Ge基III-V族半导体材料外延研究
半导体材料第9讲-III-V族化合物半导体的外延生长
掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化 物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运 相同。
MOVPE设备
2．气体输运系统 气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器(mass
金属有机化合物的名称及其英文缩写
三甲基镓 三甲基铟 三甲基铝 三乙基镓 三乙基铟 二甲基锌 二乙基锌 二甲基镉 二乙基镉
Tri-methyl-gallium TMG．TMGa
Tri-methyl-indium TMI．TMIn
Tri-methyl-alumium TMAI
Tri-ethyl-gallium TEG．TEGa
(3) 总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响 非掺杂GaAs外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从750℃到 600℃，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在600℃时， 总杂质浓度<1015／cm3。但低于600℃时，外延层表面变得粗糙。
(4) 源纯度对迁移率的影响。在MOVPE生长非掺杂GaAs外延层中，杂 质的主要来源是源材料，只要TMG和AsH3中一种纯度不够，迁移率就降 低。早期源的纯度不够高曾限制了MOVPE技术的应用。目前采用一般的 源可生长出载流子浓度小于1×1014／cm3，室温迁移率大于6000cm2／ VS的GaAs外延层。
4Ga + xAs4 = 4GaAsx ( x<1 ) 而HCI在高温下同Ga或GaAs反应生成镓的氯化物，它的主反应为
2Ga + 2 HCl = 2 GaCl + H2 GaAs + HCl = GaCl + ¼ As4 + ½ H2
半导体材料分类
半导体材料分类
半导体材料是一种特殊的材料，它在电学和光学特性上介于导体和绝缘体之间。
根据材料的性质和用途，半导体材料可以分为以下几类：
1. 硅基半导体材料：硅是最常用的半导体材料之一，它在电子学和光电子学中都有广泛的应用。
硅基半导体材料可以分为单晶硅、多晶硅和非晶硅等。
2. III-V族半导体材料：III-V族半导体材料具有较高的电子迁移率和较低的禁带宽度，适用于高速电子器件和光电器件的制造。
常见的III-V族材料包括氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等。
3. II-VI族半导体材料：II-VI族半导体材料的禁带宽度较窄，适用于制造发光二极管(LED)和半导体激光器等光电器件。
常见的
II-VI族材料包括氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)等。
4. IV-VI族半导体材料：IV-VI族半导体材料的禁带宽度较宽，适用于太阳能电池等的制造。
常见的IV-VI族材料包括硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)等。
5. 化合物半导体材料：化合物半导体材料是由两种或多种元素组成的化合物，具有特殊的电学和光学特性。
常见的化合物材料包括氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、磷化铝(AlP)等。
不同的半导体材料具有不同的特性和应用领域，它们在电子学、光电子学、能源等领域都有广泛的应用。
III-V族半导体材料
III-V族半导体III-V族化合物是化学元素周期表中的IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的化合物。
通常所说的III-V半导体是由上述IIIA族和VA族元素组成的两元化合物，它们的成分化学比都是1:1。
砷化镉砷化镉是一种灰黑色的半导体材料，分子式为Cd3As2。
它的能隙有0.14eV，与其他半导体相比较窄。
砷化铝砷化铝（Aluminium arsenide）是一种半导体材料，它的晶格常数跟砷化镓类似。
砷化铝的晶系为等轴晶系，熔点是1740 °C，密度是3.76 g/cm?，而且它很容易潮解。
它的CAS 编号为22831-42-1。
碲化铋碲化铋是一种灰色的粉末，分子式为Bi2Te3。
碲化铋是个半导体材料，具有较好的导电性，但导热性较差。
虽然碲化铋的危险性低，但是如果大量的摄取也有致命的危险。
碳化硅碳化硅（SiC）为由硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。
制造由于天然含量甚少，碳化硅主要多为人造。
最简单的方法是将氧化硅砂与碳置入艾其逊电弧炉中，以1600至2500°C高温加热。
发现Top 爱德华·古德里希·艾其逊在1893年制造出此化合物，并发展了生产碳化硅用之艾其逊电弧炉，至今此技术仍为众人使用中。
性质Top 碳化硅。
性质碳化硅至少有70种结晶型态。
α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物，在高于2000°C高温下形成，具有六角晶系结晶构造（似纤维锌矿）。
β-碳化硅，立方晶系结构，与钻石相似，则在低于2000 °C生成，结构如页面附图所示。
