半導(dǎo)體材料IIIV族化合物半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)

回顧1、III-V族化合物半導(dǎo)體的特性2、III-V族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3、GaAs單晶的生長(zhǎng)方法4、GaAs單晶中雜質(zhì)的控制5、GaAs單晶的完整性目前一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)6－5其他III-V族化合物半導(dǎo)體的制備6－5－1GaP的合成與晶體生長(zhǎng)GaP單晶的生長(zhǎng)方法：1.液態(tài)密封法在5.5106Pa氬氣氣氛下，用B2O3液封拉晶。拉制GaP單晶的主要方法。缺點(diǎn)：液態(tài)密封法拉制的GaP單晶中有很多淺扁平底圓形坑（S坑），不能直接用來(lái)制器件。但是用它做襯底再外延后，外延層中的缺陷密度會(huì)減少。所以制作GaP發(fā)光管時(shí)，總要用外延生長(zhǎng)的材料。目前二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)2.合成溶質(zhì)擴(kuò)散法

SSD(synthesissolutediffusion)

步驟：坩鍋中盛Ga，Ga表面溫度在1100℃～1150℃，坩鍋底部籽晶處在1000～1050℃，P源溫度在420℃，這時(shí)產(chǎn)生約105Pa的P蒸汽，GaP可以穩(wěn)定生長(zhǎng)。開(kāi)始時(shí)，P蒸氣與處于高溫的Ga液表面反應(yīng)生成GaP膜。此GaP膜將溶解于下面的Ga液中，并向坩鍋底部擴(kuò)散，由于坩鍋底部溫度較低，最后超過(guò)GaP溶解度時(shí)，就會(huì)析出晶體。如果P源足夠，最后將Ga液全部轉(zhuǎn)變成GaP晶體。如果有籽晶，則會(huì)沿著籽晶逐漸長(zhǎng)大成大晶粒。

SSD法最大有點(diǎn)是生長(zhǎng)晶體中的S坑少，而且合成與晶體生長(zhǎng)都在常壓下進(jìn)行，并且摻雜的雜質(zhì)Te，S的有效分凝系數(shù)比通常由熔體生長(zhǎng)時(shí)大3～4倍，因此所得到的晶體中雜質(zhì)分布比較均勻，但是生長(zhǎng)速度比較慢而且多數(shù)情況下只得到多晶。目前三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)作業(yè)六1.什么是直接躍遷型能帶,什么是間接躍遷型能帶?硅鍺屬于什么類型,砷化鎵屬于什么類型?

砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法有哪幾種？目前四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)第七章

III-V族化合物半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)目前五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)

近年來(lái)表面工程學(xué)發(fā)展迅速，新的表面外延層或涂層技術(shù)層出不窮，氣象沉積就是發(fā)展最快的新外延層和涂層技術(shù)之一.

定義:所謂氣象沉積是利用在氣象中以物理或化學(xué)的反映過(guò)程，在工件表面形成具有特殊性能的金屬或化合物外延層和涂層的方法.

7-1氣相外延生長(zhǎng)目前六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)分類:

A.物理氣象沉積（PVD）

B.化學(xué)氣象沉積（ＣＶＤ）

C.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣象沉（PECVD）

目前七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)氣象沉積的特點(diǎn)：

可以用來(lái)制備不僅可以層積多種多樣的化合物，還可以制備具有各種特殊力學(xué)性能和物理化學(xué)性能（如：高硬度，高耐熱，高熱導(dǎo)，高耐腐蝕，抗氧化，絕緣等）涂層．目前八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)氣象沉積技術(shù)的應(yīng)用氣象沉積技術(shù)生產(chǎn)制備的高硬度，高耐熱，高熱導(dǎo)，高耐腐蝕，抗氧化，絕緣等涂層，特殊性能的電學(xué)，光學(xué)功能的涂層，裝飾裝修涂層，已廣泛用于機(jī)械、航天、建筑、五金裝飾、電子產(chǎn)品、汽配件等行業(yè)目前九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍?yōu)R鍍離子鍍PVD10目前十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)PVD物理氣相沉積（PVD）是指在真空條件下，用物理的方法將材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過(guò)氣相過(guò)程在襯底上沉積一層具有特殊性能的薄膜技術(shù)。（1）PVD沉積基本過(guò)程：從原材料中發(fā)射粒子（通過(guò)蒸發(fā)、升華、濺射和分解等過(guò)程）；粒子輸運(yùn)到基片（粒子間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離化、復(fù)合、反應(yīng)，能量的交換和運(yùn)動(dòng)方向的變化）；粒子在基片上凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大和成膜(2)PVD的方法真空蒸發(fā)脈沖激光沉積濺射離子鍍外延膜生長(zhǎng)技術(shù)目前十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍真空蒸發(fā)的原理真空蒸發(fā)的特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易

薄膜純度高，質(zhì)量好，厚度可控

速率快、效率高、可用掩膜獲得清晰圖形

薄膜生長(zhǎng)機(jī)理比較單純

真空蒸發(fā)的缺點(diǎn)

不易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜

薄膜與基片附著力小工藝重復(fù)性不夠好真空蒸發(fā)的主要部分真空室，為蒸發(fā)提供必要的真空蒸發(fā)源和蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對(duì)其進(jìn)行加熱基板，用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固體蒸發(fā)薄膜基板加熱器測(cè)溫器

目前十二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍真空蒸發(fā)鍍膜過(guò)程

加熱蒸發(fā)過(guò)程包括從凝聚相

轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合鄽庀啵┑南嘧冞^(guò)程。每種物質(zhì)在不同溫度有不同的飽和蒸汽壓；蒸發(fā)化合物時(shí)，其組分之間發(fā)生反應(yīng)，其中有些以氣態(tài)或蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)空間

氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片間的運(yùn)輸這些粒子在空間的飛行過(guò)程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程以及源--基距。蒸發(fā)原子或分子在基片上沉積的過(guò)程即蒸氣凝聚、成核、核生長(zhǎng)、形成連續(xù)薄膜。由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的相變過(guò)程。真空環(huán)境的作用

蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層受到污染；甚至形成氧化物或者蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀或者由于空氣分子的碰撞阻攔，難以形成均勻連續(xù)薄膜。

