［行业知识］材料科学之半导体晶体介绍

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半导体材料是现代半导体工业及微电子工业的基石。从物理角度来讲，它指的是导电性能介于导体和绝缘体之间的一类材料。

半导体材料种类繁多，大致可分为无机半导体晶体、有机半导体材料和非晶态半导体三种。当前，非晶态半导体材料在太阳能电池方面有很大的应用前景。但从整体看来，无机半导体晶体仍在半导体材料中占主导地位。

无机半导体晶体可进一步分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体晶体三类。元素半导体晶体主要有硅、锗、硒单晶；化合物半导体又可分二元、三元和四元晶体。二元化合物半导体晶体由二种元素组成，种类繁多，有III-V族，如GaAs、GaN等；有II-VI族，如ZnSe，HgS等；有IV-IV族，如SiC等，除此外还有铅化物和氧化物半导体晶体（如ZnO）等。二元化合物半导体晶体在光电子领域有广泛应用。三元化合物半导体晶体以AlGaAs和GaAsP为代表，广泛用于发光管和固体激光器（LD）的制作。

硅单晶

硅单晶是最重要的元素半导体晶体，其产量大，发展最快，用途最广。目前世界上95%以上的半导体器件是用硅材料制作的。硅单晶具有金属光泽，硬而脆，熔点为1420℃；室温下本征电阻率为2.3×105Ω/cm。常温下化学性质稳定，不溶于大多数酸，高温下活泼。硅是典型的多能隙半导体。室温下禁带宽度为1.121eV。硅材料易高度提纯，可达12个9以上。硅单晶制作的器件工作上限在250℃。

无位错硅单晶生长技术是整个硅半导体工业的基础。硅单晶可以采用直拉法（CZ）、磁控拉制法（MCZ）、悬浮区熔法（FZ）和气相外延法。其中CZ法最为成熟，已可拉制直径达16英寸(400mm)的硅单晶。

碳化硅晶体

SiC是主要的第三代半导体材料。与第一代半导体Si和第二代半导体GaAs等单晶材料相比，SiC晶体具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高、介电常数低、化学稳定性好等特点，在高频、大功率、耐高温、抗辐照半导体器件及紫外探测器和短波发光二极管等方面具有广泛的应用前景，用其制成的器件可在600℃以上高温使用。

SiC晶体由SiC四面体密堆积而成。由于堆积方式的不同，SiC具有200多种不同的晶型，但能够稳定存在的只有3C、2H、4H、6H和15R等少数几种。相图研究表明，常压下SiC在2830℃时升华而不能形成液态，所以碳化硅晶体主要采用升华法生长。

氧化锌(ZnO)单晶是一种具有半导体、发光、压电、电光等应用的多功能晶体材料。它具有纤锌矿结构，室温下禁带宽度为3.4eV，激子结合能高达60MeV，其发光波长比GaN的蓝光波长还要短，可以进一步提高光存储的密度,因此利用ZnO做成的激光器在提高光存储方面的有重大的应用前景。

氧化锌晶体

氧化锌的带边发射在紫外区，非常适宜作为白光LED的激发光源材料，凸显了ZnO在半导体照明工程中的重要地位，并且与SiC、GaN等其它的宽带隙材料相比，ZnO具有资源丰富、价格低廉、高的化学和热稳定性，更好的抗辐照损伤能力，适合做长寿命器件等多方面的优势。此外，ZnO与GaN的物理性能非常接近，其晶格失配度很小，是GaN晶体生长最理想的衬底材料。

氧化锌是一致熔融化合物,熔点为1975℃。由于高温下ZnO的挥发性很强，传统的提拉法等熔体生长工艺很难获得ZnO体单晶。目前,ZnO体单晶的生长方法主要有缓慢冷却法、水热法和气相生长法。采用水热法，可以从KOH和LiOH混合水溶液中生长ZnO晶体。晶体呈浅绿色或浅黄色，完整性较好，但尺寸还不够大，难以满足工业应用的需求。

FEMAG软件简介：

比利时FEMAG软件是世界上第一款商业的晶体生长数值模拟软件，由国际著名流体力学与晶体生长模型化专家、鲁汶大学F. Dupret教授于20世纪80年代开发。FEMAG拥有国际上最先进、高效的提拉法、区熔法、坩埚下降法等晶体生长仿真技术，应用于IC、光伏太阳能、半导体、蓝宝石等领域，ONSEMI、Siltronic、Kute、Nexolon等国际顶尖高科技材料公司，均是FEMAG的用户。

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