1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第二代半導(dǎo)體晶體磷化鎵單晶 砷化鉀單晶是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的最主要的半導(dǎo)體材料之一。廣泛用于光電子和微電子領(lǐng)域。在-族化合物半導(dǎo)體晶體中，砷化鎵的電子遷移率比硅大45倍，用其制作集成電路時，工作速率比硅更快，且禁帶寬度也較寬，因此它的熱穩(wěn)定性和耐輻射性也較好。砷化鎵是直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，它的發(fā)光效率較高，并可用來制作激光器。1.生長方法1.2 直拉法(1)生長裝置直拉法生長裝置如圖11-2所示。 (a)磁拉法裝置 (b)鎵封法示意圖11-2 晶體直拉法生長裝置示意1-石墨坩堝；2，9-射頻線圈；3，8-輔助熔爐；4-磁鐵；5-高居里點合金；6-封閉的Si02容

2、器；7-用于密封的液態(tài)鎵 (2)生長過程與條件 在GaAs晶體生長的過程中，應(yīng)始終保持一定的蒸汽壓力。 坩堝中放人合成的GaAs多晶錠料，在低溫端放砷，并保持610，在容器中保持壓力為9.1×l04 Pa的砷蒸氣。磁拉法的磁鐵也是處在610的溫度下，因此在反應(yīng)器內(nèi)的磁性材料必須是高居里點溫度的合金，用純鐵也可以。外部磁鐵可用電磁鐵或固定磁鐵。 鎵封法是因為溫度在610時鎵中溶入的As量很少，也不會結(jié)晶并且鎵液的蒸氣壓也很低可以用來拉制GaAs單晶。1.2.1.2液體覆蓋直拉法(LEC) 用LEC法拉制GaAs單晶，可以像Si 一樣將GaAs多晶料放在坩堝中，上面放一定量經(jīng)脫水的B20

3、3，加熱后拉制GaAs單晶，爐內(nèi)氣氛為Ar或N2，氣壓為(1.52)×105Pa。這種方法所用的多晶料仍需在石英管內(nèi)合成。為了降低單晶的成本可用原位合成，即在單品爐內(nèi)合成GaAs并拉制單晶。原位合成還可分為兩種：一種稱為注入法；另一種為高壓原位合成法。注入法是將除去氧化膜的Ga和脫去水分的B203裝于坩堝，單晶爐內(nèi)充入N2或Ar，使其氣壓為(1.52)×105Pa再加熱到1237，將細頸的裝As的石英管插入Ga液中，使As管和Ga管連通，加熱As管（也可利用單晶爐的輻照熱），使As蒸氣通入Ga合成GaAs熔體，合成過程要保持氣壓和溫度穩(wěn)定，防止熔體吸人As管，使其結(jié)晶并堵塞

4、As蒸氣出口引起As管爆炸。待As全部溶人Ga液完成GaAs的合成，即可拉制單晶。1.2.1.3 GaAs液相外延生長(LPE-GaAs)法 LPE-GaAs生長是基于Ga-As體系的相圖，在一定溫度下已經(jīng)飽和的溶液隨著溫度下降產(chǎn)生過飽和結(jié)晶。在飽和溶液中放人GaAs單晶片作為襯底，當達到過飽和結(jié)晶時以單晶的方式沉積在GaAs襯底上，這種晶體生長的方式稱為液相外延。這里的溶液是Ga，溶質(zhì)是As，為了控制導(dǎo)電類型和載流子濃度也可摻入一定量的雜質(zhì)。液相外延生長的溫度低，可以獲得純度較高、缺陷較少的GaAs。用液相外延生長的薄膜廣泛地用于光電子器件上，這是由于無輻照復(fù)合較少，兆量子效率也較高。這種方

