基本介紹
- 中文名：鍺矽合金
- 外文名：germanium-silicon alloy
- 性質：半導體合金
- 電阻率：10-2～10-3Ω·m。
簡介,背景,新型材料的套用,可能存在的問題,
簡介
鍺矽是鍺矽固溶體，由鍺和矽兩種元素形成的溶解度無限的替位固溶體。又稱鍺矽合金。分為無定形、結晶型和超晶格3種。無定形鍺矽固溶體主要用作太陽電池，其轉換效率已達14.4%（理論值為20%）。結晶形鍺矽固溶體分為單晶和多晶，主要用作溫差電材料、紅外和核輻射探測器材料。用作溫差電材料的鍺矽固溶體是一種高溫材料，熱端溫度可達1000～1100℃，具有效率高（可達10%）、強度大、熱穩定性好、抗輻射、重量輕等優點，常用於航天系統的溫差發電器。超晶格是一種新型材料。它是由兩種不同半導體薄層交替排列組成的周期列陣，通過在晶體襯底上一層疊一層地生長出兩種不同半導體材料薄膜獲得。可用作半導體光電子材料，如製作彈道電晶體和高電子遷移率電晶體、光電導探測器、集成光電子器件等。(圖為用鍺矽固溶體製作的半導體光電子元器件)。
矽是套用最廣泛的半導體，用矽製造的積體電路已進入千家萬戶。但是矽是間接帶隙半導體，帶隙寬度一定，所以限制了它套用的進一步擴展。隨著“能帶工程”、“材料工程”的深入研究，矽基異質結構應運而生，為剪裁能帶、設計異質結構、調整電學和光學性質、製造新功能器件等提供了有力的工具。在矽基異質材料中，SiGe/Si是研究得最多、最深入的一類材料。
背景
SiGe合金材料的研究始於20世紀50年代中期，由於工藝上的原因難以提高材料的品質。隨著薄膜生長技術的發展，已能生長出晶格品質優良、電光性能很好的多種SiGe/Si結構。SiGe/Si結構可用多種外延方法生長，近年來的報導主要集中在氣體源分子束外延( GSMBE)、固體源分子束外延(SSMBE)、超真空化學氣相澱積(UHV/CVD)和快速加熱化學氣相澱積( RTCVD)等幾種方法。
SiGe是近年來興起的新型半導體材料，它有許多獨特的物理性質和重要的技術套用價值，由於優異的材料特性，並與矽的微電子技術兼容，被認為是第二代矽材料。鍺矽合金與應變矽，使矽材料進入到人工設計和微結構材料的時代，矽器件進入到異質結構、能帶工程時代，器件的工作速度已擴展到毫米波、超快速領域。同時在光電子領域也獲得套用，SiGe材料在光電子領域中的套用主要有鷹晶應變層超晶格p-i-n光探測器、雪崩光探測器、長波長光電導探測器、多量子阱光電探測器等。
SiGe材料雖然有載流子遷移率高、能帶可調、禁頻寬度可以精確調節等優異的物理性質，但是，也存在缺點。由於Ge的晶格常數比Si大4.2%，由此造成的晶格失配會形成應變能使薄膜的組成不均勻，會顯著影響材料的能帶結構、禁頻寬度和遷移率等主要物理性能，SiGe層厚度較小（不能超過平衡臨界厚度），從而使其套用受到很大的限制。
SiGe是近年來興起的新型半導體材料，它有許多獨特的物理性質和重要的技術套用價值，由於優異的材料特性，並與矽的微電子技術兼容，被認為是第二代矽材料。鍺矽合金與應變矽，使矽材料進入到人工設計和微結構材料的時代，矽器件進入到異質結構、能帶工程時代，器件的工作速度已擴展到毫米波、超快速領域。同時在光電子領域也獲得套用，SiGe材料在光電子領域中的套用主要有鷹晶應變層超晶格p-i-n光探測器、雪崩光探測器、長波長光電導探測器、多量子阱光電探測器等。
SiGe材料雖然有載流子遷移率高、能帶可調、禁頻寬度可以精確調節等優異的物理性質，但是，也存在缺點。由於Ge的晶格常數比Si大4.2%，由此造成的晶格失配會形成應變能使薄膜的組成不均勻，會顯著影響材料的能帶結構、禁頻寬度和遷移率等主要物理性能，SiGe層厚度較小（不能超過平衡臨界厚度），從而使其套用受到很大的限制。
新型材料的套用
Si–Ge合金可以說是一種新型的半導體材料,對於微電子技術的發展具有重要的意義。
①Si–Ge合金的相圖是由液相線和固相線構成的簡單相圖。對於50%的Si – Ge混合物，在1108oC時開始熔化, 到1272oC時完全熔化; 在1150oC下, 液相SiGe中含Si 22%, 而固相SiGe中含Si 58%。
②SiGe的電子遷移率近似與空穴遷移率相等，而且都比Si的高; SiGe在低數據速率（10Gbit/s）中優於Si .
③SiGe的熱導率是GaAs的3倍,則在20GHz下工作的SiGe器件的功率,相當於Si器件的10%~20%,這可增強線性度（使噪聲降低,可靠性提高）。
④由於Si和Ge的電子親和能很接近 (分別是4.00eV和4.05eV), 則Si/SiGe異質結的能帶突變數基本上是ΔEv, 這對n-p-n HBT十分有利; 當Ge含量達到20%時, ΔEv將約為200 meV (~8kT) 。
⑤SiGe工藝與CMOS工藝流程互相兼容，則SiGe-BiCMOS的製作也就是把寬頻寬、高增益、低噪SiGe-HBT與高密度的CMOS功能性邏輯陣列（C和L無源元件）集成在一起; SiGe-BiCMOS所實現的性能幾乎與Ⅲ-Ⅴ技術的相當; IBM的SiGe晶片比0.18μm的Si片性能好。
可望在OEIC(光電子積體電路)中套用：SiGe合金的本徵躍遷發光波長範圍是1.3μm~1.55μm, 這正是長距離光纖通信的理想波長視窗; 但是, SiGe合金是間接禁帶半導體, 不能直接用作發光材料; 不過在SiGe/Si的應變超晶格中, 由於能帶交疊, 將使SiGe變成直接禁帶半導體, 從而可用於OELSIC。⑧組成SiGeC合金：在SiGe中加入C,可補償晶格失配,能夠改善SiGe/Si異質結的界面性能;同時,在SiGe中加入C,可調節能帶結構, 造成異質結導帶有較大的突變, 以增強對電子的量子限制作用, 提高載流子的輻射複合幾率。
可能存在的問題
為實現最佳fT和運行速率，需要的電流密度比Si的高,這將產生更多的熱量。不過，SiGe的熱導率比較大，而且可通過光刻來減小發射極寬度以降低熱阻。 隨著fT的提高,擊穿電壓將降低。故較適於低電壓使用（<6~7V，這對於數字電路是很有利的)。