虽然在异相触媒担体的应用上，因其具有比α型态更高之单位表面积而引人注目，但直至今日，此型态尚未有商业上之应用。
因其3.2的比重及高的升华温度（约2700 °C），碳化硅很适合做为轴承或高温炉之原料物件。
在任何已能达到的压力下，它都不会熔化，且具有相当低的化学活性。
III—V族化合物半导体的能带结构
砷化镓价带也具有一个重空穴带 V1，一个轻空穴带V2和由于自旋-轨道 耦合分裂出来的第三个能带V3，重空 穴带极大值也稍许偏离布里渊区中心。 重空穴有效质量为0.45m0，轻空穴 有效质量为0.082m0，第三个能带裂距 为0.34eV。 室温下禁带宽度为1.424eV，0K时 为1.519eV，室温附近禁带宽度随温度 线性变化， Eg(T)= Eg(0)-αT2/(T+β)
3、磷化镓和磷化铟的能带结构
磷化镓和磷化铟也都是具有闪锌矿型结构的III-V族化合物半 导体，它们的价带极大值也位于k=0处。 磷化镓导带极小值不在布里渊区中心，而在<100>方向，电子 有效质量为0.35mo，重空穴和轻空穴有效质量分别为0.86m0和 0.14m0， 室温下禁带宽度为2.26eV，dEg/dT= -5.4x10-4eV/K。 磷化铟导带极小值位于k=0，电子有效质量为0.077m0，重空穴 和轻空穴有效质量分别为0.8m0和0.012m0，室温下禁带宽度为 1.34eV，dEg/dT= -2.9x10-4eV/K。
锑化铟的价带包含三个能带一个重空穴带v20k时重空穴有效质量沿111110100方向分别为044m轻空穴有效质量为00160m重空穴带的极大值偏离布里渊区中心约为布里渊区中心至布里渊区边界距离的03其能值比k0处的能量高104ev由于这两个值很小因而可以认为价带极大值位于k0价带的自旋轨道裂距约为09ev
锑化铟的价带包含三个能带， 一个重空穴带V1， 一个轻空穴带V2 由自旋-轨道耦合所分裂出来的第三个能带V3，
20K时重空穴有效质量沿[111]，[110]，[100] 方向分别为0.44m0，0.42m0和0.32m0，轻空穴有 效质量为0.0160m0。 重空穴带的极大值偏离布里渊区中心，约为 布里渊区中心至布里渊区边界距离的0.3%，其能 值比k=0处的能量高10-4eV，由于这两个值很小， 因而可以认为价带极大值位于k=0， 价带的自旋-轨道裂距约为0.9eV。
异性材料的集成化技术
异性材料的集成化技术
东京大学的高木信一就在硅上集成Ge和InGaAs的技术，介绍了他的实验成果。
高木信一就Ge介绍说，从通过氧化浓缩法制作GOI （Geoninsulator）底板开始，在MOSFET中通过pMOS和nMOS均可获得超过硅的载流子迁移率等。
关于III-V族化合物半导体方面，采用基于选择外延法和贴合法的InGaAsOI（InGaAsoninsulator）底板制作技术和多种表面钝化技术，获得了良好的MOS界面。
高木信一指出，InGaAs拥有的较高电子迁移率现象，在MOS元件上也可以再现。
虽然全球都在积极研究III-V半导体的MOS元件，不过其大多数都采用了可以进行晶格匹配的结晶上的异质外延层。
而像上述演讲中提到的那样，从InGaAsOI底板的制作到元件制作以及评测全部连贯进行的先例还没有，所以受到了与会者的热切关注。
此外，美国IBM、台湾台积电的比利时研究所以及意法半导体（ST）分别就III-V族半导体元件集成化的可行性发表了讲演。
IBM介绍了InAs以及InGaAsMOSFET的构造、工艺和性能。
虽然通过MOS界面的改善可以获得较高的性能，不过即便按照研究水平，微细化在栅极长度方面也不到100nm,周边技术尚不成熟，与硅相比还存在许多课题。
另外还指出，要想发挥III-V族的特点，不仅是逻辑LSI,RF和光布线等。
ⅲ-ⅴ族半导体 -回复
ⅲ-ⅴ族半导体-回复ⅲⅴ族半导体（Group ⅲ-ⅴSemiconductor）是指周期表中第三A族（也称为ⅲA族）和第五A族（也称为ⅴA族）元素组成的半导体材料。
这些元素包括硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）和硅（Si）、锗（Ge）、砷（As）、锑（Sb）等。
ⅲⅴ族半导体在电子和光电学领域中得到广泛应用，由于其特殊的物理和化学性质，使其成为探索新一代电子器件和光电器件的研究热点。
以下将介绍ⅲⅴ族半导体的特性、制备方法、应用以及未来发展方向。
首先，ⅲⅴ族半导体具有许多特殊的物理和化学属性，使其成为半导体领域的重要研究对象。
例如，镓（Ga）元素在红外光谱领域中具有很好的光吸收、光电转换和发光性能，因此广泛应用于激光器、光电二极管等器件中。
而硅（Si）和砷（As）主要应用于传统的半导体器件，如晶体管和集成电路。
此外，ⅲⅴ族半导体还具有较高的载流子迁移率、较低的漏电流和噪声等优势，使其在高频、高速电子器件中得到广泛应用。
其次，ⅲⅴ族半导体的制备方法多种多样。
其中，热蒸发法是最常用的制备方法之一。
通过将所需元素的化合物（如GaAs）加热至一定温度，使之蒸发，并在衬底上反应沉积形成薄膜。
其他常用的制备方法还包括金属有机分解法（MOCVD）、分子束外延（MBE）以及物理气相沉积法（PVD）等。
这些方法可以根据不同的需求和材料特性选择合适的工艺，制备出具有特定性能的ⅲⅴ族半导体材料。
再次，ⅲⅴ族半导体具有广泛的应用领域。
在电子领域中，它被广泛用于高速电子器件中，如高电子迁移率晶体管（HEMT）和高频放大器。
在光电领域中，ⅲⅴ族半导体被用于制备激光器、光电二极管、太阳能电池、光电探测器等器件，以及用于光通信、光存储等领域。
