外延技术介绍
第八章 外延
根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
真空外延、气相外延、液相外延
液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里， 降低温度析出硅膜。
根据相变过程
气相外延、液相外延、固相外延、
对于硅外延，应用最广泛的是气相外延
以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体, 在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在 加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等
气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反 应式、生长温度及所属反应类型
以SiCL4为例说明其生长机理
氢(H2)气携带四氯化硅(SiCl4) 进入置有硅衬底的反应室，在 反应室进行高温化学反应，使含硅反应气体还原或热分解， 所产生的硅原子在衬底硅表面上外延生长。
硅片上外延生长硅
Si Cl Cl
§8.6 分子束外延
分子束外延(MBE)，是在高真空(优于1.33×10-8Pa)环境中利用分子/原子 束流在加热的衬底上形成外延层，它属于蒸发工艺。在MBE过程中，分 子或原子的自由程足够大，以至嫁接上的原子或分子运动本质上具有弹 道的特性而没有气相反应。BME为二维生长，受表面动力学和扩散机制 控制。
Ce x Ce0 1 e
x
(7.6)
其中Ceo为稳态时外延层中的杂质浓度，即对应于无限厚处 的杂质浓度。如果在掺杂衬底上生长掺杂外延层，那么， 杂质的最终分布应是上述两种情况的叠加：
Ce x Cs e
x
Ce0 1 e
x
(7.7)
其中 “+”和“-”分别对应n/n+(p/p+)和p/n+(n/p+)型外延片。
外延技术
小组成员：秦奋，王昌赢，杨飒，张德清
主要内容
外延技术简介 外延技术分类 气相外延技术 分子束外延 外延技术应用前景
外延技术简介 概念：在微电子工艺中，外延是指在单
晶衬底上，用物理的或化学的方法，按 衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过 程。
应用：
外延生长的新单晶层可在 导电类型、电阻率等方面 与衬底不同，还可以生长 不同厚度和不同要求的多 层单晶 应用于高频大功率器件，提高器 件设计的灵活性和性能
外延技术应用前景
近几年来，器件性能要求不断提高，器件设计正向尺寸微 型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。MBE 作为不可缺少的工艺和手段，正在二维电子气（2DEG）、多量 子阱（QW）和量子线、量子点等到新型结构研究中建立奇功。 分子束外延，金属有机化合物汽相淀积等先进的超薄层材 料生长技术是许多光电器件与微电子、微波毫米波器件的关键 技术，主要包括激光器，光电探测器，光纤传感器，电荷，耦 合器件(CCD)摄像系统和平板显示系统等。它们被广泛地应用 于雷达、定向武器、制导寻的器、红外夜视探测、通信、机载 舰载车载的显示系统以及导弹火控、雷达声纳系统等。
应用于大规模集成电路，实现PN 结的隔离，并且改善材料质量
外延技术分类
气相外延 气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚度，杂质 浓度和晶格的完整性，在硅工艺中一直占主导地位
液相外延
有较高的生长速率，晶体完整性好纯度高，操作安 全、简便，但是当外延层与衬底晶格常数差大于1% 时，不能进行很好的生长。而且外延层表面一般不 如气相外延好。
气相外延设备示意图
外延生长工艺流程：
N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→通入 HCL→升温至1170℃→HCl排空→HCl抛光→H2冲洗 附面层→外延生长（通入反应剂及掺杂剂）→H2 冲洗1170℃→降温→N2冲洗
外延技术a
本讲重点
•基本概念 • 外延生长，同质外延，共度 •重点理解 • 硅外延的制作工艺
物，刻蚀产生的聚合物，一些金属颗粒，
氧化层等
衬底清洁方法：
湿法化学清洗（RCA清洗）：在一系列的溶液中浸泡。
（1）去除有机残留物：在氧化/缓冲溶液中去除，典型
的溶液是氨水、双氧水、水按5:1:1的体积比混合，在 清洗槽中70-80℃下进行。 （ 2 ）去除重碱离子和阳离子：在含卤素溶液中去除， 通常将水、盐酸、双氧水按 6:1:1混合加热到 75-80℃
(2) 硅氯化物在加热的硅衬底表面与氢气反应还原出
硅原子淀积在硅表面上。其反应为： SiCl4十2H2＝Si十4HCl 气体分子中氯原子的数目越少，所需的反应温度 越低，现在 SiH2Cl2 （ DCS ）成为普遍使用的反应源。
