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1、1,學習目標,Q: 什麼是化合物半導體? (compound semiconductor)A:化合物半導體是高頻元件(High Speed Device)及光電元件(Optoelectronic Device)所不可或缺的材料，種類很多,特性不同,製程也各異。,2,化合物半導體與Si半導體的不同 (特徵),具發光的特性 (LED, LD)紅外線(看不見), 可見光, 紫外線(看不見)2.具高電子移動率大電流, 高速通訊3.應用性廣,3,參考書目,Quantum Physics (近代物理, 量子力學)1. Quantum Physics R. Eisberg, R. Resnick 2. In

2、troductory Quantum Mechanics Richard L. LiboffSolid State Physics (固態物理)1. Introduction to Solid State Physics Charles Kittel 2. Solid State Physics Ashcroft/ MerminCompound Semiconductor (化合物半導體)1. Materials Aspects of GaAs and InP Based Structures -V. Swaminathan, A. T. Macrander2. Semiconductor O

3、ptoelectronic Devices P. Bhattacharya 3. Semiconductor Material & Device Characterization D.K.Schroder4. High-Speed Semiconductor Devices S.M. Sze,4,Outline,Introductioncrystalline nature of solids/ alloy semiconductor/ lattice mismatch & pseudomorphic materials/ Crystal growthElectronic Properties

4、of Semiconductoreffective mass & bandstructure/ semiconductor statistics/ conduction processOptical Processes in Semiconductore-h pair creation & recombination/ absorption/ effect of E-field/ luminacence from QWOptical & Microwave Devicesa. LED, LDb. HEMT, HBT,5,講義內容,化合物半導體材料 . 特徵 . 種類2. 化合物半導體成長方法

5、. 晶圓成長方法 . 磊晶成長方法,晶圓:基板磊晶:在基板長單結晶層,6,GaAs Compound Introduction Flow Chart,Element Periodic Table,GaAs Characterization,- High electron velocity:Microwave device- Direct energy bandgap:Optical Electron device,GaAs Device Technology,III-V elementV elementGaAs Compound Energy bandgap;Metal,semiconduct

6、or,HEMT/HBT device-LED / LD,7,8,9,化合物半導體組成,週期/族 II B IIIB IVB VB VIB,2345,ZnCdHg,BAlGaIn,NPAsSb,SSeTe,O,C,Si,Ge,Sn,ZnSe, CdTe, CdHgTe,GaAs, InP, AlGaAs,多種元素所構成的半導體,10,砷化鎵(GaAs)化合物半導體(Compound Semiconductor)三五族(III-V),GaAs (砷化鎵)GaPInP (磷化銦)GaN (氮化鎵)AlGaAs,化合物半導體磊晶材料,InGaAsInAlAsInGaPAlGaInAsInGaAsP,L

7、i,Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,B,Al,Ga,In,C,Si,Ge,Sn,N,P,As,Sb,O,S,Se,Te,F,Cl,Br,I,Ne,Ar,Kr,Xe,IA,IIA,III,IV,V,VI,VII,VIII,Zn,Cd,Hg,IIB,化學元素週期表,11,IV族SiSiGeSiCSiGeC,II-VI族ZnSeZnSCdSeHgCdTe,其它半導體材料,無法發光,Li,Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,B,Al,Ga,In,C,Si,Ge,Sn,N,P,As,Sb,O,S,Se,Te,F,Cl,Br,I,Ne,Ar,Kr,Xe,IA,IIA,III,IV,V,VI,V

8、II,VIII,Zn,Cd,Hg,IIB,化學元素週期表,12,化合物半導體特性,13,在半導體材料中，常使用的基板(substrate)主要 有矽(Si)、鍺(Ge)或砷化鎵(GaAs)等。 矽或鍺基板是一元素型基板。 砷化鎵則為化合物半導體。由於矽或鍺本身材料的特性，使其發光效率差， 因此大多使用在電性元件上，如超大型積體電路 (VLSI)技術中的微處理器，動態記憶體(DRAM)等。而砷化鎵材料則因發光效率佳，因此常用來製作 光電元件或高速元件。,化合物半導體特性,14,GaAs,InP,15,典型化合物半導體,(Bandgap Energy),能階,16,物性的應用性,可自由的控制物質的

