什么是三五族半导体

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-09-06   阅读:

在半导体的世界里,矽是大家最耳熟能详。所有课程也都从矽入门,但我们还是会不时听到三五族化合物(或二六族),究竟三五族化合物跟矽有什么不同呢?

当我们摊开元素周期表找寻半导体时,当然会先锁定四族的矽(Si)跟锗(Ge);其他用化合物形成的半导体材料都必须要形成四个价电子的化合物,因此三五族化合物就是由三族的铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)及五族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等等组成。由于是化合物,所以组成方式非常多种,有二元的GaN、GaAs、InP;三元的InGaAs、InGaP;甚至四元的InAlGaAs 或InGaAsP 等等。

●有矽就好了,要三五族干嘛?

既然矽工业如此强大,材料又便宜,到底形形色色的三五族材料有什么优势?

那就是光学特性!

以光电元件,例如雷射、LED 或光侦测器来说,会需要材料本身的特性能够对应到工作所需波长,但矽是一个单一材料,能矽(Band gap)固定,因此在光学部分的应用上来说相对受限。

另一项更重要的因素是「矽的发光特性非常差」。任何需要发光的光电元件(雷射或LED)都没有矽的份。(因为矽是间接能隙(Indirect bandgap);而大部分的三五族化合物为直接能隙(direct bandgap))[注1]

●为什么三五族要这么多种?

因为要发出(或吸收)不同波长的光。一个材料发光的波长(也就是颜色)取决于其能隙的大小。三五族化合物的能隙各有不同,因此可以做出各种波段的元件。

下表为几个常见二元三五族化合物的能隙及其对应发光波长(可见光长约为400nm 至700nm),例如:GaN 是作为紫外光或紫光LED 的材料;GaAs 可以作为红外线LED。

●两个元素就好了,要三元四元干嘛?

从上表可以看到,虽然二元三五族可以涵盖不同波长,但材料本身的能隙还是固定的。如果能让不同的二元三五族化合物混搭,就可以做出各种不同能隙的材料,达到我们想要的发光波长。

先简单看一个三元化合物的例子:InGaAs。InGaAs是红外光雷射及侦测器的主要材料,其正确化学组成应该是In xGa 1-x As,这就像是拿GaAs跟InAs以不同比例进行混合,其能隙会介于1.424eV到0.354eV之间,最常见的是In0.53 Ga 0.47 As,其能隙为0.75eV,发光波段约为1653nm。

三元不满足,还可以四元,例如InGaAsP,其组成为In x Ga 1-x As y P 1-y,发光波长可以从1200nm到1650nm左右。

●看起来三元就可以调波长了,用到第四元又是为什么?

这就要谈到材料成长时实际上面对的制程问题。这些三元四元化合物虽然变化很多,但不是随便生出来的,必须要跟对应的晶圆配合。

我们熟悉的矽晶圆,是一整片矽,在上面进行蚀刻或镀膜等等半导体制程,主体都还是矽。但三五族就比较复杂,通常三元或四元化合物本身不会是一片晶圆,而是将这些材料成长[注2]在二元化合物或其他晶圆上。

举个例子:In x Ga 1-x As。我们不会看到一整片In x Ga 1-x As的晶圆,而是会拿一片InP晶圆,再将In x Ga 1-x As成长在InP晶圆上。但在InP晶圆上的In x Ga 1-x As不能随便长,必须要考虑不同化合物的晶格常数(lattice constant)。晶格常数简单来说就是原子跟原子之间的间距,当我们想要将A化合物长在B化合物的晶圆上时,会希望A及B的原子间距越接近越好,因为化合物之间要一个对一个,否则接近AB接面的A材料晶格常数就会被强迫变成B的晶格常数。

假设B 的晶格常数为6 Å,我们会希望A化合物本身的晶格常数越接近6 Å 越好。如果A化合物的晶格常数小于6 Å,当把A 强行长在B 上面,接面处A 的组成原子要被强迫拉扯至6 Å,相当于这层材料受到了拉应力,里面的缺陷就会变多;反之A化合物的晶格常数大于6 Å,长在B 上时A 就受到压应力。

所以回头看看In x Ga 1-x As,当被成长在InP晶圆上时,我们并没有调整x的自由[注3],因为只有In 0.53 Ga 0.47 As的晶格常数能够跟InP匹配,学术上称之为lattice match。

既然晶格常数会产生一个限制式,就必须要有两个变数才能同时匹配晶格常数及调整能隙大小。所以四元化合物就出现了。例如:In x Ga 1-x As y P 1-y。工程师就能用x跟y同时匹配晶格常数跟调整能隙。

●现在可以来看图了

下图为三五族材料大杂烩,纵轴为化合物们对应的能隙,横轴为晶格常数(lattice parameter跟lattice constant是一样的)。拿In x Ga 1-x As来看,先锁定InAs及GaAs,连接两化合物的曲线即为In x Ga 1-x As,线上每一处都对应不同的x。当我们想要让In x Ga 1-x As跟InP的晶格常数匹配时,便要从InP拉一条直线向下,与In x Ga 1-x As交会处即为In 0.53 Ga 0.47 As,In 0.53 Ga 0.47 As的能隙也就被决定了。至于In x Ga 1-x As y P 1-y 的设计过于复杂,这里就不再多说。

从图可以看到,三五族化合物变化很大,因应不同的晶圆及发光波长,工程师必须进行化合物组成的计算再做制程。虽然相当复杂,但原理大致上即是如此。抓住晶格常数跟能隙两个观念就不会迷失在眼花撩乱的化合物里了。


图片来源:https://www.researchgate.net/publication/52001984_Emerging_Applications_for_Vertical_Cavity_Surface_Emitting_Lasers

注解:
[注1]三五族化合物不仅仅只能运用在光电元件,其他电子元件例如:高电子移动率电晶体(High electron mobility transistor, HEMT)也会使用三五族化合物。
[注2]三五族生长的方式通常为分子束磊晶(Molecular beam epitaxy, MBE)或金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)。
[注3]某些应用会刻意让材料因为晶格常数不匹配而产生应变(strain) 
[注4]本文偏重于光学性质探讨,事实上使用三五族半导体还有许多要考虑的因素,例如载子移动能力(Mobility)、折射率(Refractive index)或是制程难易度等等。

分享给小伙伴们:
如果本文侵犯了您的权利, 请联系本网立即做出处理,谢谢。
当前位置:孙宇晨博客 > 科普 > 《什么是三五族半导体转载请注明出处。
下一篇:没有了
相关文章
  • 为什么汽车会有天窗的设计,作用是什么?

    为什么汽车会有天窗的设计,作用是什么?

  • 汽车离合器有什么作用?

    汽车离合器有什么作用?

  • 新车多久保养一次

    新车多久保养一次

  • 汽车火花塞什么时候需要更换?故障时会怎样?

    汽车火花塞什么时候需要更换?故障时会怎样?