微電子工程學(xué)8

1、1第8章 微電子工程前沿課題-能帶工程與深亞微米技術(shù) 微電子工程學(xué)2第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.1 MOCVD技術(shù)的一般特點(diǎn)8.1.2 MOCVD生長(zhǎng)過(guò)程及參數(shù)控制8.1.3 對(duì)于源的討論8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介8.3 超晶格與量子阱材料8.3.1 半導(dǎo)體超晶格研究的主要內(nèi)容8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件8.4.2 高速電子器件及其它器件8.5 深亞微米技術(shù)的發(fā)展與光計(jì)算機(jī)8.5.1 深亞微米技術(shù)的發(fā)展8.5.2 光學(xué)器件與光計(jì)算機(jī) 3第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬

2、有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況金屬有機(jī)化合物的制備起源于1939年。1957年美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）召開(kāi)了一次有機(jī)金屬化合物的學(xué)術(shù)會(huì)議.用金屬有機(jī)化合物制備半導(dǎo)體材料始于60年代末。1968年H.M.Manasevit第一次成功地在Al2O3上生長(zhǎng)了GaAs以后，陸續(xù)有人研究用這種方法制備半導(dǎo)體膜并用來(lái)制造器件。1975至1980年間，人們對(duì)同質(zhì)外延進(jìn)行了廣泛研究，并用來(lái)制造發(fā)光器件及其它有希望的器件。在此基礎(chǔ)上，分別于1981年、1984年召開(kāi)了兩次國(guó)際會(huì)議討論電子材料制備中的金屬有機(jī)化合物汽相淀積技術(shù)，涉及了迄今為止所發(fā)現(xiàn)的III族、族、族等化合物半導(dǎo)體材料制備技術(shù)。4第8章 微

3、電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況從目前研究的進(jìn)展來(lái)看，對(duì)MOCVD技術(shù)中存在的問(wèn)題有了比較明確的認(rèn)識(shí)，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)： （1）在同質(zhì)外延中最大的問(wèn)題是源材料的純度； （2）在異質(zhì)外延中最大的問(wèn)題是襯底引起的自摻雜； （3）晶體生長(zhǎng)的取向及完整性也存在著某些問(wèn)題。盡管有這些問(wèn)題，但由于MOCVD技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)及所展示出的可能的應(yīng)用前景，它已經(jīng)成為令人關(guān)注的重要研究課題。 5第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.1 MOCVD技術(shù)的一般特點(diǎn)MOCVD通常可以寫(xiě)成如下反應(yīng)： 族元素烷基（或烴基）化合物 族元素

4、氫化物族化合物氣體碳化物生成的族化合物可以淀積在半導(dǎo)體襯底材料上，也可以淀積在絕緣氧化物襯底上。MOCVD的主要優(yōu)點(diǎn)是：裝置相對(duì)簡(jiǎn)單、操作容易，淀積溫度低，因而可以降低雜質(zhì)沾污及減少晶體缺陷；反應(yīng)過(guò)程中無(wú)鹵素原子，因而避免了由鹵素原子引起的腐蝕等嚴(yán)重問(wèn)題；可以在不同襯底材料上進(jìn)行同質(zhì)及異質(zhì)外延；淀積面積大、質(zhì)量好，可控雜質(zhì)濃度可低至1016cm-3，因而可降低成本、提高生產(chǎn)率。 6第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.1 MOCVD技術(shù)的一般特點(diǎn)表81列出了目前常用的半導(dǎo)體薄膜制備方法，并列出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用限制。從表中可以看出，MOCVD

5、和ClCVD是化學(xué)方法，而LPE和MBE則屬于物理方法。 方法工藝性質(zhì)優(yōu) 點(diǎn)問(wèn)題及限制MOCVD化學(xué)成本低、產(chǎn)量高、操作容易、適用于同質(zhì)外延和異質(zhì)外延源材料易燃、易爆、劇毒；安全條件要求高Cl-CVD化學(xué)表面質(zhì)量高適用于FET器件鹵化物沾污，不能用于含鋁材料，生產(chǎn)率低LPE物理晶體完整性高，適用于DH及FET器件，生產(chǎn)能力較強(qiáng)不能用于絕緣襯底，表面質(zhì)量差，成批生產(chǎn)不連續(xù)MBE物理高精度、高表面質(zhì)量生產(chǎn)率非常低，目前僅限于實(shí)驗(yàn)室使用7第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.1 MOCVD技術(shù)的一般特點(diǎn) 圖81給出了GaAs材料的MOCVD系統(tǒng)示意圖

6、?？梢?jiàn)MOCVD系統(tǒng)有以下幾個(gè)主要組成部分： 抽真空真空計(jì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)三通閥質(zhì)量流量計(jì)尾氣進(jìn)水口出水口襯底基座射頻線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn)桿尾氣尾氣尾氣氫氣氦H Se PH AsH233二乙基鋅源及溫度調(diào)節(jié)器三甲基鎵源及溫度調(diào)節(jié)器8第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.1 MOCVD技術(shù)的一般特點(diǎn)（1）加熱裝置 通常由射頻感應(yīng)加熱，加熱用的石墨基座外面包覆SiC，基座下面有支撐桿，以便使基座轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）反應(yīng)器 反應(yīng)器由氣煉石英管制作，可以是臥式的，也可以是立式的。圖82示出幾種反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。（3）進(jìn)氣系統(tǒng) 由質(zhì)量流量計(jì)控制各種氣體流量，因?yàn)楦鞣N源均用高純氫氣作載

7、氣，因此必須配備氫氣凈化裝置（如鈀擴(kuò)散管）。除了原料氣體以外，還有摻雜源，以便在生長(zhǎng)過(guò)程中摻雜。 （4）冷阱及安全裝置 由于金屬有機(jī)物劇毒、易爆，且有較高的蒸汽壓，因此應(yīng)該存放于特制的密閉冷阱中，并有泄漏監(jiān)視及溫度控制傳感裝置，以保證操作時(shí)的安全。9第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.1 MOCVD技術(shù)的一般特點(diǎn)abcd圖82 各種形狀反應(yīng)器的設(shè)計(jì)：a-垂直式，b-水平式，c-桶式，d-扁平式10第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.1 MOCVD技術(shù)的一般特點(diǎn)微機(jī)控制系統(tǒng)射頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)氣體

8、流量控制系統(tǒng)尾氣處理系統(tǒng)機(jī)械泵壓力傳感器微粒過(guò)濾器自動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)密封腔圖83 低壓MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)示意圖 MOCVD可以常壓操作或減壓操作。圖83是一個(gè)低壓裝置的示意圖。它與常壓裝置的主要區(qū)別是可以省去載氣。由于在低壓氣氛中生長(zhǎng)，膜的質(zhì)量較好，粘結(jié)性也較好，特別對(duì)于表面是非平面結(jié)構(gòu)的襯底，也能生長(zhǎng)較均勻的薄膜。 低壓系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)是由于氣體分子在減壓的條件下碰撞次數(shù)減少，平均自由程增加，因而有很大的擴(kuò)散性。 11第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.2 MOCVD生長(zhǎng)過(guò)程及參數(shù)控制在MOCVD技術(shù)中，影響質(zhì)量的參數(shù)主要有生長(zhǎng)溫度、氣流速度及氣

