半导体材料的特性

半导体材料是室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电，室温时电阻率一般在10-5～107欧·米之间。通常电阻率随温度升高而增大;若掺入活性杂质或用光、射线辐照，可使其电阻率有几个数量级的变化。1906年制成了碳化硅检波器。

1947年发明晶体管以后，半导体材料作为一个独立的材料领域得到了很大的发展，并成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料。特性和参数半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。

不同类型半导体间接触(构成PN结)或半导体与金属接触时，因电子(或空穴)浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。

此外，半导体材料的导电性对外界条件(如热、光、电、磁等因素)的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用(如光或电场)下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。

种类常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族(如砷化镓、磷化镓、磷化铟等)、Ⅱ-Ⅵ族(如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等)、Ⅳ-Ⅵ族(如硫化铅、硒化铅等)、Ⅳ-Ⅳ族(如碳化硅)化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。

此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯;另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。

由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。

水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。

工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

半导体中的光吸收主要包括本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收及自由载流子吸收[1]。当入射光能量大于半导体材料禁带宽度时，价带中电子便会被入射光激发，越过禁带跃迁至导带而在价带中留下空穴形成电子-空穴对。这种由于电子在价带和导带的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。大量实验证明这种价带电子跃迁的本征吸收是半导体中最重要的吸收，也是光电探测器工作的理论基础。

爱因斯坦和普朗克的理论使人们认识到光不仅具有波动性也具有粒子性，即波粒二象性。光由光子组成，一束光就是—系列的光子流。光子的引入很好地描述了紫外和红外波段的电磁辐射特性。媒质中光子的速度为

式中，co是光在真空中速度，n是介质折射率。光子可以由它的频率和波长来描述：

光子的频率在真空和介质中都是一样的，而速度会随介质折射率而变化，因此光在不同介质中的波长是不同的。而光子在真空中的波长是恒定的，所以我们通常用真空中波长来描述激光或者发光二极管光谱特性。

光子也可以用它的能量来描述。即

式中，乃是普朗克常数，该式决定了特定禁带宽度的半导体材料所能吸收的光谱极限，例如硅的禁带宽度是1.12 eV，则由式(3-3)计算得

也就是说硅的光谱吸收极限是1110nm，只有波长小于该极限的光才能被硅所吸收。将普朗克常数值及光在真空中速度代入式(J-J)可以得到光吸收极限简单的表达式：

式中，Eg为半导体材料禁带宽度，若Eg的单位为eV(电子伏)，则相应的波长单位为nm。

光电探测器的工作过程为：当入射光波长小于气即对应入射光子能量大于半导体材料禁带宽度时，光子被吸收而产生的电子-空穴对在外电场作用下向正负两极运动，这样就在外电路上形成光电流，光电流流过负载电阻产生压降，从而探测出光信号。为了表征不同半导体材料对不同波长光吸收的强弱，我们引入吸收系数a：

Po为入射光强度，P(x)为体内艿处光强度，当x=1时，P(d)=PO·e，定义d为光子

穿透深度。吸收系数a=a(r)是波长的函数，它强烈依赖于波长，当入射光波长小于气时，吸收系数随波长的减小而迅速增大。

出了不同半导体材料的光吸收系数与波长的关系曲线囫。由图可见对于GaAs和InP等直接带隙半导体材料，其吸收系数曲线具有陡峭的吸收边，在可见光区域吸收系数很木(对应的穿透深度只有400～700 nm)，适合作为高速、高响应度光电探测器。对于51这样的间接带隙材料，其吸收边较平缓，吸收峰值波长为1.1 gm，与式(3-4)计算的结果相吻合，适合工作在可见光和近红外波段。由于硅的吸收系数较小，在可见光波段吸收系数要比GaAs和InP小一到两个数量级，因此需要很宽的耗尽区来吸收光生载流子。虽然硅的光吸收特性不是最好，但它是极为重要、经济并且已经广泛使用的半导体材料，因此研究硅光电子器件及硅基光电集成电路是有重要意义的。对于窄带隙的Go(0.61 eV)，它具有很宽的波长吸收范围，覆盖了光通信中1.3 gm低色散和1.55 gm低损耗两个窗口波长，因此适合作为光通信探测器。人们通常往Si中掺锗形成SiGe/Si异质结以拓展51的波长吸收范围致光通信波段。此外三元组分化合物InGaAs的波长吸收范围也较宽，常用做高速长距离光通信终端探测器。我们将在以下两节详细介绍III-V族化合物和51基光电探测器。

半导体材料的吸收主要来源于带边吸收、带间吸收和自由载流子吸收。当光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子就会被激发到导带。所以传输光的波长要大于光波导材料吸收边的波长，即导波的波长要大于1.1 gm。自由载流子吸收在半导体材料中很明显。自由载流子将会同时影响折射率的实部和虚部，用Drude方程描述吸收系数随载流子浓度的变化为

式中，e是电子电荷;c是真空中的光速;uc是电子迁移率;uh是空穴迁移率;mce是电子的有效质量;mch助是空穴的有效质量;Ne是自由电子的浓度;凡Nc自由空穴的浓度;ε0是真空中的介电常数;气是真空中的波长。