半導(dǎo)體材料的特性

半導(dǎo)體材料是室溫下導(dǎo)電性介于導(dǎo)電材料和絕緣材料之間的一類功能材料。靠電子和空穴兩種載流子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，室溫時(shí)電阻率一般在10-5～107歐·米之間。通常電阻率隨溫度升高而增大；若摻入活性雜質(zhì)或用光、射線輻照，可使其電阻率有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。1906年制成了碳化硅檢波器。
? 1947年發(fā)明晶體管以后，半導(dǎo)體材料作為一個(gè)獨(dú)立的材料領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展，并成為電子工業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的材料。特性和參數(shù)半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)某些微量雜質(zhì)極敏感。純度很高的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導(dǎo)體。在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后，由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子，使材料的電阻率大為降低。這種摻雜半導(dǎo)體常稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱N型半導(dǎo)體，靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的稱P型半導(dǎo)體。

????? 不同類型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成PN結(jié)）或半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散，在接觸處形成位壘，因而這類接觸具有單向?qū)щ娦?。利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以制成具有不同功能的半?dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。

? 此外，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)外界條件（如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元件，用于信息轉(zhuǎn)換。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、非平衡載流子壽命和位錯(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缺陷。位錯(cuò)密度用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度，對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，則沒有這一參數(shù)。半導(dǎo)體材料的特性參數(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，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，其特性的量值差別。

? 種類常用的半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是由單一元素制成的半導(dǎo)體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應(yīng)用最廣?；衔锇雽?dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機(jī)化合物半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化鉛、硒化鉛等）、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半導(dǎo)體主要為三元和多元固溶體，如鎵鋁砷固溶體、鎵鍺砷磷固溶體等。有機(jī)化合物半導(dǎo)體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于研究階段。

? 此外，還有非晶態(tài)和液態(tài)半導(dǎo)體材料，這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是不具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)。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。