9、流方式，襯底表面處源材料純度及摻雜控制等。1. 溫度溫度由三甲基鎵和砷烷為源，在尖晶石襯底上生長(zhǎng)(111)GaAs膜的實(shí)驗(yàn)表明，最佳生長(zhǎng)溫度與襯底取向有很大關(guān)系。在500800范圍內(nèi)，由實(shí)驗(yàn)得到的一般規(guī)律是：低于600時(shí)，膜是多晶；在高于800時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的氣流變?yōu)橥牧?，得到的膜有很高的缺陷密度；在所限定的溫度范圍?nèi)，對(duì)于(111)襯底，最合適的生長(zhǎng)溫度為680720；對(duì)(110)襯底，最合適的生長(zhǎng)溫度為630700。用藍(lán)寶石作為襯底，也觀察到類(lèi)似的規(guī)律，在800生長(zhǎng)的GaAs膜不如675時(shí)的質(zhì)量好。 12第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.

10、2 MOCVD生長(zhǎng)過(guò)程及參數(shù)控制對(duì)于尖晶石和藍(lán)寶石兩種襯底生長(zhǎng)速率和溫度關(guān)系的研究表明，這兩種生長(zhǎng)系統(tǒng)中生長(zhǎng)速率在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)基本上是常數(shù)。這時(shí)膜的質(zhì)量和生長(zhǎng)速率主要與氣流量、氣流方式有關(guān)。在特定的設(shè)備中，即當(dāng)氣流方式不變的情況下，某個(gè)特定的材料體系的最佳氣流量可由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)氣流量大于最佳值時(shí)，襯底中心部分的淀積速率較大，而當(dāng)氣流量小于最佳值時(shí)，淀積容易在襯底周邊發(fā)生。2. 流量和流速流量和流速由三甲基鎵和砷烷為源，在尖晶石襯底上生長(zhǎng)(111)GaAs膜的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)膜在過(guò)量的AsH3（進(jìn)入反應(yīng)器的AsH3流量是(CH3)3Ga的10倍）條件下生長(zhǎng)時(shí)，淀積速率隨三甲基鎵的濃

11、度線(xiàn)性增加。 13第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.2 MOCVD生長(zhǎng)過(guò)程及參數(shù)控制源氣體的最佳配比對(duì)生長(zhǎng)高質(zhì)量的膜非常重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，尖晶石上淀積的GaAs外延層的電學(xué)性質(zhì)與氣流中的砷烷和三甲基鎵的比例有很大關(guān)系。對(duì)于一定的生長(zhǎng)溫度，n型膜的載流子濃度在三甲基鎵流速不變時(shí)與砷烷流速有關(guān)：較高的砷烷流速條件下得到的膜，其載流子濃度在某個(gè)特定值時(shí)趨于飽和，而在砷烷氣流減小時(shí)，凈的施主濃度也趨于減小。在繼續(xù)減小砷烷流速的情況下，膜將最終變成p型。起p型導(dǎo)電作用的受主態(tài)可能與膜中的缺陷（砷空位）有關(guān)。在生長(zhǎng)過(guò)程中改變?cè)礆獾臍饬鞅壤梢栽谕庋幽ぶ兄?/p>

12、造p-n結(jié)。 14第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.2 MOCVD生長(zhǎng)過(guò)程及參數(shù)控制3. 源的純度源的純度在MOCVD技術(shù)中，源的純度非常重要?？梢哉f(shuō)，膜的電學(xué)性質(zhì)在相當(dāng)大程度上由源的純度決定。市場(chǎng)上可以買(mǎi)到高純的砷烷。其純度可由預(yù)先用氯化鎵與砷烷為源同質(zhì)外延得到的GaAs膜的電學(xué)測(cè)量來(lái)估計(jì)。三甲基鎵的質(zhì)量尚無(wú)法預(yù)先估計(jì)。發(fā)射光譜分析證明，三甲基鎵中含有Cu、Fe、Zn、Al、Si、Mg等諸多雜質(zhì)，其重量比可高達(dá)107104。這些雜質(zhì)可以引起GaAs膜的非故意摻雜。紅外光譜分析證明，在三甲基鎵中還存在不等量的碳?xì)浠衔?。到目前為止，三甲基?/p>

13、的純度一般是由外延生長(zhǎng)膜的電學(xué)測(cè)量來(lái)評(píng)估的。不純的鎵源生長(zhǎng)的GaAs膜表觀上有很高的電阻率（大于103Wcm），而且與膜的厚度無(wú)關(guān)，有時(shí)還能得到多晶膜。 15第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.3 對(duì)于源的討論鑒于源材料對(duì)于MOCVD技術(shù)的重要性，下面就源的組成問(wèn)題進(jìn)行一些討論。 MOCVD技術(shù)所用的源材料是路易斯酸（電子接受體）和路易斯堿（電子給予體）及所生成的加合物作為反應(yīng)產(chǎn)物的母體，即：路易斯酸（電子接受體）路易斯堿（電子給予體）加合物例如： MR3+XR3=MR3XR3 加合物中各化學(xué)鍵的強(qiáng)度由R、R、M及X的性質(zhì)決定。在加合物形成后

14、，可以有以下幾種方式生成產(chǎn)物MX（下列各式中，括號(hào)內(nèi)是可替代成分）：（1）由多組分原位生成：MR3+XR3=MXR3R3例如： GaMe3+P(As)H3=GaP(As)+3MeH (Me=CH3，甲基)16第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.3 對(duì)于源的討論（2）由單一源生成：MR3(R2X)XR3=MX+R3R3(RX+2RR)例如：GaEt2ClAsEt3=GaAs+EtCl+2EtEt(Et=C2H5，乙基) （3）由取代反應(yīng)生成：MR3XR3+XR3=MX+XR3+R3R3例如：InMe3PEt3+P(As)H3=InP(As)+P

15、Et3+3MeH17第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.3 對(duì)于源的討論幾乎所有的族、族、族化合物的MOCVD都可歸于上述幾種類(lèi)型的一種。在由多組分原位反應(yīng)生成所需的化合物時(shí)，存在著生成高聚物的副反應(yīng)：nMR3+nXR3=(MRXR)n+2nRR例如： nInMe3(Et3)+nPH3=(InMe(Et)PH)n+2nMe(Et)H生成的高聚物(MRXR)n妨礙了半導(dǎo)體化合物MX的生成。目前已找到一些解決這個(gè)問(wèn)題的辦法： （1） 加入某種阻化劑，使高聚物不易生成，如在上述反應(yīng)中加入Me3InPMe3、MeInPEt3、Me3InNEt3等一類(lèi)