硅氯化物外延生长的可能机理： （1）氢控制机理：淀积速率受限于氢从圆片表面 释放的过程。在此模型中，大部分硅表面被 H 附着， 这些H必须在硅原子彼此结合之前从表面释放出来。 （2）HCl控制机理：低温下是HCl，而不是H的 解吸附是限制生长速度的过程。 （3）SiCl2物理吸附机理
2）电学方法：四探针测量法，C-V分析法， 扩展电阻法，染色法等
选择性生长 不问类型的衬底，外延生长晶粒的成核速 度遵循这样的次序，SiO2<Si3N4<Si
低压，SiH2Cl2与HCl的混合气体生长
GaAs外延生长：
条件：衬底温度650～800℃ 固体As＋H2需要800～850℃
异质外延：
生长过程：利用化学气体反应后产生硅原子吸附于基体表
面，并移动到适当的晶格位置生长而成。 常用的反应气体：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH4等。
碳化硅外延cvd法-概述说明以及解释
碳化硅外延cvd法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述碳化硅外延化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种常用的制备高质量碳化硅薄膜的技术。
该方法通过在高温下将气态前驱体降解分解，使其原子重新组合并在基底表面形成固态薄膜。
碳化硅具有优异的热导性、尺寸稳定性和化学稳定性，在高温、高功率及特殊工况下具有广泛的应用前景。
本文将介绍碳化硅外延CVD法的原理、工艺和应用。
首先，将对CVD 法的基本原理进行阐述，包括分解反应机理、气相热化学反应和沉积动力学等方面。
其次，会详细介绍碳化硅外延CVD法在制备晶态碳化硅薄膜方面的应用，包括各种衬底材料的使用、反应温度和气氛的选择，以及前驱体选择等方面的优化。
最后，我们将对碳化硅外延CVD法的优势进行总结，并展望其在未来的发展前景。
通过本文的阐述，读者可以全面了解碳化硅外延CVD法的研究现状和应用前景，以及该技术在能源、光电子、半导体和化学等领域的潜在应用价值。
同时，本文还将提供一些可供参考的研究方向和问题，以促进碳化硅外延CVD法的进一步发展和应用。
1.2文章结构1.2 文章结构本文主要介绍了碳化硅外延CVD法的技术和应用。
具体内容包括以下几个方面：第二部分将详细介绍碳化硅外延技术。
首先会对碳化硅外延的基本概念进行解释，并介绍其在半导体工业中的重要性。
然后会介绍CVD法在碳化硅外延中的应用，包括其原理、工艺流程和实验设备等。
第三部分将对碳化硅外延CVD法的优势进行总结。
这一部分将重点探讨CVD法在碳化硅外延制备中的优点，如高晶体质量、可控性和制备效率等。
最后，第四部分将展望碳化硅外延CVD法在未来的发展前景。
这一部分将分析当前碳化硅外延CVD法存在的挑战和问题，并提出改进和发展思路，以期实现碳化硅外延技术的进一步发展和应用。
通过对碳化硅外延CVD法的全面介绍和分析，本文旨在为读者提供全面了解碳化硅外延CVD法的基础知识，以及认识和认识碳化硅外延技术在半导体工业中的应用前景。
第六章 外延技术
以上反应均在气相完成，硅的析出源于如下反应：
SiCl ( g ) + 2 H 2 → Si (s ) + 4 HCl ( g )
实际的反应 SiCl 4 + H 2 ↔ SiHCl 3 + HCl
2 SiCl 2 ↔ Si + SiCl 4
SiCl 2 + H 2 ↔ Si + 2 HCl
所有的反应都是可逆的，上述反应的综合结果依反 应剂浓度可以是外延的生长或衬底的腐蚀
——（1） ——（2）
SiCl 4 + Si ↔ 2 SiCl 2
受两个过程限制：氢还原吸出硅的过程；释放出硅 原子形成单晶的过程；最慢的一个决定生长速率 当SiCl4浓度较低时，反应1起主导作用，外延层不 断增厚；随着Y增加，反应2作用逐渐加强； 当SiCl4的浓度增加到一定程度时，化学反应释放硅 的速度大于硅原子在表面排列的速度 当SiCl4的浓度增加到0.27时逆向反应发生，硅被腐 蚀，增加到0.28时，只有腐蚀 硅烷和氯硅烷的根本不同在于反应不可逆
合肥工业大学 理学院 张彦
二号液：HCl:H2O2:H2O=1:1:6 SC-2的主要作用是去除金属离子，利用HCl与金 属离子的化合作用来有效去除金属离子的沾污 三号液：H2SO4:H2O2=4:1 SC-3的主要作用是去除有机物（主要是残留的 光刻胶），利用的强氧化性来破坏有机物中碳氢 键 稀释的HF(DHF)：HF:H2O=1:50或1:100 DHF的主要作用是去除自然氧化层
生长速率还与反应腔横截面形状和衬底晶 向有关
不同晶面的键密度不同，键合能力存在差别； ——（111）晶面的双层原子面之间的共价键密度 最小，键合能力差，故外延速率最慢； ——（110）晶面之间的原子键密度大，键合强， 外延生长速率就快。
外延工艺简介
THANKS