目前十三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍根據(jù)加熱原理（或加熱方式）分有：電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、閃爍蒸發(fā)、激光熔融蒸發(fā)、射頻加熱蒸發(fā)。目前十四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍熱蒸鍍目前十五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍熱蒸鍍電阻加熱蒸發(fā)特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便；支撐坩堝及材料與蒸發(fā)物反應(yīng)；難以獲得足夠高溫蒸發(fā)介電材料（Al2O3、TiO2）；蒸發(fā)率低；加熱導(dǎo)致合金或化合物分解?？芍苽鋯钨|(zhì)、氧化物、介電和半導(dǎo)體化合物薄膜。目前十六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍電子束蒸鍍目前十七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍電子束蒸鍍電子束通過(guò)5-10kV的電場(chǎng)加速后，聚焦并打到待蒸發(fā)材料表面，電子束將能量傳遞給待蒸發(fā)材料使其熔化，電子束迅速損失能量。電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的核心部件： 電子束槍（熱陰極和等離子體電子）電子束聚焦方式：靜電聚焦和磁偏轉(zhuǎn)聚焦電子束產(chǎn)生后，需要對(duì)他進(jìn)行聚焦而使其能夠直接打到被蒸發(fā)材料的表面。目前十八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍電子束蒸鍍電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度。達(dá)到104～109W/cm2的功率密度，熔點(diǎn)3000℃的材料蒸發(fā)，如W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等。被蒸發(fā)材料可置于水冷坩鍋中→避免容器材料蒸發(fā)及其與蒸發(fā)材料反應(yīng)熱量可直接加到蒸鍍材料的表面→熱效率高、熱傳導(dǎo)和熱輻射損失小電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會(huì)使蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離→影響膜層質(zhì)量。電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴．加速電壓高時(shí)，產(chǎn)生軟x射線，人體傷害目前十九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)蒸鍍激光加熱蒸鍍（PLD）高功率激光束作為熱源蒸發(fā)待蒸鍍材料，激光光束通過(guò)真空室窗口打到待蒸發(fā)材料使之蒸發(fā)，最后沉積在基片上。激光加熱蒸發(fā)特點(diǎn)：激光清潔、加熱溫度高，避免坩堝和熱源材料的污染；可獲高功率密度激光束，蒸發(fā)速率高，易控制；容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)或順序多源蒸發(fā)；比較適用成分復(fù)雜的合金或化合物材料；易產(chǎn)生微小的物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜性能。目前二十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)濺鍍?yōu)R鍍（Sputtering）濺射的基本原理:

物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射：荷能粒子與固體（靶材）表面相互作用過(guò)程中，發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，當(dāng)表面原子獲得足夠大的動(dòng)能而脫離固體表面，從而產(chǎn)生表面原子的濺射。濺射是轟擊粒子與固體原子之間能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移的結(jié)果濺射鍍膜：應(yīng)用濺射現(xiàn)象將靶材原子濺射出來(lái)并沉積到基片上形成薄膜的技術(shù)。

濺射參數(shù)

濺射閥值：將靶材原子濺射出來(lái)所需的入射離子最小能量值。與入射離子的種類關(guān)系不大、與靶材有關(guān)。

濺射產(chǎn)額

濺射離子速度和能量目前二十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)濺鍍?yōu)R射沉積的方法直流濺射輝光放電產(chǎn)生離子轟擊靶材；氣壓過(guò)低輝光放電難以維持（＜1Pa）；濺射氣壓高（~10Pa）、沉積速率低；工藝參數(shù)：電源功率、工作氣體流量與壓強(qiáng)、基片溫度、基片偏壓。目前二十二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)射頻濺射交變電場(chǎng)中振蕩的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，達(dá)到放電自持；濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室之間配備阻抗匹配網(wǎng)。常用頻率13.56MHz；靶材上形成自偏壓效應(yīng)；沉積絕緣材料非常有效；濺射電源電壓有效降低；適用金屬、絕緣體、半導(dǎo)體薄膜制備。典型參數(shù)：氣壓１P(pán)a；靶電壓1000V；靶電流密度1mA/cm2；薄膜沉積0.5mm/min濺鍍目前二十三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)磁控濺射磁控濺射原理在濺射裝置中的靶材附近加入磁場(chǎng)，垂直方向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長(zhǎng)其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加電子運(yùn)動(dòng)的路徑，提高電子與氣體分子的碰撞幾率和電離過(guò)程。濺鍍目前二十四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)磁控濺射特征降低濺射工作氣壓，可到0.5Pa左右；電離效率高，提高了靶電流密度和濺射效率，降低靶電壓；離子電流密度高，是射頻濺射的10-100倍；靶材濺射不均勻、靶材利用率低；同樣的電流和氣壓條件下可提高沉積速率。濺鍍目前二十五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)濺鍍反應(yīng)濺射在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，濺射出來(lái)的靶材料與反應(yīng)氣體形成化合物（氮化物、碳化物、氧化物）反應(yīng)濺射特征靶中毒：反應(yīng)氣體與靶反應(yīng)，在靶表面形成化合物。沉積膜的成分不同于靶材。靶中毒的現(xiàn)象：取決于金屬與反應(yīng)氣體的結(jié)合特性及形成化合物表層的性質(zhì)。降低靶中毒的措施：將反應(yīng)氣體輸入位置遠(yuǎn)離靶材靠近襯底。提高靶材濺射速率，降低活性氣體的吸附。采用中頻或脈沖濺射。目前二十六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)離子鍍(IonPlating)電弧離子鍍電弧離子鍍?cè)恚菏请姽卵b置引燃電孤，低電壓大電流電源將維持陰極和陽(yáng)極之間弧光放電的進(jìn)行，在電源的維持和磁場(chǎng)的推動(dòng)下，電弧在靶面游動(dòng)，電弧所經(jīng)之處，靶材被蒸發(fā)并離化，在負(fù)偏壓作用下調(diào)整離子的能量，在基底上沉積成膜。電弧離子鍍示意圖目前二十七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)弧光放電被蒸發(fā)的鈦靶接陰極，真空室為陽(yáng)極，當(dāng)通有幾十安培的觸發(fā)電極與陰極靶突然脫離時(shí)就會(huì)引起電弧，在陰極表面產(chǎn)生強(qiáng)烈發(fā)光的陰極輝點(diǎn)（直徑在100微米以下），輝點(diǎn)內(nèi)的電流密度可達(dá)105-7A/cm2，于是在這一區(qū)域內(nèi)的材料就瞬時(shí)蒸發(fā)并電離,產(chǎn)生等離子體。輝點(diǎn)在陰極材料表面上以每秒幾十米的速度做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)靶面均勻被消耗。等離子體中有電子、離子、分子、微粒和中性原子。離子鍍(IonPlating)電弧離子鍍目前二十八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)離子鍍(IonPlating)電弧離子鍍磁過(guò)濾技術(shù)消除從靶材上產(chǎn)生的大顆粒目前二十九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)氣相外延生長(zhǎng)VPE

