三元化合物半導體材料

三元化合物半導體材料

三元化合物半導體材料是指由三種已確定的原子配比形成的化合物，並具有確定的禁頻寬度和能帶結構等半導體性質。從廣義上來說，具有理想的Eg值的三元化合物半導體分為兩類。第一類是通常所說的“贗二系”的化合物半導體，這種半導體是由兩種二元化合物混合而成，例如GaAs和InAs合金混合製成的GaxIn1-xAs（其中，0≤x≤1，x表示GaAs的摩爾分數）系列的三元化合物半導體。這種方式生長的半導體結構是無序的，合金元素不形成規則的結晶。第二類是真正的三元化合物晶體。正如AIP可以認為是Si晶體中的Si原子被Al原子和P原子替換而成，同樣地，三元化合物系的CuGaS2也可以認為是二元系的ZnS被置換而成，即ZnS+ZnS→CuGaS2。

基本介紹

  • 中文名：三元化合物半導體材料
  • 外文名：Ternary compound semiconductor material
  • 釋義：三種確定的原子配比形成的化合物
  • 性質：具有確定的禁頻寬度和能帶結構等
  • 學科：冶金工程
  • 領域：冶煉
簡介,三元化合物半導體的分類,三元化合物半導體製備方法,總結,

簡介

半導體科學的發展，對電子技術、信息技術等高技術的發展和人類社會的進步起著重要的作用，而半導體材料是半導體科學發展的物質基礎。因此，半導體材料在半導體科學中占有極為重要的作用。
半導體材料的發現可以追溯到19世紀。1833年英國的法拉第（Michael Faraday）最先發現了硫化銀材料有半導體特有的導電現象。之後的科學家又陸續發現了半導體的光生伏特效應、光電導現象、整流效應。
到20世紀初，人們已經套用半導體材料先後製成了氧化亞銅低功率整流器和硒整流器等。20世紀50年代初，科學家開始對化合物半導體如GaAs、InP等材料進行了研究。20世紀60年代初的水平布里奇曼（Bridgman）方法（HB）和液封直拉法（LEC），以及後來發展起來的垂直梯度凝固法（VGF）和氣相外延（CVD）生長技術的發展，促進了化合物半導體材料在微波和光電領域的套用。
隨著信息載體從電子向光電子和光子轉換步伐的加快，半導體材料除矽和矽基材料作為當代微電子技術的基礎在21世紀中葉之前不會改變外，化合物半導體微結構材料以優異的光電性質在很多方面都發揮著越來越重要的作用。化合物半導體主要是二元化合物半導體如Ⅲ—Ⅳ族、Ⅱ—Ⅵ族等。隨著電光半導體裝置、紅外檢測器、固體雷射器等器件的廣泛套用，對半導體的帯隙能Eg提出了新的要求。然而，已有的二元化合物半導體Ⅲ-Ⅴ族或者Ⅱ-Ⅳ族已經難以滿足這些要求。因此，三元化合物半導體的研究引起了越來越多人的關注，人們期望通過三元化合物半導體獲得理想的Eg值，以實現提高有關裝置的性能。但是，三元化合物半導體的研究由於剛剛起步，其成果遠不如二元化合物半導體成熟，國內有關研究的報導也十分稀少。

三元化合物半導體的分類

從廣義上來說，具有理想的Eg值的三元化合物半導體分為兩類。第一類是通常所說的“贗二系”的化合物半導體，這種半導體是由兩種二元化合物混合而成，例如GaAs和InAs合金混合製成的GaxIn1-xAs（其中，0≤x≤1，x表示GaAs的摩爾分數）系列的三元化合物半導體。這種方式生長的半導體結構是無序的，合金元素不形成規則的結晶。第二類是真正的三元化合物晶體。正如AIP可以認為是Si晶體中的Si原子被Al原子和P原子替換而成，同樣地，三元化合物系的CuGaS2也可以認為是二元系的ZnS被置換而成，即ZnS+ZnS→CuGaS2。通過這種方式製作的真正意義的三元化合物半導體又分為兩種，一種是三元黃銅礦ABC2，其中A= Cu、Ag，B=Al、Ga、In，C2=S、Se、Te；另一種是三元磷族元素化合物ABC2，其中A=Zn、Cd、Hg，B=Si、Ge、Sn，C2=P、As、Sb；另外，也存在其他更複雜的組合。贗二系化合物半導體、三元黃銅礦、三元磷族元素化合物都有類閃鋅礦的結構。
三元化合物半導體與二元化合物半導體的比較
三元化合物半導體與組成它的兩種二元化合物AC和BC在物理性質上的主要差異有以下幾個方面：
(1) 體積改變。三元化合物的結構里，單胞的體積與兩種二元化合物的單胞體積之和並不相等。一般來說，體積的改變既有立方點陣常數a的改變，也有c/a的比值的改變。
(2) 化學電負性。由於在複合結構中，A-C和B-C的結合能相互影響和交換，因此三元化合物半導體的電負性完全不同於其任一二元化合物組元的電負性。
(3) 結構的改變。兩種材料的複合結構表現為結合鍵的相互影響，也就是說，它們可能表現為兩種物質以最佳的方式結合，而不再遵循原有結合規律。
(4) p-d軌道雜化。以黃銅礦為例，在複合機構系統中，很明顯的存在Zn（或者Ga）從Cu的活躍的3d軌道得到結合鍵和能隙的現象。

三元化合物半導體製備方法

三元化合物半導體的製備方法與二元化合物半導體相同，仍然是以外延生長法為主，具體方法有LPE法、MOVPE法、VPE法、CBE法、GSMBE法和MBE法等。這三種方法是生長GaAlAs、InGaN等的主要手段。在外延生長時，晶格失配引起的位錯密度很高，因此用此種方法製備三元化合物半導體時，需要另想辦法降低位錯密度。在薄膜的製備中，除了以上三種外延生長的方法外，磁控濺射法、電沉積法也有相關文獻提及，然而這兩種方法製備的材料，在光電性能方面的性能略有降低。中科院的張鐵明於2007年提出兩步生長法製備InGaAs%2fInP材料，通過實驗表明此方法能夠獲得較好的結晶質量。
雖然三元化合物半導體的製備方法在不斷發展，但是普遍採用的方法用到有毒物質，對環境影響較大，另外成本也比較高，這些問題需要未來能夠有效解決。

總結

三元化合物半導體相比二元化合物半導體，在某些性能方面有其獨特的優越性，尤其在光電轉換方面套用較為突出。然而，由於起步較晚，以及成分複雜等原因，還未在實踐中得到廣泛套用。三元化合物半導體的製備方法也多沿用二元化合物半導體的外延生長方法，這些生長方法的各種缺陷尚未得到有效解決。

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