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物理气相沉积
利用物理方法使气态物质冷凝或蒸发沉积在基底 上。
3
外延生长速率与成核密度
外延生长速率与成核密度之间存在关联。
液相外延生长技术
溶液生长
01
将基底浸泡在含有源材料的溶液中，通过扩散控制反应过程。
热壁外延生长
02
将基底靠近加热的壁，使源材料蒸发并在基底上沉积。
外延层厚度和均匀性
03
液相外延生长过程中，需要控制外延层厚度和均匀性。
外延材料种类及特性
单晶硅外延片
单晶硅外延片是一种常见的外延材料，具有高导热、高绝缘、高 透光等特性，广泛应用于电力电子、微电子等领域。
氮化镓(GaN)外延片
GaN外延片具有高击穿电压、高热导率、高抗辐射能力等特性，在 高频大功率电子器件领域具有广泛应用。
氧化锌(ZnO)外延片
ZnO外延片具有高电子迁移率、高透明度、低介电常数等优点，在 光电器件和压电器件领域有重要应用。
这类设备采用水平管式结构，具有生长速度快、温度分布均匀、薄膜质量高等优点，适用 于生长高质量的外延层。
垂直管外延设备
采用垂直管式结构，具有生长环境稳定、操作简单、易于维护等特点，适合生长多种材料 的外延层。
金属有机物化学气相沉积(MOCVD)
MOCVD设备具有灵活的化学气相沉积能力，能够在较低温度下生长高质量的外延层，同 时具有高生产效率和低成本等优点。
随着科技的不断发展，外延工艺的应用领域越来越广 泛。例如，在新能源领域，外延工艺可以用于制备太 阳能电池、燃料电池等高效能源转换器件；在生物医 学领域，外延工艺可以用于制备生物芯片、生物传感 器等生物医学器件；在环保领域，外延工艺可以用于 制备光催化材料、空气净化器等环保器件。未来，随 着外延工艺的不断进步和完善，其应用领域将不断拓 展，为人类社会的发展带来更多的机遇和挑战。
简述硅外延的主要原理
简述硅外延的主要原理
硅外延技术是一种在硅晶体表面上沉积薄膜的方法，使得薄膜具有与其基底相同的晶格结构和晶体质量。
其主要原理包括以下几点：
1. 基底选择：硅外延通常使用具有与基底相同晶格常数的硅衬底作为基底材料。
2. 反应源：在反应室中，使用三氯硅烷（SiHCl3）和二甲基硅烷（SiH2(CH3)2）等类似化学物质作为反应源。
这些化学物质被分解成硅原子，在基底表面上沉积形成薄膜。
3. 气氛控制：在反应室中，通过控制气氛的温度和压力，以及气体流量的控制，确保反应的稳定性和薄膜的质量。
4. 沉积过程：反应源在基底表面附近分解，生成硅原子。
硅原子沉积在基底表面，并成为新的晶格点，扩展基底的晶体结构。
通过连续的沉积过程，薄膜的厚度逐渐增加。
5. 控制薄膜特性：通过控制沉积速率、温度和气氛参数，可以调节硅外延薄膜的厚度、晶体质量和杂质浓度等特性。
总之，硅外延的主要原理是利用反应源中的硅化合物在基底表面上沉积成硅薄膜，使其具有与基底相同的晶体结构和质量。
这种技术在半导体制造中具有广泛的应
用。
硅集成电路工艺——外延(Epitaxy)
G S p+
G D S n+ D
p阱 n衬底
闩锁效应(latch-up)示意图
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§7.1 硅气相外延的基本原理
反应: 反应 SiHxCl4-x +H2 气体源
硅源： 硅源：SiCl4；SiHCl3；SiH2Cl2；SiH4 含量越高， （Cl含量越高，反应温度越高，生长速率越慢，薄膜质 含量越高 反应温度越高，生长速率越慢， 量较差） 量较差） 氢源： 氢源：钯管提纯
纯H2
钯管（400度） 含杂质气体
Si（固）+HCl（气） （ （
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外延生长模型： 外延生长模型：
生成成膜原子 成膜原子被吸附并生长成膜
下平台 A 扭转 位置 B
台阶 C 上平台
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化学反应过程
化学反应式： 化学反应式：
SiCl4+2H2 SiCl4+ Si(固) 固 Si(固) +4HCl 固 2SiCl2(气) 气
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§7.3 选择性外延（SEG）
硅在各种材料上核化成膜的 可能性： 可能性：Si>>Si3N4>SiO2 选择性： 选择性： SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4 分类： 分类： 窗口填满生长 窗口内刻图形生长 硅衬底的凹陷处选择生长
p型衬底 n型外延层
外延层
SiO2
衬底
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外延的作用
双极型电路： 双极型电路：