此外，由于其优异的热导率和较低的热阻，ⅲⅴ族半导体还可以应用于热传感器和热管理系统。
最后，ⅲⅴ族半导体的未来发展方向是通过新材料的开发和结构的优化来提高器件性能。
一方面，研究人员正在努力开发新的ⅲⅴ族半导体材料，以期获得更好的电子和光电性能。
iii-v 半导体工艺
iii-v 半导体工艺
III-V半导体工艺是指使用III族和V族元素（如砷、磷、镓、铟和砷化镓、磷化镓等化合物）制造半导体器件的工艺技术。
III-V半导体材料具有优异的电子特性，包括高电子迁移率、高饱和漂移速度和较小的能隙。
因此，III-V半导体器件在高频电子器件、光电子器件以及高功率和高温应用中具有广泛的应用前景。
III-V半导体工艺包括以下几个主要步骤：
1. 基片准备：选择适当的基片材料（如砷化镓、磷化镓等），并进行表面清洁和处理，以确保良好的材料质量和界面特性。
2. 外延生长：使用外延生长技术（如金属有机气相外延，分子束外延等）在基片上沉积III族和V族元素的薄膜。
外延生长过程中可以控制材料的组成、厚度和结晶性能。
3. 光刻和蚀刻：使用光刻技术在外延膜上定义所需的器件结构，并使用蚀刻技术将多余的材料去除，形成所需的器件形状。
4. 掺杂和扩散：通过掺杂技术向外延膜中引入杂质（如硅、碳等）以改变材料的电学性质，并使用热扩散技术将杂质扩散到所需的深度。
5. 金属化和封装：将金属电极和连接线形成在器件上，以实现器件的电子连接和封装保护。
III-V半导体工艺具有较高的技术难度和成本，但其器件性能优异，广泛应用于高速电子器件（如高频放大器、光通信器件）、高功率器件（如高功率激光器、太阳能电池）和高温器件（如高温传感器、高温电子器件）等领域。
III-V族半导体材料
III-V族半导体III-V族化合物是化学元素周期表中的IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的化合物。
通常所说的III-V半导体是由上述IIIA族和VA族元素组成的两元化合物，它们的成分化学比都是1:1。
砷化镉砷化镉是一种灰黑色的半导体材料，分子式为Cd3As2。
它的能隙有0.14eV，与其他半导体相比较窄。
砷化铝砷化铝（Aluminium arsenide）是一种半导体材料，它的晶格常数跟砷化镓类似。
砷化铝的晶系为等轴晶系，熔点是1740 °C，密度是3.76 g/cm?，而且它很容易潮解。
它的CAS 编号为22831-42-1。
碲化铋碲化铋是一种灰色的粉末，分子式为Bi2Te3。
碲化铋是个半导体材料，具有较好的导电性，但导热性较差。
虽然碲化铋的危险性低，但是如果大量的摄取也有致命的危险。
碳化硅碳化硅（SiC）为由硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。
制造由于天然含量甚少，碳化硅主要多为人造。
最简单的方法是将氧化硅砂与碳置入艾其逊电弧炉中，以1600至2500°C高温加热。
发现Top 爱德华·古德里希·艾其逊在1893年制造出此化合物，并发展了生产碳化硅用之艾其逊电弧炉，至今此技术仍为众人使用中。
性质Top 碳化硅。
性质碳化硅至少有70种结晶型态。
α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物，在高于2000°C高温下形成，具有六角晶系结晶构造（似纤维锌矿）。
β-碳化硅，立方晶系结构，与钻石相似，则在低于2000 °C生成，结构如页面附图所示。
虽然在异相触媒担体的应用上，因其具有比α型态更高之单位表面积而引人注目，但直至今日，此型态尚未有商业上之应用。
因其3.2的比重及高的升华温度（约2700 °C），碳化硅很适合做为轴承或高温炉之原料物件。
在任何已能达到的压力下，它都不会熔化，且具有相当低的化学活性。
06章-Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体
比Ge、Si等困难。到50年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法
(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生长出了GaAs、InP单晶，但
由于晶体太小不适于大规模的研究。
•
1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半导
体晶体，1965~1968年Mullin等人第一次用三氧化二硼(B2O3)做液封剂， 用LEC法生长了GaAs、InP等单晶材料，为以后生长大直径、高质量
（b）甲烷正四面体模型
•
另一种认为在闪锌矿型晶体结构中，除Ga-和As+
形成的共价键外，还有Ga3+和As3-形成的离子键，因
此Ⅲ-V族化合物的化学键属于混合型。
• 由于离子键作用，电子云的分布是不均匀的，它有向 V族移动的趋向，即产生极化现象。这样导致在V族 原子处出现负有效电荷，Ⅲ族原子处出现正有效电荷。
• 在室温下，电子处在主能谷中，因为在室温时电子从晶体那 里得到的能量只有0.025eV，很难跃迁到X处导带能谷中去。
• 电子在主能谷中有效质量较小(m=0.07m0)，迁移率大；而在 次能谷中，有效质量大(m=1.2m0)，迁移率小，但状态密度比 主能谷大。
•
当外电场超过一定值时，电子可由迁移率大的主能谷转移
• 红、橙、黄、绿、蓝、靛(青）、紫 • 红：780-630nm • 橙：630-590nm • 黄：590-550nm • 绿：(550-490nm), • 蓝：(490-440nm), • 紫：(440-380nm).
