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摘要：日本的研究小组在通过分子束外延（MBE）法形成比较新颖的砷化镓铋（GaAsBi）（Bi系III-V族半导体半金属混晶之一）时，仅通过将半导体衬底的温度分别设为180℃和250℃，便成功地分别制造了非晶层和单晶层。利用卢瑟福背散射法进行测定后阐明，通过精确调节由MBE法形成GaAsBi时的Ga和As的分子剂量比，可以得到均匀结合了Bi原子的非晶GaAsBi和单晶GaAsBi。此外，通过X射线衍射法发现，即使在250℃这样较低的半导体晶体形成温度下，也可以获得原子排列紊乱尽可能少的单晶GaAsBi。通过详细分析本次获得的样品，并利用测定出的晶体形成条件，有望阐明Bi原子在减少低温形成GaAsBi时的晶体缺陷方面发挥的表面活性剂效应，并推动开发活用晶体中存在的少量晶体缺陷的半导体器件。

关键字：半导体、砷化镓铋（GaAsBi）、非晶层、单晶层、低温形成、半导体器件

要点

在形成作为铋（Bi）系III-V族半导体半金属混晶之一的砷化镓铋（GaAsBi）时，仅通过将使用的半导体衬底的温度分别设为180℃和250℃，便成功分别形成非晶层和单晶层。
明确了通过精确调节形成GaAsBi时的Ga和As的分子剂量比，可以得到Bi原子分布均匀的非晶GaAsBi和单晶GaAsBi。
研究发现，即使在250℃这样较低的半导体形成温度下，也可以获得原子排列紊乱尽可能少的单晶GaAsBi，由此，有望阐明Bi原子对于减少低温形成过程中晶体缺陷的作用，并实现活用晶体中存在的少量晶体缺陷的半导体器件。

背景

Bi原子的原子半径大于其他元素，因此当结合至GaAs或InAs等传统半导体晶体中时，会使晶体构成元素的周期排列畸变。研究发现，仅通过结合百分之几的Bi原子，GaAsBi、InAsBi等Bi系III-V族半导体半金属混晶（以下简称“Bi系III-V族半导体”）便可以获得以下三种特殊的物理性质：①禁带宽度急剧变小，②价带上端向高能量偏移，③禁带宽度的温度依赖性降低。

另外可知，Bi原子较大的自旋轨道相互作用会使Bi系III-V族半导体的价带顶端与分裂带之间的能量变大。基于这些基本特性，提出Bi系III-V族半导体的新应用，即将Bi系III-V族半导体应用于半导体器件，例如光通信用半导体激光器、近红外和中红外光探测器、高效太阳能电池和自旋电子器件等，尤其是近10年来在世界得到广泛研究的比较新型的化合物半导体（图1）。

此外，实验表明，除非形成温度在400℃以下，否则Bi原子无法结合到GaAs等基质晶体中，并且随着形成温度的降低，Bi成分（例如GaAs_1-xBi_x的x）增加，禁带小于基质晶体（图1）。考虑到GaAs系III-V族半导体的一般生长温度在600℃左右，因而Bi系III-V族半导体需要较低的形成温度。这意味着Bi系III-V族半导体容易在晶体内形成晶体缺陷。也就是说，虽然Bi系III-V族半导体具有特殊的基础特性，但由于晶体内存在晶体缺陷，难以得到半导体器件所需的高质量晶体，可以说是一种矛盾的半导体。

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图1 Bi系III-V族半导体的特征、薄膜·量子/纳米结构的生长温度、Bi成分的相关概略图。

针对该问题，研究小组转换了想法，尝试利用低温形成时形成的晶体缺陷，而非消除这种缺陷。着眼于太赫兹（THz）波形成检测元件用光导天线作为Bi系III-V族半导体的新应用，致力于使用分子束外延（MBE）法在低温区域内形成GaAsBi（以下简称“晶体生长或生长”）。为了制造具有改进的THz波形成检测特性的光导天线，需要适当控制结合到晶体中的晶体缺陷，使其不至于过度影响晶体质量。

研究成果

通常，半导体晶体在高温下生长，以避免在晶体生长过程中形成晶体缺陷和引入杂质。这是因为在低温生长时，半导体的构成元素难以在生长晶体的最外表面上自由移动，导致晶体缺陷增加。本研究为了获得适合THz波形成检测用光导天线的工作特性的GaAsBi，专门进行低温下生长，并尝试MBE生长以将晶体缺陷适当地结合到晶体中。在将GaAsBi的MBE生长时使用的GaAs衬底温度设为180℃时，将使GaAsBi生长时照射的Ga、As、Bi分子束中的Ga和As的分子剂量比换算为Ga和As的原子数比。

当原子数比（N_As/N_Ga）小于1时，Bi在样品表面偏析，生长均匀生长GaAsBi，在样品表面形成了Ga液滴（图2左）。另一方面，通过卢瑟福背散射法的测量发现，当N_As/N_Ga大于1时，在GaAs衬底的温度为180℃时，堆积形成Bi结合均匀的非晶GaAsBi（图2右），而当基板温度为250℃时，尽管是低温生长，仍会生长单晶GaAsBi。

与传统GaAs系半导体MBE生长的基本原理相同，即使在低温生长时，仍需要将生长表面上的Ga和As的原子数之比保持为1:1，重要的是在该比率范围内选择Bi原子均匀结合到GaAs晶体内的MBE生长条件。另外，该研究成果表明，通过适当地设定N_As/N_Ga，仅改变衬底温度就能够分别形成非晶层和单晶层。此外，根据样品的X射线衍射曲线的干涉条纹可以判断，即使在250℃这样较低的半导体晶体生长温度下，也能得到原子排列紊乱尽可能少的单晶GaAsBi。

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图2 此次生长的样品表面的扫描电子显微镜图像。

MBE生长过程中Ga和As的原子数比(N_As/N_Ga)小于1（左）和大于1（右）的情况。

未来展望

研究小组已经开始利用本次获得的低温生长GaAsBi样品和MBE生长条件，进行阐明晶体内点缺陷的密度和原子排列的研究。今后，有望阐明Bi原子在低温生长过程中发挥的作用，以及晶体中的缺陷和原子分布如何影响GaAsBi的功能表现。此外，将使用低温生长的GaAsBi制造光导天线，阐明THz波的形成检测特性，由此开发利用Bi系III-V族半导体晶体缺陷的半导体器件应用。

探索新型化合物半导体的低温形成