近年來，銻化物紅外技術(shù)發(fā)展迅速，成為半導(dǎo)體技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。銻化鎵（GaSb）作為典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，憑借其優(yōu)異的性能成為銻化物紅外光電器件的關(guān)鍵襯底材料。隨著銻化物紅外技術(shù)逐步成熟和應(yīng)用，對GaSb單晶片的需求日益劇增的同時也提出更高的要求。GaSb單晶片質(zhì)量直接影響著外延材料和器件性能，這就要求其具有大尺寸、更低的缺陷密度、更好的表面質(zhì)量和一致性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、光電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院大學(xué)和中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《人工晶體學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“GaSb單晶研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為劉京明。

本文介紹了GaSb晶體材料的性質(zhì)和生長制備方法，梳理了國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的發(fā)展和研究進(jìn)展，概述了GaSb在器件領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并對其發(fā)展前景和趨勢進(jìn)行了展望。

GaSb材料性質(zhì)

GaSb與InP、GaAs類似是典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，同為立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)。GaSb晶體屬于直接帶隙，0 K下禁帶寬度為0.822 eV，300 K下禁帶寬度為0.725 eV，熔點(diǎn)為985 K。表1列出了GaSb晶體材料的基本參數(shù)。GaSb晶格常數(shù)6.0959 ?，與InAs、AlSb、InSb同屬6.1 ?材料體系，且與GaInSb、InAsSb、InGaAsSb、AlGaAsSb等三元、四元化合物晶格匹配（見圖1），是生長制備高質(zhì)量銻化物外延材料的理想襯底。由于本征受主缺陷VGaGaSb的影響，非摻GaSb單晶導(dǎo)電類型表現(xiàn)為p型，受主缺陷濃度約為101? cm?3?？赏ㄟ^晶體生長過程摻入施主或者受主雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)電類型單晶制備，n型GaSb單晶一般可通過摻雜Te、Se或者S等施主雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)，p型單晶可通過摻雜Zn、Ge和Si等受主雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)。

圖1 不同化合物半導(dǎo)體晶格常數(shù)及禁帶寬度

表1 GaSb晶體材料基本參數(shù)

GaSb單晶生長方法

鑒于GaSb材料獨(dú)特的光電性能及其在紅外技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，自上世紀(jì)五十年代就受到西方國家關(guān)注并開展了GaSb材料研究。歐美等發(fā)達(dá)國家對GaSb 晶體的制備技術(shù)開展了大量研究，開展的晶體生長實(shí)驗(yàn)方法包括液封直拉法（LEC）、垂直溫度梯度凝固法（VGF）、垂直布里奇曼法（VB）、水平布里奇曼法（HB）等，甚至開展了附加磁場及太空微重力環(huán)境下的GaSb晶體生長實(shí)驗(yàn)。通過上述研究，使得GaSb單晶生長制備技術(shù)和材料質(zhì)量得到了極大提升。目前生長GaSb單晶主要是通過LEC法和VGF/VB法，圖2中分別展示了LEC法和VGF法生長原理圖。

LEC法是對直拉法（CZ）的改進(jìn)，通過在生長過程中通過采用覆蓋劑（一般為B?O?或KCl+NaCl材料），覆蓋劑一方面可以起到保溫作用，可降低生長過程中的溫度梯度；另一方面可以抑制熔體Sb的離解揮發(fā)，保障熔體的化學(xué)配比。LEC法的優(yōu)點(diǎn)是生長過程中可以采用雙坩堝結(jié)構(gòu)進(jìn)行GaSb多晶的原位合成和單晶生長，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸單晶生長，周期短、效率高，是目前批量生產(chǎn)制備GaSb單晶的主流技術(shù)。VGF法和VB法類似，區(qū)別在于VGF法加熱器和坩堝位置相對固定，通過控制熱場降溫實(shí)現(xiàn)熔體凝固結(jié)晶，而VB法是通過坩堝和加熱器的相對移動實(shí)現(xiàn)凝固結(jié)晶。

