國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 1
半導體物理
何謂半導體？
半導體之分類
半導體之純度
半導體材料之結構
一般晶格所常用之術語
半導體材料之獲得？
塊材與薄膜之關連國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 2
何謂半導體？
以通俗的字眼來說便是一種材料它的導電度介於金屬與非金屬之間。
以專業的眼光來看便是該材料的電阻值可藉由摻入雜質的種類、數量來調整。
雜質種類的不同將可以決定載子（ carrier)
的型態。當有特定區域適合這兩種型態的載子相互結合時，電子元件的種種特性便接踵而來。
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 3
絕緣體、半導體、金屬之電阻比較國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 4
與半導體相關之週期元素國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 5
半導體之分類
Elemental semiconductor--Si,Ge
Compound semiconductor
IV-IV---SiC
III-V----AlP,AlAs,GaAs,GaSb,InP,InAs,
II-VI ---ZnO,ZnS,ZnSe,CdTe,HgTe
IV-VI---PbS,PbSe,PbTe
Alloys
Binary---Si1-xGex
Tenary---AlGaAs,AlInAs,HgCdTe
Quaternary---AlGaAsSb
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 6
半導體分類
基本上以週期表的第四族為基準點，其共通特性是每一原子平均有四個價電子
事實上近年來材料的演進極為快速，凡是與電子元件工業相關連的材料都被統稱電子材料，而半導體材料的定義逐漸廣義化，凡是可以產生正負型載子的材料都可稱之半導體。
傳統上半導體材料依舊落於無機材料，
近年來有機材料正被重視當中。
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 7
Element and Compound
Semi
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 8
半導體純度
由於半導體的電阻值乃是藉由雜質的濃度來調整，因此在未加入雜質之前半導體的純度通常是非常重要，
以 Si為例其純度可達每 109個 Si原子允許一顆雜質存在。
在一般元件上其雜質摻入的數量與 Si
的數量比其範圍在 1:108至 1:103之間，
而其電阻值的變化可從數十 W至零點幾個 W
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 9
半導體材料結構
一般材料結構可區分為非晶系，多晶系以及單晶系。其重大的區別在於原子排列規則性持續的程度大小而定。
在半導體元件應用上，該三種型態結構都有其應用的價值。唯獨當元件是用來作為主動元件時，則該半導體必須是單晶型態。
晶格結構決定在原子排列的方式。自然界晶格的種類可區分為七大晶系國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 10
半導體材料結構
半導體晶格結構大部分呈現下面三種結構
Diamond structure
Si,Ge
Zincblende structure
GaAs,InP
Wuzite structure
GaN,AlN
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 11
晶格結構國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 12
Si 之晶格結構國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 13
半導體之鍵結國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 14
Wuzite structure
b
c
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 15
一般晶格常用之術語
Miller Indices
為了方便描述晶體的形狀以及容易定義晶體的方向，因此有下列的定義
任何包含原子的平面與晶軸相交所得之截距，將它取為倒數，然後再乘上一整數使其分數消失，最後所得之數字便代表該平面，此數字稱之為 Miller indices
平面的表示與方向的表示
(100),{100},[100].<100>
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 16
Miller indicies
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 17
半導體材料成長
可區分為塊材與薄膜
塊材
將純度不高之 SiO2在高溫下以碳將其還原成中純度之 Si,然後利用 HCl使其反應成 SiHCl3的液體，再利用其沸點不同之特性加以蒸餾，最後形成高純度之 Si塊
在融融狀態下以種晶在極慢的速度下拉晶
拉晶的方式區分為水平式（ bridgman)與垂直式 (Czochralski)
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 18
晶圓的提煉與製造國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 19
晶圓的製造國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 20
