半导体固溶体是由两种或两种以上同一类型的半导体材料组成的合金。化合物固溶体的组成元素有3种或3种以上,可看作是两种或两种以上同族化合物通过互溶方式形成的连续固溶体。例如ALxGa1-x可看作是GaN和AlN的连续固溶体,脚标x表示AlN的摩尔比率;而ALxGayIn1-x-yN则是AlN、GaN、InN3种化合物组成的固溶体,脚标x和y即表示这3种化合物组分的摩尔比率。
固溶体的基本特征是物理性质会连续地随组份比的变化而变化。首先,其晶格常数a服从Vegard定律,即对由A、B两种材料互溶而成的固溶体,晶格常数
aAB=xaA+（1-x）aB
式中aA、aB——材料A和B的晶格常数。对由A、B、C三种材料互溶而成的固溶体AxByC1-x-y, Vegard定律变为
aABC=xaA+yaB+（1-x-y）aC
半导体材料通常有多个导带能谷,每个能谷与价带顶之间的距离都是一个能隙,最小能隙为其禁带宽度。固溶体中由某个能谷决定的能隙与其组元对应能隙之间的函数关系大体上类似于Vegard定律,即对固溶体AxB1-x和AxByC1-x-y，某能隙Eg,AB和Eg,ABC可分别用其组元的对应能隙Eg,A、Eg,B和Eg,C分别表示为
Eg,AB=xEg,A+(1-x)Eg,B
Eg,ABC=xEg,A+yEg,B+(1-x-y)Eg,C
不过,这种线性关系往往并不精确。大多数固溶体的主要能谷至价带顶的距离都是其组分比的非线性函数。譬如,对常见的二元系固溶体和由两种化合物构成的三元系固溶体,由其T能谷决定的直接能隙Eg一般可用组分比x表示为：
Eg=a+bx +cx2
式中,a、b、c皆为常数。当然,线性模型也可看成是该非线性模型的特例。由于固溶体能带结构的这种组分依赖性,通过对其组份的控制,就可以实现对材料能带结构的“剪裁”。这对优化器件特性起着十分重要的作用。
(2)Ⅲ-Ⅲ-N固溶体
AlN、GaN和InN无限互溶形成的三元固溶体AlGaN、InGan和 AlInN,或四元固溶体 AlGAlnN,统称Ⅲ-Ⅲ-N固溶体或 AlGAlnN系固溶体。这些材料的热力学稳定相都是纤锌矿结构,其晶格常数a和c皆可按Vegard定律由各互溶材料的晶格常数和相应的组分比求出。
Ⅲ-Ⅲ-N固溶体的大多数材料参数都可像晶格常数一样按 Vegard定律的形式来近似表示,即视为组分比的线性函数,但禁带宽度除外。对用任意两种Ⅲ-N化合物AN和BN互溶而成三元固溶体AxB1-xN,其禁带宽度Eg,AB通常用两种互溶材料的禁带宽度Eg,A、Eg,B以及组分比x表示为
Eg,AB=xEg,A+(1-x)Eg,B-(1-x)xbAB (1)
式中,bAB通常称为禁带弯曲系数,反映实际禁带宽度相对于线性插值的偏离。bAB可正可负,实际禁带宽度小于线性插值时为正,大于线性插值时为负。Ⅲ-Ⅲ-N固溶体的bAB皆为正数,且皆接近1eV。不过,由于固溶体的禁带宽度还与互溶材料晶格失配产生的应变有关,组分相同的固溶体样品会因为制备条件和厚度的不同而有不同的应变,因而有不同的禁带宽度。AlGalnN四元固溶体还可以借助于对In和Al组分比的改变对应变和禁带宽度进行独立控制。这种方法称为应变能带工程。与三元系固溶体材料相比, AlGalnN四元固溶体的性能有明显改善。Ⅲ-Ⅲ-N固溶体的典型n型杂质是Si,最适合的p型杂质是Mg。但是,如果薄膜中形成了Mg-H络合物,薄膜会变成n型。用低能电子辐照或热退火破坏Mg与H的络合,使Mg活化,可使薄膜变回p型。但是,由于Mg受主的电离能偏高(-0.2eV),室温下电离率较低,即使Mg的浓度接近其最大固溶度,p型薄膜的空穴密度仍然相对偏低。
(3)Ⅲ-V-N固溶体
任意一种Ⅲ-N化合物与其Ⅲ族元素的磷化物或砷化物互溶而成的三元固溶体,例如 GaAsN、InAsN、ALAsN、GaPN、InPN、AlPN;或者任意一种Ⅲ-N化合物与其他某种Ⅲ-V族化合物互溶而成的四元固溶体,例如 GaAlAsN和 GalnAsN等,构成了另一类有特色的宽禁带半导体,这就是Ⅲ-V-N固溶体。由于这里用到的几种磷化物和砷化物皆为闪锌矿结构,其晶格常数都比Si的晶格常数0.543nm大,而Ⅲ-N化合物,无论是闪锌矿结构的晶格常数还是纤锌矿结构的晶格常数a都比Si的晶格常数小,因此有希望从这个系列的固溶体中得到非常适合于Si衬底宽禁带半导体材料,使宽禁带器件能够更多地借助于成熟的硅工艺。
Ⅲ-V-N固溶体禁带宽度随组分比x的变化也同样可用式(1)来表示,但其禁带弯曲系数bAB比Ⅲ-Ⅲ-N固溶体的大得多,比如 GaAsN的bAB大约在20eV左右。bAB大,说明材料固溶体的禁带宽度对组分比很敏感,只要在GaN中溶入少量GaAs或GaP就能有效调节其禁带宽度。实际上,GaN与GaAs和GaP的晶格常数相差较大,不能无限互溶,也难以得到组分比变化范围较大的三元或四元固溶体。譬如,用激光辅助的 MOCVD法制备GaN1-xPx,在900~950℃最佳温度范围,x最大也只能达到10%左右。如果不用激光辅助,用常规MOCVD制备的GaN1-xPx固溶体的P组分会更小。用MBE法比用常规 MOCVD法制备Ⅲ-V-N固溶体的P或As组分还要小得多，一般不超过3%。