VGF/VB法能夠?qū)崿F(xiàn)晶體的自動控制生長，生長熱場溫度梯度低，材料位錯密度較低，缺點(diǎn)是生長周期長，效率較低，是目前生產(chǎn)低位錯InP、GaAs等單晶材料的主要技術(shù)途徑。近年來，一些研究機(jī)構(gòu)研究將該技術(shù)用于GaSb單晶生長，以期進(jìn)一步降低材料位錯缺陷密度，目前該技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未實(shí)現(xiàn)GaSb單晶批量生產(chǎn)應(yīng)用。

圖2 LEC（a）和VGF（b）法晶體生長原理圖

GaSb單晶生長進(jìn)展

國外進(jìn)展

GaSb材料最早的報(bào)道來自1954年，Leifer等采用直拉法生長出GaSb單晶樣品并進(jìn)行了材料性能研究。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握了GaSb晶體材料的生長和加工技術(shù)。目前國際上GaSb材料的供應(yīng)商主要是IQE集團(tuán)和5N Plus集團(tuán)。

Wafer Technology公司成立于1957年，位于英國米爾頓·凱恩斯，是全球Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體主要供應(yīng)商，掌握多晶水平合成和單晶的LEC、VGF生長技術(shù)，產(chǎn)品涵蓋GaAs、GaSb、InP、InSb、InAs等單晶片。Galaxy compound semiconductors 公司坐落于美國華盛頓州斯波坎市，主要開展GaSb和InSb單晶材料研制、生產(chǎn)和銷售，是銻化物單晶材料重要供應(yīng)商。這兩家公司均采用LEC法開展GaSb單晶生長，目前均可提供2~4英寸商用GaSb單晶片，表2列出了其GaSb單晶主要參數(shù)。英國Wafer Technology公司生長的GaSb單晶尺寸最大達(dá)到7英寸，并制備出6英寸單晶片，平均位錯密度3200 cm?2，是目前國際上報(bào)道的最高水平。圖3為英Wafer Technology公司采用LEC法生長的2、4、5、7英寸GaSb單晶照片。

圖3 Wafer Technology公司的2、4、5、7英寸GaSb單晶

表2 IQE集團(tuán)GaSb單晶參數(shù)

5N Plus集團(tuán)總部位于加大拿魁北克省蒙特利爾，其在高純元素生產(chǎn)、金屬合成提純、CZ法晶體生長等方面設(shè)備完備、技術(shù)成熟，在半導(dǎo)體領(lǐng)域產(chǎn)品涉及CdTe、CZT、ZnTe、Ge、InSb和GaSb等材料，是銻化物半導(dǎo)體材料的領(lǐng)先制造商。5N Plus集團(tuán)依托其在Ge單晶和InSb單晶方面的技術(shù)基礎(chǔ)自2014年起開始進(jìn)行GaSb單晶制備技術(shù)開發(fā)并快速取得了很大進(jìn)展，通過在晶體生長過程中控制熔體配比和生長環(huán)境氣氛其采用無液封劑的直拉技術(shù)已生長出最大單晶尺寸達(dá)到6英寸的GaSb單晶。其生長的Te摻雜n型GaSb單晶載流子濃度約為101? cm?3。圖4為5N Plus集團(tuán)報(bào)道的GaSb單晶技術(shù)研究進(jìn)展。

