1、锑化物半导体材料与器件应用研究进展刘超，曾一平(中国科学院 半导体研究所材料科学中心，北 100083)摘要：窄禁带半导体材料近年来被国际上公认为第三代代超高速、超低功耗集成电路和第三代焦平面阵列红外探测器的首选材料体系。概述了它们独特的能带结构和物理特性及其为各种新型功能器件研发提供的极大发展空间，指出该材料成为美国、日本、德田、以色列等发达国家竞相开展研究的热点领城。概要介绍了锑化物半导体材料的制备工艺、存在的问题和器件应用的一些最新成果，给出了今后该领域的发展趋势。关键词：锑化物半导体；红外激光器；红外探测器；集成电路；能带结构；功能器件中图分类号：TN04.2；TN36 文献标识码：A
2、 文章编号：1O03-353X (2009) 06-0525-06Application Research and Development in Sb-Based III-VCompound Semiconductor Material and DeviceLiu Chao, Zeng Yiping The Material Science Center of Institute of Semiconductors . Chinese Academy of Sciences. Beijing, 1OO083. China )Abstract: In recent years, the narr
3、ow band-gap antinmonide based compound semiconductors (ABCS) are widely regarded as the first candidate material for fabrication of the third generation infrared photon detectors and integrated circuits with ultra-high speed and ultra-low power consumption. It is summerized that due to their unique
4、bandgap structure and physical properties, it makes a vast space to develop various novel device, and becomes a hot research are in many developed countries such as USA, Japan, Germany and Israel etc. Research progress in the preparation and application of ABCS materials, existing problems and some
5、latest results are briefly introduced and the developing trends is given.Key words: antimonide based compound semiconductors (ABCS); IR laser, IR detector; integrated circuit; bandgap structure; functional deviceEEACC: 2520D; 4250O 引言锑化物半导体(ABCS)主要是指以 Ca、In、Al 等 III 族元素与 Sb、As 等 V 族元东化合形成的二元、三元和四元化合
6、物半导体材料，如 GaSb、InSb 、AlGaSb 、InAsSb 、AlGaAsSb 、InGaAsSb 等，它们的晶格常数一般都在 0.61 nm 左右，在国际上与 InAs 基材料一起被习惯性称之为 “0.61 nm -族材料” 。锑化物半导体材料以窄带隙为基本特征，在与 GaSb、TnAs 和 InP 等常用衬底材料的晶格几乎相匹配或应变匹配的条件下，其禁带宽度可在较宽的范围内调节，相对应的波长可覆盖从近红外 0.78 m( AlSb)到远红外 12 m (lnAaSb) 光谱区域，由它们之间形成的异质结还能具有十分丰富的 I 型、类错位排列型和类破隙型三种小同对准类型的异质结能带结
7、构：ABCS 系材料独特的能带结构、优异的物理性能为开展材料的能带剪切和结构设计提供了很大的自由度和灵活性，对研究和制造各种新型的高性能徽电子、光电子器件和集成电路创造了广阔的发展空间，在相阵控雷达、卫星通信、超高速超低功耗集成电路、便携式移动装置、气体环境监测、化学物品探测、生物医学诊断，药物分析等领域中都有十分重要的应用前景1-81 ABCS 材料的物理特性和制备工艺对锑化物半导体材料与器件应用的深入研宄，还是近十余年才蓬勃发展起来的，特别是美国国防部高级研究计划局(DARPA)在 2001 年推出了锑化物半导体研究计划 (ABCS program)9 之后，国际上对锑化物微结构材料与器件应用的研究取得了一系列的重要突破和进展表 1 给出了半导体材料在室温下重要物理性能的对比结果，从表中可以看出 ABCS 具有十分优异的物理特性，以 InSb 为代表的锑化物材料具有族化合物半导体材料中最小的带隙、最小的载流子有效质量、最大的电子饱和漂移速度 和迁移率 等指标。图 是半导体材料的晶格常数与禁带宽度和对应光谱波长的关系，图中也同时标出了 HEMT 和 HBT 集成电路技术发展的趋势。图 2 是 ABCS 的禁带宽度与能带偏移量相对位置的关系。
