半导体材料的基本知识
背景
在半导体领域，材料是十分基础且重要的，了解材料的物理性质对器件物理有着更深的理解。在本节中，我们主要是学习归纳一下常见的半导体材料的物理特性和结构信息，以供之后方便查阅。
半导体材料
Si, Ge, III-V 族
硅, 锗半导体
硅（Silicon），是一种化学元素，化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量 28.0855，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。单晶 Si 是金刚石结构，属于立方晶系，它的空间群是 Fd-3m，点群是 Oh。在 300K 左右时它的带隙大约为 1.12 eV.
硅也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于第一位的氧（49.4%）。
单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。目前，人们已经能制造出纯度为十二个9的单晶硅。
锗（Germanium）是一种化学元素，元素符号Ge，原子序数32，原子量72.64，在化学元素周期表中位于第4周期、第IVA族。锗单质是一种灰白色准金属，有光泽，质硬，属于碳族，化学性质与同族的锡与硅相近，不溶于水、盐酸、稀苛性碱溶液，溶于王水、浓硝酸或硫酸，具有两性，故溶于熔融的碱、过氧化碱、碱金属硝酸盐或碳酸盐，在空气中较稳定。单晶锗也是金刚石结构，与Si一致。在300K时它的带隙大约为 0.66 eV.
值得注意的是，在1950年代早期，Ge 是主要的半导体材料，但自1960年代以来，Si 已经成为了迄今为止使用最广泛的半导体材料，已经取代了 Ge 做为器件制造的材料。原因主要有两点：1）si 器件的漏电流很低，2）SiO2 是高质量十分稳定的绝缘体，很容易在Si 表面制备完美的绝缘体层。
三五族半导体材料
三五族是指通常所说的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，大部分都是闪锌矿结构，空间群是F-43m，点群是 Td。
III-V族化合物族元是化学元素周期表中的IIIA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。它包括以下化合物：BN、BP、BAs、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb。
下表是三五族半导体的物理性质。来自 https://www.semiconductors.co.uk/propiiiv5653.htm
| AlP | AlAs | AlSb | GaP | GaAs | GaSb | InP | InAs | InSb | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 结构 | 闪锌矿 | 闪锌矿 | 闪锌矿 | 闪锌矿 | 闪锌矿 | 闪锌矿 | 闪锌矿 | 闪锌矿 | 闪锌矿 |
| 空间群 | F-43m | F-43m | F-43m | F-43m | F-43m | F-43m | F-43m | F-43m | F-43m |
| 晶格常数 nm | 0.54635 | 0.5660 | 0.61355 | 0.5451 | 0.5653 | 0.609 | 0.586 | 0.605 | 0.647 |
| 密度 g/cm^3 | 3.717 | 4.29 | 4.129 | 5.318 | 5.63 | 4.81 | 5.69 | 5.80 | |
| 介电常数 | 9.8 | 10.06 | 12.04 | 11.1 | 12.5 | 15.7 | 12.4 | 14.6 | 17.7 |
| 直/间接带隙 | Indirect | Indirect | Indirect | Indirect | Direct | Direct | Direct | Direct | Direct |
| 带隙大小(300K) | 2.45 | 2.153 | 1.615 | 2.272 | 1.424 | 0.75 | 1.344 | 0.36 | 0.17 |
| 带隙大小 | 2.505 4K | 2.229 4K | 1.686 27K | 2.350 0K | 1.5191 0K | 0.8113 2K | 1.424 1.6K | 0.418 4.2K | 0.237 2K |
| 有效质量 | 0.1 | 0.12 | 0.067 | 0.042 | 0.073 | 0.027 | 0.013 | ||
| 轻空穴质量 | 0.082 | ||||||||
| 重空穴质量 | 0.45 |
二维材料
火热中...
物理性质
常见的结构
金刚石 Diamond
在晶体学中，金刚石结构又称为金刚石立方晶体结构(diamond cubic lattice structure)，原型是金刚石。金刚石结构中的每个原子与相邻的4个原子形成正四面体，故单胞内原子数为5。具有金刚石结构的晶体除了金刚石以外，还有硅、锗、α-锡等。
闪锌矿 Zincblende
闪锌矿型结构，又称立方硫化锌型结构（cubic β-ZnS structure），属立方晶系，空间群 F-43M，为面心立方点阵。
可以看为两个面心立方套构而成。两类原子沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构。
金刚石结构与闪锌矿结构(zincblende structure)非常相似，不同之处在于，构成闪锌矿结构的两个面心立方点阵上的原子是不同种类的，例如Zn和S, 而构成金刚石结构的原子是同种类的。闪锌矿结构的堆积率随两种原子的相对大小而变。
纤锌矿 Wurtzite
晶体结构：2H 多形。六方晶系，点群6mm，C_{6v}，空间群P6_3mc。
III-N 半导体材料的稳定结构是纤锌矿结构。
半导体材料代表
第一代半导体材料
第一代半导体材料: Si, Ge 等 (间接带隙，窄带隙), 发明并实用于20世纪50年代。以硅（Si）、锗（Ge）为代表，特别是硅，构成了一切逻辑器件的基础。
第一代半导体材料主要用于分立器件和芯片制造；
第二代半导体材料
第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料 (直接带隙，窄带隙)，如砷化镓(GaAs)、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体(又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光 器和卫星导航等领域。
第三代半导体材料
第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。
和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev）,也称为高温半导体材料。
第三代半导体材料广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。 第三代半导体材料已被认为是当今电子产业发展的新动力。
以第三代半导体的典型代表碳化硅（SiC）为例，碳化硅具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件，碳化硅器件可以显著降低开关损耗。 因此，碳化硅可以制造高耐压、大功率的电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能电网、新能源汽车等行业。 与硅元器件相比，氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点，是超高频器件的极佳选择，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。
第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性，相比第一代硅基半导体可以降低50%以上的能量损失，同时使装备体积减小75%以上。
第四代半导体材料
氧化镓 (Ga2O3)由于自身的优异性能,凭借其比第三代半导体材料 SiC 和 GaN 更宽的禁带，在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究。氧化镓是一种宽禁带半导体，禁带宽度 Eg=4.9eV，其导电性能和发光特性良好，因此，其在光电子器件方面有广阔的应用前景，被用作于Ga基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。这些是氧化镓的传统应用领域，而其在未来的功率、特别是大功率应用场景才是更值得期待的。[半导体材料介绍].