——解决高频功率器件的较高的击穿电压与较低的
集电极串连电阻之间的矛盾，埋层工艺。 集电极串连电阻之间的矛盾，埋层工艺。
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薄膜淀积与外延技术
产业应用与发展
产业应用：集成电路、微电子 器件、光电子器件等
发展方向：高精度、高稳定性、 低成本
技术挑战：材料选择、工艺控 制、设备优化等
未来展望：与新材料、新工艺、 新应用相结合，推动产业升级 与创新
面临的挑战与问题
技术瓶颈：薄 膜淀积与外延 技术仍面临许 多技术瓶颈， 如淀积速率、 淀积厚度、淀 积均匀性等。
添加 标题
挑战与机遇：薄膜淀积与外延技术发展面 临的挑战包括提高生产效率、降低成本、 提高产品性能等，但同时也面临着巨大的 市场机遇和发展空间。
添加 标题
添加 标题
技术创新：随着新材料、新工艺和新技术 的不断涌现，薄膜淀积与外延技术将不断 突破现有技术的限制，实现更高效、更精 确、更可靠的生产。
未来展望：随着科技的不断进步和应用需 求的不断增长，薄膜淀积与外延技术将迎 来更加广阔的发展前景，为人类的生产和 生活带来更多的便利和价值。
薄膜淀积与外延技术的比较
技术特点比较
淀积技术：淀积技术是指将材料一层一层地叠加在一起，形成薄膜的技术。淀积技术可以用于制造各种薄膜，如金属、绝缘体 和半导体等。
外延技术：外延技术是指通过在单晶衬底上生长一层单晶材料，从而制造出单晶薄膜的技术。外延技术可以用于制造高纯度、 高性能的单晶薄膜，如硅基集成电路等。
外延生长材料
单晶材料：外延生长的基础，具有高纯度、高完整性、低缺陷密度的特点
多晶材料：通过特殊的晶体取向控制，实现外延生长，广泛应用于太阳能 电池等领域
化合物材料：通过元素组合形成具有特定性能的化合物材料，如GaAs、 InP等
金属材料：通过外延技术实现金属薄膜的连续生长，广泛应用于电子器件 等领域
土壤修复：通过薄膜淀积与外延技术，可制备出适用于不同土壤修复需求的材料，有效 治理土壤污染。
碳化硅外延目前达到的技术水平
碳化硅外延目前达到的技术水平碳化硅（SiC）外延是制备高性能碳化硅器件的关键技术之一，其技术水平直接关系到器件的性能和可靠性。
目前，碳化硅外延技术已经达到了相当高的水平，以下是其中的一些重要进展和特点：1. 高质量外延层：通过先进的生长技术和优化的生长条件，研究人员已经成功地制备出了高质量的碳化硅外延层。
这些外延层具有低缺陷密度、高掺杂均匀性和良好的表面形貌，能够显著提高器件的性能和可靠性。
2. 大尺寸外延片：随着碳化硅器件市场的不断扩大，对大尺寸外延片的需求也日益增加。
目前，国内外的研究机构和企业已经成功地制备出了8英寸（200mm）以上的碳化硅外延片，并逐渐向商业化生产迈进。
3. 厚膜外延技术：为了满足电力电子器件和高功率应用的需求，研究人员开发出了厚膜外延技术。
这种技术可以在碳化硅衬底上制备出较厚的外延层，从而提高器件的耐压和电流容量。
同时，厚膜外延技术还可以降低器件的导通电阻和开关损耗，提高其工作频率和效率。
4. 异质外延技术：在碳化硅材料体系中，由于存在同质外延和非同质外延两种生长模式，研究人员开发出了异质外延技术。
这种技术可以在碳化硅衬底上制备出与衬底晶格匹配的外延层，从而降低缺陷密度和应力，提高外延层的完整性和均匀性。
5. 化学气相沉积技术：化学气相沉积技术是制备碳化硅外延层的主要方法之一。
研究人员不断优化生长条件和化学气相沉积技术，以提高外延层的生长速度、均匀性和掺杂浓度等方面。
同时，还探索了新型的化学气相沉积技术和反应机理，以进一步降低缺陷和杂质的影响。
总之，碳化硅外延技术已经取得了显著的进展，为高性能碳化硅器件的制备提供了有力支持。
未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，碳化硅外延技术还将继续发展和优化。
外延工艺技术
外延工艺技术外延工艺技术是一种常用于半导体材料生长技术的方法，被广泛应用于集成电路、光电子器件等领域。
它的主要特点是在基片表面逐渐生长出所需薄膜或晶体材料，并能控制其结构和性能。
外延工艺技术的核心是在基片表面生成一层与自身晶体结构相同或相似的材料，即外延层。
通过调节生长条件，可以控制外延层的厚度、晶格常数以及晶体质量，从而实现对薄膜或晶体材料的精确控制。
外延工艺技术主要包括气相外延、分子束外延和金属有机化学气相沉积等方法。
其中，气相外延是最常见的一种方法。
它利用气相反应原料，在高温下将气体中的原子或分子沉积到基片表面，形成薄膜或晶体结构。
这种方法具有生长速度快、控制能力强、适用性广等优点。
分子束外延是一种高真空条件下生长膜的方法。
它利用电子束或离子束将原子或分子瞄准到基片表面，实现晶体生长。
这种方法生长的薄膜结构更加均匀，晶格常数更精确，因此在一些特殊应用中得到广泛应用。
金属有机化学气相沉积是一种利用有机金属气体化合物的热分解沉积薄膜或晶体的方法。
