第1章 緒論
1.1 歷史和動態
自1998年以來，電子工業已經超過汽車工業，成為世界上規模最大的工業。而半導體工業正是支撐電子工業的基礎。從1874年Braun發現金屬—半導體接觸的電流傳導非對稱性，到晶體管作為20世紀最重要的發明之一而取代真空電子管，半導體器件電子學這一學科（Semiconductor Devices Electronics）逐漸形成，并日益發揮其重要作用。
今天的信息技術主要依賴于低成本、高速度、高壓縮和高可靠的信息電子化。隨著半導體技術的不斷發展，以微電子工業為主體的各種高新技術產品的功能日臻完善，應用領域越來越廣。半導體分立器件及集成電路已經覆蓋了諸如微波、功率、光電等應用領域，并逐步成為主流。隨著這些應用領域的不斷拓展，以硅材料為主的元素半導體不再一枝獨秀，化合物半導體技術逐漸成為人們關注的焦點。這與化合物半導體材料的性質密切相關。
在微波應用領域，隨著信號頻段的不斷增高，要求半導體具有更高的載流子漂移速度，而硅的電子飽和漂移速度遠遠不能滿足這一要求，具有更高載流子飽和漂移速度的化合物半導體材料，如GaN、SiC、GaAs等（圖1.1）隨之應運而生。在過去的幾十年中，固態微波領域出現的最令人鼓舞的器件是采用Ⅲ-Ⅴ族化合物制成的微波場效應晶體管[2]。這種器件的工作頻率遠遠超過40GHz。目前，低噪聲放大器、混頻器、振蕩器、功率放大器、開關和乘法器均已完全采用化合物半導體器
件。也正是由于化合物器件的靈活、可靠，才促使許多微波系統的性能達到目前的水平。在此基礎上研制的高電子遷移率晶體管（HEMT），利用二維電子氣的高速性能使微波器件的頻段得到進一步的提高[3]。圖1.2顯示了化合物半導體器件在微波應用領域的優勢[4]。繼GaAs等第二代半導體之后，以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體更是在微波功率領域表現出極大的潛力。圖中同時給出了這類器件目前的狀況。
半導體光電子技術主要包含發光技術、光敏感技術和太陽能電池技術三個方面。由于材料本身的限制，硅在發光器件、紫外和紅外探測器件、光調制器等方面的應用都很有限。而化合物半導體則為這些器件的研制提供了更大的選擇余地。20世紀60年代，GaAs技術在半導體激光器和發光二極管方面得到應用，器件性能迅速提高。70年代初期制成了第一塊效率接近20%的太陽能電池[5]。GaAs太陽能電池的最高效率始終比硅太陽能電池的最高效率高3%～10%。以GaAs和InP材料為主制成的光電子單片集成電路（OEIC），包括光電子邏輯、光開關和光電信號存儲等多種全新功能，具有強大的信號處理能力，應用于光通信和光計算機領域可以達到很高的響應速度。圖1.3顯示了半導體發光二極管在20世紀發展歷程的一個大致記錄。
20世紀60年代末，半導體異質結，特別是量子阱和超晶格在半導體器件結構中的應用取得很大進展[6、7]。隨后，幾乎所有半導體器件的新進展都與異質結相關，如負阻場效應晶體管[8]，共振隧穿場效應晶體管[9]等。異質結器件的性能主要取決于界面的晶格匹配程度和能帶斷續的控制。在這方面，化合物半導體有著天然的優勢。由于其種類繁多，而且很多固溶體（或稱混晶）的禁帶寬度可以在很大范圍內調節，因此化合物半導體能滿足不同器件對各種禁帶寬度的要求。
化合物半導體器件的工藝進展也經歷了幾次重大的發展。早在半導體器件研究初期，化合物半導體器件就進入人們的視野。但是當時的材料生長與工藝技術很不完善，無法滿足器件制造的需要。在化合物半導體材料的制備中，不同元素組分比的控制就存在很大問題，這給材料的提純和單晶制備帶來很多困難。此外，采用不同化合物半導體材料的器件之間的工藝兼容性較差，且化合物半導體表面處理比較復雜。這些都是在半導體器件和電路發展過程中需要解決的問題。
化合物半導體材料制備技術直至20世紀70年代才取得突破性的進展。隨著液相外延（LPE）、氣相外延（VPE）、金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）等先進的材料生長方法相繼涌現，化合物半導體器件的材料生長日趨完善，器件性能也突飛猛進地提高。分子束外延是其中的佼佼者，利用該技術生長的材料不僅界面完整，而且材料的組分、摻雜、各層厚度都能在原子量級的范圍內精確控制。