半導(dǎo)體材料按其化學(xué)組分,可分為無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體。目前應(yīng)用于微電子和光電子產(chǎn)業(yè)的大多數(shù)都是無機(jī)半導(dǎo)體。無機(jī)半導(dǎo)體按組成可分為元素半導(dǎo)體(如硅、鍺)、化合物半導(dǎo)體(如砷化鎵)和合金半導(dǎo)體(如硅鍺、鋁鎵砷),其中,以硅和砷化鎵為代表的元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體是兩類最常用的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體按結(jié)晶狀態(tài)又可分為單晶、多晶和非晶半導(dǎo)體。在現(xiàn)代集成電路工業(yè)中大量使用的是單晶半導(dǎo)體,本節(jié)將對常用半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)以及晶體學(xué)一些基本概念進(jìn)行介紹。

2.2.1金剛石結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)

硅和砷化鎵是現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)最常見的兩類半導(dǎo)體,它們的晶體結(jié)構(gòu)分別屬于立方晶系的金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu),分別如圖2.4(a)和(b)所示[。半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展早期使用的鍺也同屬金剛石結(jié)構(gòu),而其他許多-V族化合物半導(dǎo)體(如GaP、GaSb)也同屬閃鋅礦結(jié)構(gòu)。

金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)，都可以看成是面心立方結(jié)構(gòu)沿體對角線平移1/4對角線長度而成。兩者區(qū)別在于，金剛石結(jié)構(gòu)中只有一種原子(如硅)，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)中面心結(jié)構(gòu)上的原子與體內(nèi)對角線處的4個原子屬兩種原子(如砷和鎵)?？梢钥闯觯还苁墙饎偸Y(jié)構(gòu)還是閃鋅礦結(jié)構(gòu)，每個原子周圍都有4個最近鄰原子，它們位于一個正四面體的頂點上，這正是由于sp雜化后每個原子可提供4個等價成鍵軌道。

2.2.2 晶體的晶向與晶面

單晶體通過這種結(jié)構(gòu)單元按周期性排列組成。單晶材料的物理特性一般具有較強(qiáng)的各向異性,因此,實際工作中在描述半導(dǎo)體具有某種特性時往往需要指明一定的方向。晶體中有兩種方向的定義:一種是晶列的方向,即晶向;另一種是晶面的方向,即晶面法線的方向。只要取定一個描述晶體點陣的坐標(biāo)系(即基矢)，某一方向在該坐標(biāo)系中的投影(基矢的倍數(shù))即可以標(biāo)志該方向,晶向用[hkl]或(hkl)表示,晶面指數(shù)用(hkl)表示。在晶體中為最大限度地表現(xiàn)晶體對稱性,如在金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)中分別取立方體的3條相互垂直的棱作為基矢,該立方體的棱長稱為晶格常數(shù),硅、鍺和砷化鎵這3種半導(dǎo)體的晶格常數(shù)分別為5.43A、5.65A和5.63A。在這種具有高度對稱性的坐標(biāo)系中的晶面指數(shù)又稱為密勒指數(shù),圖2.5表示了密勒指數(shù)分別為(100)、(110)和(111)的3個晶面[1]。