低，容易产生孪晶，致使高质量的的堆垛层错能较低，容易产生孪晶，致使高质量的的堆垛层错能较低，容易产生孪晶，致使高质量的InPInP单晶的

45、制备更加困难。所以目前相同面积的单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的InPInP抛光片要比抛光片要比抛光片要比抛光片要比GaAsGaAs的贵的贵的贵的贵3535倍。而对倍。而对倍。而对倍。而对InPInP材料的研究还远不如材料的研究还远不如材料的研究还远不如材料的研究还远不如SiSi、GaAsGaAs等材料等材料等材料等材料来得深入和广泛。来得深入和广泛。来得深入和广泛。来得深入和广泛。InP InP是直接带隙、闪锌矿结构的是直接带隙、闪锌矿结构的是直接带隙、闪锌矿结构的是直接带隙、闪锌矿结构的-族化合物半导体材料，

46、族化合物半导体材料，族化合物半导体材料，族化合物半导体材料，能带宽度室温下为。与其晶格匹配的能带宽度室温下为。与其晶格匹配的能带宽度室温下为。与其晶格匹配的能带宽度室温下为。与其晶格匹配的InAsPInAsP、InGaAsInGaAs的带的带的带的带隙对应于波段，以隙对应于波段，以隙对应于波段，以隙对应于波段，以InPInP材料为衬底制作的波长范围在的发材料为衬底制作的波长范围在的发材料为衬底制作的波长范围在的发材料为衬底制作的波长范围在的发光二极管，光二极管，光二极管，光二极管，PINPIN光电探测器在光电探测器在光电探测器在光电探测器在SiOSiO2 2GeOGeO2 2光纤通信系统中光纤

47、通信系统中光纤通信系统中光纤通信系统中色散近似为零，传输损耗最低，已经并将不断在日益发展色散近似为零，传输损耗最低，已经并将不断在日益发展色散近似为零，传输损耗最低，已经并将不断在日益发展色散近似为零，传输损耗最低，已经并将不断在日益发展的光纤通信系统中发挥其重要作用。的光纤通信系统中发挥其重要作用。的光纤通信系统中发挥其重要作用。的光纤通信系统中发挥其重要作用。由于由于由于由于InPInP材料具有电子漂移速度快，负阻效应显著等材料具有电子漂移速度快，负阻效应显著等材料具有电子漂移速度快，负阻效应显著等材料具有电子漂移速度快，负阻效应显著等特点，除制作光电器件、光电集成电路特点，除制作光电器件

48、、光电集成电路特点，除制作光电器件、光电集成电路特点，除制作光电器件、光电集成电路(OEIC)(OEIC)外，更是制外，更是制外，更是制外，更是制作微波器件、高速、高频器件作微波器件、高速、高频器件作微波器件、高速、高频器件作微波器件、高速、高频器件(HEMT(HEMT，HBTHBT等等等等)的理想衬底的理想衬底的理想衬底的理想衬底材料。高场条件下材料。高场条件下材料。高场条件下材料。高场条件下(104Vcm)InP(104Vcm)InP材料具有转移电子效应材料具有转移电子效应材料具有转移电子效应材料具有转移电子效应(体效应体效应体效应体效应)，作为转移电子效应器件，作为转移电子效应器件，作为

49、转移电子效应器件，作为转移电子效应器件(TED)(TED)材料，材料，材料，材料，InPInP比比比比GaAsGaAs更为理想。更为理想。更为理想。更为理想。InP与与GaAs相比较相比较 与与与与GaAsGaAs材料相比，在器件制作中，材料相比，在器件制作中，材料相比，在器件制作中，材料相比，在器件制作中，InPInP材料具有下列优势材料具有下列优势材料具有下列优势材料具有下列优势:InPInP器件的电流峰器件的电流峰器件的电流峰器件的电流峰-谷比高于谷比高于谷比高于谷比高于GaAsGaAs，因此，因此，因此，因此，InPInP器件比器件比器件比器件比GaAsGaAs器件有更高的转换效率器件

50、有更高的转换效率器件有更高的转换效率器件有更高的转换效率;惯性能量时间常数小，只及惯性能量时间常数小，只及惯性能量时间常数小，只及惯性能量时间常数小，只及GaAsGaAs的一半，故其工作频率的一半，故其工作频率的一半，故其工作频率的一半，故其工作频率的极限比的极限比的极限比的极限比GaAsGaAs器件高出一倍器件高出一倍器件高出一倍器件高出一倍;InPInP峰峰峰峰-谷比的温度系数比谷比的温度系数比谷比的温度系数比谷比的温度系数比GaAsGaAs小，且热导率比小，且热导率比小，且热导率比小，且热导率比GaAsGaAs高，高，高，高，更有利于制作连续波器件更有利于制作连续波器件更有利于制作连续波