1.1半导体材料

1.1半导体材料

半导体是导电性能介于金属和绝缘体之间的一种材料。半导体基本上可分为两类：位于元素周期表Ⅳ族的元素半导体材料和化合物半导体材料。大部分化合物半导体材料是Ⅲ族和V 族元素化合形成的。表1.1是元素周期表的一部分，包含了最常见的半导体元素。表1.2给出了—些半导体材料(半导体也可以通过Ⅱ族和Ⅵ族元素化合得到，但本文基本上不涉及)。

由一种元素组成的半导体称为元素半导体，如Si 和Ge 。硅是集成电路中最常用的半导体材料，而且应用越来越广泛。

双元素化合物半导体，比如GaAs 或GaP ，是由Ⅲ族和V 族元素化合而成的。GaAs 是其中应用最广泛的一种化合物半导体。它良好的光学性能使其在光学器件中广泛应用，同时也应用在需要高速器件的特殊场合。

我们也可以制造三元素化合物半导体，例如1x x Al Ga As ，其中的下标x 是低原子序数元素的组分。甚至还可形成更复杂的半导体，这为选择材料属性提供了灵活性。

表1.1 部分元素周期表

表1.2 半导体材料

GaP 磷化镓

GaAs 砷化镓

InP 磷化铟

1.2 固体类型

无定型、多晶和单晶是固体的三种基本类型。每种类型的特征是用材料中有序化区域的大小加以判定的。有序化区域是指原子或者分子有规则或周期性几何排列的空间范畴。无定型材料只在几个原子或分子的尺度内有序。多晶材料则在许多个原子或分子的尺度上有序,这些有序化区域称为单晶区域，彼此有不同的大小和方向。单晶区域称为晶粒，它们由晶界将彼此分离。单晶材料则在整体范围内都有很高的几何周期性。单晶材料的优点在于其电学特性通常比非单晶材料的好，这是因为晶界会导致电学特性的衰退。图1.1是无定型、多晶和单晶材料的二维示意图。

1.3空间晶格

我们主要关注的是原子排列具有几何周期性的单晶材料。一个典型单元或原子团在三维的每一个方向上按某种间隔规则重复排列就形成了单晶。晶体中这种原子的周期性排列称为晶格。

1.3.1 原胞和晶胞

我们用称为格点的点来描述某种特殊的原子排列。图1.2给出了一种无限二维格点阵列。重复原子阵列的最简单方法是平移。图1.2中的每个格点在某个方

向上平移1a ，在另一个不在同一直线方向上平移1b ，就产生了二维晶格。若在第三个不在同一直线方向上平移，就可以得到三维晶格。平移方向不必一定垂直。

由于三维晶格是一组原子的周期性重复排列，我们不需要考虑整个晶格，只需考虑被重复的基本单元。晶胞就是可以复制出整个晶体的一小部分晶体。晶胞并非只有一种结构。图1.3显示了二维晶格中的几种可能的晶胞。

晶胞A 可以在2a 和2b 方向平移，晶胞B 可以在3a 和3b 方向平移，其中任何一种晶胞平移都可以构建整个二维晶格。图1.3中的晶胞C 和D 通过合适的平移也可以得到整个晶格。关于二维晶胞的讨论可很容易地推广到三维来描述实际的单晶材料。

原胞是可以通过重复形成晶格的最小晶胞。很多时候，用晶胞比用原胞更方便。晶胞可以选择正交的边，而原胞的边则可能是非正交的。

图1.4显示了一个广义的三维晶胞。晶胞和晶格的关系用矢量,a b 和c 表示，它们不必互相垂直，长度可能相等也可能不相等。三维晶体中的每一个等效格点都可用矢量

r pa qb sc =++ （1.1）

得到，其中p,q,s 是整数。由于原点的位置是任意的，为简单起见，我们可使p,q,s 都是正整数。

1.3.2 基本的晶体结构

在讨论半导体晶体之前，先来考虑三种晶体结构并了解这些晶体的基本特征。图1.5显示了简立方、体心立方、面心立方结构。对于这些简单的结构，我们选择矢量,a b和c彼此垂直且长度相等的晶胞。简立方(sc)结构的每个顶角有一个原子；体心立方(bcc)结构除顶角外在立方体中心还有一个原子；面心立方(fcc)结构在每个面都有一个额外的原子。

通过了解某种材料的晶体结构和晶格尺寸，我们就能确定该晶体的不同特征。比如，我们能确定它的原子体密度。

1.3.3 晶面和密勒指数

由于实际晶体并非无限大，因此它们最终会终止于某一表面。半导体器件做在表面上或近表面处，因此表面属性可能影响器件特性。我们可以用晶格来描述这些表面。表面，或通过晶体的平面，首先可以用描述晶格的,a b和c轴的平面截距来表达。

图1.7给出了立方晶体经常考虑的三个平面。图1.7a所示的面与b,c轴平行，因此截距为1,,

==∞=∞。给出倒数，我们得到密勒指数(1，0，0)，因此图

p q s

1.7a中的平面称为(100)平面。同样地，与图1.7a相互平行且差几个整数倍的晶格常数的平面都是等效的，它们都称为(100)平面。用倒数获得密勒指数的好处在于避免了平行于坐标轴平面无穷大的使用。如果我们为了描述穿过坐标系统原点的平面，经过对截距求倒数后，会得到一个或两个无穷密勒指数。然而，我们的系统的原点是任意给定的，通过将原点平移到其他等效格点，就可以避免密勒指数中的无穷大。

对于简立方、体心立方和面心立方，对称程度是很高的。三维中每条轴都可以旋转90度，每个格点仍可以用式(1.1)描述，即

=++(1．1)

r pa qb sc

图1.7a中的每一个立方体平面都是完全等效的。我们可将这些面分入同一组并

100平面。

用{}

我们也可以考虑如图1.7b和图1.7c所示的平面。图1.7b所示的平面截距分别是p=1,s=∞。通过求倒数得到密勒指数，结果这个平面便是(110)平面。依次类推，图1.7c所示的平面就是(111)平面。

晶体的一个可测特征是最近邻的平行等效平面的最近间距。另一个特征是原子表面浓度(#/2

cm)，即每平方厘米个数，这些表面原子是被一个特殊平面分割的。同时，一个单晶半导体不会无限大，一定会终止于某些表面。原子的面密度可能是很重要的，如在决定其他材料(诸如绝缘体)如何能与半导体材料表面相结合时。

除了描述晶格平面之外，我们还想描述特定的晶向。晶向可以用三个整数表示，它们是该方向某个矢量的分量。