5、法是目前制作紅外發(fā)光管、p-n結(jié)注入式的半導(dǎo)體激光器以及大面積GaAs太陽能電池等光電器件的主要手段。1.2.1.4 GaAs晶體氣相外延生長(VPE-GaAs)法(1)生長裝置GaAs晶體氣相外延生長法生長裝置如圖11-3所示。圖11-3 GaAs晶體氣相外延生長裝置示意1-流量計；2-反應(yīng)管；3-襯底；4-鎵舟；5，6-加熱爐；7-恒溫器 (2)生長過程 Ga在H2氣氛下脫氧(870)，將溫度控制在850，通人AsCl3，使Ga源飽和，也可采用在Ga液中放入GaAs。在不通AsCl3的情況下，將GaAs襯底移到高溫區(qū)，當溫度達到800時處理1015min，隨后將襯底溫度降至750，進行氣相

6、外延生長。在Ga-AsCI3 -H2系中，除了生長GaAs的反應(yīng)以外還與石英器皿反應(yīng)引起硅沾污。載氣換成N2或Ar，可避免生成HC1，可以避免硅沾污，提高GaAs外延層的純度。 (3)生長條件 典型生長條件：Ga源溫度為816，襯底溫度為640760，沉積區(qū)溫度梯度為8.5/cm，通過鼓泡瓶的N2或Ar為70120mL/min，襯底取向(100)偏(110)6°。利用Ga-AsCl3 -N2或Ga-AsCl3 -Ar系已生長出電學(xué)參數(shù)n7710131014 cm-3、77=(1.7×2.2)×105 cm-3(Vs)的高質(zhì)量的氣相外延GaAs層。 (4)特點 VP

7、E-GaAs生長的溫度較低，沾污較少，可以進行摻雜并能獲得完整性均勻性好的GaAs薄膜。載氣可以用純H2、純N2或純Ar，攜帶一定量的AsCI3蒸氣進入系統(tǒng)，鎵源區(qū)和沉積區(qū)分別用兩個爐子控制溫度。 1.2.1.5 金屬有機化合物氣相化學(xué)沉積法(Mo-CVD)(1)生長裝置金屬有機化合物氣相化學(xué)沉積法生長裝置如圖11-4所示。(2)生長過程襯底經(jīng)拋光和清洗處理后裝入反應(yīng)器，通H2并加熱，當溫度超過400以后通入圖11-4金屬有機化合物氣相化學(xué)沉積法生長裝置示意AsH3，AsH3的流速隨溫度而改變，也和AsH3稀釋濃度有關(guān)。使反應(yīng)器內(nèi)As壓力與該溫度下GaAs離解壓接近。當溫度達到700時，同時通

8、入AsH3和Ga(CH3)3以及所需的摻雜劑。生長完畢先停止通入Ga(CH3)s和摻雜劑，降低爐溫，當溫度低于500方可停止通入AsH3。 (3)優(yōu)缺點 Mo-CVD法優(yōu)點是設(shè)備簡單、容易控制成分或各種電參數(shù)，氣體流速比一般氣相外延的流速大得多，因此反應(yīng)室內(nèi)的氣體變換很快，雜質(zhì)分布很陡，晶體生長速率變化的幅度很大(0. 051um/min)，厚度可精確控制等。 它的缺點是AsH3有劇毒，Ga(CH3)3遇水和空氣會爆炸失火。目前，族元素的有機化合物的純度和AsH3的質(zhì)量還未得到圓滿解決，但Mo-CVD法是一種很有希望的方法。 1.2.1.6 分子束外延(MBE)法 (1)生長裝置分子束外延洼生

9、長裝置如圖11-5所示。圖11-5分子束外延法生長裝置示意1-加熱臺；2一襯底-3-液氮冷卻器；4-加熱器；5-坩堝；6蒸發(fā)器 (2)生長過程 將各種外延物質(zhì)放在熱解BN坩堝內(nèi)，在超高真空(10-8 Pa)條件下將物質(zhì)蒸發(fā)出來沉積在襯底上，襯底的溫度約500，液氮冷卻室要避免加熱器放出的雜質(zhì)沾污。 (3)特點 隨著超高真空技術(shù)的發(fā)展，已可用分子束外延的方法來生長GaAs或其他化合物半導(dǎo)體。它的優(yōu)點是：生長溫度僅為400500；控制厚度很精確，可以達到原子量級；改變組分和摻雜濃度很方便；生長速率可控制在0. 1nm/h或mh的數(shù)量級。這些優(yōu)點當前是很有意義的。隨著分子束外延技術(shù)的發(fā)展，在超晶格、

