液相外延和分子束外延
半导体材料第9讲-III-V族化合物半导体的外延生长
掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化 物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运 相同。
MOVPE设备
2．气体输运系统 气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器(mass
金属有机化合物的名称及其英文缩写
三甲基镓 三甲基铟 三甲基铝 三乙基镓 三乙基铟 二甲基锌 二乙基锌 二甲基镉 二乙基镉
Tri-methyl-gallium TMG．TMGa
Tri-methyl-indium TMI．TMIn
Tri-methyl-alumium TMAI
Tri-ethyl-gallium TEG．TEGa
(3) 总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响 非掺杂GaAs外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从750℃到 600℃，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在600℃时， 总杂质浓度<1015／cm3。但低于600℃时，外延层表面变得粗糙。
(4) 源纯度对迁移率的影响。在MOVPE生长非掺杂GaAs外延层中，杂 质的主要来源是源材料，只要TMG和AsH3中一种纯度不够，迁移率就降 低。早期源的纯度不够高曾限制了MOVPE技术的应用。目前采用一般的 源可生长出载流子浓度小于1×1014／cm3，室温迁移率大于6000cm2／ VS的GaAs外延层。
4Ga + xAs4 = 4GaAsx ( x<1 ) 而HCI在高温下同Ga或GaAs反应生成镓的氯化物，它的主反应为
2Ga + 2 HCl = 2 GaCl + H2 GaAs + HCl = GaCl + ¼ As4 + ½ H2
金属有机化合物气相外延基础及应用
制备技术
液相外延（LPE）
• 定义：是指在一定取向的单晶衬底上，利用溶质从过饱和 溶液中析出生长外延层的技术。 • 优点：生长设备比较简单、生长速度快、纯度比较高、外 延层的位错密度通常低于所用的衬底、操作安全。 • 缺点：表面形貌比较差、对外延层与衬底的晶格匹配要求 较高、当溶液中含有固-液分凝系数与1相差较大的组分时， 很难在生长方向获得均匀的固溶体组分或掺杂，在生长多 种材料和薄层、超薄层与复杂结构方面有局限性。 • LPE技术层广泛用于生长GaAs、GaAlAs、GaP、InP、 GaInAsP等半导体材料单晶层，制作发光二极管、双异质 结激光器、太阳能电池、微波器件等。时至今日LPE仍用 于某些期间的生产，如GaAs发光二极管。
气相外延（VPE）
• 定义：是将含有组成外延层元素的气态化合物输运至衬底 上，进行化学反应而获得单晶层的放法。 • 氯化物气相外延中金属与非金属都以氯化物形式输运。其 特点：设备比较简单、外延层纯度高。易于批量生产；但 Cl-VPE和所有的VPE方法一样使用的气体源或是易挥发的液 体源，具有毒性和腐蚀性，因而不仅要求生长系统密封性 好并且耐腐蚀，还需要有防毒、防暴、防火的安全措施。 • 氢化物气相外延与氯化物气相外延的区别在于采用非金属 的氢化物（如AsH3）取代其氯化物（AsCl3）。HVPE已用 于大规模商业生产同质GaAsP发光二极管（LED）。 • 氢化物与氯化物气相外延的共同的缺点是必须在反应室内 建立两个温区，以完成各自的反应。HVPE的原材料中的非 金属砷和磷的氢化物毒性比Cl-VPE使用的砷和磷的氯化物 更大。
MOVPE