圖4 5N Plus集團(tuán)GaSb單晶技術(shù)研究進(jìn)展

國內(nèi)進(jìn)展

我國開展GaSb材料研究起步較晚，自上世紀(jì)八十年代起中國科學(xué)院長春物理研究所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國科學(xué)院上海冶金研究所、北京有色金屬研究總院、峨眉半導(dǎo)體材料研究所等單位陸續(xù)開展HB法、LEC法GaSb單晶生長技術(shù)研究，制備出摻鋅p型和摻碲n型單晶樣品，受限于當(dāng)時GaSb應(yīng)用需求限制，進(jìn)展緩慢。本世紀(jì)初隨著國內(nèi)外超晶格紅外焦平面紅外探測技術(shù)的突破，帶動了國內(nèi)GaSb單晶的應(yīng)用需求，我國GaSb單晶制備技術(shù)研究進(jìn)入工程實(shí)用化階段，極大推進(jìn)了我國GaSb晶體材料的技術(shù)進(jìn)步，為相關(guān)器件的科研生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。目前開展GaSb單晶制備技術(shù)研究的單位主要是中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所、武漢高芯科技有限公司等。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所是我國最早開展GaAs、InP、GaSb等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體單晶材料研究的單位之一，從上世紀(jì)九十年代開始進(jìn)行GaSb材料研究，經(jīng)過近三十年的發(fā)展，在單晶爐熱場設(shè)計(jì)、單晶生長、晶片表面制備、材料缺陷等方面開展了大量工作，突破了從單晶生長到晶片加工等關(guān)鍵技術(shù)，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所是國內(nèi)GaSb材料的主要供應(yīng)商，實(shí)現(xiàn)了2~4英寸n型和p型GaSb單晶片的批量生產(chǎn)應(yīng)用，單晶性能與國外水平相當(dāng)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所實(shí)驗(yàn)室最大GaSb單晶尺寸達(dá)到7英寸，目前正在開展6英寸晶片加工技術(shù)開發(fā)，圖5為中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所采用LEC法生長的2~7英寸GaSb單晶。近年來，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所與珠海鼎泰芯源晶體有限公司合作開展了GaSb產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究并實(shí)現(xiàn)了技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，目前珠海鼎泰芯源晶體有限公司已建成GaSb單晶片生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)2～4英寸GaSb單晶片的批量生產(chǎn)，年產(chǎn)能約3萬片。

圖5 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生長的2、3、5、7英寸GaSb單晶

近年來，中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所和武漢高芯科技有限公司開展了VB法生長GaSb單晶的技術(shù)開發(fā)。中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究練小正等2016年報(bào)道了其采用VB法生長GaSb晶體的研究，在等徑溫度梯度5~10 ℃/cm，生長速率為1 mm/h的條件下生長出非摻雜直徑51 mm、等徑長度為80 mm的單晶，單晶位錯密度≤500 /cm2，F(xiàn)WHM為27 arcsec。武漢高芯科技有限公司Yan等2023年報(bào)道了利用溫度動態(tài)補(bǔ)償改進(jìn)的VB法（TTDC-VB）生長出Te摻雜n型直徑為53 mm、等徑長度為85 mm的低位錯單晶（見圖6），單晶位錯密度僅為5-72/cm2，F(xiàn)WHM為15 arcsec。

圖6 武漢高芯科技有限公司2英寸GaSb單晶和拋光片

GaSb晶片表面研究進(jìn)展

半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)主要是通過拋光、清洗等加工工藝實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量表面的制備。GaSb材料具有較高的化學(xué)活性，易氧化，對表面制備工藝要求較高，較于GaAs、InP等材料具有更高的加工難度。隨著器件外延工藝發(fā)展，對單晶片表面性能要求越來越苛刻，高質(zhì)量表面制備成為GaSb單晶片研制的關(guān)鍵。為滿足外延材料生長需求，要求單晶片表面要具備較低的粗糙度、較低的表面殘留雜質(zhì)和缺陷和較低的表面氧化層厚度等。為提升GaSb晶片表面質(zhì)量，研究人員在化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、離子束刻蝕（GCIB）、濕法鈍化等方面開展了廣泛研究。

邊子夫等研究了不同拋光液和配比條件下對GaSb晶片表面粗糙度的影響，在采用硅溶膠為磨料、NaClO為氧化劑通過CPM拋光和在合適清洗工藝條件下得到了粗糙度達(dá)到0.257 nm的表面。Yan等通過實(shí)驗(yàn)分析了不同拋光墊、拋光液濃度、拋光時間和pH值等條件對晶片表面形貌和粗糙度的影響，其采用35%的硅溶膠為磨料、二氯異氰尿酸鈉為氧化劑，通過優(yōu)化拋光時間、壓力、溫度等工藝條件得到了粗糙度為0.13 nm、無劃痕的光滑表面。Furlong等表征分析了通過CMP和腐蝕清洗工藝的GaSb晶片表面質(zhì)量，其4英寸和6英寸晶片表面粗糙度分別達(dá)到小于0和0.4 nm，TTV分別為2.683（4英寸）和9.03 μm（6英寸），表面氧化層厚度為2.5 nm。楊俊等采用CMP和清洗工藝制備得到4英寸GaSb晶片，測得表面粗糙度為0.32 nm、氧化層厚度小于3 nm。程雨等分析了通過CMP 和清洗后的GaSb晶片表面的殘留雜質(zhì)，結(jié)果表明殘留雜質(zhì)主要為殘留金屬雜質(zhì)和氧化物離子，金屬雜質(zhì)主要有Na?、Mg?、Ca?、K?，氧化物離子有SbO?、SbO?、GaO?、GaSO等。Liu等研究了化學(xué)腐蝕清洗對GaSb表面性能的影響，其采用鹽酸和異丙醇對晶片表面進(jìn)行腐蝕清洗能夠?qū)⒈砻嫜趸瘜雍穸扔?-5 nm降至1.3-2 nm，表面粗糙度由1.4 nm 降至0.6 nm。

