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二、异质结的特性 （1）高注入比。注入比指P-N结加正向电压时，N区 向P区注入的电子流Jn1与P区向N区注入的空穴流Jp2之 比。 对 P-GaAs 和 N-AlGaAs 异 质 结 ， 它 们 的 注 入 比 约 7.4105 ，这是半导体激光器可提高注入效率，降低阈 值电流密度，提高量子效率的重要原因之一。 （2）超注入现象。N区内的电子处在势能比P区导带 底高的N区导带内。在漂移场和扩散场的驱使下，很容 易使注入到窄带隙P区的电子（P区少子）比宽带隙N 区本身的电子（多子）数还多。； P区界面附近造成载流子的堆积。甚至可达到简并化的 程度，这一现象称超注入现象
•
• ALE的基本特点是交替供应两种源气体，使反应物 在衬底表面形成化学吸附的单层，再通过化学反 应使另一种反应物源也单层覆盖。如此交替。 • 当每一步表面覆盖层精确为一层时，生长厚度 才等于单层厚度乘上循环数。在GaAs(100)方向上 一次循环所得到的生长厚度为0．283 nm。经过 多年的研究，ALE的实验装置有水平的，也有垂直 的，有衬底旋转的，也有气流中断方式的，有的 还有光照或激光诱导等装置。
7-4-2、MBE生长原理
• 1．源的蒸发
• MBE使用的分子束是将固态源装在发射炉中靠加热蒸发 而得到的。
•
•
用GaAs做As源提供合适的分子束流；
Ga及掺杂元素一般用其本身做源。
MBE生长过程
• 入射到衬底表面的分子(或原子)与衬底表面相互作用，有一部分分 子生长在衬底上 生长在衬底上的分子数与入射的分子数之比称为黏附系数。 • 不同种类的分子与衬底表面作用是不同的，例如Ⅲ族(Ga)原子与GaAs 衬底表面发生化学吸附作用，因此，在一般的生长温度，其粘附系数 为1。而V族(As)分(原)子则先是物理吸附，经过一系列物理化学过程 后一部分转为化学吸附，因此，它的粘附系数与衬底表面的分子(原 子)状态及温度等密切相关。 • 以As为源形成分子束时，一般得到的是As4分子束，而以GaAs为源 或在高温下分解As4时可得到As2分子束。这两种分子束在GaAs衬底上 的行为好像相同，先被物理吸附形成弱束缚状况，然后再进行化学吸 附结合到晶格格点上。但这两者的具体过程上却是不同的，所生长的
CBE的生长机理
• 固态源MBE，如前面所介绍，Ⅲ族元素是以原子或分子束的形式射 向衬底表面，并在其上面移动，占据适当的格点位置，在一般生长温 度下，Ⅲ族元素的吸附系数看作是1，因此，生长速度取决于Ⅲ族供 给量，即受限制于固态源形成分子束流的速度。 • 在MOVPE外延生长中，金属有机化合物在反应管中到达衬底之前已 经部分热分解，有一定程度热分解的金属有机化合物及分解产物通过 扩散穿过衬底表面上的边界层，再在被加热的衬底上完成全部分解成 III族元素原子。 • 一般说来， MOVPE法外延生长时，金属有机化合物的热分解是在气 流中和衬底表面两处进行的。因此，在通常的生长温度下，通过控制 边界层的扩散速度来控制生长速度。
本章介绍一些Ⅲ-Ⅴ族多元化合物、多层异质结 构、超晶格、应变超晶格等的制备及其特性。
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§8-1 异质结与晶格匹配 一、异质结及其分类 异质结是由两种基本物理参数（Eg、功函数、电子亲 和势和介电常数等）不同的半导体单晶材料联结起来 构成的。 按 其 导 电 类 型 ， 分 为 同 型 （ NN+ ， PP+ ） 和 异 型 （PN）两种。 理想的异质结的交界面应该是突变的，但实际上用一 般的外延生长方法制备的异质结，常常是有一定厚度 的缓变区（过渡区），它会影响异质结的某些特性。
•
CBE生长设备
• CBE所用的设备从结构上看，多数是把固态源MBE设备的源炉加以改 造而成。气态源输入生长室的管路中使用了MOVPE系统的控制系统。 • • CBE的生长机理 虽然都统称为CBE或气态源MBE，但由于有几种源的结合(如课本表 7.4所列)，因此，它们的生长机理是不一样的。 • 其中(1)是以固态金属为Ⅲ族源，以V族氢化物经预先热分解成AS2或P2 等V族气态源通入生长室，在衬底上进行生长，其生长机理固态源 MBE几乎没有什么差别。 • 但是，在(2)、(3)、(4)的情况下则不同，它们的Ⅲ族组分是以该Ⅲ 族元素的有机化合物为源，在通入生长室前，金属有机物不经热解， 而是以化合物的分子束直接射向加热的衬底表面，进行外延生长的。
7-4-3、MBE生长GaAs
• 1．一般生长过程 • 抛光好的GaAs的衬底，常规清洁处理后装入衬底取放室 中。抽真空以避免空气进入生长室，在衬底取放室、存储 传送室、生长室都处于高真空的条件下，将衬底分步送入 生长室中。 • 对所有的源进行加热排气处理。待真空达到要求后，对 衬底进行处理。 • 因为经常规清洁处理后的衬底表面，用俄歇谱仪分析 时，发现有氧和碳沾污。氧在高真空下加热很容易被除去， 但除碳比较困难。因此，在外延生长前用Ar+溅射处理以 除去碳等沾污。但要注意防止Ar+溅射带来的新的沾污， 同时溅射后还要进行热处理以消除由溅射引起的损伤。