鹵化物法氫化物法金屬有機(jī)物氣相外延生長(zhǎng)MOVPE目前三十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)鹵化物法外延生長(zhǎng)GaAsGa/AsCl3/H2體系氣相外延原理及操作高純H2經(jīng)過(guò)AsCl3鼓泡器，把AsCl3蒸氣攜帶入反應(yīng)室中，它們?cè)?00~500℃的低溫就發(fā)生還原反應(yīng)，4AsCl3+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目前三十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)鹵化物法外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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))，

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(wú)色針狀物析出，未反應(yīng)的As4以黃褐色產(chǎn)物析出。目前三十二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)目前三十三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)氫化物法外延生長(zhǎng)GaAs氫化物法是采用Ga／HCI／AsH3／H2體系，其生長(zhǎng)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源的下游，因此不存在鎵源飽和的問(wèn)題，所以Ga源比較穩(wěn)定。鹵化物和氫化物法生長(zhǎng)GaAs除了水平生長(zhǎng)系統(tǒng)外，還有垂直生長(zhǎng)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。目前三十四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)7-2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(lái)，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)看還沒(méi)有其它方法能與之相比。目前三十五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE技術(shù)MOVPE(MetalorganicVaporPhaseEpitaxy)技術(shù)是生長(zhǎng)化合物半導(dǎo)體薄層晶體的方法，最早稱為MOCVD。近年來(lái)從外延生長(zhǎng)角度出發(fā)，稱這一技術(shù)為MOVPE。它是采用Ⅲ族元素的有機(jī)化合物和V族元素的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)的源材料，以熱分解方式在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)Ⅲ一V族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元化合物的薄層單晶。Ⅲ族金屬有機(jī)化合物一般使用它們的烷基化合物，如Ga、Al等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、Ga(C2H5)3等，目前三十六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)金屬有機(jī)化合物的名稱及其英文縮寫(xiě)

三甲基鎵Tri-methyl-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-cadmiumDECA目前三十七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE的特點(diǎn)MOVPE具有下列的特點(diǎn)：

(1)可以通過(guò)精確控制各種氣體的流量來(lái)控制外延層的性質(zhì)用來(lái)生長(zhǎng)化合物晶體的各組分和摻雜劑都以氣態(tài)通入反應(yīng)器。因此，可以通過(guò)精確控制各種氣體的流量來(lái)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(zhǎng)薄到零點(diǎn)幾納米，納米級(jí)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(guò)渡層薄一些，這對(duì)于生長(zhǎng)異質(zhì)和多層結(jié)構(gòu)無(wú)疑是很重要的。目前三十八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE的特點(diǎn)(3)晶體生長(zhǎng)是以熱分解方式進(jìn)行，是單溫區(qū)外延生長(zhǎng)，需要控制的參數(shù)少，設(shè)備簡(jiǎn)單。便于多片和大片外延生長(zhǎng)，有利于批量生長(zhǎng)。

(4)晶體的生長(zhǎng)速度與金屬有機(jī)源的供給量成正比，因此改變其輸入量，可以大幅度地改變外延生長(zhǎng)速度。

(5)源及反應(yīng)產(chǎn)物中不含有HCl一類腐蝕性的鹵化物，因此生長(zhǎng)設(shè)備和襯底不被腐蝕，自摻雜比較低。此外，MOVPE可以進(jìn)行低壓外延生長(zhǎng)(LP-MOVPE.LowPressureMOVPE).目前三十九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE設(shè)備MOVPE設(shè)備分為臥式和立式兩種，有常壓和低壓，高頻感應(yīng)加熱和輻射加熱，反應(yīng)室有冷壁和熱壁的。因?yàn)镸OVPE生長(zhǎng)使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物質(zhì)，并且常常用來(lái)生長(zhǎng)大面積、多組分超薄異質(zhì)外延層。因此，設(shè)備要求考慮系統(tǒng)氣密性好，流量、溫度控制精確，組分變換要迅速，整個(gè)系統(tǒng)要緊湊等等。不同廠家和研究者所生產(chǎn)或組裝的MOVPE設(shè)備往往是不同的，但一般來(lái)說(shuō)，都由以下幾部分組成：

(1)源供給系統(tǒng)、(2)氣體輸運(yùn)和流量控制系統(tǒng)，

(3)反應(yīng)室加熱及溫度控制系統(tǒng)，(4)尾氣處理，

(5)安全防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)，(6)自動(dòng)操作及電控系統(tǒng)。目前四十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)目前四十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE設(shè)備1．源供給系統(tǒng)源供給系統(tǒng)包括金屬有機(jī)物和氫化物及摻雜源的供給。金屬有機(jī)物是裝在特制的不銹鋼(有的內(nèi)襯聚四氟乙烯)的鼓泡器(源瓶)中，由通入的高純H2攜帶輸運(yùn)到反應(yīng)室。為了保證金屬有機(jī)化合物有恒定的蒸氣壓，源瓶置于控溫精度在±0．1℃以下的電子恒溫器中。氫化物一般是經(jīng)高純H2稀釋到濃度為5％或10％后(也有100％濃度的)裝入鋼瓶中，使用時(shí)再用高純H2稀釋到所需濃度后，輸入反應(yīng)室。摻雜源有兩類，一類是金屬有機(jī)化合物，另一類是氫化物，其輸運(yùn)方法分別與金屬有機(jī)化合物源和氫化物源輸運(yùn)相同。目前四十二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE設(shè)備2．氣體輸運(yùn)系統(tǒng)氣體的輸運(yùn)管路是由不銹鋼管道、質(zhì)量流量控制器(massflowcontroller．MFC)，截止閥、電磁閥和氣動(dòng)閥等組成。為了防止存儲(chǔ)效應(yīng)，不銹鋼管內(nèi)壁進(jìn)行電化學(xué)拋光，管道的接頭用氬弧焊或VCR接頭連接，并用正壓檢漏和He泄漏檢測(cè)儀檢測(cè)，保證反應(yīng)系統(tǒng)無(wú)泄漏是MOVPE設(shè)備組裝的關(guān)鍵之一，泄漏速率應(yīng)低于10-9cm3／s。氣路的數(shù)目視源的種類而定。為了精確控制流量應(yīng)選擇量程合適、響應(yīng)快、精度高的MFC，如進(jìn)行低壓外延生長(zhǎng)，在反應(yīng)室后設(shè)有由真空系統(tǒng)，壓力傳感器及蝶形閥等組成低壓控制系統(tǒng)。在真空系統(tǒng)與反應(yīng)室之間還應(yīng)設(shè)有過(guò)濾器，以防油污或其他顆粒倒吸到反應(yīng)室中。如果使用的源在常溫下是固態(tài)，為防止在管路中沉積，管路上繞有加熱絲并覆蓋上保溫材料。目前四十三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)Short-Gland+Female-Nut+Gasket+Long-Gland+Male-Nut