GaSb材料化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣與水中都會反應(yīng)形成Ga、Sb的氧化物和單質(zhì)Sb，這些氧化物和懸掛鍵會導(dǎo)致界面存在非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致界面漏電流的產(chǎn)生，影響器件性能。為去除表面氧化物、抑制表面態(tài)引起的非輻射復(fù)合中心，提升GaSb晶片表面性能，研究人員開展了GaSb表面硫鈍化和離子束刻蝕方面工藝研究。Liu等報(bào)道了其采用含Na?S和苯的有機(jī)試劑對GaSb表面進(jìn)行鈍化并與水基鈍化試劑結(jié)果進(jìn)行了比較。采用水基Na?S試劑和無水Na?S試劑處理過的GaSb表面Sb和Ga的化學(xué)計(jì)量比分別1.51和0.56，采用無水的Na?S試劑鈍化能夠有效去除氧化物和單質(zhì)銻。Robinson等研究了采用(NH?)?S試劑在不同濃度和時間條件下的鈍化效果，發(fā)現(xiàn)采用濃度為21%的(NH?)?S進(jìn)行5分鐘的鈍化處理氧化物去除效果較好，并在GaSb表面形成了厚度約為14 nm的硫化物層。

Wang等及Lebedev等研究了采用(NH?)?S和Na?S試劑進(jìn)行鈍化處理的效果，表明采用(NH?)?S試劑效果更有因?yàn)镹a?S試劑腐蝕速率高使得晶片表面更加粗糙。安寧等采用S?Cl?試劑對GaSb表面進(jìn)行了鈍化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與(NH?)?S溶液處理過的樣品進(jìn)行了，表明經(jīng)過S?Cl?溶液鈍化后的樣品整體發(fā)光強(qiáng)度是其1.5倍，但發(fā)光均勻性及表面平整度遠(yuǎn)不如(NH?)?S溶液處理過的樣品。Murape等采用([(NH?)?S/(NH?)?SO?]+S)試劑在60℃經(jīng)過15分鐘處理可以完全去除表面氧化層，其制備的肖特基二極管反向漏電流較未鈍化處理樣品降低了一個數(shù)量級。氣體團(tuán)簇離子束技術(shù)通過團(tuán)簇離子對表面進(jìn)行轟擊刻蝕用于半導(dǎo)體表面納米加工，可降低表面粗糙度。Allen和Krishnaswami等將GCIB技術(shù)用于GaSb表面制備，分別采用O?、CF?/O?、HBr和Br離子束對GaSb表面進(jìn)行刻蝕，研究表明采用CF?/O?離子束在劑量4×101? ions/cm2下分別通過在速電壓10 keV和3 keV兩步刻蝕可以將表面粗糙度從0.35 nm將至0.23 nm，通過MBE外延生長驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)通過GCIB處理襯底與外延界面缺陷明顯降低。

硫鈍化和離子束刻蝕工藝雖然可以在一定程度上改善表面性能，但是由于其實(shí)用性和成本劣勢難以用于批量生產(chǎn)，化學(xué)機(jī)械拋光和清洗依然是目前GaSb晶片加工生產(chǎn)的主流工藝。提高單晶片表面質(zhì)量，提高成品率是GaSb單晶片生產(chǎn)面臨的主要問題，因此還需要通過改善拋光和清洗工藝，實(shí)現(xiàn)表面氧化控制，降低表面缺陷，提高單晶晶片表面的均勻性和一致性。

