化合物半导体材料

多数化合物半导体都含有一个或一个以上挥发性组元，在熔点时挥发性组元会从熔体中全部分解出来。因此化合物半导体材料的合成、提纯和单晶制备技术比较复杂和困难。维持熔体的化学计量比，是化合物半导体材料制备的一个重要条件 。

通常采用水平布里奇曼法(HB)、液封直拉法(LEC)、高压液封直拉法(HPLEC)、垂直梯度凝固法(VGF)制备化合物半导体单晶，用液相处延(LPE)、气相处延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)等制备它们的薄膜和超薄层微结构化合物材料。

由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的称为化合物半导体材料 。

化合物半导体材料种类繁多，性质各异，如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及其固溶体材料，Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体(SiC)和氧化物半导体(Cu2O)等。它们中有宽禁带材料，也有高电子迁移率材料；有直接带隙材料，也有间接带隙材料。因此化合物半导体材料比起元素半导体来，有更广泛的用途。

化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例，通过比较可得：

1.化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度，因此，可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。

2.肖特基势垒特性优越，容易实现良好的栅控特性的MES结构。

3.本征电阻率高，为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离，工艺简化，适合于微波电路和毫米波集成电路。

4.禁带宽度大，可以在Si器件难以工作的高温领域工。

化合物半导体材料已广泛应用：在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面，另外还可用于手机、光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域 。

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

半导体材料特性参数

半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。

半导体材料特性要求

半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。

晶体管对材料特性的要求 ：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。

光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳能电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁带宽度(禁带宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极管、半导体激光二极管的发光效率大为降低。

温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁带宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。