8 iii-v多元化合物半导体
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III-V族化合物半导体太阳能电池_2023年学习资料
從能隙大小來看，磷化銦-InP、砷化镓GaAs、以-及碲化鎘CdTe等半導體材料，是極適合於製作高-效率的 陽能電池·-■能带間隙小於1.4~1.5電子伏特的半導體材料，其光波-的波長分布於紅外光的光譜區域，適合於 外光的光-波吸收。-■倘若將不同能隙的半導體材料，進行不同薄膜層的堆-叠，可以使其波長感度變得較大的區域分 ，因而可-以吸收不同波長的光譜，進而提升光電轉换效率。
大部分III-V族化合物半導體，是直接能隙半-導體，其能量與動量的轉移過程僅需要光子的-釋出-■-在間接能 半導體方面，其能量與動量的轉移-過程不僅僅是光子的釋出，而且其晶體的晶格-熱振動將產生動量的變化，進而衍生 聲子的-遷移效應
電子能量-電洞-hc-Eg能隙能量-動量-a
砷化镓太陽能電池基本特性-1.-高的光電能量轉换效率。-2.-適合於大面積薄膜化製程·-3.-高的抗輻射線 能·-4.-可耐高溫的操作。-5.-低成本而高效率化的生產製程。-6.-適用於太空衛星系統·-7.-可設計 特殊性光波長吸收的太陽能電池。-8.-極適合於聚光型或集光型太陽能電池應用。-9.-具有正負電極導電支架而 於插件安排。
III-V族化合物半導體太陽能電池
III-V族化合物半導體，是發光二極體元件製-作的主要材料，亦是太陽能電池元件的主要材-料之一，其中又以砷 镓為代表性材料。-■太陽能電池的基本原理是「光電效應Opto-Electro Effect」o-太陽能電池 件是二極體元件中的一種，它不-能發光而能夠發電，故又稱為「光伏特二極體-元件Photovoltaic Di de;PVD」或「光伏-特電池Photovoltaic Cell;PWC」。
砷化镓鋁/砷化镓AlGaAs/GaAs-20-矽Si-10-照度：135mW1cm2-100--50-15 -200-250-集光型太陽能電池的光電轉换效率-及其電池操作溫度的關係圖
半导体材料体系
半导体材料体系
半导体材料体系指的是由半导体材料构成的系统。
半导体材料是指能够在一定范围内调节电子的导电性质的材料，主要包括硅、锗、砷化镓、磷化铝等。
半导体材料体系通常包括以下几个方面：
1. 单晶硅体系：单晶硅是半导体工业的基础材料，广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域。
2. III-V族化合物半导体体系：包括砷化镓、氮化镓、磷化铟等化合物半导体材料，常用于高速电子设备、光电器件等方面。
3. 硅化物半导体体系：包括碳化硅、氮化硅等化合物半导体材料，具有高温、高功率等特性，主要应用于功率器件、蓝光LED等领域。
4. 有机半导体体系：具有可制备性、柔性、低成本等优点，主要应用于柔性显示、传感器等领域。
不同的半导体材料体系具有不同的特性和应用领域，对于半导体产业的发展起到了至关重要的作用。
半导体材料第9讲-III-V族化合物半导体的外延生长
氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度为5％或10％后(也有 100％浓度的)装入钢瓶中，使用时再用高纯H2稀释到所需 浓度后，输入反应室。
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
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
第八章 iii-v多元化合物半导体
25
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
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件
化合物半导体材料
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
第六章III-V族化合物半导体
6-及条件的依据：相图
非凝聚体系相图与凝聚体系相图的差别 非凝聚体系P-T-X相图
GaAs作为重要半导体材料的 主要特征
直接带隙，光电材料 迁移率高，适于制作超高频超高速器件和电路 易于制成非掺杂半绝缘单晶，IC中不必作绝缘
隔离层，简化IC，减少寄生电容，提高集成度 Eg较大，可在较高温度下工作 抗辐射能力强 太阳电池，转换率比Si高 Gunn效应，新型功能器件
能带结构：直接带隙 导带中有两个次能谷X，L，与主能谷能量差不大 主能谷中：电子有效质量较小，迁移率较高 次能谷种：电子有效质量大，迁移率小，态密度大， 室温下：电子处于主能谷 当外电场超过某一阈值时： 电子由主能谷→次能谷，迁移率由大→小， 出现：电场增大，电流减小的负阻效应 体效应（电子转移效应），Gunn效应（1963年）
