二元和三重半导体光子学设计基础

不关注某些重要的、比较新的材料，就不可能结束对半导体的讨论。这些材料是以大约相等的比例，并由位于元素周期表中不同族的两种或三种元素组成的合金，因此在外层具有不同数量的电子。

图6.22　n类非本征半导体的费米级，以及随温度的变化

这些成分的一个重要的性质是，通过改变混合比可以“裁剪”带隙。在某种程度上，它们共享两个外层中的本征电子，并通过缺少母原子（即创立一个正离子）而建立某些离子键合。当砷化镓（GaAs）中两种元素以相等比例（即单位体积内有相等数量的分子）组成时，其带隙是1.4eV。如果用其他元素代替As，如磷P（GaP，2.25eV）或者Sb（GaSb，0.7eV），就会发生变化。此外，通过增加V族（As）元素成分，使之大于Ⅲ族（Ga）的量，也可以将该材料制成p类或n类材料，反之亦然。

图6.23　竖直带隙半导体和非竖直 带隙半导体的布里渊区图

GaAs材料另外一个重要性质是，该材料是一种竖直带隙（或直接带隙）材料：传导带布里渊区中的最小能量与价电子带的最大能量出现在同一k值处（见图6.23a）。这就意味着，电子可以在两个带区间跃迁，跃迁过程无需损耗或增加动量。任何必要的动量损耗或增加一定意味着产生第三种实体，如“光子”（振动量子），以致难以跃迁。因此，与非竖直带隙材料相比，竖直带隙材料更为有效（见图6.23b），该过程更快，导致器件有较大带宽。(www.xing528.com)

实际工作中常要求很精细地控制带隙值，为此“带隙工程师”的注意力转向三重合金（即包含三种元素，三族与五族成分之比仍然近似是1∶1）。一个例子就是配方比例为Al_xGa_1-xAs的合金。改变x，就可以沿图6.24所示的GaAs与AlAs之间的线移动，因而适当地改变了带隙。图6.24还给出了用这种方法可以进行“裁剪”的其他的材料。

图6.24　带隙图

最后一个难题是，为了根据气相（气相外延法）或液相（液相外延法）法生长出所需要的材料，需要一块生长该材料的基板，要求基板与所希望得到的材料近似地具有同样的晶格间隔。例如Al_xGa_1-xAs，由于GaAs/AlAs线几乎是竖直的（见图6.24），所以会稍有难度，但其晶格间隔总是接近用作基板的GaAs的晶格间隔。对于其他材料，例如InAs_ySb_1-y，显然不是这种情况，原因是，InAs/InSb线几乎是水平的。进一步研发出四重金属就可以解决该问题，这种情况也属于由图6.24所示的线段所围出的范围。四重合金的粒子是In_xGa_1-xAs_yP_1-y，图6.24给出了其中一种，标注有x。其晶格间隔类似于可以用作基板的InP。

一般地，带隙工程师会选择一种基板，再选择一种满足带隙要求的四重合金，需要确信该合金是竖直带隙材料，最后再生长半导体。

带隙工程是一种精密的、特别有价值的开发光子学装置所需材料的技术，当然光子学装置的特性完全取决于所使用的材料。