Short-Gland=短的焊接式接頭

Female-Nut=就是Short-Gland配套的一般叫為母頭;

Gasket=墊片:

Long-Gland=比較長(zhǎng)的焊接式接頭

Male-Nut=就是Long-Gland配套的

一般稱為公頭。其中GASKET有帶“爪子”和普通墊片的，一般特種氣體和高純度氣體管路多會(huì)選擇此鏈接，密封性比較好目前四十四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)VCR接頭VCR接頭是為要求高度純凈無(wú)垢環(huán)境的應(yīng)用按照無(wú)滲漏而設(shè)計(jì)的。VCR產(chǎn)品設(shè)計(jì)在正壓真空空間內(nèi)提供全金屬封裝的無(wú)滲漏服務(wù)。

目前四十五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)目前四十六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE設(shè)備3．反應(yīng)室和加熱系統(tǒng)反應(yīng)室多數(shù)是由石英管和石墨基座組成。為了生長(zhǎng)組分均勻、超薄層、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、大面積外延層，在反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造上下了很多工夫，因此，反應(yīng)室有各式各樣的不同結(jié)構(gòu)。石墨基座由高純石墨制做，并包覆SiC層，不僅立式石墨基座可以轉(zhuǎn)動(dòng)，有的水平式基座也可以轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止裝片與取片時(shí)空氣進(jìn)入反應(yīng)室，一般設(shè)有高純N2的保護(hù)室(箱)或?qū)Ｓ醚b取片設(shè)備。加熱多采用高頻感應(yīng)加熱或輻射加熱。由熱電偶和溫度控制器與微機(jī)組或自動(dòng)測(cè)控溫系統(tǒng)，一般溫度控制精度可達(dá)±0．2℃。目前四十七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE設(shè)備4．尾氣處理系統(tǒng)反應(yīng)氣體經(jīng)反應(yīng)室后，大部分熱分解，但有部分未分解，因此尾氣不能直接排放到大氣中，必須進(jìn)行處理。目前處理尾氣的方法有很多種，主要有高溫爐再一次熱分解，隨后用硅油或高錳酸鉀溶液處理；也可以把尾氣直接通入裝有H2SO4+H202及裝有NaOH的吸濾瓶處理；也有的把尾氣通入固體吸附劑中吸附處理，以及用水淋洗尾氣等等?？傊獙⑽矚馓幚淼椒檄h(huán)保要求后再排放到大氣中。

5．安全保護(hù)及報(bào)警系統(tǒng)為了安全，一般的MOVPE系統(tǒng)，設(shè)備有高純N2旁路系統(tǒng)，在斷電或其他原因引起的不能正常工作時(shí)，純N2將自動(dòng)通入系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的清潔。在正常停止生長(zhǎng)期間也有長(zhǎng)通高純N2的保護(hù)系統(tǒng)。設(shè)備還附有AsH3，PH3等毒氣泄漏檢測(cè)儀及H2氣泄漏檢測(cè)器，并通過(guò)聲光報(bào)警。

6．控制系統(tǒng)一般的MOVPE設(shè)備都具有手動(dòng)和微機(jī)自動(dòng)控制操作兩種功能。在控制系統(tǒng)面板上設(shè)有閥門(mén)開(kāi)關(guān)，各個(gè)管路氣體流量、溫度的設(shè)定及數(shù)字顯示，如有問(wèn)題會(huì)自動(dòng)報(bào)警，使操作者能隨時(shí)了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況。目前四十八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE生長(zhǎng)GaAs使用TMGa與AsH3反應(yīng)生長(zhǎng)GaAs原理

Ga(CH3)3(g)+AsH3(g)=GaAs(s)+3CH4(g)如果要生長(zhǎng)三元化合物Ga1-xAlxAs時(shí)，可以在上述反應(yīng)系統(tǒng)中再通往TMAl，反應(yīng)式為：

xAl(CH3)3(g)+(1-x)Ga(CH3)3(g)+AsH3(g)=Ga1-xAlxAs(s)+3CH4(g)目前四十九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE生長(zhǎng)GaAs工藝把處理好的GaAs襯底裝到基座上，調(diào)整好三甲基鎵(TMG)源的恒溫器以及其他應(yīng)設(shè)定的參數(shù)，如流量、溫度等。然后系統(tǒng)抽空、充H2(如是低壓生長(zhǎng)應(yīng)調(diào)整好反應(yīng)室內(nèi)壓力)。接著升溫，待溫度達(dá)到300℃時(shí)，開(kāi)始通AsH3，在反應(yīng)室內(nèi)形成As氣氛，以防止GaAs襯底受熱分解。待溫度升至外延生長(zhǎng)溫度時(shí)，通入TMG進(jìn)行外延生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)完后，停止通TMG，降溫到300℃時(shí)再停止通AsH3，待溫度降至室溫時(shí)開(kāi)爐取出外延片。目前五十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)影響GaAs生長(zhǎng)的因素常壓MOVPE生長(zhǎng)GaAs(1)AsH3／TMG(V／III)對(duì)所生長(zhǎng)的GaAs導(dǎo)電類型和載流子濃度的影響。由圖看出，在比值大的情況下，外延層是N型，載流子濃度處于低到中等(1014／cm3)區(qū)域內(nèi)。隨著ASH3／TMG比的減少，材料的載流子濃度也隨之減少，并發(fā)生導(dǎo)電類型改變。當(dāng)比值減少到大約20時(shí)，變?yōu)镻型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變區(qū)的精確的AsH3／TMG的比值與生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速度以及源的純度有關(guān)。此外，在比值大于30時(shí)，表面如鏡面，而比值很低，小于10～15時(shí)，表面變得粗糙。目前五十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)影響GaAs生長(zhǎng)的因素(2)外延層厚度對(duì)遷移率的影響。在半絕緣GaAs襯底上，相同的條件下，生長(zhǎng)一系列厚度不同的外延層，測(cè)其遷移率，發(fā)現(xiàn)隨著外延層厚度增加，遷移率迅速增加，在層厚25～30μm時(shí)，達(dá)到極大值，然后有所下降，但變化不大。產(chǎn)生上述變化的原因還不十分清楚，也許是界面處存在的淀積物或砷空位等缺陷或襯底中其他雜質(zhì)擴(kuò)散出來(lái)所致。