• 发光的颜色是由能隙决定的，通过控制GaP中的掺杂剂可 以使GaP发出不同的光。
6-2 砷化镓单晶的生长方法
• 本节要点： • 掌握III-V族化合物的平衡相图的分析方法 • 砷化镓单晶的生长方法：水平布里奇曼法
iii-v族化合物半导体器件太赫兹建模和电路验证
iii-v族化合物半导体器件太赫兹建模和电路验证文章标题：iii-v族化合物半导体器件在太赫兹建模和电路验证中的应用在当今科技发展的潮流下，半导体材料作为现代电子器件的关键组成部分，在各个领域都展现出了不可替代的地位。
其中，iii-v族化合物半导体材料因其优异的电学性能和光学特性，被广泛应用于太赫兹波段的器件和电路中。
本文将从深度和广度的角度，探讨iii-v族化合物半导体器件在太赫兹建模和电路验证中的重要应用，并共享个人观点和理解。
一、iii-v族化合物半导体材料简介iii-v族化合物半导体材料是指周期表中III族元素和V族元素组成的半导体材料，具有较高的电子迁移率和较大的击穿场强。
常见的iii-v族化合物包括氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）等。
这些材料在太赫兹波段的应用中具有优异的性能，如高迁移率、宽禁带宽度等，因此在太赫兹器件中具有广泛的应用前景。
二、iii-v族化合物半导体器件的太赫兹建模在iii-v族化合物半导体器件的太赫兹建模中，为了准确地描述其电学性能和电磁特性，需要进行复杂的电磁场模拟和结构仿真。
这些模拟包括从微观到宏观的多尺度仿真，涉及到材料的能带结构、电子迁移率、缺陷态模型等方面。
通过建立有效的太赫兹模型，可以深入理解iii-v族化合物在太赫兹波段下的电磁响应特性，为后续的器件设计和优化提供重要的参考。
三、iii-v族化合物半导体器件的电路验证除了建模仿真外，iii-v族化合物半导体器件的电路验证也是至关重要的一环。
通过搭建太赫兹器件的电路原型，可以验证其在实际工作条件下的性能表现，包括频率响应、功率传输特性等。
电路验证还可以为器件的可靠性和稳定性提供充分的考量，为实际应用提供有力支撑。
总结回顾iii-v族化合物半导体器件在太赫兹建模和电路验证中的应用，不仅是当前研究的热点，更是未来太赫兹通信、太赫兹成像等领域的重要基础。
通过本文的分析，我们了解了该领域的基本概念和关键技术，也了解了其在实际应用中的重要性。
化合物半导体材料的现状及未来五至十年发展前景
化合物半导体材料的现状及未来五至十年发展前景引言：随着现代科技的迅猛发展，半导体材料作为信息科技领域的重要组成部分，扮演着关键角色。
近年来，化合物半导体材料在可穿戴设备、太阳能电池等领域取得了重要突破，成为业界瞩目的研究方向。
本文将重点探讨化合物半导体材料的现状及未来五至十年发展前景。
一、现状：1.1 研究热点：近年来，化合物半导体材料的研究方向主要集中在III-V 族和II-VI族化合物上。
其中，氮化镓（GaN）和三磷化氮（InP）等材料在光电子器件和高速电子器件方面取得了重要突破。
1.2 应用领域：化合物半导体材料广泛应用于太阳能电池、光通信、显示器件等领域。
以太阳能电池为例，化合物半导体材料因其较高的光电转换效率成为可再生能源的重要代表之一。
二、发展前景：2.1 太阳能电池：化合物半导体材料在太阳能电池领域具有广阔的发展前景。
目前，III-V族化合物半导体材料的太阳能电池转换效率已经超过了40%，未来五至十年内将继续提升。
此外，II-VI族化合物材料的研究也将为太阳能电池的高效率提供新的突破口。
2.2 光通信：随着5G技术的快速发展，高速、大容量的光通信需求越来越迫切。
化合物半导体材料因其在光电器件方面的优势，如较高的电子迁移率和较高的发光效率，将在光通信领域发挥重要作用。
2.3 显示器件：化合物半导体材料在显示器件中具有优异的性能，如高对比度、广色域和快速响应速度等。
随着可穿戴设备和虚拟现实技术的兴起，对显示器件的要求将越来越高，化合物半导体材料有望成为显示器件领域的主流材料。
三、挑战与机遇：3.1 挑战：化合物半导体材料在制备过程中面临着高成本、技术复杂度以及生产规模化等挑战。
此外，材料的稳定性和可靠性也是当前研究亟待解决的问题。
3.2 机遇：随着科技的进步和市场需求的提升，化合物半导体材料制备技术将不断完善，成本将逐渐降低。
与此同时，新材料和新器件的研究也将为化合物半导体材料提供更多机遇。
半导体材料第8章III--VV族多元化合物半导体
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
超晶格 ： 由两种（或两种以上）组分（或导电类 型)不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起 而得到的一种多周期结构材料。
厚度d远大于材料的晶格常数a，但相近与或小于 电子的平均自由程
衬底
这是在原来“自然”晶体晶格的周期性结构上又叠 加了一个很大的“人工”周期的新型人造材料。
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半导体材料
c) 电价因素
连续固溶体必要条件：原子价（或离子价）相同 多组元复合取代总价数相等，电中性。 （ 不是充 分条件） ¾ 电负性相近，有利于固溶体的生成 ¾ 电负性差别大，倾向于生成化合物 如果价态不同，则最多只能生成有限固溶体（满 足尺寸条件前提下）
