III-V族半导体材料

III-V族半导体
III-V族化合物是化学元素周期表中的IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的化合物。

通常所说的III-V半导体是由上述IIIA族和VA族元素组成的两元化合物，它们的成分化学比都是1:1。

砷化镉
砷化镉是一种灰黑色的半导体材料，分子式为Cd3As2。

它的能隙有0.14eV，与其他半导体相比较窄。

砷化铝
砷化铝（Aluminium arsenide）是一种半导体材料，它的晶格常数跟砷化镓类似。

砷化铝的晶系为等轴晶系，熔点是1740 °C，密度是3.76 g/cm?，而且它很容易潮解。

它的CAS 编号为22831-42-1。

碲化铋
碲化铋是一种灰色的粉末，分子式为Bi2Te3。

碲化铋是个半导体材料，具有较好的导电性，但导热性较差。

虽然碲化铋的危险性低，但是如果大量的摄取也有致命的危险。

碳化硅
碳化硅（SiC）为由硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。

制造由于天然含量甚少，碳化硅主要多为人造。

最简单的方法是将氧化硅砂与碳置入艾其逊电弧炉中，以1600至2500°C高温加热。

发现Top 爱德华·古德里希·艾其逊在1893年制造出此化合物，并发展了生产碳化硅用之艾其逊电弧炉，至今此技术仍为众人使用中。

性质Top 碳化硅。

性质
碳化硅至少有70种结晶型态。

α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物，在高于2000°C高温下形成，具有六角晶系结晶构造（似纤维锌矿）。

β-碳化硅，立方晶系结构，与钻石相似，则在低于2000 °C生成，结构如页面附图所示。

虽然在异相触媒担体的应用上，因其具有比α型态更高之单位表面积而引人注目，但直至今日，此型态尚未有商业上之应用。

因其3.2的比重及高的升华温度（约2700 °C），碳化硅很适合做为轴承或高温炉之原料物件。

在任何已能达到的压力下，它都不会熔化，且具有相当低的化学活性。

由于其高热导性、高崩溃电场强度及高最大电流密度，近来在半导体高功率元件的应用上，不少人试着用它来取代硅[1]。

此外，它与微波辐射有很强的偶合作用，并其所有之高升华点，使其可实际应用于加热金属。

纯碳化硅为无色，而工业生产之棕至黑色系由于含铁之不纯物。

晶体上彩虹般的光泽则是因为其表面产生之二氧化硅保护层所致。

用途
半导体、避雷针、电路元件、高温应用、紫外光侦检器、结构材料、天文、碟刹、离合器、柴油微粒滤清器、细丝高温计、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、触媒担体等领域。

砷化镓
砷化镓的优点·硅的优点·砷化镓的异质结构·安全砷化镓（英文名称为Gallium arsenide，化学式为GaAs）是镓和砷两种元素所合成的化合物。

也是很重要的半导体材料，被用来制作像微波集成电路（例如单晶微波集成电路( MMIC)）、红外线发光二极管、雷射二极管和太阳电池等元件。

砷化镓的优点Top GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率。

砷化镓的优点
GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率，使得GaAs可以用在高于250 GHz的场合。