它具有较高的生长速率、较低的生长温度以及较好的材料纯度等优点，特别适用于一些高温不稳定的材料。
外延工艺技术在半导体行业中的应用非常广泛。
例如，现代集成电路中的材料生长、退火、离子注入等过程，都离不开外延工艺技术的支持。
通过外延工艺技术，可以实现对材料杂质掺入浓度、电学特性、光学特性等方面的精确调控，从而提高器件的性能和可靠性。
此外，外延工艺技术还被广泛应用于光电子领域，如光通信、太阳能电池等。
通过外延生长技术，可以制备出高质量的半导体材料，提高光电转换效率。
同时，外延工艺技术还可以用于制备纳米材料、二维材料等新型材料，具有很大的研究和应用前景。
总之，外延工艺技术是一种重要的半导体材料生长方法，具有精确控制材料结构和性能的优势。
随着半导体技术的不断发展，外延工艺技术将在电子、光电子等领域中发挥越来越重要的作用。
分子束外延技术名词解释
分子束外延技术名词解释
分子束外延技术是一项先进的材料制备技术，它将分子束外延过程作为基础，能够d制备复杂、具有特殊性质的材料。
根据不同的过程和材料类型，分子束外延技术也有多种名称，以下是其中常见的几种名词：
1、外延：外延是分子束外延技术的核心过程，是一种利用高能量的原子或分子束经由固体源向薄膜表面沉积原子或分子的过程。
2、表面外延：表面外延是一种利用原子或分子束经由表面孔洞或晶体缺陷沉积原子或分子的过程。
3、溶胶流外延：溶胶流外延是一种以溶胶流形式将原子或分子束沉积在表面上的过程。
4、热外延：热外延是一种将高温原子或分子束沉积在表面上的过程。
5、多层外延：多层外延是一种依次按层次将原子或分子束沉积在表面上的过程。
6、化学外延：化学外延是一种将原子或分子束以化学反应的方式沉积在表面上的过程。
7、多维外延：多维外延是一种能够使材料在多个方向上生长的外延过程。
- 1 -。
sic外延工艺
SIC外延工艺是一种制备碳化硅（SiC）单晶材料的重要技术。
碳化硅作为一种宽禁带半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高电子饱和迁移速度等优异性能，在高温、高压、高频以及大功率电力电子器件和微波器件等领域具有广泛的应用前景。
SIC外延工艺的基本原理是在碳化硅衬底上通过化学气相沉积的方法生长碳化硅单晶薄膜。
碳化硅单晶薄膜的生长需要严格控制温度、气体流量、反应时间和压强等参数，以保证外延层与衬底之间晶格匹配和热膨胀系数相匹配，从而获得高质量的碳化硅外延层。
在SIC外延工艺中，常用的衬底材料包括碳化硅单晶片和蓝宝石单晶片。
碳化硅单晶片具有较高的导热性能和电子迁移率，适合制作高温、高频和大功率电力电子器件；而蓝宝石单晶片具有较高的机械强度和化学稳定性，适合制作耐高温和抗腐蚀的微波器件。
碳化硅外延层的生长需要选择合适的碳源和催化剂气体，常用的碳源包括甲烷、乙炔等烃类气体，催化剂气体包括氢气、氩气等惰性气体。
在生长过程中，通过控制温度和气体流量等参数，可以调节外延层的生长速率和组分，从而获得具有不同物理特性的碳化硅外延层。
总之，SIC外延工艺是制备高质量碳化硅单晶材料的关键技术之一，对于推动碳化硅在高温、高压、高频和大功率电力电子器件和微波器件等领域的应用具有重要意义。
半导体材料第讲外延
CVD具有生长速度快、成膜均匀 、适用范围广等优点，是半导体 外延生长中常用的方法之一。
物理气相沉积（PVD）原理
物理气相沉积是一种利用物理过程将气态物质转化为固态薄膜的过程。 在半导体外延生长中，PVD通过控制物理过程，如真空蒸发、溅射等， 使所需的半导体材料在已有的衬底上生长。
PVD生长过程中，通常将衬底置于真空腔室内，通过加热或使用高能粒 子束将源材料蒸发或溅射成原子或分子状态，然后在衬底表面沉积形成
绿色化
发展环保型外延生长技术和低能耗设 备，降低外延材料制备过程中的环境 污染和能源消耗。
THANKS
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通信领域
外延生长技术在通信领域中主要 用于制造高速光电子器件、激光 器、探测器等，如光纤通信中的
光放大器、光调制器等。
电力电子领域
外延生长技术在电力电子领域中主 要用于制造高效能功率器件，如电 力电子系统中的开关管、整流器等 。
传感器领域
外延生长技术在传感器领域中主要 用于制造高灵敏度、高精度传感器 ，如气体传感器、湿度传感器等。
02
外延生长的基本原理
化学气相沉积（CVD）原理
化学气相沉积是一种利用化学反 应将气态物质转化为固态薄膜的 过程。在半导体外延生长中， CVD通过控制化学反应的条件， 如温度、压力、气体流量等，使 所需的半导体材料在已有的衬底 上生长。
CVD生长过程中，通常将含有构 成薄膜元素的反应气体引入反应 腔室，在高温和低压条件下，反 应气体在衬底表面发生化学反应 ，形成固态薄膜。
纳米结构外延
利用纳米结构作为模板或种子， 在外延生长过程中控制晶体取向 和形貌，以提高外延材料的特殊
性能和应用价值。