16、物質(zhì)可以阻止高聚物(InMe(Et)PH)n生成。 （2）在原料氣混合之前使PH3裂解。 （3）用低壓汽相淀積（LPMOCVD）使高聚物分解。 （4）在襯底附近設(shè)置輔助加熱器使高聚物分解。 18第8章 微電子工程前沿課題 8.1 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)概況8.1.3 對(duì)于源的討論總之，MOCVD技術(shù)在80年代中期已經(jīng)在合成高純的烷、烴基金屬化合物及其加合物，解決淀積過(guò)程中的高聚物問(wèn)題以及減少設(shè)備開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)間，從而使組分和摻雜都得到了精確控制等幾個(gè)方面都取得了巨大進(jìn)步，使MOCVD技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)趨于成熟并在電子材料制備中越來(lái)越顯示出重大作用的新階段。最后，關(guān)于MOCVD技術(shù)中的

17、安全問(wèn)題，主要有兩個(gè)方面：一是所有金屬有機(jī)化合物及V族元素氫化物極毒，因此要求系統(tǒng)密閉及對(duì)廢物嚴(yán)格處理；二是氫化物及金屬有機(jī)化合物沸點(diǎn)低、易揮發(fā)、易燃、易爆。目前已在MOCVD系統(tǒng)上設(shè)計(jì)了很多傳感器，并用電腦加以控制，有效地保證了操作中的安全。但值得提出的是這些裝置并非越多越好，實(shí)際上是越多越容易出毛病。 19第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介分子束外延就是在超高真空系統(tǒng)中，用分子或原子束進(jìn)行外延淀積的過(guò)程。在超高真空條件下，分子束束流密度低，束流分子之間以及束流分子與背景氣體分子之間都沒(méi)有明顯的碰撞發(fā)生。分子束外延的特點(diǎn)如表82所示： （1）外延生長(zhǎng)的蒸發(fā)源與襯

18、底分開(kāi)加熱，可以分別加以控制和調(diào)整；（2）生長(zhǎng)速率極慢，約1埃/秒10埃/秒，可以利用快門(mén)精密地控制膜厚與成分；（3）生長(zhǎng)溫度低，可以避免生長(zhǎng)過(guò)程中襯底或外延層中雜質(zhì)的再擴(kuò)散，也可避免高溫?zé)崛毕莸漠a(chǎn)生，并可獲得雜質(zhì)分布非常陡峭的突變結(jié)；（4）外延生長(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，所以可以生長(zhǎng)一般熱平衡生長(zhǎng)難以獲得的晶體；（5）在生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)面處于高真空中，可以進(jìn)行就地分析，研究外延生長(zhǎng)過(guò)程、外延層的組成及表面狀態(tài)。 20第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介表82 分子束外延的特點(diǎn) 分子束外延低溫生長(zhǎng)材料供給源與生長(zhǎng)面分開(kāi)生長(zhǎng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)在超高真空中生

19、長(zhǎng)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的表面上再生長(zhǎng)同時(shí)采用電子束、離子束、激光束等的多功能生長(zhǎng)用掩模、快門(mén)等控制生長(zhǎng)圖形控制組分及摻雜分布多元化合物的生長(zhǎng)非熱平衡生長(zhǎng)同時(shí)用多種超高真空分析儀開(kāi)發(fā)新元件平面器件超晶格等多層薄膜周期結(jié)構(gòu)薄膜器件（FET、半導(dǎo)體激光器等）梯度帶隙結(jié)構(gòu)器件(太陽(yáng)電池等)開(kāi)發(fā)新材料IIVI族化合物和pn結(jié)為制作表面能級(jí)器件研究表面能級(jí)，研究晶體生長(zhǎng)機(jī)構(gòu)21第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介 外延生長(zhǎng)系統(tǒng)是一個(gè)用不銹鋼制成的超高真空工作室，它的極限真空度達(dá)11081109Pa。在外延生長(zhǎng)時(shí)，仍需保持在107Pa以上。通常高真空機(jī)組由鈦升華泵、液氮冷阱、濺射離子泵等組

20、成（有時(shí)還需要分子泵和冷凝泵）。由于整個(gè)工作室要達(dá)到超高真空，工作室必須經(jīng)過(guò)烘烤，所以要求整個(gè)工作室內(nèi)部的附屬機(jī)件能承受200250的高溫。 22第8章 微電子工程前沿課題 四極質(zhì)譜儀衍射屏電子槍過(guò)程控制與顯示微處理機(jī)液氮冷卻屏蔽罩加熱器襯底控制襯底的快門(mén)控制源的快門(mén)噴射室液氮冷卻屏蔽罩連接超高真空機(jī)組加熱控制熱電偶 圖84是分子束外延裝置的示意圖。它由外延生長(zhǎng)和監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。圖84 分子束外延裝置示意圖 23第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介工作室內(nèi)部直接用于外延生長(zhǎng)的部分是分子束的噴射室，控制束流的快門(mén)，可以加熱的樣品架等。圖85是一個(gè)典型的噴射室結(jié)構(gòu)。

21、盛有蒸發(fā)物的加熱池可用被高溫?zé)峤獾腂N制成，它的化學(xué)穩(wěn)定性好，釋放出的吸附氣體少。加熱池中插有熱電偶以控制爐溫。溫度一般控制在1誤差之內(nèi)。因?yàn)閷?duì)象Ga、Al、P、As之類(lèi)的蒸發(fā)源，當(dāng)爐溫每變化1時(shí)，分子束流將變化36，爐子系用螺旋式的鎢絲加熱，加熱器外用鉭箔做的屏蔽罩遮起來(lái)，以防止?fàn)t體熱輻射。分子束經(jīng)過(guò)一個(gè)準(zhǔn)直孔噴入真空室內(nèi)。噴射室的要求是：（1）尺寸小，（2）氣體噴射率高，（3）熱響應(yīng)快，（4）輻射功率損耗低，（5）加熱池受熱均勻。 24第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介圖85 噴射室結(jié)構(gòu)示意圖 ABCDEHIJGFA分子束B(niǎo)準(zhǔn)直孔C蒸發(fā)物DBN加熱池E氧化鋁熱

22、偶罩F氧化鋁絕緣的鎢加熱絲G波紋鉭箔屏蔽罩H氧化鋁支架I鍍金的銅屏蔽罩J液氮25第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介為了生長(zhǎng)各種多元化合物半導(dǎo)體，并滿(mǎn)足不同的摻雜要求，這種噴射室往往有好幾個(gè)。每個(gè)室均有相應(yīng)的熱電偶、快門(mén)及加熱控制回路，為防止源之間的沾污，室之間還裝有隔板。樣品以鎵片或銦片靠表面張力粘附在樣品架上，可防止由應(yīng)力引起的晶格缺陷。清潔襯底表面的工作，由生長(zhǎng)室內(nèi)的氬離子槍轟擊來(lái)完成。監(jiān)控部分一般包括四極質(zhì)譜，俄歇電子能譜儀和低能電子衍射儀等。四極質(zhì)譜儀是一種常用的分析氣體成分的儀器，用以監(jiān)視殘留氣體和分子束流成分。低能電子衍射儀可進(jìn)行晶體表面結(jié)構(gòu)的分析，若