GaAs晶体生长的两个途径
熔体生长：先合成1:1的化合物熔体然后直
接由熔体中生长其单晶 溶液生长：由某一组分的溶液中生长化合 物晶体（常以III族元素作溶剂）
对Ga-As体系精细相图
GaAs在加热时发生的一些可逆反应 熔体生长的GaAs晶体一般含有较多的Ga空
位
GaAs的物理、化学性质
暗灰色，有金属光泽 其晶格常数随T及化学计量偏离有关，
a（富As）<a（富Ga） 室温下对H2O和O2是稳定的 大气中600℃以上开始氧化 真空中800 ℃以上开始离解 与盐酸×与浓硝酸∨易溶于王水
GaAs的能带结构与Gunn效应
GaAs能带结构和Gunn效应
第六章 III-V族化合物半导体
IIIA元素：B 、Al、Ga、In
VA元素： N、P、As、Sb 组合形成的化合物15种（BSb除外） 目前得到实用的III-V族化合物半导体 GaN GaP GaAs InP GaSb InSb InAs 原子序数之和：由小→大 材料熔点：由高→低 带隙宽度：由大→小
半导体材料第10讲-超晶格
量子阱的应用
量子阱红外探测器 阱材料的子带中有两个子能带，即基态E1和第一激发态E2 ，在 材料生长过程中利用掺杂型半导体．使子带阱中基态上具有一定的二 维电子密度， 当入射辐射光子能量为hω照射到器件接收面上时，E1 上的电子将被光子激发到E2态，并隧穿势阱壁形成热电子，以致形成 与入射光强度成正比的电信号。 这种新型、快速、灵敏的红外探测器具有灵活性大、响应速度快、 量子效率高、结构简明等优点。量子阱红外探测器还具有材料均匀性 好稳定性好，重复性好及质高价廉等优点，其发展速度特别快。这种 新型量子阱探测器的问世，大大促进了大规模集成、光学逻辑电路、 红外成像技术的发展量子阱红外探测器对红外物理、红外光电子学及 其应用领域带来了革命性的发展。
半导体材料
第八章 III－V族多元合物半导体
四探针法原理 请参考 陈治明，王建农，《半导体器件的材料 物理学基础》，科学出版社，1999年5月第 一版，p: 249-268
8-1 异质结
异质结：两种不同晶体接触处所形成的结。由两种半导体单晶联
结起来构成。可分为同型(NN+，PP +)和异型(PN)两种
超晶格量子阱的一些重要现象和性质即可用二维电子气的态密度 来描述。 通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的态 密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格带来了许多方面的应用。
可参考：阎明，”半导体超晶格及其量子阱的原理”，上海海运 学院学报，V0l_21 No．1 Mar．2000，p=102-107
度，从而减少了复合区宽度。
异型异质结可利用改变两侧禁带宽度的相对大小来提高电子或空 穴的注入效率。
同型和异型异质结都能提供一个折射率阶跃，形成光波导的界面
光波导技术
4
In的化合物，一般都具有较大的电子迁移率， 可用来做霍尔器件。
InSb是研究的比较成熟的化合物半导体材料之一， 禁带宽度为0.18eV，可用来制做红外光电器件和超 低温下工作的半导体器件。
InAs性质和GaAs相似，但不如GaAs，发展 的不快。 InP材料做出的耿氏二极管其特性比GaAs的好； 在GaInAs(P)三、四元系激光器研制成功后，InP作 为衬底材料被大量使用，它和GaAs材料一样是重要 的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料之一。
15
室温时，电子处在主能谷中很难跃迁到X处导带能谷中。 电子在主能谷中的有效质量较小（m=0.07m0），迁移 率大。 次能谷中，有效质量大（mx=1.2m0），迁移率小。 次能谷中的状态密度比主能谷大，一旦外电场超过一定值 时，电子就可由迁移率大的主能谷转移迁移率较小的次能 谷，出现电场增大电流减小的负阻现象。 GaAs具有比Si大得多的电子迁移率，对提高晶体管的高 频性能有利。
空键 A面
Ga As
7
原子排列是每个Ⅲ族原子周围有四个最靠 近的Ⅴ族原子包围，每个Ⅴ族原子周围又 有四个Ⅲ族原子包围形成正四面体。
As
Ga
(a)闪锌矿结构晶胞
(b)闪锌矿型结构GaAs的Ga、 As周围的四面体构形 闪锌矿结构
8
S2-位于整个六方柱大晶 胞的各个角顶和底心, 及 由六方柱划出的六个三方 柱中, 相间的三个三方柱 的轴线上, Z2+位于各个 三方柱的棱上及相间的三 个三方柱之轴线上。
16
2．GaP的能带结构 价带顶与导带底不处于相同的k处，GaP是间接跃迁型材 料。 电子与空穴复合发光时必须要有声子参与，它的发光效率 比直接跃迁型材料低。Ge、Si和Ⅲ-Ⅴ族化合物中的BN、 AlP、GaP、BA s、AlSb等都属于间接跃迁型半导体材 料。 已用GaP制出了发光效率很高的红、绿、黄等光的发光二 极管。 因为某些杂质（N、Bi等）在GaP中可形成发光的辐射复 合中心，使GaP中的间接跃迁向直接跃迁转化的缘故。