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使用四元固溶体可增加一个对其主要性能进行调 整和裁剪的自由度，即可通过两种组元的组分改 变来调整其带隙和晶格常数。
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半导体材料
从 图 上 可 知 ： 与 InP 晶 格 (0.5869nm) 相 匹 配 的 该固溶体的带隙可在 0.74~1.35eV之间调整
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半导体材料
三元固溶体：
Vegard定律
晶格常数
aAB=xaA+（1-x）aB aA和aB分别为互溶材料A和B的晶格常数 带隙宽度
Eg,AB= a+bx+cx2 其中，a,b,c为特定固溶体材料的特征常数
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半导体材料
固溶体晶格常数随组分变化
晶格常数 a （nm）
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半导体材料
E(k)
3.0
半导体材料的研究与开发
半导体材料的研究与开发一、研究半导体材料的意义半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的物质，具有导电性能强、电阻率低、半导体掺杂效应显著等特点。
随着信息技术、互联网等行业不断发展，半导体材料的应用范围不断扩大，具有重要的战略意义。
二、半导体材料的种类1. 硅材料：硅材料是半导体材料的重要代表之一，具有广泛的应用场景。
硅材料可分为单晶硅、多晶硅、硅膜等不同类型。
2. 复合半导体材料：复合半导体材料是指两种或两种以上的半导体材料进行组合形成的材料，例如GaN和AlN的组合。
3. III-V族半导体材料：包括GaAs、InP、GaN等，具有优异的电学性质和光电学性质，被广泛应用于光电子领域。
4. II-VI族半导体材料：包括ZnS、ZnSe、CdTe等，具有良好的光电性能和磁学性质。
三、半导体材料的性能与应用1. 电学性能：半导体材料具有高的电导率和较小的电子移动特性，可应用于电子元器件制造、半导体光电子学、微电子技术等领域。
2. 光学性能：半导体材料可吸收、发射光子，具有特定的能带结构和发光性能，广泛应用于LED、激光、太阳能电池等领域。
3. 热学性能：半导体材料的导热性能较好，可应用于热电设备的制造、热导管等领域。
4. 化学性能：半导体材料的解离程度较低，稳定性高，可应用于化学传感器、制药领域。
四、半导体材料的研究方向1. 稀土掺杂半导体材料：通过添加少量稀土元素，可获得良好的光学性能和电学性能，研究该材料有助于提高LED、激光等产品的效率。
2. 新型半导体材料：包括石墨烯、碳化硅等新材料，具有优异的电学性能和热学性能，研究该类材料有助于拓展应用领域。
3. 新型半导体器件：针对高亮度LED、高功率激光器等产品需求，研究高性能的半导体器件，实现产品性能的提升。
五、半导体材料的开发与应用现状目前，全球半导体材料市场规模不断增长，半导体材料应用领域不断扩大，涉及电子信息、生物医药、交通运输等多个领域。
中国在半导体材料领域也取得了不少进展，衬底材料、光电材料等都在不断开发和推广应用。
砷化镓基系 III-V 族 化合物半导体太阳电池的发展和应用 (9)
4.3 半导体键合技术(SBT)制备的四～五结叠层聚光电池2014年9月，德国Fraunhofer 太阳能系统研究所等单位报道，他们采用SBT 研制的四结叠层GaInP/GaAs//GaInPAs/GaInAs 聚光电池在324倍AM 1.5D 光强下，达到了当前国际最高电池效率46.5%(5.42 mm 2)[2]。
四结电池分两步制备。
首先在GaAs(晶格常数为5.65 Å)衬底上反向生长与之晶格匹配的高质量的Ga 0.51In 0.49P/GaAs 宽带隙(1.88/1.42 eV)两结叠层电池，在InP(晶格常数5.87 Å)衬底上正向生长与之晶格匹配的高质量的Ga 0.15In 0.85P 0.65As 0.35/Ga 0.47In 0.53As 窄带隙(1.09/0.74 eV)两结叠层电池，然后将GaAs 电池表面与GaInPAs 电池表面进行键合，剥离GaAs 衬底，形成图14所示的四结叠层电池结构，其中键合面用//表示。
电池表面形成欧姆接触，正表面有栅电极和MgF 2/Ta 2O 5减反射层。
为实现异质半导体//半导体表面高质量的键合，需进行适当的表面修饰。
要求两个表面必须具备很低的表面粗糙度、无微粒沾污、无自然氧化层，且表面态可控，以获得高电导率和适当的后退火处理。
为了降低成本和提高成品率，Fraunhofer 等单位利用一种异质衬底，将超薄InP 单晶层置于异质衬底表面，以制备叠层电池。
在此之前，2014年6月美国光谱实验室(SPL)报道，他们采用SBT 研制了五结叠层电池。
其中，在GaAs 衬底上生长三结宽带隙(2.2/1.7/1.4 eV)电池，InP 衬底上生长两结窄带隙(1.05/0.73 eV)电池，然后进行直接键合和剥离GaAs 衬底，完成五结叠层电池的制作。