23、裝有掃描高能電子衍射儀還可以觀察表面的光潔平整度。俄歇譜儀則用來(lái)監(jiān)視表面成分，測(cè)定化學(xué)計(jì)量比，表面沾污等。電子計(jì)算機(jī)可以從四極質(zhì)譜儀取得束流成分和強(qiáng)度的信、加熱池溫度信號(hào)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度和快門(mén)，以精確控制外延膜厚與成分，利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制對(duì)于制備很薄的超晶格結(jié)構(gòu)是十分必要的。 26第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介分子束外延過(guò)程分兩個(gè)步驟，一是原料蒸發(fā)形成一定化學(xué)成分與束流密度的分子束；二是分子束在單晶襯底上淀積生長(zhǎng)。對(duì)于元素半導(dǎo)體如鍺、硅，蒸發(fā)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，化合物半導(dǎo)體則比較復(fù)雜。例如對(duì)于一個(gè)二元化合物，組成它的化學(xué)元素分別為M和X（設(shè)M為金

24、屬，X為非金屬）。因?yàn)檎舭l(fā)源處于熱平衡狀態(tài)，所以MX蒸發(fā)時(shí)揮發(fā)性的元素束流大得多，如用IIIV族化合物作V族元素的分子束是很合適的，因?yàn)檫@樣能提供穩(wěn)定的、正確的分子束通量。III族元素的分子束源，一般都用元素本身。將淀積過(guò)程看做是一級(jí)解吸過(guò)程，設(shè)表面壽命t、吸附原子濃度n和解吸率G有如G=n/t的關(guān)系。當(dāng)一強(qiáng)度為J的分子束突然入射到襯底表面上，則n的改變率為取起始條件n(0)=0，并假定tf(n)，則上述方程可以積分，由方程Gn/t可得G(t)=J(1-e-t/t)dndtnJ t27第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介同樣道理，當(dāng)束流突然被快門(mén)截?cái)鄷r(shí)，解吸率將按e

25、-t/t衰減。根據(jù)t的溫度關(guān)系可以確定解吸的激活能Ett0exp(E/RT) Ga在GaAs上的吸附和解吸符合上述規(guī)律，如圖86a所示，該圖示出兩個(gè)溫度下由(111)GaAs上Ga的矩形入射脈沖得到的解吸脈沖的形狀。 904K=7st885K=10st20s1.5 10 原子/cm s132ab20s加Ga束流圖86 兩個(gè)溫度下(111)GaAs上Ga的矩形入射脈沖得到的解吸脈沖(a)和砷分子入射于GaAs襯底時(shí)的反射束流強(qiáng)度(b) 28第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介As2在GaAs上的解吸則不符合上述規(guī)律。如將砷的分子束流周期地以矩形脈沖方式加在GaAs襯底

26、上，然后測(cè)量其反射束流的強(qiáng)度，得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖86b所示。 可以認(rèn)為As2分子是以一種可動(dòng)的、弱鍵合的狀態(tài)被吸附的，當(dāng)這些吸附的As2分子遇到成對(duì)的砷空位時(shí)，它們就能夠離解，在升高溫度時(shí)，As原子復(fù)合成As2分子，隨即能吸附如其中*表示表面物質(zhì)種類(lèi)。由此可得粘附系數(shù)式中t是As2*的表面壽命，k是離解的速率常數(shù)。 *)()(*2*2222AsAsAsVAsAsgAstt1112kkSAs29第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)入射砷時(shí)，襯底表面無(wú)Ga存在的情況下，砷的壽命是很短的，也就是說(shuō)粘附系數(shù)接近于0。若在入射砷的束流之前，加入一鎵的束流，此時(shí)砷的

27、反射束流脈沖的上升時(shí)間顯著變長(zhǎng)，即砷的表面壽命t顯著增加。實(shí)驗(yàn)表明，襯底溫度在750K以下鎵的分子束流不發(fā)生反射，襯底溫度在904K時(shí)，鎵的壽命為7秒。在873K左右，As2的粘附系數(shù)SAs2是鎵到達(dá)速率的函數(shù)，砷原子的表面壽命與GaAs表面的鎵覆蓋程度有關(guān)。對(duì)于全覆蓋著鎵的表面，砷的粘附系數(shù)接近于1。生成合乎化學(xué)計(jì)量比要求的GaAs的條件是吸附的鎵與砷之間的碰撞速率等于鎵的到達(dá)速率。假如鎵與砷的到達(dá)速率分別為RGa和RAs，則GaAs的生長(zhǎng)速率為 fRKRGaAst11230第8章 微電子工程前沿課題 8.2 分子束外延（MBE）技術(shù)簡(jiǎn)介這里的是GaAs的離解率，K是吸附的Ga與As之間的作

28、用常數(shù)，約為1014mm2，若As2的到達(dá)速率RAs2為1015cm-2s-1，襯底溫度小于873K，鎵在表面上的壽命t10s。若忽略，由上式可知GaAs的生長(zhǎng)速率基本上等于鎵的到達(dá)速率。實(shí)驗(yàn)表明，只要RAs20.5RGa時(shí)，外延層可以有合適的化學(xué)計(jì)量比，而且其生長(zhǎng)速率完全由RGa所決定。實(shí)際上，為了保證外延層的化學(xué)計(jì)量比，一般總是讓RAs2遠(yuǎn)大于RGa，在低于600K的溫度下，還有As4分子的吸附和反應(yīng)，此處不再贅述。分子束外延GaAs常用的N型摻雜劑為Si和Sn，粘附系數(shù)都接近于1，P型摻雜劑有Mg和Zn，它們的粘附系數(shù)都較小。 fRKRGaAst11231第8章 微電子工程前沿課題 8.

29、3 超晶格與量子阱材料早在1958年，Esaki就首次發(fā)現(xiàn)了，在顯著提高摻雜濃度的n+-p+Ge二極管中，當(dāng)空間電荷區(qū)厚度小于10nm時(shí)，明顯地呈現(xiàn)出隧道效應(yīng)。其后，美國(guó)和日本的一些研究者又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Si-MOS晶體管的導(dǎo)電溝道，在其有效厚度成為100埃左右的量子薄膜后，電子在薄膜內(nèi)會(huì)形成駐波狀態(tài)并被量子化。由此人們?cè)O(shè)想，如果能夠找到可以人為地對(duì)波動(dòng)性進(jìn)行控制技術(shù)，有可能出現(xiàn)在以往的半導(dǎo)體材料中不曾看到的物理現(xiàn)象。1969年，Esaki和Tsu首次提出了使具有量子薄膜和隧道勢(shì)壘功能的兩種超薄膜層化的超晶格新概念。并指出，在這種結(jié)構(gòu)中隨著電子的布喇格反射，將會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)。32第8章 微電子工程前