(3)總雜質(zhì)濃度和生長(zhǎng)溫度的關(guān)系。在富砷的生長(zhǎng)條件下，溫度是影響非摻雜GaAs外延層中總雜質(zhì)濃度的最重要因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從750℃到600℃，外延層中的施主和受主濃度都隨溫度降低而降低。在600℃時(shí)，總雜質(zhì)濃度<1015／cm3。

(4)源純度對(duì)遷移率的影響。在MOVPE生長(zhǎng)非摻雜GaAs外延層中，雜質(zhì)的主要來(lái)源是源材料，只要TMG和AsH3中一種純度不夠，遷移率就降低。早期源的純度不夠高曾限制了MOVPE技術(shù)的應(yīng)用。目前采用一般的源可生長(zhǎng)出載流子濃度小于1×1014／cm3，室溫遷移率大于6000cm2／VS的GaAs外延層。目前五十二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)LP—MOVPE生長(zhǎng)GaAsLP—MOVPE生長(zhǎng)GaAs與常壓下MOVPE的比較。

(1)導(dǎo)電類型。對(duì)于常壓MOVPE生長(zhǎng)，當(dāng)AsH3／TMG大時(shí)，外延層為N型，且載流子濃度隨此比值增加而增加，降低此比值到一定時(shí)則GaAs轉(zhuǎn)變成P型。對(duì)于LP—MOVPE來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力減低時(shí)，AsH3的有效熱分解也減少，結(jié)果在襯底與氣體界而處的有效As濃度下降。因此，要在比常壓高的AsH3／TMG比值下，才能得到高遷移率N型GaAs材料。

(2)影響生長(zhǎng)速度的因素。在1.3×103～1×105Pa的壓強(qiáng)和520～760℃的溫度范圍內(nèi)，研究LP—MOVPE生長(zhǎng)GaAs的速率，結(jié)果是：

1)當(dāng)溫度、壓力、H2和AsH3流量不變時(shí)，生長(zhǎng)速率與TMG流量成正比。

2)當(dāng)壓力、H2及AsH3和TMG流量不變時(shí)，生長(zhǎng)速率與生長(zhǎng)溫度關(guān)系不大。

3)其他條件不變時(shí)，生長(zhǎng)速率與AsH3流量無(wú)關(guān)。

4)當(dāng)其他條件不變時(shí)，生長(zhǎng)速率和系統(tǒng)總壓力關(guān)系不大。目前五十三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MOVPE生長(zhǎng)摻雜的GaAsMOVPE生長(zhǎng)摻雜GaAs時(shí)，摻雜劑與TMG、AsH3同時(shí)輸入反應(yīng)室。N型摻雜劑有H2Se、H2S、SiH4等；P型摻雜用DMZn、DEZn、DMCd等；用六羰基鉻摻雜可獲得半絕緣GaAs外延層。目前五十四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。7.2.5MOVPE法生長(zhǎng)GaN目前五十五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)新型電子器件GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場(chǎng)，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著MBE技術(shù)在GaN材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破，成功地生長(zhǎng)出了GaN多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用GaN材料制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV)及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。目前五十六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)光電器件GaN材料系列是一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍(lán)色LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問(wèn)世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍(lán)色和綠色LED已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，從而填補(bǔ)了市場(chǎng)上藍(lán)色LED多年的空白。藍(lán)色發(fā)光器件在高密度光盤(pán)的信息存取、全光顯示、激光打印機(jī)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。隨著對(duì)Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍(lán)光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開(kāi)發(fā)藍(lán)光LED的競(jìng)爭(zhēng)行列。目前五十七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)GaN的熔點(diǎn)約為2800℃，在這個(gè)溫度下氮的蒸氣壓可達(dá)4.5×109Pa．即使在1200～1500℃溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)，氮的壓力仍然為1.5×109pa，并且N在Ga中的溶解度低于1％，因此，很難生長(zhǎng)體單晶。由于得不到GaN襯底材料，所以GaN只能進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)。目前作為實(shí)用的襯底材料的有SiC、藍(lán)寶石等，也在尋找新的襯底材料，如ZnO、Si、GaAs及某些鋰鹽等?，F(xiàn)在用于生長(zhǎng)制備高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管所需GaN系材料的方法是MOVPE,原料：以藍(lán)寶石(0001)為襯底，NH3和TMG為N和Ga源，H2為輸運(yùn)氣體。二步外延法：由于GaN和襯底之間的失配大到15.4％，為此先用MOVPE法，在550℃左右，在襯底上先生長(zhǎng)一層20～25nm厚的GaN的緩沖層，然后升溫至1030℃，接著生長(zhǎng)GaN外延層。目前五十八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)雙氣流MOVPE

由于GaN生長(zhǎng)溫度高，GaN易分解，產(chǎn)生較多N空位。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用雙氣流MOVPE(TWOFlowMOVPE，TF-MOVPE)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)使用二組輸入反應(yīng)室的氣路。一路稱為主氣路，它沿與襯底平行方向輸入反應(yīng)氣體(NH3、TMG和H2混合物)。另一路稱為副氣路，它以高速度在垂直于襯底方向輸入H2和N2的混合氣體。副氣路輸入的氣體的作用是改變主氣流的流向和抑制生長(zhǎng)GaN時(shí)的熱對(duì)流，從而生長(zhǎng)了具有高遷移率的GaN單晶層。一般生長(zhǎng)的非摻雜的GaN都是N型的，為了生長(zhǎng)PN結(jié)結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行摻雜。常用的N型摻雜源是SiH4，其摻雜濃度可達(dá)1017～1019／cm3。為了獲得P型GaN，首先要將非摻雜GaN的N型背景雜質(zhì)濃度降下來(lái)，再用二茂基鎂為源摻雜鎂，經(jīng)低能電子束輻射或在N2氣氛中700℃高溫退火可得到低阻P型GaN。目前五十九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)目前六十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)7-3液相外延生長(zhǎng)(LPE)液相外延是從飽和溶液中在單晶襯底上生長(zhǎng)外延層的方法