GaSb材料應(yīng)用

GaSb材料由于其良好的性能在紅外光電領(lǐng)域表現(xiàn)出重要應(yīng)用前景，銻化物光電器件正逐步走向市場化應(yīng)用，成為當(dāng)前發(fā)展熱點(diǎn)。GaSb單晶片作為各類功能器件的襯底材料，其主流應(yīng)用主要呈現(xiàn)在三個方面，分別為紅外探測器、紅外激光器和熱光伏電池。

紅外探測器

紅外探測技術(shù)在氣象監(jiān)測、資源勘探、醫(yī)療診斷、農(nóng)業(yè)、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。目前高性能半導(dǎo)體紅外探測技術(shù)主要有碲鎘汞（MCT）、銻化銦（InSb）、量子阱和銻化物超晶格探測器。其中銻化銦的響應(yīng)波長無法調(diào)節(jié)，一般只用于中波紅外探測。量子阱紅外探測器（QWIP）基于GaAs/AlGaAs材料體系，材料生長和器件工藝都較為成熟。同時采用的GaAs襯底可實(shí)現(xiàn)大尺寸制備，具有均勻性好、成本低的優(yōu)勢，但是量子阱紅外探測器極低的量子效率和工作溫度限制了其性能的提升。MCT是目前發(fā)展最成熟和應(yīng)用最廣泛的紅外探測技術(shù)，MCT生長在晶格匹配的碲鋅鎘（CZT）襯底上，可以實(shí)現(xiàn)1～15 μm連續(xù)截止波長覆蓋，同時具備高量子效率和低暗電流。但是構(gòu)成MCT材料的離子鍵較弱，材料生長過程中缺陷的產(chǎn)生使得材料的均勻性較差，從而影響器件的長期穩(wěn)定性。此外受到襯底和外延尺寸限制，大面陣應(yīng)用受到限制，成本較高。

銻化物超晶格探測器采用基于GaSb襯底的InAs/GaSb、InAs/InAsSb Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu)材料，可以充分利用其晶格匹配的條件，靈活設(shè)計(jì)能帶結(jié)構(gòu)，材料的響應(yīng)截止波長可在3～30 μm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，與MCT相比具有相近的量子效率、高相應(yīng)率、高電子有效質(zhì)量、低俄歇復(fù)合概率等優(yōu)點(diǎn)。銻化物Ⅱ類超晶格基于成熟的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料生長技術(shù)及器件工藝，具有更好的材料均勻性和成本優(yōu)勢，使得其滿足大面陣、雙色或多色集成等紅外探測器的要求。雖然目前及今后較長時間內(nèi)MCT技術(shù)仍然是主流，但是銻化物Ⅱ類超晶格技術(shù)憑借其整體性能和成本優(yōu)勢，在紅外應(yīng)用領(lǐng)域逐步替代MCT技術(shù)的趨勢越來越清晰。歐美等西方國家自上世紀(jì)80年代起就開展了銻化物超晶格材料及器件的研究，經(jīng)過長期的積累和發(fā)展已逐步實(shí)現(xiàn)從襯底到器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。我國從2007年開始中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所率先在國內(nèi)開始超晶格探測器的研究，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、昆明物理研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)等國內(nèi)多個研究機(jī)構(gòu)也逐漸開展銻化物材料的研究工。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國在銻化物超晶格紅外探測技術(shù)從襯底、外延到器件等方面取得了快速發(fā)展，近年來正逐步由實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，未來發(fā)展前景十分廣闊。

紅外激光器

銻化物紅外激光器一般通過MBE技術(shù)在GaSb襯底上生長GaSb、AlSb、InAs及由此衍生的三元、四元化合物材料制備，在中紅外波段具有獨(dú)特優(yōu)勢，可為紅外激光對抗、生物顯微成像、醫(yī)學(xué)照明、激光泵浦、氣體檢測等提供優(yōu)質(zhì)光源。GaSb基激光器與InP基和GaAs基等其他中紅外激光器相比，具有波長覆蓋范圍廣和容易實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧的優(yōu)勢，通過精細(xì)的能帶工程設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)2~4 μm波段的完整覆蓋。銻化物半導(dǎo)體激光器主要分為I型量子阱激光器、I 型量子阱級聯(lián)激光器以及II型的帶間級聯(lián)激光器，其能帶結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中I型量子阱激光器以及I型量子阱級聯(lián)激光器的主要優(yōu)勢波段在1.8~3.5 μm波段，其具有瓦級的室溫連續(xù)輸出功率，其中在2 μm附近已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近2 W的大功率輸出，而在3 μm附近已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近1 W的大功率輸出。II類帶間級聯(lián)激光器，目前已經(jīng)成為覆蓋3~4 μm波段的主要手段，其可以實(shí)現(xiàn)3.5 μm及以上592 mW的大功率輸出。