• 氢气作为载气运载气体携带MO源 和氢化物等反应剂进入反应室，随 着气体流向加热衬底，其温度逐渐 升高，在气相中可能发生如下反应： 金属有机化合物[路易斯（Lewis） 酸]与非金属氢化物或有机化合物 （路易斯碱）之间形成加合物，当 温度进一步升高时，MO源和氢化 物及加合物的逐步热分解甚至气相 成核。气相中的反应品种扩散至衬 底表面后首先吸附到表面，然后吸 附的品种会在表面迁移并继续发生 反应，最终并入晶格形成外延层。 表面反应的副产物从生长表面脱附， 通过扩散，再回到主气流，被载气 带出反应室。此外也有部分气相反 应产物被气流直接带出反应室。
外延技术介绍
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
gaas单晶制备方法
gaas单晶制备方法GaAs（Gallium Arsenide）是一种III-V族化合物半导体材料，具有优异的电子特性和光电特性，广泛应用于高速电子器件和光电器件领域。
本文将介绍GaAs单晶的制备方法。
GaAs单晶的制备方法主要有以下几种：分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和液相外延（LPE）。
分子束外延是一种常用的GaAs单晶制备方法。
该方法利用分子束在表面上沉积材料，通过控制束流的能量和角度来控制沉积的位置和形貌。
首先，通过高温热解四甲基三甲基镓（TMGa）和砷化氢（AsH3）等有机金属化合物，生成金属有机气体。
然后，将金属有机气体导入到高真空条件下的反应室中，同时加热单晶衬底。
金属有机气体在表面上热解，释放出金属原子和砷原子，通过控制流量和沉积时间，使金属和砷原子按照一定的比例在单晶衬底上沉积并结晶形成GaAs单晶。
金属有机化学气相沉积是另一种常用的GaAs单晶制备方法。
该方法与分子束外延类似，也是通过金属有机气体的热解来沉积材料。
不同的是，金属有机化学气相沉积使用的反应器是封闭的，而不是高真空条件下的反应室。
在金属有机化学气相沉积中，金属有机气体和载气（如氢气）一起导入反应器中，通过加热反应器来热解金属有机气体。
金属原子和砷原子在载气的作用下在单晶衬底上沉积并结晶形成GaAs单晶。
液相外延是一种传统的GaAs单晶制备方法。
该方法使用溶液中的金属和砷化合物来沉积材料。
首先，将金属（如镓）和砷化合物（如砷化镓）加入到溶剂中，形成溶液。
然后，将单晶衬底浸入溶液中，通过加热反应器来控制溶液中金属和砷化合物的浓度和温度。
金属和砷化物在单晶衬底上沉积并结晶形成GaAs单晶。
除了上述三种常用的制备方法外，还有其他一些方法，如分子束激光外延（MBE）、金属有机激光外延（MOCVD）等。
这些方法在一定程度上可以提高GaAs单晶的质量和生长速率。
GaAs单晶的制备方法主要包括分子束外延、金属有机化学气相沉积和液相外延等。
磷化铝研究报告
磷化铝研究报告
磷化铝是一种具有广泛应用前景的材料，其特性包括高电导率、高热导率、优异的机械强度和化学稳定性。
本文对磷化铝的研究进展进行了综述。
磷化铝的制备方法包括气相外延法、液相外延法、气相输运法和分子束外延法等。
其中，气相外延法是最常用的制备方法之一。
气相外延法可以在高温下使气体中的磷和铝化合，沉积到衬底上，并形成磷化铝薄膜。
液相外延法是在高温下将衬底浸泡在磷化铝溶液中，通过反应生成磷化铝薄膜。
磷化铝材料的应用范围非常广泛，涉及到半导体电子器件、高功率电子器件、LED、激光器、太阳能电池和光伏电池等多个领域。
例如，磷化铝在半导体电子器件中可以用作电池片的电极材料，以提高器件的电导率和热传导率；在激光器中可以用作反射镜和半透镜材料；在太阳能电池中可以用作电池片的保护层，提高电池片的光电转换效率。
磷化铝材料的研究方向主要包括以下几个方面：磷化铝晶体生长机制的研究，磷化铝化学稳定性的研究，磷化铝光学与光电性能的研究，磷化铝电学性能的研究，以及磷化铝与其他材料的复合研究。
综上所述，磷化铝是一种非常有前景的材料，具有广泛的应用前景。
需要进一步深入研究其制备方法、物理化学特性和应用，以推动其在各种领域的应用。
外延生长的方法有哪些
外延生长的方法有哪些外延生长是指材料沉积在晶体表面基础上的一种生长方式，也称为自下而上的生长方式。
在外延生长过程中，新形成的晶体层沿着晶体的晶面方向生长，从而使整个晶体薄片的尺寸逐渐增大。
