Ⅲ-Ⅴ族异质结的早期发展

在电子行业发展的初期，就有人提出了在半导体电子器件中使用异质结的想法。在第一篇关于p-n结晶体管的专利中，W.Shockley［5］提出了用一种宽带宽的发射极来获得单向注入。A.I.Gubanov首次从理论上对同型和异型异质结的I—V特性进行了分析［6］。然而，在异质结研究的初始阶段中重要的理论则是由H.Kroemer提出的，他在梯度能带异质结中引入了近似电场和近似磁场的概念，并且假设与同质结相比，异质结可能会表现出极高的注入效率［7］。

最初，理论研究进展比实验实现要快得多。1966年，有人预计注入载流子的密度可能要比在宽带发射极中载流子的密度高出好几个数量级(“超级结”效应)［8］。那时就有人强调了半导体异质结几个最重要的特性:过量载流子注入、光学约束和电子约束。

宽带隙窗口效应的实现对光探测器、太阳电池和光电二极管的发展是非常重要的。它可以允许大大加宽和精确控制太阳电池和光探测器的光谱范围，而且还能极大地提高光电二极管的效率。图2.1给出了经典的单结和双结异质结的主要物理现象。

图2.1　经典异质结中的主要物理现象

(a)单边注入和超级注入;(b)内建近似电场中的扩散;(c)电子和光学限制;(d)通过一个异质结界面的对角隧道

找出能够实现这些现象的异质结非常有必要。当时人们普遍设想是否可能创造出一种理想的异质结，该异质结具备无缺陷的界面，并且具备理论的注入特性。R.L.Anderson［9］对第一个晶格匹配的采用外延生长的单晶Ge－GaAs异质结做了开创性的研究，但是他的研究结果并没有给出任何表明在异质结内的载流子注入的证据。由于普遍存在的怀疑态度，只有少数几个研究团队在试图发现一种“理想的结合”。因为这种结合需要满足许多条件，包括热、电、晶体化学特性的兼容性以及接触材料的晶体和能级结构，这必然是一个难题。

由于GaAs具备许多理想的特性，例如很小的电子有效质量和宽带隙，有效辐射复合和由于直接带隙结构形成的尖锐的光学吸收边缘及在导带绝对最小处的高电子流动性，所以即使在当时，它也处在半导体物理学和电子学领域里备受瞩目的位置。半导体材料处于活性区，同时具有较宽带隙，自从发现不同半导体间采用异质结可获得最大效应，研究者们开发出了不同的异质结，其中所选取的“耦合”材料首要并且最重要的条件就是晶格常数要与图2.2中给出的值相近。因此，在AlAs－GaAs系统中的异质结是比较有优势的。

图2.2　带隙Eg与晶格常数的函数关系

材料包括Si、Ge和Ⅲ-V族化合物以及它们的固溶体。阴影矩形对应于不同材料的Eg，它们能够提供最高效率的两结和四结太阳电池

基于对该系统的相图和生长动力学的研究以及针对异质结生长的液相外延技术的发展，很快成功制作了首个晶格匹配的AlGaAs异质结。当我们发表了关于这个研究主题的第一篇文章时［10］，我们很幸运地成为首个找出这种独特的、实际上也是一种理想的晶格匹配的GaAs体系的研究团队。而且，无独有偶，在T.Watson IBM研发中心的H.Rupprecht和J.Woodall也同时且独立地获得了相同的结果［11］。

随后，半导体异质结领域的发展就非常快了。首先，我们用实验证明了宽带隙发射极的独特注入特征和超级注入效应［12］以及受激发射［13］。我们还建立了AlGaAs－GaAs异质结的能带图，并仔细研究了在梯级带隙异质结中载流子的发光性能［14］和扩散性。同时，还研制出了大量能够实现异质结概念优势的重要器件，如在室温下具有较低起始阈值的异质结发射器［15～18］、高效光电二极管［11，19］、异质结太阳电池［20］、异质结双极型晶体管［21］、异质结p-n-p-n开关器件［22］。最早成功进行规模生产的工业应用之一就是用于太空领域里的异质结太阳电池。许多苏联的人造卫星上都安装了AlGaAs太阳电池，和平号空间站的AlGaAs太阳电池已经使用了15年以上。

在异质结物理学和技术发展的早期阶段，人们很清楚地认识到需要去寻找一种新的晶格匹配的异质结构来覆盖更宽的太阳光谱。文献［23，24］中的工作在这方面迈出了很重要的第一步，提出了各种基于四元Ⅲ-Ⅴ族固溶体的晶格匹配异质结，而且允许晶格常数和带隙的独立变化。很快，InGaAsP组合被认为是一种最重要的组合，可用于不同领域，尤其是用于光纤通信［25］的红外区域和可见光区域的激光方面时更为突出［26］。

20世纪70年代早期，理想的晶格匹配异质结仅局限于前面提到的材料。后来，Ⅲ-Ⅴ族异质结的“版图”迅速扩展(图2.2)。现在有必要加入宽带隙的Ⅲ族氮化物。