(Liquidphaseepitaxy，LPE)。它是1963年由納爾遜(H．Nelson)提出來(lái)的，與其他外延方法相比，它有如下的優(yōu)點(diǎn)：①生長(zhǎng)設(shè)備比較簡(jiǎn)單；②有較高的生長(zhǎng)速率；③摻雜劑選擇范圍廣；④晶體完整性好，外延層位錯(cuò)密度較襯底低；⑤晶體純度高，系統(tǒng)中沒(méi)有劇毒和強(qiáng)腐性的原料及產(chǎn)物，操作安全、簡(jiǎn)便。由于上述的優(yōu)點(diǎn)，使它在光電、微波器件的研究和生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。目前六十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)LPE的缺點(diǎn)1)當(dāng)外延層與襯底晶格常數(shù)差大于1％時(shí)，不能進(jìn)行很好的生長(zhǎng)。2)由于分凝系數(shù)的不同，除生長(zhǎng)很薄外延層外，在生長(zhǎng)方向上控制摻雜和多元化合物組分均勻性遇到困難。3)LPE的外延層表面一般不如氣相外延好。

近年來(lái)，由于MOVPE等外延技術(shù)的發(fā)展，LPE的應(yīng)用受到了影響，特別是LPE很難重復(fù)生長(zhǎng)超薄(厚度<10nm)的外延層，使它在超晶格，量子阱等低維結(jié)構(gòu)材料和器件制備方面遇到困難。目前六十二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)液相外延的方法

液相外延的方法有許多種，按襯底與溶液接觸方式不同分為：舟傾斜法、浸漬法、旋轉(zhuǎn)反應(yīng)管法及滑動(dòng)舟法等，其中滑動(dòng)舟法最用?；瑒?dòng)舟法可分為降溫法(瞬態(tài)生長(zhǎng))和溫差法(穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng))

。降溫法1)先將Ga池與GaAs固體源接觸，使之達(dá)到飽和2)將Ga池與襯底接觸，以一定的速度降溫至溶液過(guò)飽和3)GaAs將在襯底上析出，達(dá)到所要求厚度4)將Ga池與襯底分開(kāi)，停止生長(zhǎng)。此法適于生長(zhǎng)薄的單晶層。目前六十三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)降溫法(瞬態(tài)生長(zhǎng))工藝

瞬態(tài)生長(zhǎng)工藝應(yīng)用比較廣泛，按襯底片與源接觸情況不同又分成平衡冷卻、過(guò)冷、步冷和兩相溶液冷卻四種工藝。

平衡冷卻是在平衡溫度T1時(shí)，溶液與襯底接觸以恒定的冷卻速率降溫外延生長(zhǎng)；

步冷溶液降溫至T<T1，溶液過(guò)飽和但不自發(fā)成核，再與襯底接觸，不再降溫，在此過(guò)冷溫度下進(jìn)行生長(zhǎng)過(guò)冷溶液降溫至T<T1，溶液過(guò)飽和但不自發(fā)成核，再與襯底接觸，再以相同的速率降溫生長(zhǎng)；

兩相溶液法先將溶液過(guò)冷并自發(fā)成核，長(zhǎng)在溶液上方平衡片上，然后將此溶液與襯底接觸并繼續(xù)降溫生長(zhǎng)。目前六十四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)溫差法1)溶液與上方的GaAs源片接觸，至達(dá)到平衡2)降低爐子下部溫度，在Ga池內(nèi)建立一定的溫度梯度(5～7℃／cm)3)推動(dòng)舟，使Ga液與下面的襯底接觸。4)由于Ga液上下溫度不同，故它們對(duì)GaAs溶解度不同，于是高溫處GaAs源片溶解，而低溫處GaAs襯底上將生長(zhǎng)GaAs，外延生長(zhǎng)速率由Ga液中溫度梯度決定外延結(jié)束時(shí)，將Ga池推離襯底此法可避免在生長(zhǎng)過(guò)程中由于降溫造成的雜質(zhì)分布的不均勻，使雜質(zhì)縱向均勻性和晶體完整性得到改善，并且GaAs析出量不受降溫范圍限制，適于生長(zhǎng)厚外延層。目前六十五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)液相外延生長(zhǎng)膜的過(guò)程液相外延生長(zhǎng)膜的過(guò)程可分為兩步：①物質(zhì)輸運(yùn)，液相中溶質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散，對(duì)流輸運(yùn)到生長(zhǎng)界面。②界面反應(yīng)，包括溶質(zhì)在襯底表面上的吸附、反應(yīng)、成核、遷移、在臺(tái)階處被俘獲、副產(chǎn)物的脫附等步驟。反應(yīng)速度主要受擴(kuò)散限制。目前六十六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)GaAs液相外延的摻雜

系統(tǒng)自摻雜：影響外延層中雜質(zhì)的因素很多，如源、器具的純度，系統(tǒng)的密封性，接觸溫度，采用的工藝條件等。減少自摻雜的措施：液相外延的器具要用高純石墨制造并在外延前經(jīng)高真空高溫處理，可除去Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，zn，Se等雜質(zhì)。高溫烘烤還有利于除去能產(chǎn)生深能級(jí)的氧。另外系統(tǒng)要嚴(yán)密，外延系統(tǒng)磨口接頭用純N2保護(hù)，這些都有助于減少氧沾污。殘留雜質(zhì)對(duì)生長(zhǎng)層的純度也有影響。目前六十七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)GaAs液相外延的摻雜

摻雜劑，N型的有碲Te，錫Sn，硒Se；P型用Zn，Ge．

N型：Sn在GaAs中溶解度大，蒸氣壓低，分凝系數(shù)很小(K≈10-4)，可生長(zhǎng)摻雜濃度很寬的均勻的N型GaAs外延層。摻雜濃度可達(dá)8×1018／cm3，且不受生長(zhǎng)溫度和襯底晶向的影響，是最常用的N型摻雜劑。Te、Se的蒸氣壓高，分凝系數(shù)大(K≈1，5)，很難進(jìn)行均勻摻雜。一般不使用Te和Se摻雜。

