1、常用于微、纳系统中的基础材料与工艺(二)田丽2019.03OutlinevPolymer MEMS 热塑性PMMA 热固性PDMSv其他常用-族化合物聚合物MEMS(Polymer MEMS）v A polymer is a chemical compound with large molecules made of many smaller molecules of the same kind.Some polymers exist naturally and others are produced in laboratories and factories.v v塑料、粘接剂、胶质玻璃和有
2、机玻璃等多种材料塑料、粘接剂、胶质玻璃和有机玻璃等多种材料v机械强度低、熔点低和电导率差机械强度低、熔点低和电导率差v作为工业材料的聚合物作为工业材料的聚合物重量轻，重量轻，工艺简单，工艺简单，原材料和生产聚合物工艺的成本低，原材料和生产聚合物工艺的成本低，耐腐蚀性高，耐腐蚀性高，结构的韧性高，结构的韧性高，形状稳定性高形状稳定性高用于用于MEMS和微系统的聚合物和微系统的聚合物光刻胶光刻胶-聚合物被用于生产掩膜，通过光刻在衬聚合物被用于生产掩膜，通过光刻在衬底上产生所要图形底上产生所要图形在在LIGALIGA工艺中被用于制作具有工艺中被用于制作具有MEMSMEMS器件几何形状器件几何形状的初
3、模，以制造微器件部件的初模，以制造微器件部件导电聚合物可用于导电聚合物可用于MEMSMEMS和微系统的有机衬底和微系统的有机衬底铁电聚合物，其性质与压电晶体类似，可用于为铁电聚合物，其性质与压电晶体类似，可用于为器件中的执行源器件中的执行源Polymer MEMS DevicesvPolymer materials have been used in MEMS in several capacities,including substrates,structural thin films,functional thin films,adhesion and packaging,coating,
4、and surface chemical functionalization.vPolymer is a large class of material that includes three major categories:fibers,plastics,and elastomers.Major motivations for incorporating polymers into MEMS vMany polymer materials provide greater mechanical yield strain than silicon(in single crystalline,p
5、olycrystalline,and amorphous forms)；vMany polymer materials are of significantly lower cost to acquire.Further,the processing of certain polymers can be accomplished outside of the cleanroom confinement,lowering the cost of fabrication；vPolymer substrate can be obtained in non-wafer forms.In contras
6、t,silicon substrates can only be obtained in wafer format.Polymer MEMS can have unlimited sizes；vElectronics and optoelectronics are migrating strongly towards polymer,including displays,photo voltaic devices,memory,and transistorsvThe silicon micromachining toolbox is relatively limited.Polymer MEM
7、S increases the portfolio of microfabrication process drastically by allowing novel fabrication processes：casting and molding,low temperature chemical vapor deposition,embossing,spraying,screen printing,thick film processing,and stereo lithography.vPolymers provide unique chemical,structural and bio
8、logical functionalities not available in any other material systems.For example,functional hydrogels can change volume in response to environmental pH and temperature.Major motivations for incorporating polymers into MEMS Table 1.Representative Polymer MEMS materials and applications聚对二甲苯 聚酰亚胺 丙烯酸树脂
