半導(dǎo)體材料外延生長

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1、半導(dǎo)體材料III-V族化合物半導(dǎo)體的外延生長第七章III-V族化合物半導(dǎo)體的外延生長內(nèi)容提要：氣相外延生長VPE鹵化物法氫化物法金屬有機(jī)物氣相外延生長MOVPE液相外延生長LPE分子束外延生長MBE氣相外延生長氣相外延生長(vaporphaseepitaxy,VPE)發(fā)展較早，主要有以下三種方法：鹵化物法(Ga/AsCl3/H2體系)氫化物法(Ga/HCl/AsH3/H2體系)金屬有機(jī)外延法鹵化物法外延生長GaAsGa/AsCl3/H2體系氣相外延原理及操作高純H2經(jīng)過AsCl3鼓泡器，把AsCl3蒸氣攜帶入反應(yīng)室中，它們在300~500℃的低溫就發(fā)生還原反應(yīng)，4

2、AsCl3+6H2=As4+12HCl生成的As4和HCI被H2帶入高溫區(qū)(850℃)的Ga源(也稱源區(qū))處，As4便溶入Ga中形成GaAs的Ga溶液，直到Ga飽和以前，As4不流向后方。4Ga+xAs4=4GaAsx(x<1)而HCI在高溫下同Ga或GaAs反應(yīng)生成鎵的氯化物，它的主反應(yīng)為2Ga+2HCl=2GaCl+H2GaAs+HCl=GaCl+?As4+?H2鹵化物法外延生長GaAsGaCI被H2運(yùn)載到低溫區(qū)，如此時(shí)Ga舟已被As飽和，則As4也能進(jìn)入低溫區(qū)，GaCI在750℃下發(fā)生歧化反應(yīng)，生成GaAs，生長在放在此低溫區(qū)的襯底上(這個(gè)低溫區(qū)亦稱沉積區(qū))

3、，6GaCl+As4=4GaAs+2GaCl3有H2存在時(shí)還可發(fā)生以下反應(yīng)4GaCl+As4+2H2=4GaAs+HCl反應(yīng)生成的GaCl3被輸運(yùn)到反應(yīng)管尾部，以無色針狀物析出，未反應(yīng)的As4以黃褐色產(chǎn)物析出。氫化物法外延生長GaAs氫化物法是采用Ga／HCI／AsH3／H2體系，其生長機(jī)理為Ga(l)+HCl(g)=GaCl(g)+?H2(g)AsH3(g)=?As4(g)+3/2H2(g)GaCl(g)+?As4(g)+?H2(g)=GaAs(s)+HCl(g)這種方法，Ga(GaCI)和As4(AsH3)的輸入量可以分別控制，并且As4的輸入可以在Ga源的下

4、游，因此不存在鎵源飽和的問題，所以Ga源比較穩(wěn)定。鹵化物和氫化物法生長GaAs除了水平生長系統(tǒng)外，還有垂直生長系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的基座大都是可以旋轉(zhuǎn)的，因此其均勻性比較好。金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，MOCVD)自20世紀(jì)60年代首次提出以來，經(jīng)過70年代至80年代的發(fā)展，90年代已經(jīng)成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長技術(shù)，特別是制備氮化鎵發(fā)光二極管和激光器外延片的主流方法。到目前為止，從生長的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產(chǎn)成本等主要指標(biāo)來看還沒有其它方法能與之

5、相比。MOVPE技術(shù)MOVPE(MetalorganicVaporPhaseEpitaxy)技術(shù)是生長化合物半導(dǎo)體薄層晶體的方法，最早稱為MOCVD。近年來從外延生長角度出發(fā)，稱這一技術(shù)為MOVPE。它是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V族、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長的源材料，以熱分解方式在襯底上進(jìn)行外延生長Ⅲ一V族，Ⅱ一Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元化合物的薄層單晶。Ⅱ族金屬有機(jī)化合物一般使用它們的烷基化合物，如Ga、Al、In、Zn、Cd等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、Ga(C2H5)3等，金屬有機(jī)化合物的名稱及其英文縮寫三甲基鎵Tri-methy

6、l-galliumTMG．TMGa三甲基銦Tri-methyl-indiumTMI．TMIn三甲基鋁Tri-methyl-alumiumTMAI三乙基鎵Tri-ethyl-galliumTEG．TEGa三乙基銦Tri-ethyl-indiumTEI．TEIn二甲基鋅Di-methyl-zincDMZn二乙基鋅Di-ethyl-zincDEZn二甲基鎘Di-methyl-cadmiumDMCA二乙基鎘Di-ethyl-cadmiumDECAMOVPE的特點(diǎn)MOVPE具有下列的特點(diǎn)：(1)可以通過精確控制各種氣體的流量來控制外延層的性質(zhì)用來生長化合物晶體的各組分和摻雜

7、劑都以氣態(tài)通入反應(yīng)器。因此，可以通過精確控制各種氣體的流量來控制外延層的成分、導(dǎo)電類型、載流子濃度、厚，度等特性?？梢陨L薄到零點(diǎn)幾納米，納米級的薄層和多層結(jié)構(gòu)。(2)反應(yīng)器中氣體流速快，可以迅速改變多元化合物組分和雜質(zhì)濃度反應(yīng)器中氣體流速快，因此，在需要改變多元化合物組分和雜質(zhì)濃度時(shí)，反應(yīng)器中的氣體改變是迅速的，從而可以使雜質(zhì)分布陡峭一些，過渡層薄一些，這對于生長異質(zhì)和多層結(jié)構(gòu)無疑是很重要的。MOVPE的特點(diǎn)(3)晶體生長是以熱分解方式進(jìn)行，是單溫區(qū)外延生長，需要控制的參數(shù)少，設(shè)備簡單。便于多片和大片外延生長，有利于批量生長。(4)晶體的生長速度與金屬有機(jī)源的供

8、給量成正比