課第二章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長

第二章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長當(dāng)前第1頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)問題？立方晶與六方晶的區(qū)別與聯(lián)系維達(dá)定理半導(dǎo)體合金材料（用途）MOCVDMBE自組織生長RHEED當(dāng)前第2頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)第一節(jié)材料的一般特性第二節(jié)異質(zhì)結(jié)界面的晶格失配第三節(jié)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延生長第四節(jié)分子束外延法（MBE）內(nèi)容當(dāng)前第3頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)(1)晶格結(jié)構(gòu)立方晶六方晶晶格常數(shù):Si:5.43A,Ge:5.658AGaAs:5.56A,GaN:c=5.189?,a=3.192?第一節(jié)材料的一般特性1晶格結(jié)構(gòu)當(dāng)前第4頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)1雙原子層堆積2偶極層2立六方結(jié)構(gòu)當(dāng)前第5頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)3六方晶GaN的極性(0001)N-FaceGa-Face(0001)兩個(gè)面具有不同的表面結(jié)構(gòu)、組成和化學(xué)特性,薄膜生長、摻雜和所含缺陷也有著極大的影響氧氫的吸附化學(xué)腐蝕特性也恰恰相反,氧、鋁等雜質(zhì)則更易于進(jìn)入氮面的氮化稼薄鎂的引入會(huì)導(dǎo)致薄膜極性的變化。當(dāng)前第6頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)4氮化鎵材料的極化當(dāng)前第7頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)5晶體結(jié)構(gòu)測(cè)量例對(duì)于c=5.189,(0002)面

d=c/l=2.59452dsin=nq=arcsin(l/2d)=arcsin(1.5443/5.189)=17.312q=34.62deg當(dāng)前第8頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)6半導(dǎo)體合金材料把兩種半導(dǎo)體A和B混合成合金時(shí)，（1）混合材料的晶體結(jié)構(gòu)。（2）原子在合金材料內(nèi)的分布狀況。設(shè)x為材料A的量，形成AxB1-x時(shí)，有以下幾種情況：#兩種材料分布在材料的不同區(qū)域，形成分凝相。在每個(gè)合金點(diǎn)上，A原子占據(jù)的概率為x,B原子占據(jù)的概率為(1-x).形成隨機(jī)合金材料。A原子和B原子按一定規(guī)則形成周期結(jié)構(gòu)，形成超晶格。在三元合金情況下,如GaAlAs,GaAlN,InGaN.禁帶寬度隨組分.當(dāng)前第9頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(InN)*(1-x)–b*x*(1-x)Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)禁帶寬度的經(jīng)驗(yàn)公式b適用范圍InGaN3.2(strained)X<0.20AlGaN0.25(strained)X<0.25InGaN3.8(unstrained)X<0.20Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179當(dāng)前第10頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)對(duì)直接禁帶半導(dǎo)體材料，材料的禁帶寬度滿足：當(dāng)前第11頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)AlGaAs,AlGaN,InGaN.等應(yīng)用廣泛,波長調(diào)節(jié)光限制載流子限制當(dāng)前第12頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)第二節(jié)異質(zhì)結(jié)界面的晶格失配晶格匹配：異質(zhì)結(jié)的兩種材料的晶格常數(shù)要盡可能匹配。1懸掛鍵2界面態(tài)3由界面態(tài)引起的非輻射復(fù)合。為什么要晶格匹配：當(dāng)前第13頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第14頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)懸掛鍵密度等于交界處鍵密度之差.SL當(dāng)前第15頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)包含在這個(gè)面中的鍵數(shù)為2.可以看出，在（111）面上，異質(zhì)結(jié)界面態(tài)密度最小。然而實(shí)際的器件結(jié)構(gòu)中，由于（110）面易于解理這一性質(zhì)，常常利用它來作光學(xué)諧振腔面。相應(yīng)地，與其垂直的（100）常被用來作外延生長的異質(zhì)結(jié)界面。因而，其界面態(tài)密度相對(duì)于其它晶面要高一些。=2.31=2.83=4當(dāng)前第16頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第17頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)第三節(jié)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延生長當(dāng)前第18頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)制造襯底材料加工制成晶片GaN外延生長制成外延晶片LED晶片制造制成LED晶粒LED晶粒封裝制成LED成品藍(lán)寶石Al2O3

襯底GaN緩沖層n型GaN層InGaN量子阱發(fā)光層p型GaN層外延片外延層襯底層外延片當(dāng)前第19頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)晶體生長過程是物質(zhì)從其它相轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相的過程晶體是在物相轉(zhuǎn)變的情況下形成的。物相有三種，即氣相、液相和固相。由氣相、液相固相時(shí)形成晶體，固相之間也可以直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。

