化合物半導體材料

多數化合物半導體都含有一個或一個以上揮發(fā)性組元，在熔點時揮發(fā)性組元會從熔體中全部分解出來。因此化合物半導體材料的合成、提純和單晶制備技術比較復雜和困難。維持熔體的化學計量比，是化合物半導體材料制備的一個重要條件 。

通常采用水平布里奇曼法(HB)、液封直拉法(LEC)、高壓液封直拉法(HPLEC)、垂直梯度凝固法(VGF)制備化合物半導體單晶，用液相處延(LPE)、氣相處延(VPE)、分子束外延(MBE)、金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)等制備它們的薄膜和超薄層微結構化合物材料。

由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結構等半導體性質的稱為化合物半導體材料 。

化合物半導體材料種類繁多，性質各異，如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體及其固溶體材料，Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體(SiC)和氧化物半導體(Cu2O)等。它們中有寬禁帶材料，也有高電子遷移率材料；有直接帶隙材料，也有間接帶隙材料。因此化合物半導體材料比起元素半導體來，有更廣泛的用途。

化合物半導體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例，通過比較可得：

1.化合物半導體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度，因此，可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度。

2.肖特基勢壘特性優(yōu)越，容易實現良好的柵控特性的MES結構。

3.本征電阻率高，為半絕緣襯底。電路工藝中便于實現自隔離，工藝簡化，適合于微波電路和毫米波集成電路。

4.禁帶寬度大，可以在Si器件難以工作的高溫領域工。

化合物半導體材料已廣泛應用：在軍事方面可用于智能化武器、航天航空雷達等方面，另外還可用于手機、光纖通信、照明、大型工作站、直播通信衛(wèi)星等商用民用領域 。

制備不同的半導體器件對半導體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導體材料的不同形態(tài)要求對應不同的加工工藝。常用的半導體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

所有的半導體材料都需要對原料進行提純，要求的純度在6個“9”以上，最高達11個“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學組成進行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學提純。物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制?；瘜W提純的主要方法有電解、絡合、萃取、精餾等，使用最多的是精餾。由于每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結合的工藝流程以獲得合格的材料。

絕大多數半導體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導體單晶都是用熔體生長法制成的。直拉法應用最廣，80%的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產的，其中硅單晶的最大直徑已達300毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產出高均勻性硅單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單晶。水平區(qū)熔法用以生產鍺單晶。水平定向結晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產的體單晶再經過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應的晶片。

在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業(yè)生產使用的主要是化學氣相外延，其次是液相外延。金屬有機化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結構。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學氣相沉積、磁控濺射等方法制成。

半導體材料特性參數

半導體材料雖然種類繁多但有一些固有的特性，稱為半導體材料的特性參數。這些特性參數不僅能反映半導體材料與其他非半導體材料之間的差別，而且更重要的是能反映各種半導體材料之間甚至同一種材料在不同情況下特性上的量的差別。常用的半導體材料的特性參數有：禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率(載流子即半導體中參加導電的電子和空穴)、非平衡載流子壽命、位錯密度。禁帶寬度由半導體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導電能力。非平衡載流子壽命反映半導體材料在外界作用（如光或電場）下內部的載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性。位錯是晶體中最常見的一類晶體缺陷。位錯密度可以用來衡量半導體單晶材料晶格完整性的程度。當然，對于非晶態(tài)半導體是沒有這一反映晶格完整性的特性參數的。

半導體材料特性要求

半導體材料的特性參數對于材料應用甚為重要。因為不同的特性決定不同的用途。

晶體管對材料特性的要求 ：根據晶體管的工作原理，要求材料有較大的非平衡載流子壽命和載流子遷移率。用載流子遷移率大的材料制成的晶體管可以工作于更高的頻率（有較好的頻率響應）。晶體缺陷會影響晶體管的特性甚至使其失效。晶體管的工作溫度高溫限決定于禁帶寬度的大小。禁帶寬度越大，晶體管正常工作的高溫限也越高。

光電器件對材料特性的要求：利用半導體的光電導（光照后增加的電導）性能的輻射探測器所適用的輻射頻率范圍與材料的禁帶寬度有關。材料的非平衡載流子壽命越大，則探測器的靈敏度越高，而從光作用于探測器到產生響應所需的時間(即探測器的弛豫時間)也越長。因此，高的靈敏度和短的弛豫時間二者難于兼顧。對于太陽能電池來說，為了得到高的轉換效率，要求材料有大的非平衡載流子壽命和適中的禁帶寬度(禁帶寬度于1.1至1.6電子伏之間最合適)。晶體缺陷會使半導體發(fā)光二極管、半導體激光二極管的發(fā)光效率大為降低。

溫差電器件對材料特性的要求：為提高溫差電器件的轉換效率首先要使器件兩端的溫差大。當低溫處的溫度（一般為環(huán)境溫度）固定時，溫差決定于高溫處的溫度，即溫差電器件的工作溫度。為了適應足夠高的工作溫度就要求材料的禁帶寬度不能太小，其次材料要有大的溫差電動勢率、小的電阻率和小的熱導率。