锑化镓的应用

背景及概述^[1-2]

锑化镓（GalliumAntimonite,GaSb）是III-V族化合物半导体，属于闪锌矿、直接带隙材料，其禁带宽度为0.725eV（300K），晶格常数为0.60959nm。GaSb具有优异的物理化学性能，常被用做衬底材料，应用于8~14mm及大于14mm的红外探测器和激光器。此外，Te掺杂的GaSb可用于制备高光电转化效率的热光伏器件、迭层太阳能电池及微波器件等。

GaSb的制备主要有液封直拉法（LiquidEncapsulationCzochralski,LEC）和氢还原法等改进的直拉法（Czochralski,CZ）、垂直梯度凝固法（VerticalGradientFreeze,VGF）和垂直布里奇曼法（VerticalBrigeman,VB）。LEC法、CZ法中存在GaSb表面出现氧化薄膜问题，为解决这一问题有文献提出了双坩埚法、液封剂法和气体保护法。目前应用最多的生长方法是LEC法，而VB法与VGF法也有部分文献报道研究。

结构特性^[3]

GaSb的密度是5.6137g/cm3，在900K时密度为5.6g/cm3。GaSb的晶体结构属于闪锌矿结构，空间族用国际符号表示为F43m。闪锌矿结构与金刚石结构类似，每个Ga原子与四个Sb原子相连，每个Sb原子也与四个Ga原子相连，原子间存在混合性的离子共价键，GaSb的离子性参数为0.33。

在[100]平面上，Ga原子与Sb原子呈台阶状分布；在平面上，Ga原子与Sb原子的数量相同，但易解理；GaSb晶体的[111]平面，或是全部由Ga原子构成，或是全部由Sb原子构成，这两个面具有完全不同的理化性质。GaSb的带隙覆盖在宽光谱范围内(0.8～4.3μm)的多种三元和四元的Ⅲ-Ⅴ族化合物固溶体（光谱范围0.3eV（InGaAsSb）到1.58eV（AlGaSb））的晶格常数相匹配，使用GaSb作为衬底材料外延生长上述固溶体材料，可有效降低因晶格失配导致的应力、缺陷等问题。

应用^[3]

1.GaInAsSb/GaSb异质结

GaInAsSb/GaSb异质结是一种典型的由GaSb与其他Ⅲ-Ⅴ族化合物固溶体构成的异质结结构，该种异质结可以用来制作光谱范围在2～5μm的光电子器件，该类光电子器件可应用于光纤通信、激光测距、光敏探测等各种工程领域。GaSb基雪崩光电二极管（APD）具有独立的吸收区（GaInAsSb），其禁带宽度为0.52eV。该种APD还具有雪崩倍增区（PN结）。室温下，GaSb基APD的倍增系数高30～50，响应时间小于0.5ns。在倍增系数为10时，GaSb基APD的极限噪声系数只有5分贝。GaSb基APD在制造超低噪声的光电器件方面具有极大的潜力，可应用于光纤通信系统或激光测距系统中。

2.GaSb基热光伏电池

GaSb材料是窄禁带半导体材料，可用于制备吸收红外光（780nm～4000nm）转变为电能的热光伏电池。热光伏电池与普通太阳能电池相比，其优势在于以摆脱普通光伏电池对太阳光的依赖，利用化石燃料、同位素与核能等发出的红外光，即可进行光伏作用。热光伏电池的单位发电功率体积更小，重量更轻，可性更高。美国波音公司开发的由GaAs与GaSb交叠制成的热光伏叠层电池，光电转换效率达到36%，即将赶上燃煤发电的效率。

单晶生长方法^[3]

1.液封直拉法（LEC）

通常从熔体中生长单晶的最常见方法是直拉法（CZ）。但是对于GaSb材料，单晶生长过程中Sb元素更易离解挥发，将导致熔体内Ga：Sb化学计量比失衡，从而产生位错缺陷，甚至畸变为多晶。因此在GaSb单晶生长过程中，经常采用在普通直拉法坩埚中的熔体表面覆盖一层液态覆盖剂的方法，用来封闭GaSb熔体，控制熔体中Sb元素的离解挥发，从而实现GaSb晶体的稳定生长，这就是液封直拉法（LEC）。但是采用LEC法制备GaSb单晶的过程中也存在较多问题，比如单晶炉内空间相对开放，炉体内热对流相对复杂，晶体生长缺陷受拉制工艺影响较大，多晶料中Sb元素更易挥发等。

2.垂直布里奇曼法（VB）

垂直布里奇曼法是将GaSb多晶料装入石英管中密封，石英管周围设置多温区热场，石英管连接可移动装置。首先加热至GaSb熔点，将石英管中多晶料熔化，然后通过上升或下降石英管的办法通过不同温区的热场，使熔体内形成温度梯度，从而导致晶体生长。采用垂直布里奇曼法制备GaSb单晶的优点是晶体生长空间相对密闭，生长状态相对稳定，Sb元素的挥发也可以很好地抑制，可以生长出质量很好的GaSb单晶，适合工艺稳定后的批量生产；但缺点是无法观测晶体生长的实时状态，难以对晶体生长参数进行适时调整，实验结果仅仅依赖实验参数的初始设置，较不利于实验研究。

3.垂直梯度凝固法（VGF）

垂直梯度凝固法类似于垂直布里奇曼法，也是一种可以生长高质量GaSb单晶的方法，但不同于垂直布里奇曼法的是，其石英管和炉体相对静止，通改变石英管周围的多温区热场，产生可导致晶体生长的温度梯度。垂直梯度凝固法相比垂直布里奇曼法的优势在于避免了石英管移动带来的机械震动等问题，可获得更高质量的GaSb单晶。垂直梯度凝固法的缺点也类似于垂直布里奇曼法，无法观测晶体生长的实时状态，难以对晶体生长参数进行适时调整，实验结仅仅依赖实验参数的初始设置，较不利于实验研究。

主要参考资料

[1] 中国冶金百科全书·金属材料

[2] 锑化镓材料表面氧化机理的研究

[3] 锑化镓单晶生长工艺研究