化合物半導(dǎo)體材料性質(zhì)

多數(shù)化合物半導(dǎo)體都含有一個(gè)或一個(gè)以上揮發(fā)性組元，在熔點(diǎn)時(shí)揮發(fā)性組元會(huì)從熔體中全部分解出來。因此化合物半導(dǎo)體材料的合成、提純和單晶制備技術(shù)比較復(fù)雜和困難。維持熔體的化學(xué)計(jì)量比，是化合物半導(dǎo)體材料制備的一個(gè)重要條件 。

化合物半導(dǎo)體材料種類繁多，性質(zhì)各異，如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體及其固溶體材料，Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體(SiC)和氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體材料比起元素半導(dǎo)體來，有更廣泛的用途。

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(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)的稱為化合物半導(dǎo)體材料 。

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(dǎo)體單晶，用液相處延(LPE)、氣相處延(VPE)、分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)等制備它們的薄膜和超薄層微結(jié)構(gòu)化合物材料。

化合物半導(dǎo)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(dǎo)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(shì)壘特性優(yōu)越，容易實(shí)現(xiàn)良好的柵控特性的MES結(jié)構(gòu)。

3.本征電阻率高，為半絕緣襯底。電路工藝中便于實(shí)現(xiàn)自隔離，工藝簡(jiǎn)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(lǐng)域工。

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

制備不同的半導(dǎo)體器件對(duì)半導(dǎo)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(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長(zhǎng)。

所有的半導(dǎo)體材料都需要對(duì)原料進(jìn)行提純，要求的純度在6個(gè)“9”以上，最高達(dá)11個(gè)“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學(xué)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(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)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(jié)合的工藝流程以獲得合格的材料。

絕大多數(shù)半導(dǎo)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(dǎo)體單晶都是用熔體生長(zhǎng)法制成的。直拉法應(yīng)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(chǎn)的，其中硅單晶的最大直徑已達(dá)300毫米。在熔體中通入磁場(chǎng)的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)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(zhǎng)高純硅單晶。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)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(cè)、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。

在單晶襯底上生長(zhǎng)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(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機(jī)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(jié)構(gòu)。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(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法制成。

半導(dǎo)體材料特性參數(shù)

半導(dǎo)體材料雖然種類繁多但有一些固有的特性，稱為半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)。這些特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別，而且更重要的是能反映各種半導(dǎo)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(dǎo)體材料的特性參數(shù)有：禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率(載流子即半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的電子和空穴)、非平衡載流子壽命、位錯(cuò)密度。禁帶寬度由半導(dǎo)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(jià)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(dǎo)電能力。非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場(chǎng)）下內(nèi)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(cuò)是晶體中最常見的一類晶體缺陷。位錯(cuò)密度可以用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度。當(dāng)然，對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體是沒有這一反映晶格完整性的特性參數(shù)的。

半導(dǎo)體材料特性要求

半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)對(duì)于材料應(yīng)用甚為重要。因?yàn)椴煌奶匦詻Q定不同的用途。

晶體管對(duì)材料特性的要求 ：根據(jù)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(yīng)）。晶體缺陷會(huì)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(duì)材料特性的要求：利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)（光照后增加的電導(dǎo)）性能的輻射探測(cè)器所適用的輻射頻率范圍與材料的禁帶寬度有關(guān)。材料的非平衡載流子壽命越大，則探測(cè)器的靈敏度越高，而從光作用于探測(cè)器到產(chǎn)生響應(yīng)所需的時(shí)間(即探測(cè)器的弛豫時(shí)間)也越長(zhǎng)。因此，高的靈敏度和短的弛豫時(shí)間二者難于兼顧。對(duì)于太陽(yáng)能電池來說，為了得到高的轉(zhuǎn)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(huì)使半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光二極管的發(fā)光效率大為降低。

溫差電器件對(duì)材料特性的要求：為提高溫差電器件的轉(zhuǎn)換效率首先要使器件兩端的溫差大。當(dāng)?shù)蜏靥幍臏囟龋ㄒ话銥榄h(huán)境溫度）固定時(shí)，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(yīng)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(dòng)勢(shì)率、小的電阻率和小的熱導(dǎo)率。