晶格常數與能隙之關係國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 21
薄膜成長
LPE (Liquid-Phase Epitaxy)
VPE (Vapor-Phase Epitaxy)
CVD (Chemical Phase Deposition)
MOCVD (Metal-Organic CVD)
LPCVD (Low Pressure CVD)
PRCVD (Plasma Enhanced CVD)
MBE (Molecular Beam Epitaxy)
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 22
液相磊晶 (LPE)
熱平衡狀態下成長
採用材料熔點會因不同材料混合時熔點下降之特點
Example,GaAs (m.p.=1238C)
GaAs+Ga (m.p.<<1238C)
優點,產量大，成本較低，成長速度快
缺點：無法精確控制薄膜厚度，無法成長極薄之薄膜，無法成長多樣式不同成分之薄膜，界面分野較不清楚國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 23
氣相磊晶 (Vapor Phase Epitaxy)
非熱平衡狀態下成長
材源以氣相方式滯留在基底附近，
藉基底之熱源將該材源給予熱解，
進而沈積在基底表面。
材源可以有多樣化，氣體或液體均可。
藉由流量控制器控制成長速度，因此薄膜厚度的長控，可以相當精準國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 24
所使用之氣體，通常含有劇毒，在安全方面的考量，須較為慎重。
薄膜成長速度快，產量大，為業界的寵兒。
基於材源的多樣性，不限於半導體薄膜的成長，各種材料均可適用國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 25
分子束磊晶
利用超高真空環境將高純度材源由固體加熱成氣體，隨即該氣體成為所謂分子束以熱能為其運動能移動至基底上形成薄膜。
儀器造價昂貴
薄膜品質遠較其他成長方法優良
能在極低之溫度下成長薄膜，同時依舊保有優良品質國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 26
在相關儀器的配合下能夠達到動態控制薄膜厚度的控制成長。
保有防止其他雜質污染的最大優點。
成長速度慢，量產不易，大都用來成長特殊高附加價值之半導體薄膜。
改良式的儀器可利用液體極氣體之材源，增加該方法的適用範圍。
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 27
由於在超高真空環境之下，有助於表面科學對於薄膜成長的研究
配合其他真空腔體的結合，容易達到所謂一貫作業的處理系統國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 28
分子束磊晶儀
半導體物理
何謂半導體？
半導體之分類
半導體之純度
半導體材料之結構
一般晶格所常用之術語
半導體材料之獲得？
塊材與薄膜之關連國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 2
何謂半導體？
以通俗的字眼來說便是一種材料它的導電度介於金屬與非金屬之間。
以專業的眼光來看便是該材料的電阻值可藉由摻入雜質的種類、數量來調整。
雜質種類的不同將可以決定載子（ carrier)
的型態。當有特定區域適合這兩種型態的載子相互結合時，電子元件的種種特性便接踵而來。
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 3
絕緣體、半導體、金屬之電阻比較國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 4
與半導體相關之週期元素國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 5
半導體之分類
Elemental semiconductor--Si,Ge
Compound semiconductor
IV-IV---SiC
III-V----AlP,AlAs,GaAs,GaSb,InP,InAs,
II-VI ---ZnO,ZnS,ZnSe,CdTe,HgTe
IV-VI---PbS,PbSe,PbTe
Alloys
Binary---Si1-xGex
Tenary---AlGaAs,AlInAs,HgCdTe
Quaternary---AlGaAsSb
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 6
半導體分類
基本上以週期表的第四族為基準點，其共通特性是每一原子平均有四個價電子
事實上近年來材料的演進極為快速，凡是與電子元件工業相關連的材料都被統稱電子材料，而半導體材料的定義逐漸廣義化，凡是可以產生正負型載子的材料都可稱之半導體。
傳統上半導體材料依舊落於無機材料，
近年來有機材料正被重視當中。
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 7
Element and Compound
Semi
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 8
半導體純度
由於半導體的電阻值乃是藉由雜質的濃度來調整，因此在未加入雜質之前半導體的純度通常是非常重要，
以 Si為例其純度可達每 109個 Si原子允許一顆雜質存在。
在一般元件上其雜質摻入的數量與 Si
的數量比其範圍在 1:108至 1:103之間，
而其電阻值的變化可從數十 W至零點幾個 W
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 9
