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提交日期: 2020年8月17日 审阅日期: 2020年10月20日 发布日期: 2020年11月6日
DOI: 10.5772/intechopen.94566
物理学的一个主要目标是理解复合金属的物理性质。基于这一目标，在本章中，我们打算回顾镓砷化物材料的物理和化学性质。
- GaAs
- 基本原理
- 物理特性
- 光学特性
- 化学特性
- 物理学
每一次新材料生长技术的创造和完善都会带来新设备的发现。半导体是所有发现中最有趣的（在使用时），它与电子设备的应用相关，例如，由III-V化合物组成的高速电路以及开关或放大器。其中一种类型是砷化镓（GaAs）
。作为一种III-V半导体，其组成包括镓，它是属于第3族的元素，具有正交三斜晶体结构，以及砷，它属于第5族，具有三斜晶体结构。这种组合导致了这种半导体的有趣的物理和化学性质。这些半导体具有不同的电子能隙，在常温下，它们可以结晶成锌刚石立方型晶体结构。在1947年晶体管的发现之后，砷化镓（GaAs）作为电子设备的重要材料出现。近年来对砷化镓（GaAs）的技术重要性和研究需求是由于其高熔点（1238°C）以及密度为5.3176 g/cm³。它是从锌和铝矿石的提取中作为副产品获得的，在地壳中的含量为5-15 mg/kg。
GaAs是全球产业的基础，它的使用范围广泛，从微波频率集成电路到光学窗口。在III-V族半导体中，GaAs作为半导体材料仍然很有用，广泛应用于光电子和微电子器件中。鉴于GaAs的广泛应用，我们决定撰写这一章节，重点关注这种重要材料的物理和化学性质。在排除存在的杂质及其相关影响的同时，重点放在了GaAs的特性上。
本章包括镓砷化物（GaAs）的一些物理和化学性质，如晶体结构、GaAs的直接带隙及其锌黄铁矿型晶体结构、电子结构、发光性能、电磁性能、光伏性能、相变以及机械和弹性性能。几何结构、稳定性和电子性质，如更高的饱和电子速度和高载流子迁移率，具有较小的介电常数和高电阻率。本章还详细阐述了GaAs的热力学性质，如热膨胀和热传导。
这些出色的特性导致了新型独特设备的生产，如高效率发光器件、光传感器和高速开关器件。GaAs被认为是III-V族半导体家族中的杰出成员。它具有许多突出特点，尤其适用于最近的光电子行业。因此，对该材料的物理特性进行了重点研究。9, 10, 11。
带结构是半导体的主要部分。简要解释一下，在绝对零度时，导带（最低空带）与价带（最高填充带）之间存在一个带隙或能隙。因此，在T = 0时，材料不导电。在有限温度下，通过光吸收或热激发等多种过程，电子可以被激发到导带中，此时价带中存在空态，电导得以实现。当电子返回到价带时，会释放能量，以热或光子的形式释放能量。
如F1中所述，基于不同条件存在两种类型的带隙。第一种是如果在价带的顶部，导带的底部不相接。因此，这被称为间接带隙。此外，光子是必要的，以提供达到导带状态所需的动量，并发生电子跃迁。然而，在GaAs和其他直接带型半导体的情况下，导带的底部和价带的顶部位于同一位置，因此即使波矢没有变化，电子也能从价带激发出来。吸收所需能量的光子就足够了。此外，通过发射光子，电子可以轻松地从导带过渡到价带。在这种情况下，不需要光子的相互作用，850 nm带隙的所需波长的光能发射发生，这允许电子空穴直接带复合。在没有缺陷的情况下，间接带隙的主要机制释放的能量是通过光子通过电磁辐射释放的。然而，在间接带隙半导体的情况下，光子以热的形式释放能量。[14, 15, 16]。
价带、直接带隙和间接带隙导带的示意图 [13]。
作为一种优良的光电材料，GaAs中的直接带隙被认为是光电子学和其他电子领域中的有用材料，在半导体激光器和发光二极管中得到广泛应用。它还被鼓励用于制造高效太阳能电池、冈二极管、红外发光二极管、固态探测器和雷达系统。根据材料的带隙能量大小，我们将其分类为1-3类，即窄带隙、中带隙和宽带隙。在半导体的所有性质中，能隙的存在占据了所有其他性质的首要位置。
带隙工程不仅允许制作具有连续和任意带隙变化的带图，而且被认为是新型半导体器件和材料中最强大的工具之一。对于特定应用，空穴和电子的输运性质可能是连续且独立的。这种方法引领我们进入一个具有独特能力的新一代器件，从谐振隧道晶体管到固态光倍增管。与任何其他半导体相比，对于GaAs，许多带结构都被精确地了解。图2和3清楚地表明，1.519 eV是砷化镓的基本能隙。此外，GaAs的高温性能很大程度上归因于其宽带隙 [20, 21, 22]。