外延生长技术广泛应用于半导体行业，例如用于制造集成电路和发光二极管等器件。
下面将介绍几种常见的外延生长方法。
1. 液相外延生长方法液相外延生长是一种基于溶液的生长方法，通过将溶液中的材料沉积在晶体衬底表面来实现生长。
在生长过程中，溶液中的材料原子逐渐结晶并沉积在衬底上。
这种方法可以用于生长多种材料，包括硅、镓、锗等。
通过改变溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制晶体生长的形状、尺寸和取向等属性。
2. 气相外延生长方法气相外延生长是一种基于气体的生长方法，通过在预定温度和压力条件下使材料从气态沉积在晶体衬底上，实现晶体的生长。
这种方法常用于生长复杂的硅化物、氮化物和磷化物等材料。
在气相外延生长过程中，材料原子从气态通过化学反应、物理吸附或气体分解等方式沉积在晶面上。
这种方法可以控制晶体生长的取向和形貌，是制备高质量晶体的一种重要方法。
3. 分子束外延生长方法分子束外延生长是一种在超高真空条件下生长薄膜的方法。
在生长过程中，通过利用分子束砷化炉、分子束外延装置等设备，使材料原子经过加热和蒸发的过程，以超高速度沉积在晶体表面上。
这种方法可以控制材料的镉蒸汽压、晶体衬底温度和反应室的压力等参数，从而实现晶体的精确生长和纯度控制。
4. 水热合成外延生长方法水热合成外延生长是一种在高温高压水溶液中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过溶液中的化学反应和矿物物质的转移来实现晶体生长。
水热合成外延生长常用于合成高质量的纳米晶体和纳米材料。
通过调节溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制材料的尺寸、形状和结构等属性。
5. 熔体外延生长方法熔体外延生长是一种在熔体中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过将材料的熔融物质以超低速度沉积在晶体衬底上。
第2章 外延
基座去硅工艺流程：
反应器
N2预冲洗 → H2预冲洗 →升温至850℃→ 升温至1170℃ → HCl排空
→ HCl腐蚀→ H2冲洗 → 降温 → N2冲洗
10
外延生长工艺流程
N2预冲洗→H2预冲洗→升温至 850℃→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→降温→N2冲洗
如n-/n+-Si，n/p-Si，GaAs/Si
3
2.1.2 外延工艺种类
按工艺方法划分：
气相外延（VPE)， 液相外延(LPE)， 固相外延 (SPE)， 分子束外延（MBE)
按材料划分：
同质外延，又称为均匀外延 异质外延，又称为非均匀外延
异质外延外延层与衬底的相容性：
1、两者在外延温度不发生化学反应、不互溶； 2、两者热力学匹配； 3、两者晶格匹配。
外延层杂质浓度为： NE (x) NS ex
假设2：衬底杂质没有逸出 外延层杂质浓度为：
NE (x) NE0 (1 ex )
自掺杂后，外延层杂质浓度为： NE (x) NS ex NE0 (1 ex )
27
2、互扩散效应
衬底与外延层中的杂质，在 外延过程中相互扩散，引起 外延界面附近杂质浓度缓慢 变化的现象。
21
2、硅源对外延速率的影响
VSiH4≈0.5μm/min VSiCl4≈0.17μm/min
Si2H6 T
无氯体系 V
含氯体系
22
3、外延剂浓度对外延速率的影响
0.28 SiCl4+H2↔Si+HCl
外延剂浓度对外延速率影 响也很大：
在外延气体中硅源浓度应在 某一范围之内变化，
半导体外延设备的分类
半导体外延设备的分类半导体外延设备是半导体材料生长的关键设备，用于在晶体基片上沉积外延层。
根据其不同的工作原理和应用领域，可以将半导体外延设备分为以下几类。
一、气相外延设备气相外延设备是最常见的半导体外延设备之一。
它通过将气体中的半导体原子或分子沉积在基片上，形成外延层。
常用的气相外延设备有金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）。