半導體材料結構
一般材料結構可區分為非晶系，多晶系以及單晶系。其重大的區別在於原子排列規則性持續的程度大小而定。
在半導體元件應用上，該三種型態結構都有其應用的價值。唯獨當元件是用來作為主動元件時，則該半導體必須是單晶型態。
晶格結構決定在原子排列的方式。自然界晶格的種類可區分為七大晶系國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 10
半導體材料結構
半導體晶格結構大部分呈現下面三種結構
Diamond structure
Si,Ge
Zincblende structure
GaAs,InP
Wuzite structure
GaN,AlN
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 11
晶格結構國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 12
Si 之晶格結構國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 13
半導體之鍵結國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 14
Wuzite structure
b
c
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 15
一般晶格常用之術語
Miller Indices
為了方便描述晶體的形狀以及容易定義晶體的方向，因此有下列的定義
任何包含原子的平面與晶軸相交所得之截距，將它取為倒數，然後再乘上一整數使其分數消失，最後所得之數字便代表該平面，此數字稱之為 Miller indices
平面的表示與方向的表示
(100),{100},[100].<100>
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 16
Miller indicies
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 17
半導體材料成長
可區分為塊材與薄膜
塊材
將純度不高之 SiO2在高溫下以碳將其還原成中純度之 Si,然後利用 HCl使其反應成 SiHCl3的液體，再利用其沸點不同之特性加以蒸餾，最後形成高純度之 Si塊
在融融狀態下以種晶在極慢的速度下拉晶
拉晶的方式區分為水平式（ bridgman)與垂直式 (Czochralski)
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 18
晶圓的提煉與製造國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 19
晶圓的製造國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 20
晶格常數與能隙之關係國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 21
薄膜成長
LPE (Liquid-Phase Epitaxy)
VPE (Vapor-Phase Epitaxy)
CVD (Chemical Phase Deposition)
MOCVD (Metal-Organic CVD)
LPCVD (Low Pressure CVD)
PRCVD (Plasma Enhanced CVD)
MBE (Molecular Beam Epitaxy)
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 22
液相磊晶 (LPE)
熱平衡狀態下成長
採用材料熔點會因不同材料混合時熔點下降之特點
Example,GaAs (m.p.=1238C)
GaAs+Ga (m.p.<<1238C)
優點,產量大，成本較低，成長速度快
缺點：無法精確控制薄膜厚度，無法成長極薄之薄膜，無法成長多樣式不同成分之薄膜，界面分野較不清楚國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 23
氣相磊晶 (Vapor Phase Epitaxy)
非熱平衡狀態下成長
材源以氣相方式滯留在基底附近，
藉基底之熱源將該材源給予熱解，
進而沈積在基底表面。
材源可以有多樣化，氣體或液體均可。
藉由流量控制器控制成長速度，因此薄膜厚度的長控，可以相當精準國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 24
所使用之氣體，通常含有劇毒，在安全方面的考量，須較為慎重。
薄膜成長速度快，產量大，為業界的寵兒。
基於材源的多樣性，不限於半導體薄膜的成長，各種材料均可適用國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 25
分子束磊晶
利用超高真空環境將高純度材源由固體加熱成氣體，隨即該氣體成為所謂分子束以熱能為其運動能移動至基底上形成薄膜。
儀器造價昂貴
薄膜品質遠較其他成長方法優良
能在極低之溫度下成長薄膜，同時依舊保有優良品質國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 26
在相關儀器的配合下能夠達到動態控制薄膜厚度的控制成長。
保有防止其他雜質污染的最大優點。
成長速度慢，量產不易，大都用來成長特殊高附加價值之半導體薄膜。
改良式的儀器可利用液體極氣體之材源，增加該方法的適用範圍。
國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 27
由於在超高真空環境之下，有助於表面科學對於薄膜成長的研究
配合其他真空腔體的結合，容易達到所謂一貫作業的處理系統國立中山大學材料科學研究所 半導體物理 28
分子束磊晶儀
