认识半导体材料的基本性质

一、半导体材料的性质

集成电路是导体、半导体和绝缘体三种材料有机组合形成的系统，但相对于其他系统，在三种材料之中，半导体材料在集成电路的制造中起着核心作用。这种核心作用主要体现在两个方面，其一，集成电路通常是制作在半导体衬底材料之上的；其二，集成电路的基本元件是依据半导体的特性构成的。之所以半导体材料在集成电路中能发挥核心作用，是因为它具有以下特性：

（1）掺杂特性，即通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率。例如，在室温30℃时，在纯净的锗材料中掺入比例为亿分之一的杂质，其电导率就会增加几百倍。正是因为通过掺杂可以控制半导体的电导率，才能利用半导体材料制造出各种不同的半导体器件。

（2）热敏特性，即半导体的导电能力会随着外界受到外界温度变化而发生显著变化。半导体热敏效应的作用表现在利弊两个方面，有利的一面在于利用这种热敏效应可制成热敏器件；不利的一面在于热敏效应会使半导体的热稳定性下降，这就经常需要在由半导体构成的电路中采用温度补偿等措施。

（3）光敏特性，即光照可以改变半导体的电导率，通常也称之为半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器等器件。

（4）受激发光特性，在多种由半导体形成的结构中，通过由外部注入电流，会使半导体结构发射光线，利用这种受激发光特性就可制造出发光二极管和激光二极管。

在常见的半导体材料中，硅（Si，Silicon），砷化镓（GaAs，Galliumarsenide）和磷化铟（InP，Indiumphosphide）是最基本的三种。以这些单质或者化合物半导体材料为衬底，可以制作出复杂的材料系统、不同的固态器件和集成电路。后续章节将详细叙述这些材料的特性及其应用。

表2-2中列出了多种半导体材料的基本物理特性。

表2-2　相关半导体材料的重要物理特性

二、半导体材料

1.硅（Si）

硅是现代微电子工业的基础。在过去半个多世纪中，基于硅材料的多种工艺技术得到了长足发展，逐渐形成了成熟的器件制备和集成电路制造工艺，如双极型晶体管（BJT），结型场效应管（J-FET），P型、N型、互补型金属-氧化物-半导体场效应管（PMOS，NMOS，CMOS）及双极CMOS（BiCMOS）等。单以芯片集成度而论，1Gb的DRAM早已开发成功，微处理器的总晶体管数已超过一亿。最大的芯片面积已超过1 000mm2。与此同时，先进工艺线的晶圆已达到380mm（15英寸）。芯片的速度也越来越快，采用0.13μmCMOS工艺制成的CPU包含4 000万个晶体管，运行速度超过2GHz。采用0.4μm Si双极型工艺制成的中规模IC达到了50Gb/s的数据处理速度。市场上90%以上的集成电路产品都是基于Si工艺的。

硅材料之所以成为集成电路的首选材料，主要是因为在满足性能指标的前提下，硅的原材料来源丰富，技术成熟，使得硅基集成电路产品价格低廉。

近二十多年以来，基于Si和Ge的HBT（异质结双极型晶体管）技术取得了快速的发展。相比于传统的基于III/IV族材料的HBT技术，Si/Ge HBT的优越性也在于Si材料低廉的原材料价格。举例来说，6英寸砷化镓晶圆的价格大约是6英寸硅晶圆价格的八倍。

2.多晶硅

多晶硅与单晶硅特性相似，其特性也可以随结晶度与杂质原子而改变，在微电子工艺中获得了广泛应用。在MOS及双极型器件中，多晶硅材料的用途包括制作MOS管栅极、形成源极与漏极（双极型器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄PN结的扩散源、高值电阻等。多晶硅材料层可采用溅射法、蒸镀法或CVD法制备。非掺杂多晶硅薄层主要表现出的是半绝缘特性，电阻率为300Ω/cm。多晶硅用于制作MOS管栅极及欧姆接触时，需要通过掺杂来提高导电性能。掺杂过程可在气相条件下，以氢气为载体，用乙硼烷、砷或磷蒸气来进行。多晶硅可以用扩散法或注入法在制备好的多晶硅层上掺杂，也可以在沉淀多晶硅层时一并通入杂质气体（In-Situ法）掺杂。这几种方法相比而言，扩散法形成的掺杂多晶硅由于杂质浓度很高（≥1021 cm-3），使得电阻率很小。注入法制备的掺杂多晶硅的杂质浓度为1020 cm-3，电阻率约为扩散法制备的10倍。而In-Situ法制备的掺杂多晶硅的掺杂浓度为1020～1021 cm-3。三种掺杂工艺中，后两种由于工艺温度较低，因而在VLSI生产中被优先采用。通过组合应用不同杂质，可以将多晶硅的电阻率控制在500～0.005Ω/cm之间。(www.xing528.com)

