2020-06-22 19:30:37

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锗硅合金是一种半导体合金、掺入III族元素为p型半导体,掺入V族元素为n型半导体,用n和p型合金构成热电偶。一端为高温,另一端为低温。在热偶对回路中产生电流。是一种用于高温的半导体温差发电材料电阻率为10-2~10-3Ω·m。单晶用区域匀平法制备。多晶热压法制备。用于太阳能聚光发电工厂余热利用发电、卫星温差发电器

基本信息

  • 中文名

    锗硅合金

  • 外文名

    germanium-silicon alloy

  • 性质

    半导体合金

  • 电阻率

    10-2~10-3Ω·m。

折叠 编辑本段 简介

锗硅是锗硅固溶体,由锗和硅两种元素形成的溶解度无限的替位固溶体。又称锗硅合金。分为无定形、结晶型和超晶格3种。无定形锗硅固溶体主要用作太阳电池,其转换效率已达14.4%(理论值为20%)。结晶形锗硅固溶体分为单晶和多晶,主要用作温差电材料、红外和核辐射探测器材料。用作温差电材料的锗硅固溶体是一种高温材料,热端温度可达1000~1100℃,具有效率高(可达10%)、强度大、热稳定性好、抗辐射、重量轻等优点,常用于航天系统的温差发电器。超晶格是一种新型材料。它是由两种不同半导体薄层交替排列组成的周期列阵,通过在晶体衬底上一层叠一层地生长出两种不同半导体材料薄膜获得。可用作半导体光电子材料,如制作弹道晶体管和高电子迁移率晶体管、光电导探测器、集成光电子器件等。(图为用锗硅固溶体制作的半导体光电子元器件)。

硅是应用最广泛的半导体,用硅制造的集成电路已进入千家万户。但是硅是间接带隙半导体,带隙宽度一定,所以限制了它应用的进一步扩展。随着"能带工程"、"材料工程"的深入研究,硅基异质结构应运而生,为剪裁能带、设计异质结构、调整电学和光学性质、制造新功能器件等提供了有力的工具。在硅基异质材料中,SiGe/Si是研究得最多、最深入的一类材料。

折叠 编辑本段 背景

SiGe合金材料的研究始于20世纪50年代中期,由于工艺上的原因难以提高材料的品质。随着薄膜生长技术的发展,已能生长出晶格品质优良、电光性能很好的多种SiGe/Si结构。SiGe/Si结构可用多种外延方法生长,近年来的报道主要集中在气体源分子束外延( GSMBE)、固体源分子束外延(SSMBE)、超真空化学气相淀积(UHV/CVD)和快速加热化学气相淀积( RTCVD)等几种方法。

SiGe是近年来兴起的新型半导体材料,它有许多独特的物理性质和重要的技术应用价值,由于优异的材料特性,并与硅的微电子技术兼容,被认为是第二代硅材料。锗硅合金与应变硅,使硅材料进入到人工设计和微结构材料的时代,硅器件进入到异质结构、能带工程时代,器件的工作速度已扩展到毫米波、超快速领域。同时在光电子领域也获得应用,SiGe材料在光电子领域中的应用主要有鹰晶应变层超晶格p-i-n光探测器、雪崩光探测器、长波长光电导探测器、多量子阱光电探测器等。

SiGe材料虽然有载流子迁移率高、能带可调、禁带宽度可以精确调节等优异的物理性质,但是,也存在缺点。由于Ge的晶格常数比Si大4.2%,由此造成的晶格失配会形成应变能使薄膜的组成不均匀,会显著影响材料的能带结构、禁带宽度和迁移率等主要物理性能,SiGe层厚度较小(不能超过平衡临界厚度),从而使其应用受到很大的限制。

折叠 编辑本段 新型材料的应用

Si–Ge合金可以说是一种新型的半导体材料,对于微电子技术的发展具有重要的意义。

①Si–Ge合金的相图是由液相线和固相线构成的简单相图。对于50%的Si – Ge混合物,在1108oC时开始熔化, 到1272oC时完全熔化; 在1150oC下, 液相SiGe中含Si 22%, 而固相SiGe中含Si 58%。

②SiGe的电子迁移率近似与空穴迁移率相等,而且都比Si的高; SiGe在低数据速率(10Gbit/s)中优于Si .

③SiGe的热导率是GaAs的3倍,则在20GHz下工作的SiGe器件的功率,相当于Si器件的10%~20%,这可增强线性度(使噪声降低,可靠性提高)。

④由于Si和Ge的电子亲和能很接近 (分别是4.00eV和4.05eV), 则Si/SiGe异质结的能带突变量基本上是ΔEv, 这对n-p-n HBT十分有利; 当Ge含量达到20%时, ΔEv将约为200 meV (~8kT) 。

⑤SiGe工艺与CMOS工艺流程互相兼容,则SiGe-BiCMOS的制作也就是把宽带宽、高增益、低噪SiGe-HBT与高密度的CMOS功能性逻辑阵列(C和L无源元件)集成在一起; SiGe-BiCMOS所实现的性能几乎与Ⅲ-Ⅴ技术的相当; IBM的SiGe芯片比0.18μm的Si片性能好。

可望在OEIC(光电子集成电路)中应用:SiGe合金的本征跃迁发光波长范围是1.3μm~1.55μm, 这正是长距离光纤通信的理想波长窗口; 但是, SiGe合金是间接禁带半导体, 不能直接用作发光材料; 不过在SiGe/Si的应变超晶格中, 由于能带交叠, 将使SiGe变成直接禁带半导体, 从而可用于OELSIC。⑧组成SiGeC合金:在SiGe中加入C,可补偿晶格失配,能够改善SiGe/Si异质结的界面性能;同时,在SiGe中加入C,可调节能带结构, 造成异质结导带有较大的突变, 以增强对电子的量子限制作用, 提高载流子的辐射复合几率。

折叠 编辑本段 可能存在的问题

为实现最佳fT和运行速率,需要的电流密度比Si的高,这将产生更多的热量。不过,SiGe的热导率比较大,而且可通过光刻来减小发射极宽度以降低热阻。 随着fT的提高,击穿电压将降低。故较适于低电压使用(<6~7V,这对于数字电路是很有利的)。

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