在AM 1.5G 、AM 0光谱和1倍太阳光强下，其电池效率分别达到38.8%(1 cm 2)和35.8%(4 cm 2)，这是迄今报道的在非聚光条件下太阳电池的最高效率[37]。
第三代半导体的外延生长
第三代半导体材料是一种新型的半导体材料，具有优异的性能和广阔的应用前景。
与第一代硅基半导体和第二代化合物半导体相比，第三代半导体具有更高的电子迁移率、更大的能带宽度和更高的抗辐照性能，使其在光电器件、电子器件、能源转换和生物传感等领域具有重要的应用价值。
外延生长是一种制备半导体材料的方法，它通过在基底上沉积原子或分子，逐步扩大结构，最终形成单晶材料。
有几种常见的第三代半导体外延生长技术，包括金属有机化学气相外延（MOCVD）、分子束外延（MBE）和气相外延（VPE）等。
MOCVD是一种常用的外延生长技术，特点是可以快速生长大面积、高质量的晶体。
该方法通过将金属有机分子和气体反应，使得材料的元素以金属有机化合物的形式被传输到基底表面，并在高温下发生化学反应，最终生成所需的半导体材料。
MOCVD生长技术在第三代半导体的制备中得到了广泛应用，如GaN、InN和AlN 等。
MBE是一种高真空下的生长技术，是以分子束为载体进行外延生长的方法。
该方法通过在高真空环境下加热源材料，产生分子束，将分子束朝着基底表面瞄准，使其在基底上沉积并逐渐生长。
MBE具有生长速度较慢但控制精度高的优点，可以制备出高质量、低缺陷的半导体材料。
由于其在生长过程中能够精确控制材料组分，MBE在生长III-V族化合物半导体材料中得到了广泛应用，如GaAs、InAs和InP等。
VPE是一种通过热分解气体来生长材料的方法，其特点是可以快速高效地生长晶体。
该方法通过将金属有机化合物和气体送入反应室中，在高温下发生热反应，使得气体中的元素被沉积在基底表面上。
VPE生长技术可以生长出大尺寸的单晶材料，具有较高的生长速度和较低的生长温度。
然而，由于其生长过程中对材料的控制较难，容易引入缺陷并影响材料的性能。
除了以上提到的主要外延生长技术，还有其他一些方法可用于第三代半导体的生长，如分子束外延悬浮和液相外延等。
分子束外延悬浮是在气相中生长半导体材料的一种方法，通过在分子束外延的基础上添加悬浮液中的气溶胶粒子，可以调控其生长速度和晶体质量。
07章-III-V族化合物半导体的外延生长全解
4Ga + xAs4 = 4GaAsx
2Ga + 2 HCl = 2 GaCl + H2
( x<1 )
而HCI在高温下同Ga或GaAs反应生成镓的氯化物，它的主反应为
GaAs + HCl = GaCl + ¼ As4 + ½ H2
卤化物法外延生长GaAs
GaCI被H2运载到低温区，如此时Ga舟已被As饱和，则 As4也能进入低温区， GaCI在750℃下发生歧化反应，生 成GaAs，生长在放在此低温区的衬底上(这个低温区亦称 沉积区)， 6GaCl + As4 = 4 GaAs + 2 GaCl3 有H2存在时还可发生以下反应
此 外 ， MOVPE 可 以 进 行 低 压 外 延 生 长 (LP-MOVPE. Low Pressure MOVPE) ，比上述常压 MOVPE的特点更 加显著。
MOVPE设备
MOVPE设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热 和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。 因为MOVPE生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且 常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑 系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要 紧凑等等。 不同厂家和研究者所生产或组装的 MOVPE设备往往是不同的，但 一般来说，都由以下几部分组成： (1) 源供给系统、 (2)气体输运和流量控制系统， (3)反应室加热及温度控制系统，(4)尾气处理， (5)安全防护报警系统，(6)自动操作及电控系统。
MOVPE的特点
MOVPE具有下列的特点： (1) 可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的 性质 用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反 应器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外 延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可 以生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。 (2) 反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组 分和杂质浓度 反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组 分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可 以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质 和多层结构无疑是很重要的。