GaAs能带间隙的结构 [18]。
(a) 使用紧束缚方法计算的GaAs带结构。(b) 在Γ对称点附近展示GaAs带结构草图，显示X [100] 和 L [19] 中的导带、重空穴带（hh）、轻空穴带（lh）和分裂带（so）。
除此之外，光电导性是半导体在适当试验条件下展现的特性，是与带隙相关的另一个好处
。当光照射到半导体上时，电导率增加，这就是光电导性。半导体材料在光电器件中的适用性也取决于其光电导响应。对光电导性响应良好的材料，在红外固态探测器的制造中非常有用。此外，在GaAs中，由于带隙，热电子的输运特性受到很大影响。合金化是GaAs的另一个可控带隙，也是其有用特性之一。
GaAs及其合金在光电子学中的实用性，如固态激光器和LED中的优势在于GaAs的带隙，红外范围内导致光子的发射。 GaAs在高温下保持半导体特性的能力，使GaAs更加稳定，这是由于GaAs的较宽带隙所致。19。图3显示了使用紧束缚方法计算GaAs的带结构，以及不同半导体材料。
GaAs是一种极差的导体，这一事实得到了证实，因为GaAs在无掺杂或纯净形式下具有低流动固有载流子密度。因此，它通常被认为是半绝缘体。添加p型或n型的掺杂剂，即正型和负型，会改变这一特性。由于这种半绝缘特性，许多活性器件能够在单个衬底上制造，其中每个器件的电隔离由GaAs提供。对于电子电路的缩小，这一特性被发现非常重要。27, 28
关于输运特性，当掺杂物被引入时会出现两个重要问题 - a) 迁移率，b) 有效载流子浓度。
Nc 和 NV，即带边缘的有效态密度，取决于温度以及电子和空穴的有效质量。
电导率由以下给出
- 带边缘的有效态密度增加（NV 和 NC）。
- 方程 10 的指数部分显示出下降，因为它的分母是 T。
Ge、Si、GaAs在200-1000 K范围内的带隙能量倒数。T [31]。
在固体物理学中，中心理论问题恰好是能带的确定。换句话说，在固体情况下，中心理论问题是电子能级的计算。为了计算诸如机械性能、磁序、光学介电或振动光谱等物理性质，原则上需要了解电子及与之相关的能量。相比之下，晶格常数的计算以及其他体块基态性质，如原子位置和体块模量，被认为在与凝聚态物理相关的物理学中是重要的。这种体块计算不仅有助于理解和表征物质的机械性能，还有助于预测它们在极端条件下的性质。
具有基础和二面体心立方晶格的GaAs晶体结构是锌蓝结构或立方闪锌矿。在经典基础中，在晶格原点处有一个GaAs分子。从（0,0,0）开始，一个原子到另一个原子在分子的（1/4,1/4,1/4）处的矢量构成基础。两个FCC晶格，一个是As，另一个是Ga，也可以形成晶体，如图5所示。砷原子用橙色表示，镓原子用紫色表示。如图所示，有4个砷原子对应14个镓原子。这形成了四面体键，类似于金刚石晶格中的键，但用Ga和As替代，其中每个Ga连接到其他四个原子。它显示了离子键，存在两种类型的原子 [37, 38, 39]（图6）。
GaAs在高达25 GPa的P-V图[36]。
GaAs 立方晶格的晶体结构 \[38\]。
图7(#F7)显示了半导体能带的绘制，展示了带隙以及价带和导带电子。电子从价带移动到导带时，在价带中留下一个空穴。对于价带能级中的其他电子，这个空穴是一个空态，并且在价带中的行为类似于一个+ve带电粒子。导带中每单位体积的电子数量，以cm3计算，用于量化电子浓度，表示为'n' 41, 42。
室温带隙能量 Eg 随晶格常数变化的情况，对几种半导体进行了研究。连接二元化合物（如 GaAs 和 AlAs）的线代表合金组成，其中直接带隙为粗实线，间接带隙为红色细线。图中的 III-V 和 II-VI 半导体化合物具有闪锌矿晶体结构。硅和锗具有金刚石晶体结构 [40]。
价带中空穴的密度等于导带中电子的密度。
NC extbackslash=expEF−ECKBT extbackslash=NvexpEv−EFKbTE5
在上述公式中，
EF - 费米能级。
NV - 价带中有效态密度。
EV - 价带边缘。
kB - 玻尔兹曼常数。
EC - 传导带边缘。
T - 温度（单位：K）.
