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磷化鎵是一種具有特定性質(zhì)的人工合成的化合物半導(dǎo)體材料，它由Ⅲ族元素鎵和V族元素磷組成。這種材料的特殊性質(zhì)使其在化合物半導(dǎo)體器件和光電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，它可以用于制作高效率的紅外激光器、發(fā)光二極管和太陽(yáng)能電池等。此外，磷化鎵還具有較高的電子遷移率和熱穩(wěn)定性，能夠在高溫和高速情況下運(yùn)行。磷化鎵
人工合成的化合物半導(dǎo)體材料
基本信息
| 中文名 | 磷化鎵 |
| 外文名 | gallanylidynephosphane |
| 別名 | Gallium phosphide Gallium monophosphide EINECS 235-057-2 |
| 化學(xué)式 | GaP |
| 摩爾質(zhì)量 | 100.6968 |
| 外觀 | 橙紅色透明晶體 |
| LogP | 0.17000 |
| CAS號(hào) | 12063-98-8 |
收起
物化性質(zhì)
磷化鎵的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型，晶格常數(shù)5.447±0.06埃，化學(xué)鍵是以共價(jià)鍵為主的混合鍵，其離子鍵成分約為20%，300K時(shí)能隙為2.26eV，屬于間接躍遷型半導(dǎo)體。磷化鎵與其他寬帶隙Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體(如GaAS、 InP)相同，可通過(guò)引入深中心使費(fèi)米能級(jí)接近帶隙中部，如摻入鉻、鐵、氧等雜質(zhì)元素可成為半絕緣材料。目前尚未得到非摻雜半絕緣材料。
安全信息
符號(hào)：GHS07
信號(hào)詞：警告
危害聲明：H319; H335
警示性聲明：P261; P305 + P351 + P338
危險(xiǎn)品運(yùn)輸編碼：UN 3288
危險(xiǎn)類別碼：R36/37
安全說(shuō)明：S26
危險(xiǎn)品標(biāo)志：Xi
生產(chǎn)工藝
概述
生產(chǎn)工藝工業(yè)上生產(chǎn)的磷化鎵材料可分為單晶材料和外延材料。工業(yè)生產(chǎn)的襯底單晶均為摻入硫、硅雜質(zhì)的N型半導(dǎo)體。磷化鎵單晶早期通過(guò)液相法在常壓下制備；后采用液體覆蓋直拉法。現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)磷化鎵單晶都是在高壓合成爐中，采用定向凝固工藝合成磷化鎵多晶，進(jìn)行適當(dāng)處理后裝入高壓?jiǎn)尉t進(jìn)行單晶拉制。磷化鎵外延材料是在磷化鎵單晶襯底上通過(guò)液相外延或汽相外延加擴(kuò)散生長(zhǎng)的方法制得。多用于制造發(fā)光二極管。液相外延材料可制造紅色、黃綠色、純綠色光的發(fā)光二極管，汽相外延加擴(kuò)散生長(zhǎng)的材料，可制造黃色、黃綠色光的發(fā)光二極管。
單晶材料
磷化鎵在其熔點(diǎn)1467度時(shí)離解壓強(qiáng)為3.9±0.7MPa(或3.5MPa)。1968年以前大多用溶液法在常壓下制備晶體，如從稀溶液中(P原子分?jǐn)?shù)小于40%)的直拉法(CZ)生長(zhǎng)、合成溶質(zhì)擴(kuò)散(SSD)法等。這些方法生長(zhǎng)速度極慢，且難以得到尺寸較大的單晶體。1968年英國(guó)皇家雷達(dá)公司的J.Bass等人在高壓單晶爐內(nèi)用液體覆蓋直拉(LEC)法首次生長(zhǎng)出磷化鎵單晶。此后，高壓LEC法幾乎成為制備磷化鎵單晶的唯一方法?，F(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)都是在高壓合成爐中采用兩恒區(qū)定向凝固工藝合成磷化鑲多晶，再把多晶經(jīng)適當(dāng)處理裝入高壓?jiǎn)尉t內(nèi)進(jìn)行單晶拉制。拉制中用晶體稱重與計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制可自動(dòng)控制晶體直徑。用浮舟技術(shù)進(jìn)行直徑恒定控制較為簡(jiǎn)便，但只能用于生長(zhǎng) <111>、<115>晶向的單晶。與單晶生長(zhǎng)和晶片加工有關(guān)的性能數(shù)據(jù)為：熱導(dǎo)率0.97W/(cm·K)，臨界切應(yīng)力4.0N/mm ，堆垛層錯(cuò)能41±4mJ/m 。微硬度940kg/mm。
外延材料