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廊坊师范学院学报（自然科学版）2018年3月第18卷·第1期0引言近年来，随着光电子器件的发展和硅基集成电路与光电子器件集成的需求，Ge 基III-V 族半导体材料成为一个研究的热点，它被广泛应用于高效多结太阳电池、传感器、探测器和LED 等器件中。
在GaInP/InGaAs/Ge 三结太阳电池中，常常采用向p-Ge 衬底中扩散As 或者P 来形成较浅的PN 结。
目前，晶格匹配的Ga 0.5In 0.5P/In 0.01Ga 0.99As/Ge三结太阳电池在AM1.5G、364个太阳下，转换效率可以达到41.6%［1］。
与Si 类似，Ge 也是具有金刚石结构的IV 族元素，晶格常数为5.6578Å，与GaAs 的晶格常数5.6537Å之间仅有0.07%的失配度。
同时，Ge 与GaAs 的热膨胀系数也非常接近,与GaAs 衬底相比，Ge 衬底还具有很多优点。
但是，由于Ge 是一种非极性半导体，原子间形成的是纯共价键，而目前常用的III-V 族化合物（GaAs、GaInP 等）都是极性半导体，原子间形成的是极性键，所以III-V/Ge （极性/非极性）半导体异质结外延会遇到很多新的问题。
同时，极性/非极性异质结界面也有许多物理问题异于别的异质结，如界面原子、电子结构、晶格失配、界面电荷和偶极矩、带阶、输运特性等。
本文首先分析Ge 基III-V 族半导体材料外延过程中存在的主要问题和原因，在此基础上讨论GaAs/Ge、GaInP/Ge 异质外延过程中不同生长条件对外延层质量的影响及原因。
1Ge 基外延过程中存在的主要技术问题III-V/Ge 半导体异质结代表了极性/非极性半导体异质结的一个研究方向，但由于前者的原子间形Ge 基III-V 族半导体材料外延研究何巍（中国人民武装警察部队学院，河北廊坊065000）【摘要】Ge 基III-V 族半导体材料（GaAs/Ge ，GaInP/Ge ）在外延过程中存在很多问题，主要是反向畴和异质界面间原子的互扩散。
在As 或者P 气氛中对Ge 衬底表面进行高温预处理，可以有效避免反向畴形成。
采用较低的生长温度和生长速率，可以有效抑制异质界面间原子的互扩散。
【关键词】Ge ；GaAs ；GaInP ；异质外延Study on the Epitaxy of Ge -Based III-V Semiconductor MaterialsHE Wei(The Chinese People′s Armed Police Force Academy,Langfang 065000,China)【Abstract 】There are many problems in the process of epitaxial Ge-based III-V semiconductor materials (GaAs/Ge,GaInP/Ge),which are mainly antiphase domains and interdiffusion between the heterogeneous interfaces.It is proposed that the high temperature pretreatment of the Ge substrate in As or P atmosphere can effectively avoid the formation of antiphase domains.The interdiffusion of atoms between heterogeneous interfaces can be effectively suppressed by using lower growth tempera-ture and growth rate.【Key words 】Ge;GaAs;GaInP;heteroepitaxy 〔中图分类号〕TN304.2〔文献标识码〕A〔文章编号〕1674-3229（2018）01-0028-05[收稿日期]2017-11-25[基金项目]国家自然科学基金资助项目（61176128）[作者简介]何巍（1986-），女，博士，中国人民武装警察部队学院基础部讲师，研究方向：半导体材料和器件、电工与电子技术。
2018年3月第18卷第1期廊坊师范学院学报（自然科学版）Journal of Langfang Normal University （Natural Science Edition ）Mar.2018Vol.18No.1··28第18卷·第1期2018年3月成的是极性键，后者形成的是纯共价键，所以在外延过程中会遇到很多新的问题。
1.1APDs在非极性的Ge衬底上外延极性的III-V族半导体材料容易形成反向畴（Antiphase domains,APDs）等结构缺陷［2-4］。
APDs通常会在禁带中形成非辐射复合中心，同时增强位错的传播，形成漏电通道，并增加外延材料表面的粗糙度。
APDs是由包含着As-As键和Ga-Ga键的反向畴边界（Antiphase boundaries,APBs）组成的，如图1所示。