如果需要对器件进行钝化，可以在多晶硅沉淀过程中加入一定量的氧氮化合物，使多晶硅部分氧化，从而形成半绝缘保护层。多晶硅的特性会随着氧杂质的增多而改变，甚至可以将其完全氧化生成SiO2。多晶硅里也可以掺入不同浓度的氮杂质，直至完全变为氮化硅。

3.砷化镓（GaAs）

GaAs和其他III/IV族化合物材料具有更高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率，而器件的速度取决于载流子通过有源区的时间及器件本身的寄生电容的充放电时间，所以GaAs器件能工作在超高速、超高频场合。此外，GaAs器件的寄生电容较小，同时在较低的工作电压下其载流子能更有效的加速，使得GaAs晶体管的功耗更低。

GaAs是优良的III/IV族化合物固态材料，其制造工艺也已经日渐成熟。基于GaAs的金属半导体场效应晶体管（MESFET）和高电子迁移率晶体管（HEMT，High Electron Mobility Transistor）应用于微波毫米波放大器、振荡器、混频器、开关、衰减器、调制器限流器等电路，工作频率可高达100GHz。高性能的GaAs数字LSI和VLSI也已经设计制造出来，并得到了广泛的应用。

GaAs的电子迁移率比Si高很多，GaAs为4×107 cm2/（V·s），而Si为9×106 cm2/（V·s），因此，GaAs晶体管的传输延迟远小于同样结构的Si晶体管，这就使得GaAs晶体管构成的电路可以获得更高的数据传输速率。

和Si相比，GaAs主要有以下几个方面的优点。

（1）GaAs中非平衡少子漂移速率为4×107 cm2/（V·s），大约是Si（9×106 cm2/（V·s））的4倍，因而可制成更快的器件和IC。GaAs晶体管最高的工作频率fT可达到150GHz，而最快的Si晶体管只有几十GHz。对毫米波（f＞30GHz）和超高速（40Gb/s以上）的电路而言，GaAs技术将占主导地位。

（2）GaAs导带极小值和价带的最大值都出现在布里渊区波矢为0处，而Si的导带最小值在X点，所以在GaAs中电子和空穴可直接复合，而Si则不行。由于这一性质，GaAs可用来制作发光器件，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和光电集成电路（OEIC，Opto-Electronic IC）。就这点而言，GaAs在光纤数字传输系统中受到了更多的关注。

（3）GaAs中价带与导带之间的禁带为1.43eV，大于Si的1.1eV。所以稳态时，在300K室温下，GaAs本征激发中载流子密度（电子空穴对）（106 cm-3）远小于Si（1010 cm-3），这带来了三个好处：

①GaAs衬底是半绝缘的，在这样的衬底上可制作出高性能的器件。如电感、微波变压器及微波毫米波传输线。

②GaAs器件和IC能工作在更高的温度。

③具有更好的抗辐射性能。

在兼顾速度与功耗这两个设计的重要因素时，GaAs集成电路可提供更好的性能。在微波毫米波范围内，GaAs集成电路已经处于主导地位。

GaAs的集成电路主要基于三种有源器件：MESFET，HEMT和异质结双极晶体管HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）。前两种与硅的结型场效应管（J-FET）原理类似，HBT则与硅的双极型晶体管（BJT）原理类似。

4.磷化铟（InP）

在光纤系统中，InP是最重要的III/V族化合物半导体材料。InP的集成电路也主要基于三种有源器件：MESFET，HEMT和HBT。另一方面，与GaAs一样，InP半导体中电子与空穴的复合也是直接进行的。所以，InP适合制作发光器件和OEIC。InP突出的性能在于其GaInAsP/InP物质系统发出的激光波长位于0.92～1.65μm之间。这个波长范围正好覆盖了玻璃光纤的最小色散（1.3μm）和最小衰减（1.55μm）的两个窗口。因此，Inp器件和光电集成电路OEIC广泛应用于光信系统中。Inp技术的缺点在于还没有GaAs技术那样成熟。