液相生長:液體固體氣相生長:氣體固體當(dāng)前第20頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第22頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)DepositionofalayeronasubstratewhichmatchesthecrystallineorderofthesubstrateHomoepitaxyGrowthofalayerofthesamematerialasthesubstrateSionSiHeteroepitaxyGrowthofalayerofadifferentmaterialthanthesubstrateGaAsonSiEpitaxialgrowth:材料外延生長技術(shù)當(dāng)前第23頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)直拉法是生長元素和III-V族化合物半導(dǎo)體體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩堝內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。當(dāng)前第24頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)液相外延生長的基礎(chǔ)是溶質(zhì)在液態(tài)溶劑內(nèi)的溶解度隨溫度降低而減少。因此一個(gè)飽和溶液，在它與單晶襯底接觸后被冷卻時(shí)，如條件適宜，就會(huì)有溶質(zhì)析出，析出的溶質(zhì)就外延生長在襯底上。這里所述的外延，是指在晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與生長層足夠相似的單晶襯底上生長，使相干的晶格結(jié)構(gòu)得以延續(xù)液相外延當(dāng)前第25頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)MOCVD金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MetalorganicChemicalVapor-phaseDeposition）也稱為MOVPE（金屬有機(jī)物氣相外延MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）。它是在60年代末由Manasevit提出。已成為介觀物理、半導(dǎo)體材料和器件的研究以及生產(chǎn)領(lǐng)域最重要的外延技術(shù)之一。在GaAs、InP和GaN材料系的應(yīng)用中，由它制備的材料和器件性能達(dá)到或超過了其它任何晶體外延技術(shù)的水平。與其它外延技術(shù)相比，MOCVD具有反應(yīng)室簡單，材料純度高，生長界面陡，操作容易，應(yīng)用范圍廣，可用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn).金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積當(dāng)前第26頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)MOCVD設(shè)備可分為四個(gè)系統(tǒng)：(1)載氣和源供應(yīng)系統(tǒng)，(2)反應(yīng)室和控制系統(tǒng)，(3)尾氣處理系統(tǒng)和(4)安全保障系統(tǒng)。MOCVD所用的源有氣體源和需要用載氣攜帶的固、液體源；控制系統(tǒng)又分為壓強(qiáng)、流量和溫度三個(gè)控制分系統(tǒng)，分別控制反應(yīng)室的壓強(qiáng)，載氣及氣體源的流量和反應(yīng)室的溫度等；尾氣處理系統(tǒng)由裂解爐和噴淋塔組成，用于分解和吸收尾氣中的有毒物質(zhì)，減少污染；安全系統(tǒng)包括壓強(qiáng)、有毒氣體和可燃?xì)怏w報(bào)警裝置以及應(yīng)急反應(yīng)裝置，用于保證系統(tǒng)和操作人員的安全。外延生長所需材料：鎵(Ga)源：三甲基鎵【TMGa=Ga(CH3)3

】銦(In)源：三甲基銦【TMIn=In(CH3)3

】氮(N)源：藍(lán)氨(

NH3)p型摻雜源：二茂基鎂【Cp2Mg=Mg(C5H5)2

】n型摻雜源：硅烷(SiH4)載氣：高純度的氫氣(H2)當(dāng)前第27頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)反應(yīng)方程式Examplereaction:Ga(CH3)3+AsH3

(Trimethalgalliumgas)(Arsenegas)3CH4+GaAs (Methanegas)(onthesubstrate)Thereactionoccursinasealedcontainer(reactor)當(dāng)前第28頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)(1)Thetransportofreactantsthroughtheboundarylayertothesubstrate,(2)Theadsorptionofreactantsatthesubstrate,(3)Theatomicand/ormolecularsurfacediffusionandchemicalreactions,(4)TheincorporationofGaAsintothelattice,(5)Thetransportofby-productsawayfromthesubstrate.外延生長機(jī)制模型，表面復(fù)相反應(yīng)機(jī)制認(rèn)為：外延生長是按照下列步驟進(jìn)行的，（1）反應(yīng)物氣體混合物輸運(yùn)到外延生長區(qū)；（2）反應(yīng)物分子通過擴(kuò)散，穿過邊界層到達(dá)襯底表面（3）吸附分子間或吸附物與氣體分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成晶體原子和氣體副產(chǎn)物；（4）生成的晶體原子沿襯底表面擴(kuò)散到達(dá)襯底表面上晶格的扭折或臺(tái)階處結(jié)合進(jìn)晶體點(diǎn)陣；（5）副產(chǎn)物從表面脫附擴(kuò)散穿過邊界層進(jìn)入主氣流中被排出系統(tǒng)。當(dāng)前第29頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)第四節(jié)分子束外延法（MBE）分子束外延技術(shù)(MBE):MBE技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)在超高真空條件下,對(duì)蒸發(fā)束源和外延襯底溫度加以精確控制的薄膜蒸發(fā)技術(shù).它已能生長大面積均勻、單原子表面平滑、界面陡變的各種微結(jié)構(gòu)材料.MolecularBeamEpitaxy**分子束外延生長法，是在對(duì)生長條件嚴(yán)格控制的超高真空下完成單晶薄膜生長的，是真空蒸鍍方法的進(jìn)一步發(fā)展。其晶體生長過程是在非熱平衡條件下完成，僅受基片的動(dòng)力學(xué)制約。這是與在近熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行的液相外延生長的根本區(qū)別。當(dāng)前第30頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)1特點(diǎn)：MBE是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，即將入射的中性粒子（原子或分子）一個(gè)一個(gè)地堆積在襯底上進(jìn)行生長，而不是一個(gè)熱力學(xué)過程，所以它可以生長按照普通熱平衡生長方法難以生長的薄膜。MBE是一個(gè)超高真空的物理沉積過程，既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊?，并且利用快門可以對(duì)生長和中斷進(jìn)行瞬時(shí)控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。當(dāng)前第31頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)2裝置當(dāng)前第32頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第33頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)3MBE生長（1）表面凈化加溫GaAs573oC離子照射H原子照射。當(dāng)前第34頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)4薄膜生長及生長機(jī)理吸附系數(shù)吸附脫附MBEgrowthmechanism**MBEgrowthmechanism*當(dāng)前第35頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)SiRHEED像5高能電子衍射ReflectionHighEnergyElectronDiffraction當(dāng)前第36頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第37頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第38頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)當(dāng)前第39頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)生長模式當(dāng)前第40頁\共有42頁\編于星期三\15點(diǎn)SelfAssembedstructures當(dāng)前第41頁\共有42頁\編于星期三