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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 | 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，可通過引入深中心使費(fèi)米能級接近帶隙中部，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：GHS07
信號詞：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)處理后裝入高壓單晶爐進(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液相外延或汽相外延加擴(kuò)散生長的方法制得。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、合成溶質(zhì)擴(kuò)散(SSD)法等。這些方法生長速度極慢，且難以得到尺寸較大的單晶體。1968年英國皇家雷達(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。現(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)處理裝入高壓單晶爐內(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)控制可自動控制晶體直徑。用浮舟技術(shù)進(jìn)行直徑恒定控制較為簡便，但只能用于生長 <111>、<115>晶向的單晶。與單晶生長和晶片加工有關(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)化合物最早見于文獻(xiàn)。1954年對磷化鎵晶體性能進(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發(fā)光現(xiàn)象研究得最為透徹的一個。人眼所能看見的光波長范圍為4000一7000人。作為注入式可見光LED，其禁帶寬度應(yīng)大于1.72 eV。磷化鎵的能級結(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。這樣，磷化鎵晶格中P格點(diǎn)上的氮原子對電子的親和力比磷原子的大而易于俘獲電子，爾后由于庫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，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，氮是綠色發(fā)光中心；摻氮濃度再高，就會在晶格中形成 N一N對，N一N對所形成的激子復(fù)合時發(fā)黃光。如在磷化鎳中摻入Zn一O對，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)處理后裝入高壓單晶爐進(jìn)行單晶拉制。但是常規(guī)的制備方法生長速度極慢，且難以得到尺寸較大的單晶體。
晶體生長數(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)的仿真過程。此種方法克服了工程中無法完成的任務(wù)，如單晶爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)、缺陷預(yù)測等，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)量僅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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