在Ge衬底上外延高质量的III-V族半导体，关键是在异质外延过程中形成单晶薄膜，并抑制APDs等结构缺陷的产生。
如图2（a）所示，APBs的形成主要有两种原因：（1）由于Ge是非极性半导体，所以它的选择吸附性差，如果预先吸附的As原子或者Ga原子覆盖不均匀，就会导致在后续外延过程中由于原子错位而出现As-As键和Ga-Ga键；（2）如果Ge衬底表面的台阶是单原子层高度，即使预吸附的原子层厚度均匀，在台阶处也会因为错位而形成As-As键和Ga-Ga 键。
APBs是具有电学活性的缺陷，能够引起载流子散射和非辐射复合［4］。
同时APBs很容易诱发其他类型缺陷的产生，增加外延材料表面的粗糙度，降低外延材料的质量。
然而，在一定条件下，APBs可以自我愈合，从而被局限在一定的范围内，如图2（b）所示。
根据APDs的成因，可以采取措施来抑制其形成：使用具有一定偏角的Ge衬底来改善衬底表面台阶分布的状况。
研究发现，使用（100）面偏<111>方向6°或9°的Ge衬底可以有效抑制APDs产生。
同时，由于Ge衬底对III族原子和V族原子的选择吸附性差，所以外延之前一般先使Ge衬底吸附一层V族原子或者III族原子来促使表面发生重构［5］。
1.2III-V/Ge异质界面间原子的互扩散在异质外延过程中，由于III/V族半导体的生长温度高于Ge的生长温度，所以当在Ge衬底上高温外延III-V族半导体材料时，Ge原子和III族、V族原子容易在异质界面间发生互扩散。
这会改变外延材料的光学和电学性能，从而影响器件的参数。
例如，在Ge衬底上外延GaAs，由于GaAs的生长温度明显高于Ge的生长温度，所以Ge原子将有一定机率向GaAs中扩散形成N型杂质。
同时，Ga原子和As原子也有一定机率扩散到Ge衬底中，分别形成P型和N型杂质。
由于Ga在Ge中的扩散系数（约10-14cm2/s）比As（约5×10-12cm2/s）小，所以相同条件下，Ga在Ge中的扩散深度也比As小，从而容易在Ge衬底中形成PN结。
目前抑制III-V/Ge异质界面间原子互扩散的方法主要有以下几种：一是采用较低的生长温度或者采用较高的生长速率，但是会对外延材料的质量产生一定的影响；二是在异质界面间插入合适的阻挡层，比如AlAs、AlGaAs等，改变异质界面处的能带结构，从而改变其光学和电学性质［6,7］。
2Ge基外延技术对比目前，III-V/Ge异质外延的主流技术是金属有机化学气相外延（MOVPE）和分子束外延（MBE）。
图1Ge/GaAs异质界面的TEM图像［2］GeAsGa图2（a）由于Ge衬底表面原子吸附不均匀或者Ge衬底表面具有单原子层台阶高度形成APBs（b）APBs的自愈［4］何巍：Ge基III-V族半导体材料外延研究··29廊坊师范学院学报（自然科学版）2018年3月第18卷·第1期MOVPE是以III族、II族元素的有机化合物和V 族、VI族元素的氢化物为源材料，利用热分解反应方式在衬底上进行气相外延，可以生长各种III-V 族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的单晶材料。
它的特点是生长速率快、生长温度高、可实现批量化生长。
MBE是在超高真空条件下（10-8~10-9Pa），将不同强度和不同化学成分的多个热分子束喷射到一个被加热到一定温度的衬底上，利用这些热能分子和衬底表面的相互作用来形成单晶薄膜。
它的主要特点是能够精确控制束流、合金组分、掺杂浓度等生长参数，并且可以获得陡峭的异质界面。
MBE典型的生长速率为1μm/h（1monolayer/s），低生长速率充分保证了原子在衬底表面的迁移，降低外延层表面的粗糙度，同时有利于获得超薄层与界面突变的异质结构。
MOVPE相比于MBE，具有较低的维护成本、生长温度高、生长速率快、产出量高、成本低等优点，更适宜商业化生产。
然而，MBE可以实现对生长温度和生长速率的精确控制，有利于生长精细复杂结构和研究III-V/Ge异质界面的成核条件，是研究复杂电子和光学器件的有利工具，所以本文主要论述利用MBE技术研究III-V/Ge异质外延。
3GaAs/Ge作为外延薄膜的Ge衬底必须完整、清洁并具有特定的晶向。
一般来说，Ge衬底表面常常有O、C类的杂质玷污。
对于GeOx，在UHV下加热至700℃，可以把它除掉，这对于外延高质量GaAs薄膜非常重要。
但对于C玷污，去除是比较困难的。
表面预处理的目的在于去除表面吸附物和表面氧化物，并且在一定温度下使衬底表面原子发生重构。
由于Ge衬底对III族、V族原子的选择吸附性差，所以可以先向Ge衬底中预通III族或者V族原子来促使衬底表面原子发生重构。
研究表明，在Ge衬底表面预通As2，可以得到表面光滑且没有APDs的GaAs外延层［8］。
As在Ge衬底上具有self-terminated 的性质，外延前在Ge衬底上预通As2，在一定的温度和As偏压下，可以使其在Ge衬底表面形成As-As二聚体，从而有效抑制APDs［9］。
为了抑制异质界面间原子的互扩散，又不改变异质结的能带结构，可以采用先外延低温GaAs，再过渡到正常GaAs的方式。
但是由于生长温度低，低温GaAs的质量普遍偏低。
研究发现，生长温度和生长速率对低温GaAs的质量具有非常重要的影响。
由于在低温下GaAs的生长速率较慢，所以一般采用较低的生长速率来提高晶体质量。