30、沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料恰逢此時(shí)，分子束外延（MBE）由貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。從此，新工藝為新概念的付諸實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保證。1972年，Esaki等人首次用MBE法制作了GaAs/AlGaAs第一類(lèi)超晶格，并測(cè)定了其IV特性，證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)中負(fù)阻效應(yīng)的存在。1974年，Chang等人采用數(shù)十埃厚的GaAs/AlGaAs雙重勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，研究了垂直于界面方向的電導(dǎo)性，觀測(cè)了低溫下的共振隧道效應(yīng)。幾乎在同一時(shí)期，貝爾實(shí)驗(yàn)室的R.Dingle等人從GaAs/AlGaAs量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的光吸收譜，驗(yàn)證了量子能級(jí)形成的物理事實(shí)。 33第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料隨著MBE等超

31、薄層外延技術(shù)的日漸成熟，新的超晶格結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)。1977年，R.Tsu等人又制作了第二類(lèi)超晶格InAs/GaSb并計(jì)算了其能帶結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，日本東京大學(xué)的H.Sakaki構(gòu)想出了平面超晶格和超精細(xì)量子細(xì)線(xiàn)結(jié)構(gòu)，語(yǔ)言這種結(jié)構(gòu)具有極高的電子遷移率，并試圖采用超薄層外延技術(shù)和超精細(xì)刻蝕工藝研制這種新型結(jié)構(gòu)。34第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料人們一方面研究半導(dǎo)體超晶格的物理性質(zhì)，一方面著手研究如何采用這種結(jié)構(gòu)制備實(shí)用的新型電子器件。1978年，DR.Dingle等人在調(diào)制摻雜的GaAs/AlGaAs結(jié)構(gòu)中，首次發(fā)現(xiàn)了電子遷移率增加現(xiàn)象，即刻引起了各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。時(shí)隔兩年，

32、日本富士通公司的S.Hiyamize（冷水佐壽）等人率先用這種結(jié)構(gòu)研制成功了第一支超高速邏輯器件高電子遷移率晶體管（HEMT）。可以說(shuō)，HEMT的問(wèn)世是半導(dǎo)體超晶格研究中的一個(gè)重要里程碑。其后，一代滲透基區(qū)晶體管（PBT）等相繼登場(chǎng)，從而半導(dǎo)體超晶格研究的面貌大為改觀。 35第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料在半導(dǎo)體超晶格研究領(lǐng)域中，對(duì)于量子阱結(jié)構(gòu)的能帶與次能帶中電子躍遷過(guò)程的研究，導(dǎo)致了量子阱激光器，高速發(fā)光器件等一類(lèi)光電子器件的出現(xiàn)。1975年，Van der ziel等人制備了層厚為100埃的8層量子阱結(jié)構(gòu)，并在液氮溫度下振蕩成功。而1979年由西德的D.H.Dohl

33、er等人利用調(diào)制摻雜技術(shù)，在GaAs生長(zhǎng)過(guò)程中周期性地?fù)饺雙型雜質(zhì)和n型雜質(zhì)，形成了nipi摻雜型超晶格，使它在可調(diào)諧紅外激光器制作方面顯示出令人滿(mǎn)意的優(yōu)越性。隨著對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)光學(xué)特性研究的不斷深入，先后試制成功了一系列光電子器件，如光吸收調(diào)制器，光雙穩(wěn)定器件，全反射型開(kāi)關(guān)，高速發(fā)光器件，各類(lèi)雪崩二極管以及光敏器件等。從而大大促進(jìn)了光電子集成電路和長(zhǎng)距離光纖通信技術(shù)的發(fā)展。36第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料 進(jìn)入八十年代，半導(dǎo)體超晶格的研究出現(xiàn)兩個(gè)明顯趨向。一是人們開(kāi)始集中而系統(tǒng)地從理論和實(shí)驗(yàn)上研究超晶格所具有的各種物理性質(zhì)，如量子阱的能帶結(jié)構(gòu)，低溫量子輸運(yùn)，平行和垂直

34、于界面的導(dǎo)電性以及光學(xué)特性等，并取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。其中，整數(shù)及分?jǐn)?shù)量子化霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)就是一例。Klass Von Klitzing因發(fā)現(xiàn)了量子化霍爾效應(yīng)而榮獲1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)。二是人們開(kāi)始將超薄層外延技術(shù)與已經(jīng)成熟穩(wěn)定的Si-VLSI工藝相結(jié)合，采用HEMT和HBT竟相開(kāi)發(fā)超高速邏輯電路。目前，HEMT已從大規(guī)模集成向超大規(guī)模集成方向發(fā)展，HBT大規(guī)模集成注入邏輯電路性能不斷提高，而共振隧道雙極晶體管（RTBT）和共振隧道熱電子晶體管（RHET）及其在電路應(yīng)用方面的研究也在逐步取得進(jìn)展。37第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料半導(dǎo)體超晶格研究之所以能夠取得顯著進(jìn)展，是與

35、MBE和MOCVD一類(lèi)超薄層外延技術(shù)密切相關(guān)的。反過(guò)來(lái)，半導(dǎo)體超晶格研究的不斷深入，又使超薄層外延工藝不斷完善。繼MBE、MOCVD之后，又相繼出現(xiàn)了兼有二者之長(zhǎng)的MOMBE，和原子層外延（ALE）以及超高真空濺射等技術(shù)，特別是將反射高能電子衍射（RHEED）用于這類(lèi)超薄層外延生長(zhǎng)，不久能十分精確地控制薄層生長(zhǎng)厚度及生長(zhǎng)形貌，而且還為研究生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供了有用信息。 38第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.1 半導(dǎo)體超晶格研究的主要內(nèi)容半導(dǎo)體超晶格的研究涉及超晶格結(jié)構(gòu)物理、超晶格結(jié)構(gòu)器件、超晶格結(jié)構(gòu)的制備以及超晶格結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面。 39第8章 微電子工程前沿課

36、題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.1 半導(dǎo)體超晶格研究的主要內(nèi)容半導(dǎo)體超晶格物理與器件超晶格結(jié)構(gòu)物理半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)超晶格中的電子狀態(tài)超晶格中的電子輸運(yùn)晶格振動(dòng)光學(xué)性質(zhì)超晶格結(jié)構(gòu)器件超高速器件高電子遷移率晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管共振隧道晶體管光電子器件量子阱激光器高速光器件光敏器件超晶格結(jié)構(gòu)的制備分子束外延金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積金屬有機(jī)分子束外延原子層外延超晶格結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)利用X射線(xiàn)的評(píng)價(jià)利用電子顯微鏡的評(píng)價(jià)反射高能電子衍射技術(shù)40第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)超晶格的基本概念：當(dāng)兩層或兩層以上的GaAs量子阱相互靠近時(shí)，電子波在處于兩層之

