三五族半導體是什麼？

■在半導體的世界裡，矽是大家最耳熟能詳。所有課程也都從矽入門，但我們還是會不時聽到三五族化合物(或二六族)，究竟三五族化合物跟矽有什麼不同呢？

 撰文｜方程毅

當我們攤開元素週期表找尋半導體時，當然會先鎖定四族的矽(Si)跟鍺(Ge)；其他用化合物形成的半導體材料都必須要形成四個價電子的化合物，因此三五族化合物就是由三族的鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及五族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等等組成。由於是化合物，所以組成方式非常多種，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，要三五族幹嘛？

既然矽工業如此強大，材料又便宜，到底形形色色的三五族材料有什麼優勢？

那就是光學特性！

以光電元件，例如雷射、LED 或光偵測器來說，會需要材料本身的特性能夠對應到工作所需波長，但矽是一個單一材料，能矽(Band gap)固定，因此在光學部分的應用上來說相對受限。

另一項更重要的因素是「矽的發光特性非常差」。任何需要發光的光電元件(雷射或LED)都沒有矽的份。(因為矽是間接能隙(Indirect bandgap)；而大部分的三五族化合物為直接能隙(direct bandgap))[註1]

●為什麼三五族要這麼多種？

因為要發出(或吸收)不同波長的光。一個材料發光的波長(也就是顏色)取決於其能隙的大小。三五族化合物的能隙各有不同，因此可以做出各種波段的元件。

下表為幾個常見二元三五族化合物的能隙及其對應發光波長(可見光長約為 400nm 至 700nm)，例如：GaN 是作為紫外光或紫光 LED 的材料；GaAs 可以作為紅外線 LED。

 

●兩個元素就好了，要三元四元幹嘛？

從上表可以看到，雖然二元三五族可以涵蓋不同波長，但材料本身的能隙還是固定的。如果能讓不同的二元三五族化合物混搭，就可以做出各種不同能隙的材料，達到我們想要的發光波長。

先簡單看一個三元化合物的例子：InGaAs。InGaAs是紅外光雷射及偵測器的主要材料，其正確化學組成應該是 In_xGa_1-xAs，這就像是拿 GaAs 跟 InAs 以不同比例進行混合，其能隙會介於 1.424eV 到 0.354eV 之間，最常見的是 In_0.53Ga _0.47As，其能隙為 0.75eV，發光波段約為 1653nm。

三元不滿足，還可以四元，例如 InGaAsP，其組成為 In_xGa_1-xAs_yP_1-y，發光波長可以從 1200nm 到 1650nm 左右。

●看起來三元就可以調波長了，用到第四元又是為什麼？

這就要談到材料成長時實際上面對的製程問題。這些三元四元化合物雖然變化很多，但不是隨便生出來的，必須要跟對應的晶圓配合。

我們熟悉的矽晶圓，是一整片矽，在上面進行蝕刻或鍍膜等等半導體製程，主體都還是矽。但三五族就比較複雜，通常三元或四元化合物本身不會是一片晶圓，而是將這些材料成長[註2]在二元化合物或其他晶圓上。

舉個例子：In_xGa_1-xAs。我們不會看到一整片 In_xGa_1-xAs 的晶圓，而是會拿一片InP晶圓，再將 In_xGa_1-xAs 成長在 InP 晶圓上。但在 InP 晶圓上的 In_xGa_1-xAs 不能隨便長，必須要考慮不同化合物的晶格常數(lattice constant)。晶格常數簡單來說就是原子跟原子之間的間距，當我們想要將 A 化合物長在 B 化合物的晶圓上時，會希望A及B的原子間距越接近越好，因為化合物之間要一個對一個，否則接近 AB 接面的 A 材料晶格常數就會被強迫變成B的晶格常數。

假設 B 的晶格常數為 6 Å，我們會希望A化合物本身的晶格常數越接近 6 Å 越好。如果A化合物的晶格常數小於 6 Å，當把 A 強行長在 B 上面，接面處 A 的組成原子要被強迫拉扯至 6 Å，相當於這層材料受到了拉應力，裡面的缺陷就會變多；反之A化合物的晶格常數大於 6 Å，長在 B 上時 A 就受到壓應力。

所以回頭看看 In_xGa_1-xAs，當被成長在 InP 晶圓上時，我們並沒有調整 x 的自由[註3]，因為只有 In_0.53Ga _0.47As 的晶格常數能夠跟 InP 匹配，學術上稱之為 lattice match。

既然晶格常數會產生一個限制式，就必須要有兩個變數才能同時匹配晶格常數及調整能隙大小。所以四元化合物就出現了。例如：In_xGa_1-xAs_yP_1-y。工程師就能用 x 跟 y 同時匹配晶格常數跟調整能隙。

●現在可以來看圖了

下圖為三五族材料大雜燴，縱軸為化合物們對應的能隙，橫軸為晶格常數(lattice parameter跟lattice constant是一樣的)。拿 In_xGa_1-xAs 來看，先鎖定 InAs及GaAs，連接兩化合物的曲線即為 In_xGa_1-xAs，線上每一處都對應不同的x。當我們想要讓 In_xGa_1-xAs 跟 InP 的晶格常數匹配時，便要從 InP 拉一條直線向下，與 In_xGa_1-xAs 交會處即為 In_0.53Ga _0.47As，In_0.53Ga _0.47As 的能隙也就被決定了。至於 In_xGa_1-xAs_yP_1-y 的設計過於複雜，這裡就不再多說。

從圖可以看到，三五族化合物變化很大，因應不同的晶圓及發光波長，工程師必須進行化合物組成的計算再做製程。雖然相當複雜，但原理大致上即是如此。抓住晶格常數跟能隙兩個觀念就不會迷失在眼花撩亂的化合物裡了。

註解：
[註1] 三五族化合物不僅僅只能運用在光電元件，其他電子元件例如：高電子移動率電晶體(High electron mobility transistor, HEMT)也會使用三五族化合物。
[註2] 三五族生長的方式通常為分子束磊晶(Molecular beam epitaxy, MBE)或金屬有機化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)。
[註3] 某些應用會刻意讓材料因為晶格常數不匹配而產生應變(strain)
[註4] 本文偏重於光學性質探討，事實上使用三五族半導體還有許多要考慮的因素，例如載子移動能力(Mobility)、折射率(Refractive index)或是製程難易度等等。

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。