外延生长技术的发展趋势
外延
选择性生长的用途之一是在 SiO2 层上开的接触孔内填硅， 以降低接触孔的深宽比，使接触孔平坦化。
6 卤化物输运 GaAs 气相外延
当采用气相外延生长 GaAs 薄膜时，可以用气态的 AsH3 作 为砷源。但镓不能形成稳定的氢化物。可让经氢气稀释的 HCl 气体流过加热的固态镓，生成气态的 GaCl 作为镓源。这就是 卤化物输运 GaAs 气相外延。也可以让氢气流过加热的固态砷， 生成气态的 AsH3 作为砷源。
液态源可放在起泡器中，让携带气体鼓泡带走。各种液态 源的蒸汽压差别很大，为获得适当的蒸汽压，有的需要加热， 有的则需要冷却。
GaAs 的 MOCVD 通常在中温区进行，生长速率取决于反 应气体的输运，对气流的要求非常高，必须是严格的层流，而 不能有任何湍流或环流。早期的 MOCVD 系统是常压的，现在 大多是低压的。
CS 2
1
erf
2
x DSt
当在本征衬底上生长掺杂浓度为 CE 的外延层时，外延层
的杂质浓度分布为
CE (x)
CE 2
1 erf
2
x DEt
当衬底和外延层都掺杂时，外延层的杂质erf
2
x DSt
CE 2
1
erf
2
x DEt
上式中，“+” 号对应于衬底和外延层的掺杂类型相同时； “-” 号对应于衬底和外延层的掺杂类型相反时。
硅的气相外延多利用硅氯化物 SiHxCl4-x ( x = 0、1、2、3 ) 与 H2 的反应来淀积单晶硅。反应气体分子中氯原子数越少， 所需的化学反应激活能就越小，反应温度就越低。最早使用的 是 SiCl4 ，激活能为 1.6 ~1.7 eV，反应温度在 1150oC 以上。现 在普遍使用的是 SiH2Cl2 ，激活能为 0.3 ~ 0.6 eV。
外延工艺基本知识
1.外延片指的是在衬底上生长出的半导体薄膜,薄膜主要由P型，量子阱，N型三个部分构成。
现在主流的外延材料是氮化镓(GaN),衬底材料主要有蓝宝石，硅，碳化硅三种，量子阱一般为5个，通常用的生产工艺为金属有机物气相外延(MOCVD)。
这是LED产业的核心部分，需要较高的技术以及较大的资金投入(一台MOCVD一般要好几千万)。
2.外延片的检测一般分为两大类:一是光学性能检测，主要参数包括工作电压，光强，波长范围，半峰宽，色温，显色指数等等，这些数据可以用积分球测试。
二是可靠性检测，主要参数包括光衰，漏电，反压，抗静电，I-V曲线等等，这些数据一般通过老化进行测试。
3.需要指出的是，并没有白光LED芯片，只有白光LED灯珠/管，即需要进行封装才能获得白光小LED灯，也叫灯珠，管子。
白光LED一般通过两种途径获得：一是通过配光，将红绿蓝三色芯片进行配比封装获得白光LED.二是通过荧光粉转换蓝光LED，从而获得白光LED.芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（Wafer Probe）、构装工序（Packaging）、测试工序（Initial Test and Final Test）等几个步骤。
其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段（Front End）工序，而构装工序、测试工序为后段（Back End）工序。
1、晶圆处理工序：本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关等），其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。
2、晶圆针测工序：经过上道工序后，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒，一般情况下，为便于测试，提高效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。
外延技术讲座
• 装片 • 赶气 • 升温(850ºC) • 烘烤6’ • 升温(1180ºÇ) • HCL腐蚀 • 赶气 • 外延沉积 • 赶气并降温 • N2赶气(3’) • 取片
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
5.HCL腐蚀旳作用
• 清洁表面降低缺陷 • 降低前工艺所引入旳损伤，降低和消除晶
温度对shift旳影响
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shift
外延工艺---EPITAXY PROCESS
生长速率对shift旳影响
0.8
0.7
(111)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Groth rate
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
5).降低畸变和漂移旳措施