9、 聚氨基甲酸乙酯 PlasticMEMS processing is very flexible with respect to structural thicknesses and process parameters Optical micrograph of a patch of polyimide multimodal tactile sensing skin推动了柔性MEMS器件的发展v有机聚合物有机聚合物 1.热塑型聚合物：PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）；PC（聚碳酸酯）；聚酰胺；聚苯乙烯等 2.固化型聚合物：PDMS（聚二甲基硅氧烷）；环氧树脂；聚氨酯等 3.溶剂挥发型聚合物：丙烯
10、酸；橡胶；氟塑料等v其他其他 非硅基MEMS加工聚合物MEMS（Polymer MEMS）v热塑性材料 聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）v聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA，英文Acrylic），又称做压克力或有机玻璃。v PMMA的重量轻，密度比玻璃低：PMMA的密度大约在1150-1190 kg/m3，是玻璃（2400-2800 kg/m3）的一半。同样大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金属铝（属于轻金属）的43%。PMMA材料特性vPMMA的机械强度较高：有机玻璃的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子化合物，而且形
11、成分子的链很柔软，因此，有机玻璃的强度比较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高718倍。抗拉强度为67千克力/mm2，耐压强度为1214千克力/mm2，耐冲击性比聚苯乙烯好；v光学性能优越：可见光透过率达到92%，比玻璃的透光度高；PMMA能透过73%紫外线（石英能完全透过紫外线，但价格高昂，普通玻璃只能透过0.6%的紫外线）；v聚甲基丙烯酸甲酯能溶于自身单体、氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂。如何制作热塑性基底的微、纳器件？热塑性材料微、纳器件结构成型技术（1）hot embossing 热塑性材料微、纳器件结构成型技术（2）超精密铣削技术v哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的微小型超精密
12、数控三轴立式机床v机床尺寸为300mm300mm290mm，主轴最大转速为120000rpm，最大径向跳动为1m；工作台行程：X75mm，Y75mm，Z75mm；驱动系统重复定位精度小于0.5m/75mm，工作台定位精度小于1m/75mm；速度范围1m/s250mm/s；采用全闭环控制，分辨率0.1m。热塑性材料微、纳器件结构成型技术（3）我校超精密加工技术-机械加工法制作微纳米结构 精密工程研究所董申教授课题组与美国南卡罗莱纳大学李晓东教授课题组共同合作，在国际杂志Small上发表了一篇题为采用原子力显微术自上而下纳米机械加工三维纳米结构的文章。该杂志2019年SCI影响因子：6.525。采
13、用机床，利用车削、铣削等机械加工的方法很难加工纳米尺度结构，然而本研究将原子力显微镜这一个主要进行纳米检测的设备，改造成一个可以采用纳米机械去除方法进行加工的装置，实现了可控的、可重复的纳米加工过程。该研究在世界上第一次采用原子力显微镜的微探针自上而下纳米机械加工方法加工出了三维纳米结构，如人脸、正弦波、三角波等结构。3D打印技术v三维立体打印属于一种快速成型(Rapid prototyping)技术，是一种由CAD(计算机辅助设计)数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。v三维打印机采用分层加工，叠加成型方式来“造型”，会将设计品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，再通过逐层
14、叠加获得3D实体。热塑性材料微、纳器件结构成型技术（4）3D打印机v3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。v3D打印机有两种类型:堆叠法，烧结。堆叠堆叠只能成型塑料、硅之类的材质，对固化反应速度有要求 烧结烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来，实体可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。v热固性材料 聚二氧基硅氧烷 （PDMS）聚二甲基硅氧烷（PDMS）v聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane）是一种高分子有机硅化合物，通常被称为有机硅。单体