9、特性 元件即可達到高性能及新功能,範例:我們可以自由的控制晶格常數及能階,(Bandgap Energy),能階,17,Insulators,Semiconductors,Metals,Energy Bandgap,18,Direct / Indirect Energy Bandgap,Direct,Indirect,19,發光機制,能量,動 量,Si (間接遷移),聲子,2.5eV,1.1eV,傳導帶,GaAs (直接遷移),1.4eV,傳導帶,不需晶格振動改變其動量與能量,即可產生誘導發射及複合 最適合用於光元件,價電帶,價電帶,遷移:電子的遷移,20,光電元件操作原理,傳導帶,發光機制,

10、hn,D-A pair,傳導帶,感光機制,hn,帶與帶間,帶與帶間,受體,Schottkybarrier蕭特基位障,施體,hn,價電帶,價電帶,hn,B,21, Si - 地球上含量多 - 易長氧化層SiO2 - 散熱佳 - 間接能隙 - 低頻:PC,家電產品, GaAs - 地球上含量少 - 速度快 微波元件 - 直接能隙 光電元件 - 散熱差 磨薄製程 - 高頻:通訊產品,22,GaAs化合物半導體特性,直接能隙,光電元件(LED,VCSEL), 半絕性基板 (低寄生電容) 高電子遷移率 高飽和電子速度 較高輻射容忍度,通訊元件(VCSEL)高速元件(HEMT,HBT)衛星通訊,23,化合

11、物半導體的種類,結晶結構分類,閃鋅礦型結晶(Zinc blende) GaAs, InP GaN, CdS2. 纖維鋅礦型結晶(Wurtzite) GaN, CdS 3. (Calcopyrite) CuGaS2 ,24,範例: GaAs 和 GaN,GaAs閃鋅礦型結晶(Zinc blende) (立方晶系),: Ga : As : N,GaN纖維鋅礦型結晶(Wurtzite)(六方晶系),25,砷化鎵晶圓材料,26,source: HIC,source: AXT,砷化鎵基板晶圓,27,砷化鎵基板製作,Source: Neosemi Tech., 2001,28,結晶製作技術,最基本的四項技

12、術,晶圓(基板)長成法,鎢舟法,(Bridgment) HB, GF, VGF, VB等,LEC 法,磊晶長成法,VPE 法,LPE 法,MOCVD法,MBE 法,多運用在光元件,多運用在電子元件,SSMBEGSMBECBE,(Liquid Encapsulated Czochralski),29,鎢舟法 (晶圓成長),晶種,AS,GaAs 熔液,(HB法),HB: Horizontal Bridgeman,GF: Gradient Freeze,VGF: Vertical Gradient Freeze,VB: Vertical Bridgeman,AS,GaAs 熔液,(GF法),1250

13、C,1100C,610C,1237C,融點,晶種,30,LEC 法 (晶圓成長),LEC: Liquid Encapsulated Czochralski,N2,排氣,晶種,GaAs結晶,BN坩鍋,B2O3隔絕劑,GaAs融液,冷卻水管,加熱器,絕熱壁,31,LEC 法的特徵,主要用於電子元件, 高純度 (高電阻) 成長方向 可製作大口徑晶圓 低轉位(dislocation)密度,LEC: Liquid Encapsulated Czochralski,32,磊晶成長,GaAs,Ga,(HB法),850C,900C,750C,(氫化物) VPE 法,VPE: Vapor Phase Epita

14、xy,LPE: Liquid Phase Epitaxy,混合區域,H2GaCIAs2 As4,排氣,610C,AsH3 + H2,H2 + HCI,33,GaAs,加熱器,(LPE法),VPE: Vapor Phase Epitaxy,LPE: Liquid Phase Epitaxy,磊晶成長法,As 在低溫過飽和的狀況下會在基板上形成GaAs/AlGaAs/GaAs的層積,Ga,GaAs,Ga, Al,GaAs,Ga,GaAs,基板,34,基板尺吋趨勢,3-inch,4-inch,6-inch,?,More diesLower cost per die,Area: 9 units,Area: 16 units,Area: 36 units,