半导体材料晶体结构(crystal structure of semiconductor)  

决定半导体材料的基本物理特性，即原子或离子的长程有序的周期性排列。按空间点阵学说，晶体的内在结构可概括为一些相同点在空间有规则地作周期性的无限分布。点子的总体称为点阵，通过点阵的结点可作许多平行的直线组和平行的晶面组。这样，点阵就成网格，称为晶格。由于晶格的周期性，可取一个以格点为顶点、边长等于该方向上的周期的六面体作为重复单元，来概括晶格的特征。固体物理学取最小的重复单元，格点只在顶角上。这样的重复单元只反映晶体结构的周期性，称为原胞。结晶学取较大的重复单元，格点不仅在顶角上，还可在体心和面心上，这样的重复单元既反映晶格的周期性，也反映了晶体的对称性。

常见的半导体的晶体结构有金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型和氯化钠型4种，如图和表所示。在三元化合物半导体中有部分呈黄铜矿型结构，金刚石型、闪锌矿型和氯化钠型结构可看成是由两套面心立方格子套构而成。不同的是，金刚石型和闪锌矿型是两套格子沿体对角线的1／4方向套构，而氯化钠型则是沿方向套构；金刚石晶格中所有原子同种，而闪锌矿和氯化钠晶格中有两种原子；闪锌矿型各晶面的原子排布总数目与金刚石型相同，但在同一晶面或同一晶向上，两种原子的排布却不相同。纤锌矿型属六方晶系，其中硫原子呈六方密堆集，而锌原子则占据四面体间隙的一半，与闪锌矿相似，它们的每一个原子场处于异种原子构成的正四面体中心。但闪锌矿结构中，次近邻异种原子层的原子位置彼此错开60。，而在纤锌矿型中，则是上下相对的。采取这种方式使次近邻异种原子的距离更近，会增强正负离子的相互吸引作用，因此，纤锌矿型多出现于两种原子间负电性差大、化学键中离子键成分高的二元化合物中。

常见半导体材料的晶体结构

①具有两种结构。

在晶格中过格点可连成无数直线，这样的直线叫晶列。格点在晶列上呈周期分布。一系列平行的晶列叫晶列组。晶列组的取向叫晶向，用晶向指数标示。设想选一格点为原点O，令坐标轴与晶轴重合，选择或平移通过原点O的晶列。在晶列上任选一点A，作矢量，用基矢表示。将r、s、t三数化为互质整数m、n、p，记作[m，n，p]，即晶向指数。它标示晶列组的晶向。对于有相同格点间距和质点分布的等同晶向，记作<m，n，p>。在品格中过格点可连成无数的平面，这样的平面叫晶面。一系列平行的晶面叫晶面组。晶面组用晶面指数标示。在晶面组中任选一不过原点的晶面，这晶面在х、y、z晶轴上的截距分别为，将H、K、L化为互质整数，记作(h，k，l)，即是晶面指数(密勒指数)。对于有相同面间距和质点分布的等同晶面，记作(h，k，l}。

半导体晶体的力学、物理、化学、电学等性质以及生长机制和速率随晶向而异，即呈现各向异性。实际上许多器件制造工艺对所用衬底的晶面是敏感的，这种特性根源于晶面的原子组态和原子网面间距的不同以及晶体结构上的极性。金刚石结构中{111}面是双原子面，面间间距最大，而共价键密度最低，{110}面次之。因此，硅、锗晶片易沿{111}面解理，{110)面是第二解理面，常常用于划片。闪锌矿结构存在极性，晶片易沿{110}面解理。{100}和(110)硅片比(111)硅片易破碎。barl半硅片界面态和固定电荷按(111)>(110)>(100)顺序降低。因此，金属氧化物半导体(MOS)等表面器件采用(100)硅片而不采用(111)硅片。腐蚀速率随悬挂键密度增加而增大，硅片腐蚀速率按<100>〉<110>〉<111>顺序减少，利用各向异性腐蚀通过SiO₂掩膜在(100)硅片上开出V-沟槽。GaAs的(111)A面和(111)B面具有不同的腐蚀特性，A面出现蚀坑，B面则无。AISb、InSb、InAs、InP也有类似现象。GaAs晶体生长时，B面生长速度最慢。外延生长也有极性效应，且对杂质的掺入、补偿度等有影响，硅、锗晶体生长以[111]晶向最慢。{111}密排面具有最低比表面能，较易在生长界面上发育，[111]Si、Ge和InSb等晶体生长时，在生长界面上常出现(111)小面，它的出现是造成电阻率径向不均匀的重要原因。硅片的线性热氧化速率与有效表面键密度有关，因而强烈依赖于晶向，外延中图形位移强烈地依赖于晶向。将(111)硅片取向从<111>向最近的<110>偏3°～5°，可减小图形畸变。[100]晶体由于{111}孪晶面和位错滑移而垂直于(110)生长面，完整性不如[100]和[111]晶体。