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 InxGa1-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 In0.53Ga 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 InxGa1-xAsyP1-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:InxGa1-xAs。我們不會看到一整片 InxGa1-xAs 的晶圓,而是會拿一片InP晶圓,再將 InxGa1-xAs 成長在 InP 晶圓上。但在 InP 晶圓上的 InxGa1-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 InxGa1-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 In0.53Ga 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:InxGa1-xAsyP1-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 InxGa1-xAs 來看,先鎖定 InAs及GaAs,連接兩化合物的曲線即為 InxGa1-xAs,線上每一處都對應不同的x。當我們想要讓 InxGa1-xAs 跟 InP 的晶格常數匹配時,便要從 InP 拉一條直線向下,與 InxGa1-xAs 交會處即為 In0.53Ga 0.47As,In0.53Ga 0.47As 的能隙也就被決定了。至於 InxGa1-xAsyP1-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。

圖片來源:https://www.researchgate.net/publication/52001984_Emerging_Applications_for_Vertical_Cavity_Surface_Emitting_Lasers

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。

 

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