半導體材料

1. 半導體材料 化材一乙 洪品4A240061 化材一乙 賴兪亘 4a240063 化材一乙 張詠承 4a240062

2. 前言 • 近幾年科技的日新月異，半導體材料被活用在許多電子產品中、以及太陽能電池、發光二極體……。因此半導體對於我們的生活可以說是息息相關。

3. 目錄 • 半導體介紹 • 半導體原理 • 半導體的種類 • 半導體光電特性 • 半導體之污染源及污染特性 • 半導體製程 • 半導體用途 • 半導體的結構 • 參考文獻

4. 半導體原理 • 一般固體根據導電性分為導體、半導體及絕緣體。而半導體系指導半導體是指能隙(band gap)介於導體與絕緣體間的材料。材料元件內自由電子濃度(n值)與其傳導率成正比。因此半導體n值則介乎此二值之間。半導體通常採用矽當導體，乃因矽晶體內每個原子貢獻四個價電子，而矽原子內部原子核帶有四個正電荷。相鄰原子間的電子對，構成了原子間的束縛力，因此電子被緊緊地束縛在原子核附近，而傳導率相對降低。當溫度升高時，晶體的熱能使某些共價鍵斯鍵，而造成傳導。這種不完全的共價鍵稱為電洞，它亦成為電荷的載子。

5. 純半導體中，電洞數目等於自由電子數，當將少量的三價或五價原子加入純矽中，乃形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)半導體。並可分為施體與受體，分述如下：純半導體中，電洞數目等於自由電子數，當將少量的三價或五價原子加入純矽中，乃形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)半導體。並可分為施體與受體，分述如下： • 1.施體(N型) • 當摻入的雜質為五價電子原子(如砷)，所添入原子取代矽原子，且第五個價電子成為不受束縛電子，即成為電流載子。因貢獻一個額外的電子載子，稱為施體(donor) 。 • 2.受體(P型) • 當將三價的雜質(如硼)加入純矽中，僅可填滿三個共價鍵，第四個空缺形成一個電洞。因而稱這類雜質為受體(acceptor) 。

6. 半導體的種類 • 半導體材料依其構成的元素可分為元素半導體（element semiconductors）以 • 及化合物半導體(compound semiconductors)。元素半導體，例如矽(silicon, Si)、 • 鍺(germanium, Ge)，由單一的四價元素（有四個價電子）所形成。常見化合物半 • 導體又可依照成分元素的週期表分類分為四四族化合物半導體（如碳化矽 SiC、 • 矽鍺合金等）、三五族化合物半導體（如砷化鎵 GaAs、氮化鎵 GaN、磷化鎵 GaP、 • 砷化銦 InAs等二元化合物，及砷化鋁鎵 AlGaAs、磷化銦鎵 GaInP、氮化銦鎵 • GaInN、磷砷化銦鎵 InGaAsP等三元或四元化合物）、以及二六族化合物半導體 • （如硫化鎘 CdS、鍗化鎘 CdTe、硫化鋅 ZnS等）。圖 2 是週期表內二價到六價的 • 元素，大部分的半導體是由這些元素所組成。 • 元素半導體中的矽是目前工業中最主要的半導體材料，其原因在於矽在地球 • 表殼中存量豐富，又能在上面長出品質良好的氧化層，適合大規模的積體電路的 • 製作。其他半導體則依其特性各有不同的用途，例如三五族半導體有優良的發光 • 特性以及快速的電子傳導特性，因此在光電產業及通訊電子方面就佔有非常重要 • 的角色。

7. 半導體依「產品」可分成以下幾類： 圖片來源:http://zhe09.pixnet.net/blog/post/50916049-%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94%E7%94%A2%E6%A5%AD%E6%A6%82%E8%AB%96-%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94%E7%A8%AE%E9%A1%9E

8. 半導體光電特性 • 半導體能夠在光電產業扮演重要的角色，主要是靠半導體吸收和放出光子的 • 特性。以矽為例，他的帶溝是 1.1eV，對應到光譜上的紅外線，部分紅外線及可 • 見光的光子能量均比矽的帶溝大，也就是說這些光子入射到矽晶片上，可被共價 • 鍵的電子吸收產生電子電洞對，導電率因此升高，光的訊號轉也就換成電的訊 • 號。這個特性可以用來偵測能量比帶溝大的光子，製作出來的光電元件叫做光偵 • 測器(optical detector)。現在市面上一般的手提攝影機或數位相機，即是用一以矽 • 晶片為基礎的二維光偵測器陣列放在透鏡之後代替傳統的底片，用來記錄光學影 • 像。若想偵測波長更長的光子，就應考慮帶溝更小的材料。