P型：

Ge的蒸氣壓、分凝系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)都比Zn低，因而是最常用的摻雜劑。

Zn在GaAs中溶解度和分凝系數(shù)大，為了獲取陡峭的雜質(zhì)分布和形成良好的電極接觸材料，也常用來(lái)做摻雜劑。目前六十八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)GaAs液相外延的摻雜半絕緣GaAs：摻Cr可得到電阻率高達(dá)107Ω·cm的半絕緣GaAs。兩性雜質(zhì)

Si在GaAs中是兩性雜質(zhì)，它替代Ga時(shí)起施主作用，替代As時(shí)起受主作用，施主與受主的濃度差與生長(zhǎng)溫度有關(guān)。當(dāng)生長(zhǎng)溫度高于轉(zhuǎn)型溫度Tc時(shí)析出N型GaAs，低于轉(zhuǎn)型溫度Tc時(shí)析出P型GaAs。

(轉(zhuǎn)型溫度因襯底晶向，冷卻速度，摻Si濃度不同而略有差異)。一般情況下，LPE生長(zhǎng)的摻雜GaAs外延層中載流子濃度與生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率和襯底晶向有關(guān)。目前六十九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)7-4分子束外延生長(zhǎng)(MBE)分子束外延(molecularbeamepitaxy，MBE)是在超高真空條件下，用分子束或原子束輸運(yùn)源進(jìn)行外延生長(zhǎng)的方法。在超高真空中，分子束中的分子之間以及分子束的分子與背景分子之間幾乎不發(fā)生碰撞。分子束外延與其他外延方法相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)：①源和襯底分別進(jìn)行加熱和控制，生長(zhǎng)溫度低，如GaAs可在500℃左右生長(zhǎng)，可減少生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱缺陷及襯底與外延層中雜質(zhì)的擴(kuò)散，可得到雜質(zhì)分布陡峭的外延層；②生長(zhǎng)速度低(0.1-1nm/s)，利用快門(mén)可精密地控制摻雜、組分和厚度，是一種原子級(jí)的生長(zhǎng)技術(shù)，有利于生長(zhǎng)多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)；③MBE生長(zhǎng)不是在熱平衡條件下進(jìn)行的，是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，因此可以生長(zhǎng)一般熱平衡生長(zhǎng)難以得到的晶體；④生長(zhǎng)過(guò)程中，表面處于真空中，利用附設(shè)的設(shè)備可進(jìn)行原位(即時(shí))觀測(cè)，分析、研究生長(zhǎng)過(guò)程、組分、表面狀態(tài)等。目前七十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)分子束外延生長(zhǎng)MBE作為重要的超薄層生長(zhǎng)技術(shù)，已廣泛用于生長(zhǎng)Ⅲ一V、Ⅱ一Ⅵ、Ⅳ～Ⅵ族等化合物及其多元化合物的單晶層，制做結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異的各種器件。缺點(diǎn)：MBE設(shè)備比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用時(shí)消耗大量液氮。某些元素如Zn的粘附系數(shù)較小，用這類元素?fù)诫s尚有困難。過(guò)去，由于MBE生長(zhǎng)速率慢，每次只生長(zhǎng)一片，因此只限于研究使用，目前，生產(chǎn)型的MBE已投入市場(chǎng)。目前七十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MBE的設(shè)備MBE設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、生長(zhǎng)系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

MBE生長(zhǎng)系統(tǒng)以不銹鋼結(jié)構(gòu)為主體，由三個(gè)真空室連接而成，分別為襯底取放室、襯底存儲(chǔ)傳送室和生長(zhǎng)室。三個(gè)室之間用高真空閥門(mén)連結(jié)，各室都能獨(dú)立地做到常壓和高真空轉(zhuǎn)換而不影響其他室內(nèi)的真空狀態(tài)。這三個(gè)室均與由標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械泵、吸附泵、離子泵、液N2冷阱、鈦升華泵等構(gòu)成的真空系統(tǒng)相連，以保證各室的真空度均可達(dá)到1×10-8～1×10-9Pa，外延生長(zhǎng)時(shí)，也能維持在10-7Pa的水平.為了獲得超高真空，生長(zhǎng)系統(tǒng)要進(jìn)行烘烤，所以生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)的附屬機(jī)件應(yīng)能承受200~250℃的高溫，并且具有很高的氣密性。目前七十二頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MBE的設(shè)備生長(zhǎng)室內(nèi)設(shè)有多個(gè)內(nèi)有BN或石英、石墨制的坩堝，外繞鎢加熱絲并用熱電偶測(cè)溫的溫控爐。分別用來(lái)裝Ga、In、Al和As以及摻雜元素Si(N型摻雜)、鈹Be(P型摻雜)。溫度控制精度為±0．5℃。在熱平衡時(shí)氣態(tài)分子(或原子)從坩堝開(kāi)口處射出形成分子束射向襯底。由在爐口的快門(mén)控制分子束的發(fā)射與中止。監(jiān)控系統(tǒng)一般包括四極質(zhì)譜儀，俄歇譜儀和高、低能電子衍射儀等。目前七十三頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)質(zhì)譜分析法是通過(guò)對(duì)被測(cè)樣品離子的質(zhì)荷比的測(cè)定來(lái)進(jìn)行分析的一種分析方法。被分析的樣品首先要離子化，然后利用不同離子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)行為的不同，把離子按質(zhì)荷比（m/z）分開(kāi)而得到質(zhì)譜，通過(guò)樣品的質(zhì)譜和相關(guān)信息，可以得到樣品的定性定量結(jié)果。

低能電子衍射利用10-500eV能量電子入射，通過(guò)彈性背散射電子波的相互干涉產(chǎn)生衍射花樣。低能電子衍射儀可分析晶體表面結(jié)構(gòu)。俄偈電子：原子中一個(gè)K層電子被入射光量子擊出后，L層一個(gè)電子躍入K層填補(bǔ)空位，此時(shí)多余的能量不以輻射X光量子的方式放出，而是另一個(gè)L層電子獲得能量躍出吸收體，這樣的一個(gè)K層空位被兩個(gè)L層空位代替的過(guò)程稱為俄歇效應(yīng)，躍出的L層電子稱為俄歇電子。俄歇譜儀通過(guò)檢測(cè)俄偈電子的能量和強(qiáng)度，可獲得表層化學(xué)成分的定性或定量信息，用來(lái)檢測(cè)表面成分，化學(xué)計(jì)量比，表面沾污等目前七十四頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MBE生長(zhǎng)原理MBE生長(zhǎng)過(guò)程可分為兩個(gè)步驟：一是源蒸發(fā)形成具有一定束流密度的分子束,并在高真空條件下射向襯底；二是分子束在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)目前七十五頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MBE生長(zhǎng)原理1．源的蒸發(fā)