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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。
6
§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。
第八章 Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半导体材料
Ⅲ-Ⅴ族二元化合物的晶格常数和禁带宽度等都是一定的， 在应用时常受到限制。 如：光电器件的发射波长由材料的禁带宽度限定。 由两种Ⅲ-Ⅴ族化合物合成的三元或四元化合物，除与能 量有关的参数（Eg、）考虑能带弯曲外，其它参数（a、 me*、 mhh*、 mhl * mhs * ）基本上用维戈（Vergard）公 式线性插值得到。
8
N-Ga1-xAlxAs
P-GaAs
P-Ga1-xAlxAs h
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
I
9
（3）异质结对载流子的限制。由于异质结界面存在 △Ec和△Ev ，所以能够在一定程度上限制电子和空 穴从有源区泄出。异质结结构中从N-AlGaAs限制层 注入P-GaAs有源区的电子受到P-P同型异质结造成 的势垒的限制，大大提高了注入电子的利用率。 如果取有源区厚度小于扩散长度，则注入到有源区 势阱中的电子分布是均匀的，这使同样电流密度下 得到的过剩载流子浓度大大增加。 有源区与N区界面处的价带势垒又阻碍空穴的扩散， 阈值电流密度进一步降低，这是双异质结LD实现室 温连续激射的重要前提。
在N2气氛下将Al及各种掺杂剂加入Ga-GaAs溶液 中，放好已处理好的GaAs衬底，再装入生长室中；
抽空、通H2，加热至900℃恒温10min，使所有组 分混合好； 然后按要求降温，并移动液池。
26
温 度 T/℃ 第一层840℃ 0.6℃ /min 第二层830℃ 第三层830℃ 第四层829℃ 第五层826℃ 850℃ 停止（826℃）
3
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。
*如果所生长的多层厚度较厚时，处在压应变状态 （即衬底晶格常数小于外延层）这种方法有效。反之 处于伸张状态时，不但位错密度不能降低反而增加。
17
§8-2 GaAlAs外延生长 Ga1-xAlxAs是由GaAs和AlAs组成的三元化合物， 其晶格常数与密度随组分的变化如图所示。
5.4 5.0
•
5.660
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
1.4 0 GaAs 0.2 0.4 0.6 组分 x 6
4
5
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。
29
MOVPE法生长x=0.3的Ga1-xAlxAs外延层的参考数据
设备 TMAl TMG AsH3 总流量 生长温度 冷壁系统 2.510 mol/min 7.510 mol/min 4.010 mol/min 2445ml/min 700℃
-3 -4 -4
热壁系统 3.610 mol/min 6.410 mol/min 110 mol/min 2445ml/min 740℃
11
（5）“窗口”效应。由两种Eg不同的半导体材料组成 异质结，从对入射光的光谱特性看，宽Eg半导体成了窄 Eg的“输入窗口”。
h<Eg2<Eg1的光入射时，材料1、2都是透明的，吸收系 数为0； Eg1>h >Eg2时，光透过材料1后 被2吸收； h ≥ Eg1，光被半导体材料1 吸收而不能被材料2吸收。
22
等温线 固相线
A
1100℃
1000℃ 800 Ga 900 4 6 Al原子% 8 10 12 14
2
23
二、生长GaAlAs双异质结激光器结构
液相外延装置有六个溶液池的滑动舟，分别装入 外延生长的各溶液和Al:Ga=1:10的溶液，作 为终止P型GaAs层生长用。 最前面的液池中装未饱和GaAs的Ga溶液，目 的是在生长GaAlAs之前，使衬底与此溶液接触， 将 衬 底 回 溶 10~20μm ， 以 获 得 纯 净 完 整 的 GaAs表面，然后再依次生长各外延层。
t/min
27
生长完毕停止加热，冷却后取出外延片。 用水：盐酸=1：1混合液煮去残留在外延片上的溶 液，即可得到表面光洁、平坦的外延片。
解理法解理后，用K3[Fe（CN）6]：KOH： H2O=1：1：10（重量比）腐蚀液，在60℃，腐蚀 10s，用显微镜测各外延层的厚度。