圖7 GaSb基激光器能帶結(jié)構(gòu)圖（a）Ⅰ型量子阱激光器；（b）Ⅰ型量子阱級聯(lián)激光器；（c）Ⅱ型量子阱帶間級聯(lián)激光器

熱光伏電池

熱光伏（TPV）技術(shù)是將熱源發(fā)出的紅外輻射通過半導(dǎo)體p-n結(jié)（熱光伏電池）直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，熱光伏系統(tǒng)通常包括熱源、熱輻射器、光學(xué)濾波器、熱光伏電池、熱回收器及輔助組件等，熱光伏電池是系統(tǒng)的核心組件。GaSb禁帶寬度0.72 eV，溫度相應(yīng)范圍（1000 K～1500 K）與輻射器發(fā)出的波長能量范圍接近，是理想的熱光伏電池材料。一般通過在n型GaSb表面通過Zn擴(kuò)散摻雜制備同質(zhì)結(jié)GaSb電池，這種方法制備GaSb電池具有效率高、工藝簡單、成本低的優(yōu)勢成為主流，并應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)。Fraas等采用GaSb和GaAs制備的疊層電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到35%。在GaSb襯底上通過LPE、MBE或MOCVD外延晶格匹配的InGaAsSb電池材料，其禁帶寬度在0.5～0.6 eV，可以拓寬電池光譜相應(yīng)范圍，能夠更多了利用輻射器產(chǎn)生的輻射光譜，與溫度較低熱輻射光譜匹配，增加輸出的電功率。與GaSb電池類似，InGaAsSb電池也可以通過在p型層通過濃度梯度建立內(nèi)建電場，降低暗電流，提高開路電壓。圖7展示了熱光伏電池的應(yīng)用，如基于熱光伏技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)可以為住宅供暖的同時提供電能，提高能源利用率；基于放射性同位素?zé)嵩椿蚍磻?yīng)堆熱源的熱光伏發(fā)電系統(tǒng)為可以為深海、深空探測提供電源。此外，熱光伏電池技術(shù)在太陽能熱光伏、工業(yè)余熱回收利用、熱儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

圖8 熱光伏電池應(yīng)用

總結(jié)和展望

GaSb單晶是制備銻化物紅外探測器、激光器和熱光伏電池等器件的關(guān)鍵襯底材料，隨著銻化物紅外光電技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是銻化物Ⅱ類超晶格紅外焦平面探測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，極大的帶動了GaSb材料的發(fā)展。銻化物紅外焦平面技術(shù)正向大面陣、多色、高性能方向發(fā)展，為滿足需求、降低成本，要求GaSb單晶也會向更大尺寸、高質(zhì)量方向發(fā)展。西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)2~4英寸GaSb晶片的產(chǎn)品化，并正在開展6英寸及以上更大尺寸、更高質(zhì)量的GaSb晶片技術(shù)研發(fā)。國內(nèi)GaSb單晶技術(shù)也發(fā)展迅速，2~4英寸GaSb單晶片也實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)應(yīng)用，6英寸單晶片加工技術(shù)也在研發(fā)中。與國外水平相比，國內(nèi)GaSb晶體質(zhì)量達(dá)到了國際同等水平，但是在晶片表面質(zhì)量和穩(wěn)定性方面還需進(jìn)一步提升。在紅外技術(shù)應(yīng)用需求帶動下，近年來越來越多的科技企業(yè)和機(jī)構(gòu)進(jìn)入紅外領(lǐng)域并開展銻化物材料和器件研發(fā)和生產(chǎn)，整個行業(yè)的蓬勃發(fā)展進(jìn)一步刺激了對GaSb材料的需求，大尺寸、高質(zhì)量的GaSb單晶材料的未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景廣闊。

審核編輯：劉清