37、間的AlGaAs層內(nèi)并無(wú)明顯衰減，因此使得相鄰GaAs量子阱內(nèi)的量子能級(jí)結(jié)合在一起，其結(jié)果導(dǎo)致簡(jiǎn)并的量子能級(jí)產(chǎn)生分裂。如果量子阱數(shù)足夠多，那么分裂的量子能級(jí)將成為連續(xù)狀態(tài)，并形成小的能帶。換言之，GaAs層量子阱內(nèi)的電子波以隧道方式穿過(guò)AlGaAs層，而且可以在若干層內(nèi)進(jìn)行連續(xù)傳播。因此我們定義，由能夠封閉電子的薄層（如GaAs）和可以產(chǎn)生隧道效應(yīng)的薄層（如AlGaAs）交替生長(zhǎng)，而形成的周期性晶格結(jié)構(gòu)叫做超晶格（Superlattic-SL）41第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)超晶格的整個(gè)結(jié)構(gòu)保持晶格的連續(xù)性。每種材料的厚度通常為晶格常數(shù)的

38、兩倍至二十倍。由于兩種材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶邊的能量不相同，因此在兩種材料的交界處，帶邊發(fā)生不連續(xù)的變化，即能帶具有不連續(xù)性。目前因組成超晶格的材料不同，制備方法各異，已出現(xiàn)了多種類(lèi)型的超晶格?，F(xiàn)按其結(jié)構(gòu)類(lèi)型分述如下。 42第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)1. 第一類(lèi)超晶格（第一類(lèi)超晶格（Type Superlattice） 第一類(lèi)超晶格又稱(chēng)組分超晶格，如圖88（a）所示。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是，GaAs的導(dǎo)帶底低于AlxGa1-xAs導(dǎo)帶底，但其價(jià)帶頂卻高于后者。電子和空穴能量的極小值都在GaAs層的量子阱中，即電子與空穴都被封閉在GaAs中，其布

39、里淵區(qū)分成子能帶，子能帶間有窄的禁帶。量子阱的名稱(chēng)是為了強(qiáng)調(diào)，兩邊勢(shì)壘的限制使垂直方向的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了量子化。 43第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)2. 第二類(lèi)超晶格（第二類(lèi)超晶格（Type Superlattice） 第二類(lèi)超晶格又分為如圖88（b）和（c）兩種，即Staggered型和Misaligned型。在前者中，In1-xGaxAs的導(dǎo)帶底Ec1低于GaSb1-yAsy的導(dǎo)帶底Ec2，而前者的價(jià)帶頂也低于后者的價(jià)帶頂。因此電子能谷位于In1-xGaxAs層，而空穴能谷位于GaSb1-yAsy中。電子和空穴在空間上是分開(kāi)的，故具有很長(zhǎng)的非

40、平衡載流子壽命。 后者的能帶在界面具有特殊形式。InAs的導(dǎo)帶底Ec1低于GaSb的價(jià)帶頂Ev1，所以電子位于InAs層內(nèi)，而空穴位于GaSb內(nèi)。在InAs-GaSb超晶格中，隨著各層膜厚的增加，InAs層內(nèi)的電子能級(jí)將下降，而GaSb層內(nèi)的空穴能級(jí)則上升，其有效帶隙慢慢遞減。當(dāng)周期長(zhǎng)度增加到160埃左右時(shí)，有效帶隙等于零，原來(lái)在實(shí)空間中被分離的電子和空穴處于共存狀態(tài)，亦即呈現(xiàn)“金屬行為”。 44第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)3. 第三類(lèi)超晶格（第三類(lèi)超晶格（Type Superlattice） 這類(lèi)超晶格亦稱(chēng)復(fù)型超晶格。它是由三種化合物半

41、導(dǎo)體周期地相間生長(zhǎng)的。AlSb、GaSb和InAs三者的禁帶寬度不同，但晶格常數(shù)卻比較相近，因而界面很平整，失配位錯(cuò)不嚴(yán)重，如圖8-8（d）所示。 45第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)Ec1Ec2Ev2Ev1GaAs-Al Ga As(a)EgEc1Ec2Ev2Ev1Ec1Ec2Ev2Ev1In Ga As-GaSb As1-xx1-xx1-yy(b)InAs-GaSb(c)EcEvGaSbInAsAlSb(d)圖88 GaAs-GaAlAs,InGaAs-GaSbAs及GaSb-InAs-AlSb三種類(lèi)型超晶格材料的能帶圖(a)第一類(lèi)超晶格

42、 (b)Staggered型超晶格 (c)Misaligned型超晶格 (d)第三類(lèi)超晶格46第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)4. nipi摻雜超晶格（摻雜超晶格（Doping Superlattice） 這是一種由摻雜n型和p型雜質(zhì)的超薄層與本征層相間組成的周期性結(jié)構(gòu)。圖89（a）示出了GaAs摻雜超晶格的帶隙。超晶格的周期為nipi各層厚度之和，即式中dn、dp和dj分別為n型和p型摻雜層及本征層的厚度。這種超晶格與通常的異質(zhì)結(jié)超晶格系統(tǒng)不同。它不包含任何界面，因此不存在任何與界面有關(guān)的問(wèn)題。其周期勢(shì)是固定離化雜質(zhì)產(chǎn)生的靜電勢(shì)。當(dāng)這種超晶

43、格受到光照后，光生電子和空穴分別處于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂。由于這種因光產(chǎn)生的電子空穴對(duì)空間上是分開(kāi)的，因而有特別長(zhǎng)的壽命。 jpndddd2 47第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)5. 鋸齒型摻雜超晶格（鋸齒型摻雜超晶格（Sawtooth Doping Superlattice） 鋸齒型摻雜超晶格又稱(chēng)型摻雜超晶格。鋸齒型摻雜超晶格的目的在于滿(mǎn)足這樣的要求，即在一個(gè)均勻半導(dǎo)體材料中既要有短的載流子壽命，又要有大幅度的帶邊調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)低于基質(zhì)材料帶隙的能量下發(fā)生受激光發(fā)射。GaAs鋸齒型摻雜超晶格陡峭的V性勢(shì)阱使得其能隙比基質(zhì)材料的能隙低得多，由于載流子

44、壽命短，即使在高激發(fā)狀態(tài)下能隙也是恒定的。這些獨(dú)特性質(zhì)使其極富有吸引力，可望應(yīng)用于8501100埃波長(zhǎng)范圍的光電器件。 48第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)6. 應(yīng)變層超晶格（應(yīng)變層超晶格（Atrained Layer Superlattice） 由于MBE和MOCVD等超薄層外延技術(shù)能夠生長(zhǎng)具有原子級(jí)平滑程度的超晶格結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于晶格匹配的要求不再十分嚴(yán)格。只要晶格失配的兩種材料可以在界外彈性地調(diào)整原子間距，使兩者都達(dá)到一個(gè)使界面原子排列仍保持匹配的晶格常數(shù)，這樣的超晶格稱(chēng)為應(yīng)變層超晶格（SLS），如圖89（b）所示。應(yīng)變層超晶格的主要特點(diǎn)