9. 半導體導電電子和電洞復合時可以放出能量約和帶溝相同之光子，可以利用來製作光源。半導體導電電子和電洞復合時可以放出能量約和帶溝相同之光子，可以利用來製作光源。 • 例如砷化鎵的帶溝為 1.4eV，相當於波長約 0.9 mm的紅外光，可被用來做紅外光發光二極體或雷射二極體的材料。如果要做可見光的光源，那就必須利用到帶溝能量和可見光光子相同的材料，紅光的能量約在 1.7 到 1.8eV，一般要使用磷砷化鎵(GaAsP)類的三元化合物。目前產業界最有興趣，也是研究的重心，是在藍綠光的光源，必須用到帶溝約在 2.2eV 到 2.6eV 的材料，這個範圍的材料不容易製作，使用上還不像紅光那麼普遍，主要的材料是氮化銦鎵(InGaN)。由穩定的紅、綠和藍三種半導體光源，我們就能混合出任何顏色的光。

10. 污染源及污染特性 • 污染源概述 • 半導體工業因產品不斷研發而製程亦隨著更改，從以往所採用之濕式製程到現在採用減壓後之氣體乾式製程，及目前興起之化合物半導體研究也正迅速發展中。隨著這些技術之革新，半導體製造時所使用之酸鹼溶液、有機溶劑、特殊氣體材料之種類及數量均在增加之中，而這些製程原料大部份都其有毒性，所以應特別注意並加以防範與控制。以下乃針對此產業各類生產流程，說明廢氣、廢水及廢棄物污染來源，以期能掌握各項污染物之排放。 • 空氣污染源 • 半導體製造不管在矽晶圓、積體電路製造，或是IC晶片構裝，其生產製程相當繁雜，製程申所使用之化學物質種類亦相當多，而這些化學物質或溶劑的使用是為半導體生產之主要空氣污染源，也因此使得半導體製造空氣污染呈現量少但種類繁多的特性。

11. 晶圓及積體電路製造過程中幾乎每個步驟皆分別使用各式各樣的酸鹼物質、有機溶劑及毒性氣體，而各種物質經過反應後又形成種類頗為複雜之產物，各製程不同使用的化學物質亦不相同，故所有製程幾乎部可能是空氣污染源，且皆為連績排放。圖2.1中說明晶圓及積體電路製程申可能之污染源及其排放之污染物。依污染物特性予以歸類，可將晶圓及積體電路製程空氣污染區分為下列三處：晶圓及積體電路製造過程中幾乎每個步驟皆分別使用各式各樣的酸鹼物質、有機溶劑及毒性氣體，而各種物質經過反應後又形成種類頗為複雜之產物，各製程不同使用的化學物質亦不相同，故所有製程幾乎部可能是空氣污染源，且皆為連績排放。圖2.1中說明晶圓及積體電路製程申可能之污染源及其排放之污染物。依污染物特性予以歸類，可將晶圓及積體電路製程空氣污染區分為下列三處： • 1. 氧化擴散及化學蒸著沉積製程中所使用具有毒性、可燃性之氣體以及反應後所生成之氣體。 • 2. 蝕刻及清洗製程中所產生之酸鹼氣體。 • 3. 黃光室製程中所產生之有機溶劑氣體。 • 至於晶圓切割成晶片，再經過一連串之構裝作業，可能之空氣污染源包括:電鍍區產生之酸鹼廢氣、浸錫區產生之錫煤煙，以及清洗過程產生之酸氣與有機溶劑蒸氣等三大類。圖2.2中則標示IC晶片構裝作業程序可能之空氣污染源及其排放之污染物。

12. 污染物種類及特性 • IC製造主要使用之化學物質 • 半導體製造工業在產業史上屬危險性較高之工業，尤其是超LSI製程需經過很多層之處理而成形，構成非常精密的回路，須於氣相中處理。同時這些處理都要在瞬間的狀態下進行，所以使用之氣體也採用化學活性高的元素，例如超LSI基於物理特性考慮，而使用金屬、半金屬及非金屬為氣體化之氫化物，烷基化合物(alkyl)或低級鹵素化合物(halogen)等。製程中由氧化至清洗階段包括光罩、蝕刻、離子植入及不純物擴散等，也都需使用具有毒性之膠合劑氣體及矽烷類氣體。