如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会拥有较少的噪声。

也因为GaAs有较高的崩溃电压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。

因为这些特性，GaAs
电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。

GaAs曾用来做成Gunn diode (中文翻做甘恩二极管或微波二极管，中国大陆地区叫做耿氏二极管) 以发射微波。

GaAs的的另一个优点：它是直接能隙的材料，所以可以用来发光。

而Si是间接能隙的材料，只能发射非常微弱的光。

(但是，最近的技术已经可以用Si做成LED和运用在雷射。

)
因为GaAs的切换速度很快，所以GaAs被认为是电脑应用的理想材料。

1980年代时，大家都认为微电子市场的主力将从Si换成GaAs。

首先试着要去改变的有超级电脑的供应商Cray电脑公司、Convex电脑公司，Alliant电脑系统公司，这些公司都试着要抢下CMOS微处理器技术的领导地位。

Cray公司最后终于在1990年代早期建造了一台GaAs为基础的机器，叫Cray-3。

但这项成就还没有被充分地运用，公司就在1995年破产了。

硅的优点
Si比GaAs好，有三个主要理由。

第一，Si制程是大量生产且便宜的制程。

且Si有较好的物理应力，所以可做成大尺寸的晶圆（现今，Si晶圆直径约为300 mm，而GaAs晶圆最大直径约只有150 mm）。

在地球表面上有大量Si的原料：硅酸盐矿。

硅工业已发展到规模经济（透过高的产能以降低单位产品的成本）的情形了，更降低了工业界使用GaAs的意愿。

第二个主要的优点是，Si很容易就会变成二氧化硅（在电子元件中，这是一种很好的绝缘体）。

二氧化硅可以轻易地被整合到Si电路中，且二氧化硅和Si拥有很好的界面特性。

反观，GaAs不能产生一层稳定且附着在GaAs上的绝缘层。

第三，大概也是最重要的Si的优点，是Si拥有高很多的电洞移动率。

在需要CMOS逻辑时，高的电洞率可以做成高速的P-通道场效应晶体管。

如果需要快速的CMOS结构时，虽然GaAs的电子移动率快，但因为它的功率消耗高，所以使的GaAs电路无法被整合到Si逻辑电路中。

砷化镓的异质结构
因为GaAs和AlAs的晶格常数几乎是一样的，所以可以利用分子束磊晶（molecular beam epitaxy, MBE）或有机金属气相磊晶（metal-organic vapour phase epitaxy，MOVPE，也称做有机金属化学气相沉积法），在GaAs上轻易地形成异质的结构，如成长砷化铝（AlAs）或砷化铝镓（AlxGa1-xAs）合金。

且因为成长出来的层应力很小，所以几乎可以成长任意的厚度。

GaAs的另一个很重要的应用是高效率的太阳电池。

1970年时，Zhores Alferov和他的团队在苏联做出第一个GaAs异质结构的太阳电池。

[2][3][4] 用GaAs、Ge和InGaP三种材料做成的三接面太阳电池，有32%以上的效率，且可以操作在2,000 suns下的光。

这种太阳电池曾运用在探测火星表面的机器人：精神号漫游者(spirit rover) 和机会号漫游者(opportunity rover)。

而且很多太阳电池都是用GaAs来做电池阵列的。

利用Bridgeman技术可以制造出GaAs的单晶，因为GaAs的力学特性，所以用Czochralski法是很难运用在GaAs材料的。

但，曾经有人有Czochralski法做出超高纯度的GaAs当做半绝缘体。

安全
GaAs的毒性至今仍没有被很完整的研究。

因为它含有As，经研究指出，As是有毒的，As也是一种致癌物质。

但，因为GaAs的晶体很稳定，所以如果身体吸收了少量的GaAs，其实是可以忽略的。

当要做晶圆抛光制程（磨GaAs晶圆使表面微粒变小）时，表面的区域会和水起反应，释放或分解出少许的As。

就环境、健康和安全等方面来看GaAs（就像是三甲基镓trimethylgallium和As）时，及有机金属前驱物的工业卫生监控研究，都最近指出以上的观点。

磷化铝
磷化铝是一种分子式为AlP的化学物质，纯品为白色晶体，存在杂质时呈灰绿偏黄。

磷化铝是能隙很宽的半导体，而它也可以用在杀虫方面。

纳米晶硅
纳米晶硅（nc-Si)同非晶硅（a-Si)一样是硅的一种同素异型体。

和非晶硅的区别在于，纳米晶硅具有小的无定形态的硅晶粒。

相比之下，多晶硅完全由晶界相隔的硅晶体颗粒构成。

纳米晶硅有时也被称为微晶硅(Mrc-Si)。

差别只在于晶粒的颗粒大小。

大部分颗粒大小在微米量级的材料实际上是精细颗粒多晶硅，所以纳米晶硅是一个更好的词。

由于纳米晶硅能够更好地吸收红波和红外波，它可以用制作硅光电池。