• 分析手段： 显微镜、干涉相衬显微镜、 uv灯 、扫描电镜、表面沾污扫描仪
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
缺陷旳显示
• 对于(111)取向： Sirtl： HF：5m CrO3=1:1
• 对于(100)取向： Wright：a. 45gCrO3+90mlH2O
b.6gCU(NO3)+180mlH2O c.90mlHNO3+180mlHAC+180mlH
不同型号，不同电阻率和厚度旳外延层。
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
CMOS电路旳latch-up效应
用重掺衬底加外延能够减小这效应
Rs
Rw
Page 5
外延技术
作用是将硅基片表面残存的氧化物（SiOx） 以及晶格不完整的硅腐蚀去掉，露出新鲜 和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核， 而且使衬底硅和外延层硅之间键合良好， 避免衬底硅表面缺陷向外延层中延伸。
工艺
反应剂有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，气态反 应剂可稀释后直接通入，而液态反应剂是装在源瓶中， 用稀释气体携带进入反应器。 掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、 B2H6、AsH3 SiH4为反应剂， PH3为掺杂剂： SiH4（H2） Si+2H2↑ 2PH3（H2） P+6H2↑ SiH4在主流气体中只百分之几；PH3也用氢气稀释至 十~五十倍。
选择外延（Selective epitaxial growth，SEG）
•如何实现？ 根据硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特 定区域生长外延层而其它区域不生长的技术。 外延生长晶粒成核速度 SiO2〈Si3N4〈Si •Cl或HCl作用： 利用氧化物表面的高清洁性和源中存在足够的Cl或HCl提高 原子的活动性，以抑制气相中和掩蔽层表面处成核；Cl↑，选 择性↑，因为HCl可将在氧化物表面形成的小团的硅刻蚀掉； •三种类型： 1.以Si为衬底，以SiO2或Si3N4为掩膜，在暴露的硅窗口内 生长外延；或在暴露的硅窗口内生长外延，在掩膜生长PolySi； 2.同样以Si为衬底，以SiO2或Si3N4为掩膜，在暴露的硅衬 底上刻图形，再生长外延； 3.沟槽处外延生长
气相质量传递过程
边界层指基座 表面垂直于气 流方向上，气 流速度、反应 剂浓度、温度 受到扰动的薄 气体层。 基座表面做成 斜坡状，和气 流方向呈一定 角度，α角一般 在3~10°。
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20台
10台 15台 30台 10台 6台
100
50 73 145 50 30
2013年中国大陆外延分布
西三角 MOCVD 产能
西安中为
华新丽华
2台
20台
100
100
2013年中国大陆外延分布
闽赣 MOCVD 厦门三安 厦门乾照 晶能 长城开发 22台 9台 50台 30台 产能 107 44 240 145
源供给 系统
金属有机化学汽相沉积（MOCVD）
1.以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族 元素的氢化物等作为晶体生长源材料
MOCVD原理
2.以热分解反应方式和高温还原反应的方式在 衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、ⅡⅥ族化合物的薄层单晶材料。
金属有机化学气相沉积（MOCVD）
单晶制作： 以Si/SiC为衬底
NH3:(500ml/min) TGM: 15μmol/min
标准的GaN外延生长
1.炉温1150℃
三：退火
2.切断Ga和N源 3.时间7min
GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
标准的GaN外延生长
1.炉温1160℃
四：长单晶GaN
2.时间3min 3.TMGaN ,H2 HN3
1.炉温750℃和1160 ℃
六：长多量子阱 MQW
2.时间80min 3.长8个MQW
MQW层120nm N型GaN层2.5 μm GaN层0.5 μm GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
一层长InGaN（2nm），再 长一层GaN（14nm），连续 长8个InGaN和GaN(16nm)
2013年中国大陆外延分布
珠三角
MOCVD 真明丽 比亚迪 奥伦德 奥洋顺昌 旭瑞国星 流明 19台 10台 5台 6台 6台 11台 产能 145 50 24 30 30 50
Thanks!