13. 另外一般濕式製程中的蝕刻及清洗則使用大量的酸鹼溶液，基本上有氫氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、鹽酸(HCIl及氨(NH3)等，使用時大都形成混合液(buffer solution)。 • 然而製程中幾乎每個步驟都使用有機溶劑，尤其在黃光區中光阻液清洗、濕像液清除、蝕刻液清除及晶圓清洗等均使用大量有機溶劑，主要有丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、丙醇、甲醇、三氯乙烷、丁酮、甲苯、苯、二甲苯、乙醇、乙酸甲酯、二氯乙烯及氯醛等。 • 同一操作單元所使用之化學物質隨工廠之不同而異，而每個工廠也不一定使用所有化學物質，而本節中所列乃為工廠目前主要使用之化學物質。

14. 半導體製程 • 半導體工業所使用之材料包含單一組成的半導體元素，如矽(Si)、鍺(Ge)(屬化學週期表上第四族元素)及多成分組成的半導體含二至三種元素，如鎵砷(GaAs)半導體是由第三族的鎵與第五族的砷所組成。在1950年代早期，鍺為主要半導體材料，但鍺製品在不甚高溫情況下，有高漏失電流現象。因此，1960年代起矽晶製品取代鍺成為半導體製造主要材料。半導體產業結構可區分為材料加工製造、晶圓之積體電路製造(中游)及晶圓切割、構裝等三大類完整製造流程，如圖1.2所示。其中材料加工製造，是指從矽晶石原料提煉矽多晶體，直到晶圓產出，此為半導體之上游工業。此類矽晶片再經過研磨加工及多次磊晶爐則可製成研磨晶圓成長成為磊晶晶圓，其用途更為特殊，且附加價值極高。其次晶圓之體積電路製造，則由上述各種規格晶圓，經由電路設計、光罩設計、蝕刻、擴散等製程，生產各種用途之晶圓，此為中游工業。而晶圓切割、構裝業係將製造完成的晶圓，切割成片狀的晶粒，再經焊接、電鍍、包裝及測試後即為半導體成品。

15. 半導體用途 • 現在半導體應用很廣,包括發光二極體和太陽能電池等等... • 奈米技術也能和半導體材料做結合,形成所謂的量子井與量子點等結構。 • 就不同工業需求使用矽晶圓、光阻劑、顯影液、酸蝕刻液及多種特殊氣體為製程申的原料或添加物等，以完成複雜的積體電路製作。

16. 音訊 • 汽車工業 • 寬頻解決方案 • 數位控制 • 軍用產品 • 光纖網路 • 安全機制 • 電話設備 • 視訊及影像 • 無線通訊 • 以上皆為半導體所應用的地方

17. 半導體可大可小 看其應用在何種方面上

18. 半導體的鍵結與晶格結構 • 半導體的特性和其組成原子間的鍵結以及晶格結構有密切的關係。以矽和鍺 • 為例，原子最外層有四個價電子，若最鄰近原子數為 4，則原子間的鍵結形式為 • 所謂的 sp3 混成軌道形成之共價鍵，所形成的晶格結構和鑽石相 • 同，稱為鑽石結構，圖 (a)是他的一個單位立方晶格中原子排 • 列的情形，實際的結構就是以此為單位重複的在空間中排列。鑽石結構可以看成 • 是兩個相同的面心立方晶格（由正立方體 8 個頂點及 6 個面的中心點組成），在 • 沿著對角線方向相錯四分之一個對角線長度排列。我們可以看出鑽石結構是一個 • 很空洞的結構。 • 三五族化合物半導體（例如砷化鎵）的平均價電子數也是 4，五族元素多出 1 • 個電子剛好補足三價元素之不足，因此可以形成和鑽石結構類似的晶格，稱做閃鋅(Zincblende)結構，如圖 3(b)所示，其中每一個三族元素（鎵）有 4 個最鄰近的 • 五族元素（砷），同樣的每一個五族元素（砷）有 4 個最鄰近的三族元素（鎵）。

19. (a)鑽石結構 (b)閃鋅結構

20. 參考文獻 • http://zhe09.pixnet.net/blog/post/50916049-%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94%E7%94%A2%E6%A5%AD%E6%A6%82%E8%AB%96-%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94%E7%A8%AE%E9%A1%9E • http://www2.nsysu.edu.tw/IEE/lou/elec/web/process/semi.htm • http://ezphysics.nchu.edu.tw/prophys/condmatt/handouts/chap8semicon/semiconI.pdf • https://tw.knowledge.yahoo.com/question/question;_ylt=A8tUwZJoqoxTwhgAY6Vr1gt.;_ylu=X3oDMTEzczRtOXFzBHNlYwNzcgRwb3MDMgRjb2xvA3R3MQR2dGlkA1RXQzA4MV8x?qid=1206040613026