NC - 传导带中有效态密度。
重新排列上述方程，我们得到
取对数后我们得到
求解 EF
在带隙的中间，我们有费米能级（EC + EV）/2。因此，如图7所示，能带间隙与几种半导体的晶格匹配，这与GaAs有关，以及与GaAs相关的几种III-V半导体的能带对齐（图8）。
III-V半导体与GaAs的带阶对齐。(a)不同半导体材料的晶格常数和带隙。Ge和GaAs的晶格常数接近多种带隙不同的半导体，因此常被用作串联电池的衬底。(b)三结串联电池的示意图，优化了InGaAs和InGaP的组成，对应于(a)中的蓝点。必须应用缓冲层以适应Ge衬底和In 0.17 Ga 0.83 As之间的晶格失配；(c)提议的晶格匹配的GeSn/InGaAs/InGaP串联电池[42]。
在GaAs原子的价带中存在离子键。因此，在固体中，它们不能自由传输。然而，如果电子被激发到导带，它们可以穿过固体移动。因此，电子从价带跃迁到导带时，在价带中留下一个空穴。电子从一个键跃迁到另一个键使空穴在价带中移动。此外，这些空穴和电子在受到电场影响时可以移动43, 44, 45。
帮助推导电子加速度（ae）的方程式是-
其中 me 是电子的静止质量，EX 是电场。在电场下，电子与固体原子的相互作用也应该被考虑。
传导电子最初位于能量最低的Γ谷。在这里，它们以低有效质量和高迁移率为特征。当施加电场时，这些电子会被电场迅速加速到高速度：它们获得动能。电子的能力获得足够的能量，从这个谷跃迁到下一个更高的L谷。这些上层谷以较大的有效质量为特征，因此电子迁移率较低，可用电子位置的密度更大。态密度大有助于具有适当能量的电子向这些谷转移。随着富能电子向上层级转移，所有电子的平均速度下降。有很多研究致力于计算GaAs中的热电子输运特性。砷化镓展示了常被称为TE效应的'转移电子'。这种电子从一个区域转移到另一个能带结构是电场诱导的转移。它具有高电子迁移率，观察到负电阻，并具有较小的介电常数。这主要是因为GaAs在超高频、高温电阻和低功耗电路和器件中得到广泛利用。
平均速度ν=nΓνΓ+nrνrnΓ+nlE11
光电子器件可分为两大类。第一类是将电流转换为电磁辐射（即光）的设备组。第二类是将光转换为电流的设备组。第一类设备的一个例子是LED。光电子器件和发光器件中都含有GaAs。有宏观证据表明物质与光的相互作用，由四个组成部分组成，即入射、反射、透射和散射组件52, 54, 55。
在半导体中，光子的吸收可以以多种方式发生。这通常被称为价带吸收。当电子在导带中吸收价带中的光子后被激发时，就会发生这种情况。在直接带隙半导体中，动量保持不变，但电子的能量会增加。而在间接带隙材料中，动量会发生变化。这是由于随着温度的升高，带隙能量减小，光子被吸收或发射。造成这种现象的两个因素是晶格振动（声子）和热膨胀。晶格常数的增加是由于热膨胀引起的。这进一步导致电子所感受到的周期势场的变化。由于这些变化，带结构发生了改变。56, 57, 58, 59。
温度和带隙偏移之间的关系如下公式所示
哪里
Eg - 带隙能量
T - 温度
Eg (0) - 0K时的带隙，单位与能量相同
α的单位与温度/能量的单位相同。
在光电子和微电子设备中广泛使用的砷化镓（Gallium arsenide，GaAs）被认为是一种优秀的半导体材料，具有高电子迁移率。在半导体材料中，通过电子和光子的相互作用，太阳光直接被光伏电池转换为电能。
电子激发发光是原因，也被称为光辐射。当激发的电子返回基态时，状态能以电磁辐射的形式发射出来。根据最初产生的电子激发，有四种不同类型的发光，即,
光致发光−入射光→电子激发
放射性发光−电离辐射β−射线→电子激发
阴极发光-电子束→电子激发
电致发光-电场→电子激发
LED的工作原理是通过电致发光实现的。通过功能性偏置，包括空穴和电子的电流被传送到器件。这些空穴和电子的复合会发出光。为了提高效率，使用异质结LED。为了实现这一点，空穴和电子（统称为载流子）被限制在一个小的空间区域内。由于载流子在GaAs中的局部化，异质结处的量子效率更高。因此，只有在i-GaAs区域才会发生复合。图9清晰地展示了LED发射波长的情况，如图9所示 [63, 64, 65, 66]。
由于载流子定位在GaAs中，异质结具有更高的量子效率 \[63\]。
材料的物理知识，即相变、原子间力和机械特性等许多特性，通过检查材料的弹性特性更容易理解。
图5(#F5)显示了P-V图，有助于确定GaAs的B3 → B1相变。在17 GPa时，GaAs的体积出现意外减小。这种减小被归因于与B3 → B1相变相关的结构相变的改变[23, 36, 68, 69, 70, 71]。
砷化镓被视为III-V半导体族群中的杰出成员。它已经表现出色作为电子器件的重要材料，并广泛应用于光电子和微电子器件。为了计算物理性质，需要对砷化镓中的电子和能量有所了解。此外，计算晶格常数和其他体块基态性质被认为在与凝聚态物理相关的物理学中至关重要。
在本章中，我们报告了GaAs材料的基本原理，以及其物理、光学和化学性质。此外，我们还报告了GaAs与其他半导体材料（如In和Al）的晶体生长。
提交日期: 2020年8月17日 审阅日期: 2020年10月20日 发布日期: 2020年11月6日
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