15、 或 交联反应Cross-linking of Polydimethylsiloxanev具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃；同硅片之间具有良好的粘附性，因此常用于芯片封装等领域。v其运用在生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜。PDMS材料性质v液态时的二甲基硅氧烷为一黏稠液体，称做硅油，是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，其端基和侧基全为烃基（如甲基、乙基、苯基等）。一般的硅油为无色、无味、无毒、不易挥发的液体。v固态的二甲基硅氧烷为一种硅胶，无毒、疏水性（hydrophobic），惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。二甲基硅氧烷的制程简便且快
16、速，材料成本远低于硅晶圆，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量（Youngs modulus）导致的结构高弹性（structural flexibility）等。如何制作热固性材料基底的微、纳器件？PDMS Soft Lithography（软光刻技术）v由哈佛大学Wllitesides教授为主的多个研究集体发展的微接触印刷微接触印刷、复制模塑复制模塑、转移微模型转移微模型、毛细微毛细微模塑模塑、溶剂辅助微模塑溶剂辅助微模塑、近场光刻蚀近场光刻蚀、软成型软成型、纳纳米压印米压印等技术，都使用了弹性模板弹性模板作为微图案转移中介，而被统称为“软光刻软光刻”技术技
17、术。v软光刻一般是通过表面复制有细微结构的弹性印章(或印模)来转移图形。v与传统光刻技术相比，它能够实现曲面刻蚀曲面刻蚀，制作三维结构，方便地控制微接触印刷表面的化学物理性质，制作陶瓷、高分子、微颗粒等微制造材料的微图形，并且可以在普通实验室条件下实现大尺寸图案制作。热固性材料微、纳器件结构成型技术（1）vlangmuir-Blodgett film （LB膜技术）langmuir-Blodgett filmv LB膜(Langmuir Blodgett film)是一种超薄有机薄膜，LB膜技术是一种精确控制薄膜厚度和分子结构的制膜技术。这种技术是本世纪20-30年代由美国科学家I.Langm
18、uir及其学生K.Blodgett建立的一种单分子膜沉积技术。LB膜成膜过程膜成膜过程v在水气界面上将不溶解的分子加以紧密有序排列，形成单分子膜，然后再转移到固体上的制膜技术。LB膜技术概念vLangmuir-Blodhett(LB)技术是一种人为控制，将具有脂肪链疏水基团的双亲分子溶于挥发性溶剂中，通过控制表面压，溶质分子便在气/液界面形成二维排列有序的单分子膜，即Langmuir膜(L膜)。用膜天平将不溶物单分子膜转移到固体基板上，组建成单分子或多分子膜，即Langmuir-Bledgett膜。vLBLB膜膜表面活性材料上涂挥发性溶剂，将各种化合物薄表面活性材料上涂挥发性溶剂，将各种化合物
19、薄膜沉积到衬底上产生多层结构膜沉积到衬底上产生多层结构LBLB薄膜是良好的铁磁、热和压电性质的候选材料薄膜是良好的铁磁、热和压电性质的候选材料v铁电聚合物薄膜铁电聚合物薄膜v光特性可控的涂层材料光特性可控的涂层材料v微传感器微传感器Langmuir-Blodgett 膜膜 为了获得高灵敏度和稳定性的生物传感器，应能有效控制酶在电极表面的存在形式，维持高的有序程度。LB膜可用于将酶和其它物质修饰到电极表面。LB膜技术是很好的模拟生物膜的技术。v其他常用的半导体材料 -族化合物材料 砷化镓 磷化镓 锑化铟(InSb)-V族化合物半导体的晶体结构v和硅、锗不同，大多数和硅、锗不同，大多数-V-V族化
20、合物半导体的晶体族化合物半导体的晶体结构是结构是闪锌矿型闪锌矿型，这种晶体结构与金刚石型很相似，这种晶体结构与金刚石型很相似，也是由两套面心立方格子沿体对角线移动也是由两套面心立方格子沿体对角线移动1 14 4长度长度套构而成，不过金刚石这两套格子的原子是相同的，套构而成，不过金刚石这两套格子的原子是相同的，而闪锌矿型则一套是而闪锌矿型则一套是族原子，另一套是族原子，另一套是V V族原子。族原子。v因此闪锌矿型晶体结构的原子排列是每个因此闪锌矿型晶体结构的原子排列是每个族原子族原子周围都有四个最靠近的周围都有四个最靠近的V V族原子包围而形成正四面族原子包围而形成正四面体，而每个体，而每个V
21、V族原子周围又有四个族原子周围又有四个族原子包围而族原子包围而形成正四面体。形成正四面体。v-族化合物半导体如砷化镓、磷化镓、锑化铟(InSb)等也越来越受到人们的重视；v砷化镓具有硅、锗所不具备的能在高温度高频下工作的优良特性，它还有更大的禁带宽度和电子迁移率，适合于制造微波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激光器，因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料。化合物半导体材料砷化镓Gallium arsenidev砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:1化合而成的金属间化合物。v它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。v砷化镓在1926年就已经被合成出来，1952年确认它的半导体性质。
22、v同锗、硅比，其禁带宽度和电子迁移率都比较大，用它制造的器件有较好的频率特性和耐高温特性。用来制造微波半导体器件和半导体激光器。GaAS的能带结构v(1)GaAs(1)GaAs的导带极小值和价带极大值都在的导带极小值和价带极大值都在k=0k=0，而，而GeGe、SiSi的价带极大值虽在波矢的价带极大值虽在波矢k=0k=0处，但它们的导带极小值却不在处，但它们的导带极小值却不在k=0k=0，即它，即它们的导带极小值和价带极大值所处的位置们的导带极小值和价带极大值所处的位置不同。不同。v 因为因为半导体发光半导体发光时要求有电子跃迁；而时要求有电子跃迁；而一般的电子跃迁又要求动量守恒，即电子一般的