• 利用GaAs作为As2源，虽然较元素As便于控制束流，其缺 点是As很快耗尽。
2、GaAs的掺杂
• 1、自掺杂 在半绝缘的衬底上生长非掺杂的GaAs外延层，本底杂质浓 度取决于外延系统的清洁度、生长室残余杂质及源的纯度等，一般杂 质浓度在l×1015／cm3，并且常常是高阻。 • 2、掺杂 • N型掺杂剂有Si、Ge、Sn。它们的粘附系数都接近于1。
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2.8
2.6
2.4
光子能量 E/eV
直接(Γ ) 2.2 Ec=1.99eV xc=0.46 2.0 间接(Χ ) 直接(Γ ) 1.8 间接(Χ )
图 示 出 了 GaAs1-xPx 的能带结构随组分x的 变化，间接跃迁与直 接跃迁转换点的组分 xc=0.46，其对应的 禁带宽度Ec=1.99eV。
1.6
类似材料的xc和Ec分别如下： 材料 xc Ec(eV) Ga1-xAlxAs 0.31 1.90 In1-xGaxP 0.70 2.18 In1-xAlxP 0.40 2.23
0.8 1.0 GaP
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1.4 0 GaAs 0.2 0.4 0.6 组分 x 6
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多元化合物的这些特性对于半导体器件，特别 是光电器件的设计及制做是十分有利的。 如根据器件的发光波长可确定材料的组分。 目前还不能制备多元化合物的体单晶，制做器 件主要是利用其外延材料，因此还要注意它与 衬底晶格匹配的情况等。
原子)时，As2的粘附系 数将接近1。
入射的是As4束时，如衬底温度为 450～600K，并且没有Ga束入射， As4的粘附系数为零
入射Ga束时， 入射的As4主要 处于物理吸附状态并在表面上进 行迁移。 一部分As4进入化学吸附，另 一部分移动的As4与被化学吸附 的As4结合，分解成As原子，有 的生成新的As4而脱附，As4的 附着系数不会超过0.5的原因。
GaAs的性质也有一些差别。
当As2束入射到GaAs上 时，先形成物理吸附， 并以As2的形式在表面移 动， 遇到As空位时(有Ga原 子时)，As2便分解成As， 变为化学吸附，形成GaAs键，生长在晶格点上。
如果没有As空位(没有 Ga原子)时，As2不分解 并且脱附或在600K的温 度下形成As的主要缺点是生长速率慢，循 环时间长。
• 有很多人采用很多办法来降低循环时间， 提高生长速度，比如进行光照，但比起目 前通常的外延方式，尤其是与MOCVD 比起 来，其生长速度是非常慢的。
作业
• • • • • • • 1.MBE生长原理 2.气相外延液相外延 3.金属有机物气相沉积 4.分子束外延 5.化学束外延 6.蒸发 7.溅射
• 常使用Sn，Sn比Ge容易获得高的迁移率，Sn也比Si容易处理。缺点是 在表面有一定程度的分凝。但Si和Ge具有较强的两性特性，既可做施 主又可以做受主。除Sn之外，Si也常用来做施主掺杂剂。
• P型掺杂剂有Zn和Cd，但它们的粘附系数太小，在MBE生长GaAs时不 易掺入。所以一般采用Ge和Mg，Ge只能在Ga稳定条件下，被强制掺 入，因此很难保证表面平滑，Mg掺杂效率很低。 • 为了寻找更好的P型掺杂剂，人们试用离化的Zn，可把粘附系数提高 到10-2。Be的粘附系数接近于l，而且掺Be可获得光滑生长表面，因此， 目前用Be做P型掺杂剂的较多。
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三元系AxB1-xC的晶格常数可由与其相关的两个二元 合金（AB、BC）的晶格常数线性插值获得
a0 a AC x a BC (1 x)
对In1-xGaxAs材料来说，它的晶格常数随组分x的 变化为
a0 aGaAs x a InAs (1 x)
即可从GaAs的5.653 Å 变化到InAs的6.059 Å。
1、MBE生长GaAs
• 如果使用Ga和As为源，在Ga： As为束流比为1：10，生 长速率为0.1～0.2nm／s的条件下生长GaAs，则Ga炉温为 约950℃，而As炉温约300 ℃ ，Ga炉温度必须精确控制， 衬底温度一般为500℃，以Ga和As为源其束流可单独控制， 并可保证As源能在较长的时间内使用。
7-5化学束外延生长(CBE)
• 分子束外延生长，使用的是固体源，在生长过程中存在着源补充的问 题。此外，由于含磷Ⅲ一v族化合物及其固溶体和II一Ⅵ族化合物的固 态源在形成射束时难以控制，给这类化合物的MBE生长带来困难。 • • 为了解决这些问题，提出了用气态源代替固态源进行MBE生长，即 所谓的气态源MBE(Gas Source MBE．GSMBE)。 气态源MBE是一个通称，根据使用源的组合不同，其命名也不同， 当然它们的生长机制也不相同。尽管如此，人们习惯上常把这类气态 源MBE称为化学束外延生长(Chemical Beam Epitaxy．CBE)。 近年来，特别是1986年以来，以InGaAs／InP为中心，用CBE生长材 料制做器件的也多起来了。CBE兼有MBE和MOVPE的优点。