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信息材料 苏晓东 半导体材料概述 比 GaAs低的电子迁移率 硅是良好的半导体材料，硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。 1.1 元素半导体 第一代半导体材料以 Si和 Ge为代表。 特点： 均为第四族元素 均具为金刚石晶体结构 均有间接的能隙（indirect band gap） 金刚石结构是由两套fcc格子相互沿对角线位移1/4处套合而成。 1.1 元素半导体/Si Si在自然界中分布广泛，在地壳中居第二位，仅次于氧。是构成矿物和岩石的主要成分。 硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。 硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度大。 Lattice constant: 0.54 nm, Si atom spacing: 0.24 nm 每个晶胞含有8个原子 能隙：1.1eV 1.1 元素半导体/Si的优点 和Ge相比: 易于制备大尺寸单晶； Si 比 Ge的能隙宽，更高的运行温度 (125-175 oC vs. ~85 oC) Si 容易生成本体氧化物 (SiO2)，SiO2是一种高质量的绝缘体，在IC加工过程中可以有效保护Si材料上的电路。 Si 更便宜和资源丰富。 间接带隙: 弱的光子吸收和发射 难以应用于光电子器件。 mn = 8000, mp = 380 GaAs mn = 3900, mp = 1900 Ge mn = 1500, mp = 460 Si Mobility (cm2/V.s) Material 1.1 元素半导体/Si的不足 1.1 元素半导体/Si 大规模集成电路 1.1 元素半导体/SiO2 天然二氧化硅也叫硅石。砂子的主要成分就是二氧化硅，石英的主要成分也是二氧化硅，水晶是纯度较高的二氧化硅。 二氧化硅晶体 二氧化硅可用来做光导纤维； 石英可用来做石英钟、石英表，耐高温的石英玻璃； 水晶可以用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品、眼镜片等。 玛瑙为含有有色杂质的石英，可用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和装饰品等。 1.1 元素半导体/SiO2 玛瑙 二氧化硅是制备工业硅单晶的原料，也是集成电路上应用的绝缘材料。 1.2 二元化合物半导体（Binary compound semiconductor） III-V族 II-VI族 IV-VI族 IV-IV族 大多数具有直接能隙，可以研制光学器件; 有较宽的能隙范围，但是不连续; 可以生长出块材，切割出晶圆(Wafer)。 化合物半导体不同于元素半导体的性质主要有二： 一是化合物半导体的电子迁移率要快许多，因此适用于高频传输，在无线通讯如手机，卫星通信，卫星定位等皆有应用； 二是化合物半导体具备高效率的光电转换特性，可应用在光电转换领域，如发光二极管，激光，光接收器及太阳能等产品。 1.2 二元化合物半导体（Binary compound semiconductor） 附：半导体材料的性能参数 间接 Z SixGe1-x IV-IV 2.996 a =3.086，c =15.117 W SiC IV-IV 直接 0.41 5.9362 R PbS IV-VI 直接 2.42 5.8320 Z CdS II-VI 直接 3.68 5.420 Z ZnS II-VI 直接 3.36 a = 3.189, c = 5.185 W GaN III-V 直接 0.17 6.4794 Z InSb III-V 直接 1.35 5.8686 Z InP III-V 直接 1.42 5.6533 Z GaAs III-V 直接 2.26 5.4512 Z GaP III-V 间接 2.17 5.6605 Z AlAs III-V 间接 0.66 5.64613 D Ge IV 间接 1.124 5.43095 D Si IV 能带类型 能隙eV 晶格常数 晶体结构 材料名称 材料系列 * D=（Diamond）金刚石 Z = Zinc blende:闪锌矿 W = Wurtzite,：纤维锌矿 R = Rock salt：岩盐 第二代半导体的代表GaAs: 闪锌矿结构（Zinc blende lattice） 类似金刚石结构, 两套不等价的格子（Ga和As）分别由不同的原子占据 。 1.2 二元化合物半导体/ GaAs 同锗和硅相比，砷化镓的禁带宽度大，电子迁移率高，介电常数小，能引入深能级杂质，电子有效质量小，具有双能谷导带等特点。 1.2 二元化合物半导体/ GaAs 光电子器件，砷化镓可直接研制如发光二极管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能