23、电子跃迁又要求动量守恒，即电子必须在必须在 k k 空间空间 (动量动量)的同一位置跳跃，的同一位置跳跃，所以间接带隙半导体一般不能用作发光材所以间接带隙半导体一般不能用作发光材料。料。GaAS的能带结构v(2)(2)在在GaAs(100)GaAs(100)方向上具有方向上具有双双能谷能带结构能谷能带结构，即除，即除k=0k=0处有极处有极小值外，在小值外，在(100)(100)方向边缘上存方向边缘上存在着另一个比中心极小值仅高在着另一个比中心极小值仅高0.36eV0.36eV的导带极小值，称为的导带极小值，称为X X极极小值小值,因此电子具有主、次两个因此电子具有主、次两个能谷。能谷。v(3
24、)GaAs(3)GaAs在在300K300K时的禁带宽度时的禁带宽度EgEg1.43eV1.43eV。因为晶体管工作温度上限与材料的因为晶体管工作温度上限与材料的EgEg成正成正比的，所以用比的，所以用GaAsGaAs做晶体管，可以在做晶体管，可以在450450以下工作。硅为以下工作。硅为1.1eV1.1eV，GaAsGaAs工作温度工作温度可可以比硅高。以比硅高。GaAS的能带结构GaASGaAS特性特性v砷化镓具有砷化镓具有电子迁移率高电子迁移率高（是硅的（是硅的5-65-6倍）倍）v禁带宽度大禁带宽度大（它为（它为1.43eV1.43eV，硅为硅为1.1eV1.1eV），），工作温度可以
25、比硅高工作温度可以比硅高v为直接带隙，为直接带隙，光电特性好光电特性好，可作发光与激光，可作发光与激光器件器件v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）v本征载流子浓度低本征载流子浓度低v耐热、抗辐射性能好耐热、抗辐射性能好v对磁场敏感对磁场敏感v易拉制出单晶易拉制出单晶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已获应用的砷化镓器件有已获应用的砷化镓器件有:v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;v微波晶体管微波晶体管:场效应晶体管场效应晶体管(FET)(FET)，高电子迁移率，高电子迁
26、移率晶体管晶体管(HEMT)(HEMT)，异质结双极型晶体管，异质结双极型晶体管(HBT)(HBT)等等;v集成电路集成电路:微波单片集成电路微波单片集成电路(MMIC)(MMIC)、超高速集、超高速集成电路成电路(VHSIC)(VHSIC)等等;v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(LED(LED，作衬底用，作衬底用););激光二极管激光二极管(LD);.(LD);.v光探测器光探测器;v高效太阳电池高效太阳电池;1.1.霍尔元件等霍尔元件等砷化镓应用领域v 移动电话移动电话砷化镓器件与硅器件相比砷化镓器件与硅器件相比.具有使用的
27、电压低、功率效具有使用的电压低、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。所以现在移动通信成了砷化镓微波电路的最大用户。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。v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。v汽车自动化汽车自动化首先获得应用的是全球定位系统，这套系统主要靠砷首先获得应用
28、的是全球定位系统，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心的。砷化镓微波器件所构成的雷达为核心的。v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池，最原来人造天体上所用的都是硅的太阳能电池，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。最引人注目的是美国发射的火星探路者，它使用了砷化镓太阳能电池来驱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小车在火星
29、上工作了动自动小车在火星上工作了3030天。天。v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巨大的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，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在威力，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达相控阵雷达、电子对抗电子对抗、激光描准激光描准、夜视夜视、通信通信等方面，砷化镓器件都起了关键的作用。现在等方面，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与器件。各发达国家都在研究供军事用的砷化镓材料与器件。高效太阳电池高效太阳电池GaN材料的特性vGaN首先由首先由Johnson等人合成，等人合成，Ga和和NH3为