28
8-2-2 MOVPE法生长GaAlAs
19
介绍LPE法和MOVPE法生长GaAlAs。 8-2-1 LPE法生长GaAlAs 以GaAlAs异质结激光器材料的制备为例介绍GaAlAs 的LPE生长。
图 为 GaAlAs 双 异 质 结 激 光 器 结 构 。 第 Ⅰ 层 是 衬 底 （N-GaAs），第Ⅴ层上做欧姆接触用的P-GaAs， 第Ⅲ层是P-GaAs为激光器的有源区，而Ⅱ、Ⅳ层分 别为N-Ga1-xAlxAs和P- Ga1-xAlxAs，它们分别起 载流子限制和光限制作用。
这种方法虽然不能消除失配位错，但能有效地将位错分散 到比较厚的外延层中，使外延层横截面内的平均位错密度 下降。 虽然位错密度仍然较高，但用它已能制做性能较好的发光 二极管、探测器等器件。
16
组分突变法：外延生长时，不是一次生长出厚的外延 层，而是生长几个不同厚度的薄外延层，利用两层间 的交界面，使部分位错拐弯，降低外延层表面位错密 度。
4.6 4.2
5.655
5.640 3.8 0 GaAs 20 40 60 80 组分 x/mol% 100 AlAs
18
GaAlAs最突出的优点是GaAs和AlAs的晶格常数相差 很小，所以GaAlAs和GaAs可以构成晶格匹配很好的 异质结。 当Ga1-xAlxAs中Al组分x0.4时，其能带结构由直接 跃迁型转变成间接跃迁。 用GaAlAs可以制备激光器、光波导耦合器、调制器、 高迁移率晶体管、高亮度红色发光管、太阳电池、集成 光电子器件等，是目前很受重视的一种材料。
MOVPE生长Ga1-xAlxAs: 衬底：GaAs； Ⅲ族源：TMG（TEG），TMAl；V族源：AsH3。 在生长GaAs的MOVPE系统中加TMAl输运及控制系统， 生 长 温 度 稍 高 于 GaAs 的 生 长 温 度 ， 一 般 选 在 700~750℃。 生 长 期 间 要 根 据 所 生 长 Ga1-xAlxAs 的 x 调 整 TMAl 和 TMG之比，即Ⅲ/ Ⅲ比，同时还要考虑AsH3 与Ⅲ族源 TMAl与TMG的输入比，即Ⅴ/Ⅲ比。 x值的控制：依据x值计算出应输入的TMAl和TMG量， 然后进行生长，测其x值，再进行校正直到符合要求为止。
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三元系AxB1-xC的 带隙表示为
Eg ( x) (1 x) Eg BC xEg AC cx(1 x)
C为弯曲参量 如组成多元化合物的两个二元化合物分别为直接 跃迁与间接跃迁型时，所组成的多元化合物因组 分不同而属于直接跃迁或间接跃迁型，而且多元 化合物的直接跃迁的禁带宽度有可能大于组成该 多元化合物的二元化合物的禁带宽度。
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一、相图 若进行GaAlAs的LPE生长，必须了解Ga-Al-As体系 相图。 图中A点表示Al为0.5%（原子%），Ga89.8%， As为9.7%。 要想得到x=0.3的Ga1-xAlxAs外延层，外延起始温度 为1000 ℃时，液相配制成 A点所示的成分。当温度低 于1000℃时，此溶液过饱和，如与衬底接触便能生长 出Ga0.7Al0.3As的外延层，如果温度高于1000℃，则 溶液未饱和可发生溶液腐蚀GaAs衬底片的现象（溶衬 底）。
晶格失配的存在，常给器件制做和性能带来不利的影 响。在外延生长异质结时，应尽量限制和降低晶格失 配的影响。
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若使两种晶格常数不同的材料间在原子尺寸范围
内达到相互近似匹配，只有在晶格处在弹性应变状 态。
当应变比较大时，即存储在晶体中的应变能量足
够大时，它将通过在界面处形成位错而释放，所形 成的位错称失配位错。 实验表明，异质结外延层中，晶格失配引起的位错 密度可达107 ～108/cm2 ，甚至达到1010/cm2 ， 如果发光器件的有源区中有如此之高的位错，其发 光效率将大大降低。
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（4）异质结对光场的约束作用。同型和异型 异质结都能提供一个折射率阶跃（约5%）， 光波沿某一方向射入高折射率层并沿它传播时， 折射率平凸台分布的三层结构可将光波约束在 高折射率内，光模场限制因子（光场分布图中 打斜线的面积与整个曲线所包围面积之比）大。 异质结对光场的限制也是DH LD能够实现室温 连续工作的重要因素之一。
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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