半導體異質結的組成與生長問題？立方晶與六方晶的區別與聯系維達定理半導體合金材料(用途)MOCVDMBE自組織生長RHEED第一節材料的一般特性第二節異質結界面的晶格失配第三節金屬有機物化學氣相外延生長第四節分子束外延法(MBE)內容(1)晶格結構立方晶六方晶晶格常數:Si:5、43A,Ge:5、658AGaAs:5、56A,GaN:c=5、189?,a=3、192?第一節材料的一般特性1晶格結構1雙原子層堆積2偶極層2立六方結構3六方晶GaN的極性(0001)N-FaceGa-Face(0001)兩個面具有不同的表面結構、組成和化學特性,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腐蝕特性也恰恰相反,氧、鋁等雜質則更易于進入氮面的氮化稼薄鎂的引入會導致薄膜極性的變化。4氮化鎵材料的極化5晶體結構測量例關于c=5、189,(0002)面

d=c/l=2、59452dsin=nq=arcsin(l/2d)=arcsin(1、5443/5、189)=17、312q=34、62deg6半導體合金材料把兩種半導體A和B混合成合金時,(1)混合材料的晶體結構。(2)原子在合金材料內的分布狀況。設x為材料A的量,形成AxB1-x時,有以下幾種情況:#兩種材料分布在材料的不同區域,形成分凝相。在每個合金點上,A原子占據的概率為x,B原子占據的概率為(1-x)、形成隨機合金材料。A原子和B原子按一定規則形成周期結構,形成超晶格。在三元合金情況下,如GaAlAs,GaAlN,InGaN、禁帶寬度隨組分、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)禁帶寬度的經驗公式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對直截了當禁帶半導體材料,材料的禁帶寬度滿足:AlGaAs,AlGaN,InGaN、等應用廣泛,波長調節光限制載流子限制第二節異質結界面的晶格失配晶格匹配:異質結的兩種材料的晶格常數要盡估計匹配。1懸掛鍵2界面態3由界面態引起的非輻射復合。為什么要晶格匹配:懸掛鍵密度等于交界處鍵密度之差、SL包含在這個面中的鍵數為2、能夠看出,在(111)面上,異質結界面態密度最小。然而實際的器件結構中,由于(110)面易于解理這一性質,常常利用它來作光學諧振腔面。相應地,與其垂直的(100)常被用來作外延生長的異質結界面。因而,其界面態密度相關于其它晶面要高一些。=2、31=2、83=4第三節金屬有機物化學氣相外延生長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成品藍寶石Al2O3

襯底GaN緩沖層n型GaN層InGaN量子阱發光層p型GaN層外延片外延層襯底層外延片晶體生長過程是物質從其它相轉變為結晶相的過程晶體是在物相轉變的情況下形成的。物相有三種,即氣相、液相和固相。由氣相、液相固相時形成晶體,固相之間也能夠直截了當產生轉變。

液相生長:液體固體氣相生長:氣體固體DepositionofalayeronasubstratewhichmatchesthecrystallineorderofthesubstrateHomoepitaxyGrowthofalayerofthesamematerialasthesubstrateSionSiHeteroepitaxyGrowthofalayerofadifferentmaterialthanthesubstrateGaAsonSiEpitaxialgrowth:材料外延生長技術直拉法是生長元素和III-V族化合物半導體體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩堝內,引入籽晶作為非均勻晶核,然后控制溫度場,將籽晶旋轉并緩慢向上提拉,晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。液相外延生長的基礎是溶質在液態溶劑內的溶解度隨溫度降低而減少。因此一個飽和溶液,在它與單晶襯底接觸后被冷卻時,如條件適宜,就會有溶質析出,析出的溶質就外延生長在襯底上。這個地方所述的外延,是指在晶體結構和晶格常數與生長層足夠相似的單晶襯底上生長,使相干的晶格結構得以延續液相外延MOCVD金屬有機物化學氣相沉積(MetalorganicChemicalVapor-phaseDeposition)也稱為MOVPE(金屬有機物氣相外延MetalorganicVaporPhaseEpitaxy)。它是在60年代末由Manasevit提出。已成為介觀物理、半導體材料和器件的研究以及生產領域最重要的外延技術之一。在GaAs、InP和GaN材料系的應用中,由它制備的材料和器件性能達到或超過了其它任何晶體外延技術的水平。與其它外延技術相比,MOCVD具有反應室簡單,材料純度高,生長界面陡,操作容易,應用范圍廣,可用于大規模生產等優點、金屬有機物化學氣相沉積MOCVD設備可分為四個系統:(1)載氣和源供應系統,(2)反應室和控制系統,(3)尾氣處理系統和(4)安全保障系統。MOCVD所用的源有氣體源和需要用載氣攜帶的固、液體源;控制系統又分為壓強、流量和溫度三個控制分系統,分別控制反應室的壓強,載氣及氣體源的流量和反應室的溫度等;尾氣處理系統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,減少污染;安全系統包括壓強、有毒氣體和可燃氣體報警裝置以及應急反應裝置,用于保證系統和操作人員的安全。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)反應方程式Examplereaction:Ga(CH3)3+AsH3

(Trimethalgalliumgas)(Arsenegas)3CH4+GaAs (Methanegas)(onthesubstrate)Thereactionoccursinasealedcontainer(reactor)(1)Thetransportofreactantsthroughtheboundarylayertothesubstrate,(2)Theadsorptionofreactantsatthesubstrate,(3)Theatomicand/ormolecularsurfacediffusionandchemicalreactions,(4)TheincorporationofGaAsintothelattice,(5)Thetransportofby-productsawayfromthesubstrate、外延生長機制模型,表面復相反應機制認為:外延生長是依照下列步驟進行的,(1)反應物氣體混合物輸運到外延生長區;(2)反應物分子通過擴散,穿過邊界層到達襯底表面(3)吸附分子間或吸附物與氣體分子間發生化學反應生成晶體原子和氣體副產物;(4)生成的晶體原子沿襯底表面擴散到達襯底表面上晶格的扭折或臺階處結合進晶體點陣;(5)副產物從表面脫附擴散穿過邊界層進入主氣流中被排出系統。第四節分子束外延法(MBE)分子束外延技術(MBE):MBE技術本質上是一個在超高真空條件下,對蒸發束源和外延襯底溫度加以精確控制的薄膜蒸發技術、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構材料、MolecularBeamEpitaxy**分子束外延生長法,是在對生長條件嚴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一步發展。其晶體生長過程是在非熱平衡條件下完成,僅受基片的動力學制約。這是與在近熱平衡狀態下進行的液相外延生長的根本區別。1特點:MBE是一個動力學過程,馬上入射的中性粒子(原子或分子)一個一個地堆積在襯底上進行生長,而不是一個熱力學過程,因此它能夠生長依照普通熱平衡生長方法難以生長的薄膜。MBE是一個超高真空的物理沉積過程,既不需要考慮中間化學反應,又不受質量傳輸的影響,同時利用快門能夠對生長和中斷進行瞬時控制。因此,膜的組分和摻雜濃