30、原料，在为原料，在600900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(是含是含有有O O或未反应的或未反应的GaGa所致所致)。vGaN是是极稳定极稳定的化合物，又是的化合物，又是坚硬坚硬的的高熔点高熔点材料，融点约材料，融点约1700。GaNGaN具有具有高的电离度高的电离度，在，在-族化合物中是最高族化合物中是最高的的(0.5(0.5或或0.43)0.43)。v在大气压力下，在大气压力下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构。它在一晶体一般呈六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有个元胞中有4 4个原子，原子体积大约为个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为的一半。因
31、为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。v 人们关注的人们关注的GaN的特性，旨在它在的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件蓝光和紫光发射器件上的应用。上的应用。GaNvGaNGaN具有具有宽的直接带隙宽的直接带隙，强的，强的原子键原子键，高的，高的热导率热导率等性等性质和强的质和强的抗辐照能力抗辐照能力，不仅是，不仅是短波长光电子材料短波长光电子材料，也是，也是高温半导体器件高温半导体器件的换代材料。的换代材料。v由于由于族族N N化物可组成带隙从化物可组成带隙从1.9eV(InN)1.9eV(InN)、3.4eV(GaN)3.4eV(GaN)到到6.2eV
32、(AlN)6.2eV(AlN)的连续变化的连续变化固溶体合金固溶体合金，因而可实现波长，因而可实现波长从从红外到紫外全可见光范围红外到紫外全可见光范围的光发射。的光发射。vGaNGaN也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成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。为新一代高温度频大功率器件材料。GaN应用前景v 对于对于GaNGaN材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质材料，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。外延缺陷密度相当高，但是目前器件水平已可实用化。v19941994年日本日亚化学所制成年日本日亚化
33、学所制成1200mcd1200mcd的的LEDLED，20192019又又制成制成2cd2cd蓝光蓝光(450nmLED)(450nmLED)，绿光，绿光12cd(520nmLED12cd(520nmLED证明这证明这一材料研制工作取得相当成功，进入实用化阶段。一材料研制工作取得相当成功，进入实用化阶段。vInGaNInGaN系合金的生成，系合金的生成，InGaN/AlGaNInGaN/AlGaN双异质结双异质结LEDLED，InGaNInGaN单量子阱单量子阱LEDLED，InGaNInGaN多量子阱多量子阱LDLD等相继开发成功。等相继开发成功。InGaNInGaNSQWSQWLED6cd
34、LED6cd高亮度纯绿色、高亮度纯绿色、2cd2cd高亮度蓝色高亮度蓝色LEDLED已制作出来，今后，与已制作出来，今后，与AlInGaPAlInGaP、AlGaAsAlGaAs系红色系红色LEDLED组合形成高亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的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的应用领域。白光光源也打开新的应用领域。v高可靠、长寿命高可靠、长寿命LEDLED为特征的时代就会到来。日光灯和为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被电灯泡都将会被LEDLED所替代。所替代。目前LED专利核心基本被德国欧司朗(Osram)公司、日本GaP的能带结构vGaP-间接
35、跃迁间接跃迁型材料。型材料。v间接跃迁型材料要实现跃迁必须与晶格作用，把部分动量间接跃迁型材料要实现跃迁必须与晶格作用，把部分动量交给晶格或从晶格取得一部分动量，也就是要与声子作用，交给晶格或从晶格取得一部分动量，也就是要与声子作用，才能满足动量守恒的要求，因而非直接跃迁发生的几率是很才能满足动量守恒的要求，因而非直接跃迁发生的几率是很小的小的(约为直接跃迁的约为直接跃迁的l1000)，它的发光效率要比直接跃迁，它的发光效率要比直接跃迁型材料低。型材料低。vGe、Si和和-V族化合物中的族化合物中的BP、AlP、GaP、BAs、AlAs、AlSb等都属于间接跃迁型半导体材料。等都属于间接跃迁型
36、半导体材料。v发光的颜色是由能隙决定的，通过控制发光的颜色是由能隙决定的，通过控制GaP中的掺杂剂可中的掺杂剂可以使以使GaP发出不同的光。发出不同的光。v目前在目前在GaP中能形成电子陷阱束缚激子的杂质有中能形成电子陷阱束缚激子的杂质有N(绿光绿光)，Bi(橙光橙光)，ZnO (红光红光)，CdO(红光红光)等。等。v目前已用目前已用GaPGaP制出了很好的发红、绿、黄等光的发光制出了很好的发红、绿、黄等光的发光二极管，而且发光效率很高，这是因为某些杂质在二极管，而且发光效率很高，这是因为某些杂质在GaPGaP，中可形成发光的辐射复合中心，使，中可形成发光的辐射复合中心，使GaPGaP中的间
