2.1.2 化合物半导体

化合物半导体数量最多，据统计可能有4000 多种，但是目前已研究出的有1000多种，另外2000多种是预见性的，尚待开发。近年来，随着高速、大功率、光学等方面应用对器件和电路要求的进一步提高，一些化合物半导体已被应用于多种器件的制造中，与元素半导体相比具有同样的重要性[4]。化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。按其构成元素在元素周期表中的位置可分为Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族，等等。

二元化合物半导体是由周期表中的两种元素组成。例如，Ⅲ-Ⅴ族元素化合物半导体砷化镓（GaAs）是由Ⅲ族元素镓（Ga）和Ⅴ族元素砷（As）所组成。通常，对于一个已知的化合物半导体，根据元素周期表替换元素得到的材料也可能是化合物半导体。例如化合物半导体材料砷化镓（GaAs），如果用In替换Ga，就变成InAs，也是半导体；如果把As换成P或Sb，同样也是半导体。这种替换是垂直方向的，它服从周期表的规律，即从上往下金属性变强。最后就不是半导体了。也可以在周期表中进行横向替换，仍以GaAs为中心。Ga向左移变成Zn，As向右移变成Se，ZnSe也是半导体。这些替换都要注意原子价的平衡。

三元及四元化合物半导体一般都具有非常大的非线性光学常数，用其作为光参量振荡、放大及谐波发生器的非线性介质材料，在中、远红外波段的叛逆率转换方面具有广阔的应用前景。与二元化合物相比，多元化合物的制备和提纯要比二元化合物困难得多，直到20世纪末才取得较大进展。

黄铜矿（CuFeS2）是典型的三元系化合物半导体，其原子排列的基本重复单元仍是四面体，但不再像金刚石或闪锌矿结构那样具有立方对称性。分子相当于两个ZnS分子的组合，只是其中的Zn分别被一个Cu和一个Fe所取代。因此，黄铜矿结构的晶胞可以用两个相邻的闪锌矿晶胞组合而成，只是要按照上述法则将其中的全部Zn原子用Cu原子和Fe原子替换。可以将这一结构看成是两个Ⅱ-Ⅵ族化合物分子之中的Ⅱ族原子被一个Ⅲ族和一个Ⅰ族原子取代之后的结果，例如CuInS2、AgGaS2等。同样，如果利用一个Ⅱ族原子和一个Ⅳ族原子取代两个Ⅲ-Ⅴ族化合物分子中的Ⅲ族原子，也会得到一系列Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2族三元化合物，例如CdGeAs2、ZnSnAs2、CdGeP2、ZnSnP2等。所有这些三元化合物都被统称为黄铜矿型化合物半导体。

以此类推，四元化合物Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4可以看作分别用一个Ⅱ族原子和一个Ⅳ族原子代替两个Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2三元化合物分子中的Ⅲ组原子而构成。例如，Cu2 FeSnS4可以认为是Fe原子和Sn原子取代了CuAlS2分子中的Al原子，Cu2 Cd-SnTe4可以认为是Cd原子和Sn原子取代了CuAlTe2分子中的Al原子。这些材料就是所谓的黄锡矿，也具有半导体性质。