10、量子阱及調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)等方面的研究，已從單純的理論研究發(fā)展到新器件的發(fā)現(xiàn)和研制。MBE技術(shù)是發(fā)展下一代半導(dǎo)科學(xué)的關(guān)鍵性技術(shù)之一。 1.2.1.7 化學(xué)束外延(CBE)法 化學(xué)束外延( CBE)是由MBE方法發(fā)展而來的。由于MBE方法中蒸發(fā)器內(nèi)裝料的量很少及切換元素的種類有限，因而發(fā)展了CBE技術(shù)，采用氣體的金屬有機化合物做氣源。 化學(xué)束外延的優(yōu)點如下。 分子源是用管道連接，金屬有機化合物的裝載量很大，便于連續(xù)化生產(chǎn)。 由于采用了多頭管道輸入或截止，擴大了制備化合物材料的種類。 由于外延設(shè)備中取消了蒸發(fā)源的高溫加熱裝置，避免了設(shè)備內(nèi)的沾污，也節(jié)省了大量的液氮（蒸發(fā)爐周圍液氮的消耗量最多）。 由于

11、發(fā)展了CBE技術(shù)使超薄層的外延生長向著實用化和大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)邁進了一步。但是CBE技術(shù)和Mo-CVD技術(shù)有一個共同的問題就是金屬有機化合物源的純度研究，目前這方面工作已取得了很大的進步。1.2.1.8 原子層外延生長(ALE) 原子層外延生長是在Mo-CVD、MBE和CBE技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展過來的。ALE技術(shù)與Mo-CVD、MBE和CBE技術(shù)的主要區(qū)別是組成化合物半導(dǎo)體外延層的方式不同。Mo-CVD、MBE和CBE以化合物方式沉積于襯底片或在襯底上，同時完成合成和沉積。而ALE技術(shù)是兩種元素以原子的方式交替地沉積在襯底上，由于在襯底上的生長表面不同，各元素的黏附系數(shù)也不同，因而可實現(xiàn)其單原子層的生

12、長。對化合物半導(dǎo)體而言，交替沉積后會化合成單層的化合物釙延層。 ALE生長技術(shù)的特點如下。 厚度控制精確，易生長突變結(jié)界面。 重復(fù)性較好。 厚度均勻，并可實現(xiàn)大面積和多片的外延生長（多片外延主要是在Mo-CVD系統(tǒng)完成）。 外延層表面光潔，由于吸附的原子不易成堆聚集，因此不形成表面丘狀物或彎月面。 可以較好地用于選擇性外延生長。在多層界面的側(cè)面上，實現(xiàn)界面的側(cè)壁生長，只要氣源壓力控制合適，即可實現(xiàn)多層結(jié)側(cè)壁各層的獨立生長，生長后仍然保持它的多層結(jié)構(gòu)。1.2.1.9 離子束外延(IBE) 離子束外延技術(shù)是由等離子體技術(shù)發(fā)展而來的，它包括了濺射、等離子體氣相沉積及離子鍍膜，由于上述技術(shù)存在一些缺點

13、而發(fā)展了離子束外延技術(shù)或離子束薄膜沉積技術(shù)。元素在離子源內(nèi)離化，經(jīng)電場加速成為束流，并可用電或磁進行分選進行提純，最后經(jīng)減速沉積在襯底上。離子束外延可在比其他方法更低的溫度下進行外延，附著力強、覆蓋性好，利用這種技術(shù)還可制得一些在熱平衡條件下難以制備的材料。離子束外延技術(shù)現(xiàn)已有離子團束、單束低能離子束沉積法和離子束加分子束沉積。近來國內(nèi)已有人開始研究雙束合成的方法進行化合物沉積。離子束外延的方法是不成熟的，但有它特殊的用途，在化合物半導(dǎo)體中獲得良好的緒果。 1.2.2 砷化鎵晶體的特性GaAs與硅相比主要是電子遷移率高、易實現(xiàn)器件超高速與超高頻性能，實現(xiàn)了微波與毫米波、低噪聲器件，減小了功耗和