37、接中的间接跃迁向直接跃迁转化的缘故。跃迁向直接跃迁转化的缘故。v超高亮度LED主要使用GaAs，GaN，ZnSe和SiC等材料GaP的应用磷化铟v磷化铟磷化铟(InP)(InP)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SiSi、GaAsGaAs之后的新一代电子功能材料。之后的新一代电子功能材料。vInPInP在在熔点温度熔点温度133513357K7K时，磷的时，磷的离解压离解压为为27.5atm27.5atm，因此，因此InPInP多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
38、进行，所以在高温高压下进行，所以InPInP单晶就难获得，而且在高温高压下单晶就难获得，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，再加生长单晶，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InPInP单晶单晶的制备更加困难。的制备更加困难。v所以目前相同面积的所以目前相同面积的InPInP抛光片要比抛光片要比GaAsGaAs的贵的贵35倍。而对倍。而对InPInP材材料的研究还远不如料的研究还远不如SiSi、GaAsGaAs等材料来得深入和广泛。等材料来得深入和广
39、泛。v InP InP是是直接带隙直接带隙、闪锌矿结构闪锌矿结构的的-族化合物半导体材族化合物半导体材料，能带宽度室温下为料，能带宽度室温下为1.35eV1.35eV。与其晶格匹配的。与其晶格匹配的InAsPInAsP、InGaAsInGaAs的带隙对应于的带隙对应于1.31.6mm波段，以波段，以InPInP材料为衬底材料为衬底制作的波长范围在制作的波长范围在1.11.7mm的发光二极管，的发光二极管，PINPIN光电探光电探测器在测器在SiO2GeO2光纤通信系统中色散近似为零，传输损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的光纤通信系统中发挥耗最低，已经并将不断在
40、日益发展的光纤通信系统中发挥其重要作用。其重要作用。v由于由于InPInP材料具有材料具有电子漂移速度快，负阻效应电子漂移速度快，负阻效应显著等特点，显著等特点，除制作除制作光电器件、光电集成电路光电器件、光电集成电路(OEIC)(OEIC)外，更是制作微波外，更是制作微波器件、高速、高频器件器件、高速、高频器件(HEMT(HEMT，HBTHBT等等)的理想衬底材料。的理想衬底材料。v高场条件下高场条件下(104V/cm)InP材料具有转移电子效应材料具有转移电子效应(体效体效应应)，作为转移电子效应器件，作为转移电子效应器件(TED)材料，材料，InPInP比比GaAsGaAs更为更为理想。
41、理想。InP与GaAs相比较与与GaAs材料相比，在器件制作中，材料相比，在器件制作中，InP材料具有下列优势材料具有下列优势:vInP器件的电流器件的电流峰峰-谷比谷比高于高于GaAs，因此，因此，InP器件比器件比GaAs器件有更高的转换效率器件有更高的转换效率;v惯性能量时间常数惯性能量时间常数小，只及小，只及GaAs的一半，故其工作频的一半，故其工作频率的极限比率的极限比GaAs器件高出一倍器件高出一倍;vInP峰峰-谷比的谷比的温度系数温度系数比比GaAs小，且热导率比小，且热导率比GaAs高，高，更有利于制作连续波器件更有利于制作连续波器件;vInP材料材料InP器件有更好的器件有
42、更好的噪声特性噪声特性;v在较高频率下，在较高频率下，InP基的基的Gunn器件有源层的长度器件有源层的长度是是GaAs器件的二倍，故可简化器件的制作工艺等。器件的二倍，故可简化器件的制作工艺等。vInPInP作为作为太阳能电池材料有较高的理论转换效率太阳能电池材料有较高的理论转换效率，尤其抗，尤其抗辐射性能比辐射性能比GaAsGaAs、SiSi等更为优越等更为优越,特别适于空间应用，在特别适于空间应用，在地球同步轨道上运行地球同步轨道上运行1010年，年，3 3种材料的太阳能电池在太空种材料的太阳能电池在太空辐射条件下功率损失存在极为显著的差别，辐射条件下功率损失存在极为显著的差别，SiSi
43、为为25%25%，GaAsGaAs为为10%25%10%25%，InPInP为为0 0。因此。因此美国航空航天署美国航空航天署(NASA)(NASA)已已在在20192019年年5 5月发射的卫星上改用月发射的卫星上改用InPInP材料制作的太阳能电池。材料制作的太阳能电池。v从目前来看从目前来看,绝大部分绝大部分InPInP器件是应用于军事领域器件是应用于军事领域,随着技随着技术的成熟术的成熟,现在正在开发以现在正在开发以InPInP为基的具有市场价格竞争为基的具有市场价格竞争力的用于力的用于毫米波数字广播、汽车防撞雷达、无线通信系统、毫米波数字广播、汽车防撞雷达、无线通信系统、大容量数字链路大容量数字链路等大量民用或军民两用产品。这些产品所等大量民用或军民两用产品。这些产品所采用的技术将是采用的技术将是SiGaAsInPSiGaAsInP技术的混合体。可以看出技术的混合体。可以看出InPInP在在SiSi、GaAsGaAs等材料难以胜任的领域大放异彩。等材料难以胜任的领域大放异彩。