MBE使用的分子束是將固態(tài)源裝在發(fā)射爐中靠加熱蒸發(fā)而得到的。這對(duì)于元素比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于化合物半導(dǎo)體則比較復(fù)雜，如一個(gè)二元化合物MX(M為金屬，x為非金屬)，在蒸發(fā)源處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，易揮發(fā)性組分的束流比難揮發(fā)組分要大得多，因此用化合物做揮發(fā)性組分的源比較合適，比如用GaAs做As源就能提供合適的分子束流，而Ga及摻雜元素一般用其本身做源。目前七十六頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MBE生長(zhǎng)過(guò)程

入射到襯底表面的分子(或原子)與襯底表面相互作用，有一部分分子生長(zhǎng)在襯底上生長(zhǎng)在襯底上的分子數(shù)與入射的分子數(shù)之比稱為黏附系數(shù)。不同種類的分子與襯底表面作用是不同的，例如Ⅲ族(Ga)原子與GaAs襯底表面發(fā)生化學(xué)吸附作用，因此，在一般的生長(zhǎng)溫度，其粘附系數(shù)為1。而V族(As)分(原)子則先是物理吸附，經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)過(guò)程后一部分轉(zhuǎn)為化學(xué)吸附，因此，它的粘附系數(shù)與襯底表面的分子(原子)狀態(tài)及溫度等密切相關(guān)。

以As為源形成分子束時(shí)，一般得到的是As4分子束，而以GaAs為源或在高溫下分解As4時(shí)可得到As2分子束。這兩種分子束在GaAs襯底上的行為好像相同，先被物理吸附形成弱束縛狀況，然后再進(jìn)行化學(xué)吸附結(jié)合到晶格格點(diǎn)上。但這兩者的具體過(guò)程上卻是不同的，所生長(zhǎng)的GaAs的性質(zhì)也有一些差別。目前七十七頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)當(dāng)As2束入射到GaAs上時(shí)，先形成物理吸附，并以As2的形式在表面移動(dòng)，遇到As空位時(shí)(有Ga原子時(shí))，As2便分解成As，變?yōu)榛瘜W(xué)吸附，形成Ga-As鍵，生長(zhǎng)在晶格點(diǎn)上。如果沒(méi)有As空位(沒(méi)有Ga原子)時(shí)，As2不分解并且脫附或在600K的溫度下形成As4而脫附。若表面有很多空位(Ga原子)時(shí)，As2的粘附系數(shù)將接近1。目前七十八頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)入射的是As4束時(shí)，如襯底溫度為450～600K，并且沒(méi)有Ga束入射，As4的粘附系數(shù)為零入射Ga束時(shí)，入射的As4主要處于物理吸附狀態(tài)并在表面上進(jìn)行遷移。一部分As4進(jìn)入化學(xué)吸附，另一部分移動(dòng)的As4與被化學(xué)吸附的As4結(jié)合，分解成As原子，有的生成新的As4而脫附，As4的附著系數(shù)不會(huì)超過(guò)0.5的原因。目前七十九頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MBE生長(zhǎng)GaAs1．一般生長(zhǎng)過(guò)程拋光好的GaAs的襯底，常規(guī)清潔處理后裝入襯底取放室中。抽真空以避免空氣進(jìn)入生長(zhǎng)室，在襯底取放室、存儲(chǔ)傳送室、生長(zhǎng)室都處于高真空的條件下，將襯底分步送入生長(zhǎng)室中。對(duì)所有的源進(jìn)行加熱排氣處理。待真空達(dá)到要求后，對(duì)襯底進(jìn)行處理。因?yàn)榻?jīng)常規(guī)清潔處理后的襯底表面，用俄歇譜儀分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)有氧和碳沾污。氧在高真空下加熱很容易被除去，但除碳比較困難。因此，在外延生長(zhǎng)前用Ar+濺射處理以除去碳等沾污。但要注意防止Ar+濺射帶來(lái)的新的沾污，同時(shí)濺射后還要進(jìn)行熱處理以消除由濺射引起的損傷。目前八十頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)MBE生長(zhǎng)GaAs

如果使用Ga和As為源，在Ga：As為束流比為1：10，生長(zhǎng)速率為0.1～0.2nm／s的條件下生長(zhǎng)GaAs，則Ga爐溫為約950℃，而As爐溫約300℃，Ga爐溫度必須精確控制，襯底溫度一般為500℃，以Ga和As為源其束流可單獨(dú)控制，并可保證As源能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)使用。利用GaAs作為As2源，雖然較元素As便于控制束流，其缺點(diǎn)是As很快耗盡。目前八十一頁(yè)\總數(shù)九十二頁(yè)\編于十八點(diǎn)GaAs的摻雜1、自摻雜在半絕緣的襯底上生長(zhǎng)非摻雜的GaAs外延層，本底雜質(zhì)濃度取決于外延系統(tǒng)的清潔度、生長(zhǎng)室殘余雜質(zhì)及源的純度等，一般雜質(zhì)濃度在l×1015／cm3，并且常常是高阻。

2、摻雜

N型摻雜劑有Si、Ge、Sn。它們的粘附系數(shù)都接近于1。常使用Sn，Sn比Ge容易獲得高的遷移率，Sn也比Si容易處理。缺點(diǎn)是在表面有一定程度的分凝但Si和Ge具有較強(qiáng)的兩性特性，既可做施主又可以做受主。除Sn之外，Si也常用來(lái)做施主摻雜劑。P型摻雜劑有Zn和Cd，但它們的粘附系數(shù)太小，在MBE生長(zhǎng)GaAs時(shí)不易摻入。所以一般采用Ge和Mg，Ge只能在Ga穩(wěn)定條件下，被強(qiáng)制摻入，因此很難保證表面平滑，Mg摻雜效率很低。為了尋找更好的P型摻雜劑，人們?cè)囉秒x化的Zn，可把粘附系數(shù)提高到10-2。Be的粘附系數(shù)接近于l，而且摻Be可獲得光滑生