45、是，當(dāng)SLS的厚度發(fā)生變化時(shí)，能帶寬度發(fā)生變化，能帶附近的曲率也會(huì)發(fā)生變化，因而會(huì)影響載流子的輸運(yùn)特性。由于超晶格布里淵區(qū)的折疊效應(yīng)，由間接能隙材料制備的SLS有可能成為直接能隙，使光學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化。目前，代表性的應(yīng)變層超晶格有InGaAs/GaAs系、GaAsP/GaAs系、GaSb/AlSb系、InGaAs/GaAsP系以及Si/SiGe系等。 49第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)7. 分?jǐn)?shù)層超晶格（分?jǐn)?shù)層超晶格（Fractional Layer Superlattice） 分?jǐn)?shù)層超晶格的概念最早是由美國(guó)加州大學(xué)的P.M.Petrof

46、f于1984年提出的。圖89（c）示出了由日本NTT的T.Fukui采用MOCVD在GaAs（001）的鄰晶面上生長(zhǎng)的（AlAs）1/2（GaAs）1/2分?jǐn)?shù)層超晶格。由于在（001）鄰晶面上存在單原子的階梯，精確的表面定向切割，可使每個(gè)臺(tái)階的寬度均相等。如果嚴(yán)格控制生長(zhǎng)條件，使成核過(guò)程發(fā)生在臺(tái)階邊而并非二維成核，讓臺(tái)階上先長(zhǎng)半個(gè)單層AlAs，再生長(zhǎng)半個(gè)單層GaAs，如此反復(fù)便可形成分?jǐn)?shù)層超晶格。分?jǐn)?shù)層超晶格提供了一個(gè)極好的制造量子細(xì)線(xiàn)的方法。 50第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)d1d2d3a1a2a3(b)(a)能量Ev(Z)0Ec(Z)

47、02V0Eg0EgnipiGaAs基板(GaAs) (AlAs)0.50.5(c)圖8-9 (a)摻雜超晶格的帶隙；(b)應(yīng)變層超晶格示意圖；(c)分?jǐn)?shù)層超晶格示意圖 51第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)8. 多維超晶格（多維超晶格（Mutidimensional Superlattice） 根據(jù)量子封閉的維數(shù)，超晶格可分為一維、二維與三維超晶格，依次稱(chēng)為量子薄膜，量子細(xì)線(xiàn)與量子點(diǎn)（量子箱）。超晶格的多維化帶來(lái)的最明顯的特征是有效狀態(tài)密度的變化。對(duì)于一維超晶格，有效狀態(tài)密度在各子能帶內(nèi)，且有,成為與能量無(wú)關(guān)的階躍函數(shù)；在二維超晶格中，有效狀態(tài)

48、密度在各子能帶內(nèi)，且有,在子能帶底有效狀態(tài)密度最大；在三維超晶格中，有效狀態(tài)密度為線(xiàn)狀光譜，類(lèi)似孤立氫原子模型。圖810依次示出了上述超晶格的關(guān)系。 52第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)Eg(E)Eg(E)Eg(E)圖810 各類(lèi)超晶格的有效狀態(tài)密度與能量的關(guān)系 53第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)9. 特殊類(lèi)型超晶格特殊類(lèi)型超晶格 迄今，采用GaAs的超晶格均是在（001）面上生長(zhǎng)的。而如果象圖811那樣，在與結(jié)晶學(xué)的（001）面成角的襯底表面生長(zhǎng)超晶格，則會(huì)出現(xiàn)一些新的現(xiàn)象。如當(dāng)在平臺(tái)狀

49、的襯底上制備(GaAs)4(AlAs)6600超晶格時(shí)，其生長(zhǎng)方向具有的長(zhǎng)周期，在面內(nèi)具有的長(zhǎng)周期。因此，從X射線(xiàn)圖形可以觀察到，在同001方向成角的方向呈現(xiàn)出所謂的衛(wèi)星發(fā)生現(xiàn)象。亦即超晶格的密度波方向不是001方向，而是q的方向。予計(jì)，這種超晶格的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可用于各種新型人工材料的制備，如新的一維金屬超晶格等。 54第8章 微電子工程前沿課題 8.3 超晶格與量子阱材料8.3.2 半導(dǎo)體超晶格的分類(lèi)GaAs基板d2d1=5a0。600(GaAs) (AlAs) 46 600AlAs3aGaAs2a00001圖811 特殊超晶格結(jié)構(gòu)示意圖 55第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作

50、的器件基于超晶格和量子阱中載流子限制和共振隧道效應(yīng)的研究，已經(jīng)研制出許多工作原理新穎、性能優(yōu)異的新型器件，其中有量子阱激光器、長(zhǎng)波長(zhǎng)光探測(cè)器、光學(xué)開(kāi)關(guān)、HEMT、HBT和HET等，現(xiàn)分述如下。 56第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件1. 多量子阱激光器多量子阱激光器具有多量子阱結(jié)構(gòu)的激光器，比通常用外延材料制作的異質(zhì)結(jié)激光器具有閾值電流低、閾值電流隨穩(wěn)定變化小、發(fā)射譜線(xiàn)窄、量子效率高和調(diào)制頻率高等優(yōu)點(diǎn)，而且發(fā)射波長(zhǎng)不受基質(zhì)材料帶隙寬度的限制，可通過(guò)改變量子阱的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)改變發(fā)射波長(zhǎng)。如果采用應(yīng)變層量子阱，由于壓縮應(yīng)力的存在，量子阱平面上重空穴帶中的空穴

51、有效質(zhì)量顯著減小，這將進(jìn)一步減小閾值電流和改進(jìn)激光器的其它參數(shù)。 57第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件1. 多量子阱激光器多量子阱激光器（1）1.5波長(zhǎng)半絕緣阻擋平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器這種激光器采用了應(yīng)變層多量子阱有源區(qū)，有源區(qū)中制作了四個(gè)25埃寬的InGaAs量子阱層和五個(gè)90埃寬的InGaAsP勢(shì)阱層。條寬為2.5，腔長(zhǎng)200的激光器，閾值電流低達(dá)2.2mA，工作電流為53mA時(shí)，室溫連續(xù)單模輸出功率20mW。（2）調(diào)制摻雜AlGaAs/GaAs多量子阱高速激光器在低溫（低于600）下用MBE生長(zhǎng)的調(diào)制摻雜AlGaAs/GaAs多量子阱激光器，結(jié)構(gòu)如

52、圖812所示。條寬9、腔長(zhǎng)200的條形激光器閾值電流為50mA，最大輸出功率200mW，在室溫下測(cè)得的馳豫振蕩頻率大于30GHz。這種激光器具有超高速調(diào)制能力，可以滿(mǎn)足高容量光纖通信的需要。 58第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件1. 多量子阱激光器多量子阱激光器0 0.2 0.4Al組分1200Ao105A117A63AoooBe摻雜n-GaAsp-Al Ga Asn-Al Ga Asn-GaAsn-GaAs襯底0.4 0.60.4 0.60.5 m Si=310 cm1.6 m Be=710 cm調(diào)制摻雜MQWGRIN AlGaAs1.6 m Si