發(fā)光二極管(LED)是由在磷化鎵單晶襯底上通過(guò)液相外延(LPE)或氣相外延(VPE)加擴(kuò)散的方法制出的PN結(jié)薄層材料制造的。LPE生長(zhǎng)的 P一GaP:Zn一O/N一GaP:Te/N一GaP，P一GaP:N，Zn/ N一GaP:S(或51)/N一GaP，P一GaP:Zn/N一GaP: S(或Si)/N一GaP分別用于制造紅、黃綠、純綠色 LED;而VPE加擴(kuò)散生長(zhǎng)的P一GaP:N，Zn/N一GaP， S(或Se)/N一GaP，P一GaP，N，Zn/N一GaP:S(或Se)/ N一GaP分別用于制造黃綠、黃色LED。發(fā)光機(jī)理1929年，磷化鎵作為化學(xué)化合物最早見(jiàn)于文獻(xiàn)。1954年對(duì)磷化鎵晶體性能進(jìn)行了較深入的研究。1955年觀察到其發(fā)光性能。1960一1961年對(duì)磷化鎳LED特性進(jìn)行了大量研究。1969年分別制成紅、綠色磷化鎵LED。磷化鎵從此成為主要的LED材料。間接躍遷半導(dǎo)體的發(fā)光幾乎均與雜質(zhì)有關(guān)。磷化鎵是間接躍遷材料中對(duì)發(fā)光現(xiàn)象研究得最為透徹的一個(gè)。人眼所能看見(jiàn)的光波長(zhǎng)范圍為4000一7000人。作為注入式可見(jiàn)光LED，其禁帶寬度應(yīng)大于1.72 eV。磷化鎵的能級(jí)結(jié)構(gòu)完全滿足這一要求。但其帶間復(fù)合概率很小，利用等電子陷阱所形成的束縛激子復(fù)合可獲得相當(dāng)高的發(fā)光效率。例如，往磷化鎵摻氮，氮在晶格中占P位。氮、磷同屬V族元素，是等電性的，只是氮原子外層電 子比磷原子的少8個(gè)。這樣，磷化鎵晶格中P格點(diǎn)上的氮原子對(duì)電子的親和力比磷原子的大而易于俘獲電子，爾后由于庫(kù)侖力作用再俘獲空穴形成所謂束縛激子。這就是等價(jià)電子所形成的等電子陷阱。它復(fù)合時(shí)，可產(chǎn)生有效的近帶隙復(fù)合輻射。由于激子只包括電子空穴，不易把能量傳給其他電子而產(chǎn)生俄歇過(guò)程，故等電子陷阱發(fā)光可得到較高的發(fā)光效率。即使在直接帶隙材料中摻入等電子雜質(zhì)也可提高其發(fā)光效率，例如ZnTe: O、CdS:Te等。磷化鎵中摻氮濃度約10‘gem一3時(shí)，氮是綠色發(fā)光中心；摻氮濃度再高，就會(huì)在晶格中形成 N一N對(duì)，N一N對(duì)所形成的激子復(fù)合時(shí)發(fā)黃光。如在磷化鎳中摻入Zn一O對(duì)，Zn一0復(fù)合體可視為等價(jià)分子(替代磷化鎵分子)，亦可成為等電子陷阱，它所形成的束縛激子復(fù)合發(fā)紅光。對(duì)于綠色發(fā)光還提出了另外的機(jī)理。伴有聲子發(fā)射的自由激子復(fù)合發(fā)光和自由空穴與被施主俘獲的電子復(fù)合發(fā)光，已在純度極高的磷化鎵外延層中觀察到純綠色光，并已制出純綠色LED，可能是這兩種機(jī)理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
生產(chǎn)工藝的數(shù)值計(jì)算方法
磷化鎵單晶制備多采用直拉法，或者采用定向凝固工藝合成磷化鎵多晶，再進(jìn)行適當(dāng)處理后裝入高壓?jiǎn)尉t進(jìn)行單晶拉制。但是常規(guī)的制備方法生長(zhǎng)速度極慢，且難以得到尺寸較大的單晶體。
晶體生長(zhǎng)數(shù)值模擬和計(jì)算是以工程物理為理論背景，利用數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)的仿真過(guò)程。此種方法克服了工程中無(wú)法完成的任務(wù)，如單晶爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)、缺陷預(yù)測(cè)等，而且在單晶制備初期能高效率的進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、評(píng)估，用于有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。
現(xiàn)狀與展望
磷化稼單晶是化合物半導(dǎo)體中生產(chǎn)量?jī)H次于砷化稼的單晶材料。全世界單晶年產(chǎn)量1973年約1噸，1980年發(fā)展到10噸，進(jìn)入90年代接近20噸。磷化稼單晶材料和外延材料均已達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。
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