量子阱结构
MQW结构
GaN势垒140An
一个Pair
1200A
InGaN势阱20A
能带与晶格
B
A
B
EgB
EgA
EgB
量子阱
量子阱：发光区域，核心结构
LQW
LQW
LQW
价带与导带结构
p-极 P-GaN
同质结构
n-极
Ec
N-GaN GaN缓冲层
蓝宝石
p-极 P-GaN InGaN n-极 N-GaN GaN缓冲层 蓝宝石 Ec
2013年中国大陆外延分布
长三角及江浙 MOCVD 士兰微 清华同方 中科 隆耀 18台 32台 20台 22台 产能 87 120 100 107
上海蓝光
德豪润达 清芯光电 乾照光电 上海蓝宝 真明丽 中谷光电 灿扬
20台
30台 48台 21台 12台 30台 13台 20台
100
145 230 102 58 145 70 125
质量转移
表面----主气流
离解
离解
外延生长过程示意图
衬底材料要求
结构特性
界面特性
衬底特性
化学稳定性 热学性能 导电性
光学性
机械性能
标准的GaN外延生长
衬底：Si,GaN,ZnO，SiC ,Al2O3
外延生长材料
载气：H2，N2 反应剂：NH3，SiH4，MO源
三甲基镓/(CH3)3Ga 三乙基镓/(C2H5)3Ga 三甲基铟/(CH3)3In 三甲基铝/(CH3)3Al 二茂镁/(Cp2Mg)
Ev
异质结构
Eg2 Eg1 Ev Eg1
发光原理
导带
电子-空穴产生能量
发出光
价带
量子阱的优点
可调光波
量子阱的优点
复合效率高
界面复合低
巧夺天工的工艺
是什么决定了颜色？
InGaAlP/GaAs/Gap 565-700nm
InGaAlP GaAs/Gap/GaAsp InGaN GaN
红黄蓝绿
InGaAlP/GaAsp 630-650nm InGaN/GaN 440-490nm InGaN/GaN 490-560nm
2013年中国大陆外延分布
两湖一徽 MOCVD 德豪润达 华灿 迪源 彩虹蓝光 芜湖三安 36台 29台 10台 50台 107台 产能 175 140 50 240 520
华磊
32台
160
2013年中国大陆外延分布
东北及京津唐 MOCVD 产能
浪潮华光
河北司辉 天津三安 方大 大连路美 山东冠全
GaN层0.5 μm GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
标准的GaN外延生长
1.炉温1160℃
五：长 N型GaN
2.时间60min 3.掺Si
N型GaN层2.5 μm
GaN层0.5 μm GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
Si（浓度5x810/cm3）
标准的GaN外延生长
LED外延介绍
外延生长
什么是外延生长？
定义：在某种单晶基片（衬底）上生长一层有特定要求，与基片晶向 相同的单晶层。即原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。
晶向与晶格
晶列
晶格
外延生长方法
外延生长方法
液相外延（LEP） 1
分子束外延（MBE）
化学分子束外延（CBE） 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
载气H2 载气N2 载气N2 载气H2 载气H2
Mo Source
标准的GaN外延生长
1.炉温1200℃
一：高温除杂
2.通入H2 3.时间10min
Al2O3 (430±5μm)
标准的GaN外延生长
1.炉温530℃
二：长缓冲层
2.时间3min 3.通入NH3和TGM
GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
SiCl4+2H2=Si+4HCl （还原反应）
SiH4=Si+2H2
（热分解反应）
以Al2O3为衬底
(CH3)3Ga +NH3= GaN+3CH4 （还原反应） RnM+XHn→MX+nRH （还原反应通式）
金属有机化学气相沉积（MOCVD）
质量输运
AB
主气流
质量输运
AB+B
质量转移
主气流----表面 AB*
Hale Waihona Puke 23 4金属有机化学气相沉积（MOCVD）
金属有机化学气相沉积（MOCVD）:
定义： MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新 型气相外延生长技术。
金属有机化学气相沉积（MOCVD）
MOCVD系统组成：
安全保 护系统 气体输 运系统 反应室和加热系 统 尾气处 理系统
手动和 制动控 制系统
标准的GaN外延生长
1. .炉温930℃，800 ℃，600 ℃
七：长 P型GaN
2.时间72min 3.掺入Mg
P型GaN层215nm MQW层120nm N型GaN层2.5 μm GaN层0.5 μm GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
Mg（浓度5x1019/cm3） 20min 200nm/ （浓度 5x1020/cm3）2min 15nm