14、體積。此外，GaAs是帶間直接躍遷，發(fā)光效率高，在發(fā)光與激光器件中得到廣泛應(yīng)用。單晶的直徑大，面積利用率高，價格低，這是20世紀90年代的總趨勢。目前，舟法生產(chǎn)的單晶仍以2in為主，在實驗室已研制出4in的單晶。舟法生產(chǎn)的單晶的位錯低，適用于光電器件。高壓液封直拉法單晶目前以4in為主，在實驗室里已研制出6in的單晶，主要用于集成電路用基片。表征GaAs單晶質(zhì)量的參數(shù)仍是位錯密度和碳含量，EL2深能級，均勻性及熱穩(wěn)定性。舟法單晶的位錯密度比高壓液封直拉法約低一個數(shù)量級。后者采用熱反射極和多溫區(qū)等方法使溫度梯度降低，可使位錯密度降低。但是未被B203覆蓋的一部分單晶表面，由于長時間處于高溫區(qū)，造

15、成砷的離解，從而誘發(fā)出種種缺陷。不過，可在氣氛中摻入砷以防止砷的離解。研究發(fā)現(xiàn)，金屬柵場效應(yīng)管較大的閾值電壓分散性與位錯群網(wǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。位錯聯(lián)成網(wǎng)的區(qū)域，閾值電壓分布的標準偏差高，相反則低。閾值電壓標準偏差過大，將使一塊集成電路失效，成品率降低。單晶經(jīng)退火后電阻率的微區(qū)均勻性得到改善，閾值電壓分散性得到改善，以滿足大規(guī)模集成電路的要求。半絕緣GaAs單晶中的EL2深能級吸引眾多人的研究。有人認為其本質(zhì)是鎵空位的絡(luò)合物，逆位缺陷，并且EL2與碳濃度咸正比。為此，將單晶爐的石墨部件換成氮化硼或氮化鋁材料，防止碳進入晶體。當碳在晶體中分布良好時，則閾值電壓也較一致，這是實現(xiàn)高集成度的重要前提。目前，集

16、成度已達到2萬3萬門陣列和1.6萬SRAM的水平。1.2.3 應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展以GaAs等為代表的-V族化合物半導(dǎo)體材料大多是直接帶隙材料，與硅相比，具有光學(xué)躍遷概率、電子飽和漂移速率高以及耐高溫、抗輻射等特點，在超高速、超高頻，低功耗、低噪聲器件和電路，特別是在光電子器件和光電存儲方面占有獨特的優(yōu)勢，受到廣泛重視。目前世界GaAs生產(chǎn)能力約2530t/a(SI-GaAs約5t/a)，2000年，GaAs的需求量達40t，其中光電子占70%，通信占20%，信息占10%，若按15%年增長，到2010年GaAs的總需求量將在180t左右。1995年集成電路的產(chǎn)值5.35億美元，2000年增至22億美

17、元。直徑為23in的n型和p型GaAs和InP單晶材料主要用于光電器件的襯底。常用水平布里奇曼(HB)或高壓液封直拉法(LEC)制備，其摻雜濃度、均勻性和晶體完整性（除InP單晶的位錯密度需進一步降低外）基本可滿足傳統(tǒng)光電子和微電子器件的需隸。未摻雜半絕緣( SI) GaAs單晶是GaAs集成電路(GaAs IC's)的基礎(chǔ)材料，主要采用LEC法制備，已形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，直徑為2.3in和4in的片材已商品化，6in的SI-GaAs單晶也已在實驗室拉制成功。目前，在國外GaAs IC's制造正由3in生產(chǎn)線向4in過渡，20世紀末21世紀初，6in的GaAs IC's生產(chǎn)線將建成投產(chǎn)。如何控制GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體的正化學(xué)配比，從而獲得高的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性、微缺陷與沉淀物少的大直徑和高晶體完整性的單晶，特別是降低位錯密度是目前研究的重點。近幾年來，國際上又發(fā)展了垂直布里奇曼(VB)，垂直梯度凝固(VGF)和氣壓控制直拉(VCZ)等方法以及多片退火技術(shù)(NWA)，使GaAs單晶材料的純度、均勻性和完整性都有明顯的提高。直徑為23in