53、=1.510 cm0.5 m Si=210 cm18 -317 -318 -318 -3圖812 調(diào)制摻雜多量子阱激光器結(jié)構(gòu)示意圖 59第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件2. 光探測(cè)器光探測(cè)器 （1）長(zhǎng)波長(zhǎng)探測(cè)器 先進(jìn)的晶體生長(zhǎng)技術(shù)已能生長(zhǎng)出具有理想光學(xué)特性的人造晶格結(jié)構(gòu)，由于超晶格結(jié)構(gòu)中能級(jí)分離主要取決于吸收層的厚度，所以改變吸收層的厚度就可改變最大響應(yīng)率的波長(zhǎng)。例如，一種AlGaAs/GaAs多量子阱光探測(cè)器，可以探測(cè)310微米的輻射波長(zhǎng)，但構(gòu)成量子阱基質(zhì)材料帶隙所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)小于1微米。用40個(gè)周期的AlGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)制作了高靈敏度的

54、長(zhǎng)波長(zhǎng)探測(cè)器。每周期由非常薄的GaAs阱（40埃，摻雜濃度為21018cm-3）和一個(gè)較厚的Al0.31Ga0.69As勢(shì)壘層組成，如圖813所示。這種探測(cè)器在時(shí)探測(cè)器高達(dá)，這個(gè)靈敏度與典型的背景限制HgCdTe光電導(dǎo)探測(cè)器的靈敏度相當(dāng)。 60第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件2. 光探測(cè)器光探測(cè)器GaAsGaAs量子阱GaAs襯底AlGaAs40阱圖813 AlGaAs/GaAs多量子阱長(zhǎng)波長(zhǎng)光探測(cè)器示意圖 61第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件2. 光探測(cè)器光探測(cè)器采用In0.15As0.35Sb/InSb

55、應(yīng)變層超晶格制作了紅外高探測(cè)率低壓型探測(cè)器，結(jié)構(gòu)如圖814所示。它用MBE生長(zhǎng)在InSb襯底上的p-i-n結(jié)構(gòu)，每層都由150埃InAsSb/150埃InSb應(yīng)變層超晶格組成，p區(qū)摻Be，n區(qū)摻Se，i區(qū)摻雜水平是MBE本底摻雜水平。為了改進(jìn)超晶格的質(zhì)量，采用了InGaAs漸變組分緩沖層。二極管采用臺(tái)面隔離，背面接觸為一個(gè)反射層，以提高量子效率。這種探測(cè)器在10m波長(zhǎng)下探測(cè)率D*也大于11010cmHz1/2W-1。 62第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件2. 光探測(cè)器光探測(cè)器SLS p(510 )SLS i (310 )SLS n(510 )1616

56、15n(510 )16In Ga Sb緩沖層(x=1.0-0.9)x 1-xInSb n型襯底1.0 m2.5 m1.0 m5.0 mSLS:150A InAs Sb /150A InSboo0.15 0.85反射背面接觸圖814InAsSb/InSb應(yīng)變層超晶格光電壓紅外探測(cè)器 63第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件2. 光探測(cè)器光探測(cè)器(2)波長(zhǎng)可調(diào)諧的1.5m高速AlGaInAs/AlInAs多量子阱pin光探測(cè)器為了滿(mǎn)足高比特率、長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的需要，NTT光電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制了1.5m高速AlGaInAs/AlInAs多量子阱pin光探測(cè)器

57、。這種探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)可利用量子限制Stark效應(yīng)來(lái)改變。器件結(jié)構(gòu)如圖815所示。pin光二極管的i區(qū)是由30個(gè)周期的非摻雜、100埃厚的AlInGaAs量子阱層和50埃厚的AlInAs勢(shì)壘層組成，整個(gè)pin結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在n型InP襯底上。在10V反偏壓下漏電流密度為6104/cm2。響應(yīng)波長(zhǎng)隨反偏壓的變化而移動(dòng)，最大可以變化1600埃。這種探測(cè)器非常適合用于多路信號(hào)分離器。探測(cè)器的脈沖響應(yīng)上升時(shí)間只有40ps。 64第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件2. 光探測(cè)器光探測(cè)器 AuZnNiP-GaInAsP-AlInAsI-MQWN-AlInAsAlInAs

58、AlGaInAsInP襯底AuGeNi圖815 AlGaInAs/AlInAs多量子阱pin光探測(cè)器剖面圖 65第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件3. 光學(xué)開(kāi)關(guān)光學(xué)開(kāi)關(guān) 在目前的光波傳輸系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理都用電子開(kāi)關(guān)器件來(lái)完成，但由于數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，電子開(kāi)關(guān)系統(tǒng)就滿(mǎn)足不了要求，所以光學(xué)開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理越來(lái)越具有吸引力。 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)IIIV族化合物器件是光學(xué)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。AT&T已發(fā)表了一種基于量子限制Stark效應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件。這種器件稱(chēng)為自光電效應(yīng)器件（SEED）。它是一種光觸發(fā)光學(xué)開(kāi)關(guān)，如圖816(a)、(b)所示。器件有一個(gè)pin結(jié)構(gòu)，

59、i區(qū)是由非摻雜多量子阱組成，它由一些吸收層和非吸收層交疊而成（厚度小于100埃）。當(dāng)pin加上反偏壓后，在非摻雜的多量子阱區(qū)中產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，用光照射時(shí)，入射光在多量子阱i區(qū)的吸收層中激發(fā)產(chǎn)生載流子，從而改變了器件的電學(xué)阻抗（因而也改變了電場(chǎng)）。如果入射光的能量接近量子阱材料的帶隙能量時(shí)，光照改變后的電場(chǎng)就對(duì)光的傳輸產(chǎn)生影響，即形成光的滯后現(xiàn)象和雙穩(wěn)特性。這就是SEED的工作原理。 66第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件3. 光學(xué)開(kāi)關(guān)光學(xué)開(kāi)關(guān)VRpni 多量子阱光輸入光輸出+-(a)輸入功率(b)圖816 (a)SEED示意圖,(b)光信號(hào)的滯后和雙穩(wěn)定

60、性能 67第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件3. 光學(xué)開(kāi)關(guān)光學(xué)開(kāi)關(guān)一種對(duì)稱(chēng)型SEED，它由兩個(gè)串聯(lián)的量子阱pin二極管組成，如圖817所示。這種對(duì)稱(chēng)型SEED的特點(diǎn)是，它對(duì)入射光功率的起伏和偏壓大小相對(duì)來(lái)說(shuō)不太敏感。并已用這種對(duì)稱(chēng)SEED做成陣列，開(kāi)關(guān)時(shí)間小于幾個(gè)毫微秒。這種器件具有邏輯放大功能和雙穩(wěn)光學(xué)存儲(chǔ)功能。 圖817 AT&T研制的對(duì)稱(chēng)型SEED的剖面圖 多量子阱反射堆積層襯底隔離層二氧化硅n-歐姆p-歐姆p+金屬in+抗反射覆蓋層68第8章 微電子工程前沿課題 8.4 超晶格材料制作的器件8.4.1 光學(xué)器件4. 高速光學(xué)調(diào)制器高速光學(xué)調(diào)制器