[科普中国]-磷化镓单晶

磷化镓单晶周期系第l、V族化合物半导体。化学分子式GaP。共价键结合，有一定的离子键成分，属闪锌矿型结构为复式晶格，晶格常数为0.54495nm，密度4.1297×103kg/m3。

性质磷化镓的第一布里渊区为截角八面体，导带极小值位于方向，电子有效质量为0.35m，m为电子惯性质量；价带极大值约位于布里渊区中心，重空穴和轻空穴有效质量分别为0.86m和0.14m，为间接带隙半导体。室温时，禁带宽度为2.26eV，本征载流子浓度为2.7×106/m3。较纯晶体的电子和空穴迁移率分别为1.5×10-2m2/(v·s)和1.2×10-2m2/(v·S)。掺入Ⅱ族、Ⅳ族或Ⅵ族原子可获得p型或n型材料，还具有等电子陷阱。少数载流子寿命约为10-3～10-4μs。其熔点1467℃，可用区熔或直拉法制备单晶，还可用气相外延、液相外延、分子束外延，金属有机物化学气相淀积法制备。1

磷化镓的合成合成磷化镓用汽相磷在高温下与Ga反应直接合成，反应是在密封石英容器中进行，红磷纯度99.99990，镓在石墨成应体中用高频加热到1500℃，同时用电阻炉把红磷加热使之蒸发，磷扩散入Ga中形成熔液状GaP，使之定向结晶形成GaP多晶棒。石英反应容器是放退在一个金属的高压容器之中，外壁用水冷却，金属容器内充15大气压氮气，使石英反应器壁的压差减少。用此方法武接生长GaP单晶是有困难的，都是多晶，切片以后可见是透明的橙色多晶片。

应用磷化镓单晶经过切片、外延等工艺可以制成固体发光器件，它的寿命长，是半永久性的。这种器件发展很快，广泛用于仪器、计算机和电子手表等，作数字显示或作指示灯，它可以发出红光或绿光等(发光波长随掺杂而变)。早期用砷化镓制成的发光器件一个字如果发光20毫流明，需要100毫安的电流。而现用磷化镓制成同样一个发光器件，发光20毫流明只需要10毫安电流。用两层外延法制成的磷化镓发光管的效率商品水平为4-5%。温格洛夫认为影响磷化镓发光器件效率的主要因素是晶体中的位错密度，位错密度高则发光效率低。1

结构和工艺(1)晶体加工

将尺寸、电性能和晶体结构都合要求的晶体，切成厚250～300微米的晶片，然后将一个面进行化学抛光，在达些晶片上沉积一个或两个磷化镓外延层。

(2)外延工艺和二极管结构2

提拉法生长出的晶体基片上首先沉积一层N型磷化镓(用碲或硫掺杂)，并在二次沉积过程中改换掺杂剂来形成P型层，各层的厚度约为20-30微米。埸致发光就是在p-n结上发生的。使用低压直流电源给p-n结施加“正向"电压就会产生这种发光效应。也可以制造仅有一个外延层的场致发光结，这个结是利用锌(p型)扩散入n型而形成的。

(3)汽相外延工艺

基本化学剂主要是气态的，因而对掺杂浓度的控制非常灵活，5种反应气体连同氢载气和所需的掺杂剂从反应器顶部送入，此外还引入HCl蒸汽，并使之流过盛练的容器以便产生氯化氢蒸汽。通过反应区上进化学剂在基底处化合，结果就形成了具有所需特性的外延层。

(4)液相外延工艺

外延层是从熔融缘，磷化镓(多晶体)和所需的掺杂中生长起来，最通用的办法是“倾斜法”。需要熔化的材料放在石墨容器的一端，而抛光的基底则放在另一端。将容器在纯氢气氛中加热至1060℃。此加热器的中心是装在绞链上，当温度合适时就把容器倾斜，使熔融材料复盖到基片上。在容器缓慢冶却期间，具有一定杂质溶液的磷化镓就在基底下沉积而形成外延层。2

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学