1. 金属有机化学气相沉积（MOCVD）MOCVD是一种广泛应用于半导体材料外延生长的技术。
它通过控制金属有机气体和载气的流量，使其在高温条件下与基片表面发生反应，从而形成外延层。
MOCVD设备具有高生长速率、较高的沉积效率和较好的均匀性等优点，被广泛用于生长GaN、InP、GaAs等材料。
2. 分子束外延（MBE）MBE是一种通过热蒸发的方式将半导体材料沉积在基片上的技术。
它通过在真空环境下加热源材料，使其蒸发并沉积在基片上，形成外延层。
MBE设备具有高真空度、高温度控制精度和高纯度材料等优势，被广泛应用于低维结构的外延生长，如量子阱和纳米线等的制备。
二、液相外延设备液相外延设备是利用溶液中的半导体材料，通过控制温度和溶液中物质的浓度，使其在基片上生长外延层。
常用的液相外延设备有溶胶-凝胶法和液相外延熔融法。
1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是利用溶胶和凝胶的物理化学性质，在溶胶-凝胶转变过程中进行材料生长。
它通过控制溶液中的物质比例和温度，使溶胶逐渐凝胶并沉积在基片上，形成外延层。
溶胶-凝胶法具有较高的生长速率、较好的均匀性和较低的生长温度等优势，被广泛应用于生长氧化物和硅基外延材料等。
2. 液相外延熔融法液相外延熔融法是通过将半导体材料熔融后，使其在基片上生长外延层。
它通过控制温度和熔融物质的成分，使熔融物质在基片上形成外延层。
液相外延熔融法具有生长速率快、生长温度范围广和材料组分可调等优势，被广泛应用于GaAs和InP等材料的生长。
三、分子束外延设备分子束外延设备是利用高能分子束轰击基片表面，使半导体材料在基片上沉积形成外延层。
外延工艺简介
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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。
外延
高阻衬底上外延低阻外延层。
外延原理及分类
气相外延【VPE Vapor Phase Epitaxy 】
气态硅化物在加热的硅衬底表面与氢气发生化学反应或
自身热分解，生成硅，并以单晶形式淀积在衬底表面。
液相外延【LPE Liquid Phase Epitaxy】
由溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的方法 。
外 延
桂林电子科技大学职业技术学院
外延
定义：在低于晶体熔点温度以下，在表面经精加工的单 晶衬底上，沿原来晶轴方向生长一层导电类型、电阻率、厚 度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。 外延分类 外延按照材料可分为同质外延和异质外延两种： 按照外延材料电性能分为正外延和反外延； 正外延是在低阻衬底上外延高阻外延层，反外延则是在
分子束外延【MBE molecular-beam epitaxy 】
超高真空条件下，炉子加热产生粒子蒸气，经小孔准直后形成分子 或原子束直接喷射到适当温度的基片上，同时控制粒子束对衬底扫描， 使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
外延生长方法
外延条件
【须去除表面自然氧化层及杂质】
【衬底表面温度足够高，有足够能量促使原子移动】 外延步骤： 1、反应剂分子扩散至生长层表面 2、反应剂分子吸附
气密性。
外延生长设备
恒定液面源挥发器
结构特点： 气密性好 溶液反应量控制精确 蒸汽供应量稳定—液面高度趋于稳定 成本较高，加工难度大—石英
加热设备
1、多采用高频加热，升温速率快，加热区域易调整； 2、加热对象为衬底和基座，反应室外壁为冷壁，可有效 避免外延物质在反应室内壁的淀积； 3、高频感应炉要进行屏蔽，防止高功率时，电磁辐射影 响周围环境；
半导体薄膜生长术语-概念解析以及定义
半导体薄膜生长术语半导体薄膜生长，作为现代微电子科技与光电子科技领域的关键技术之一，其过程涉及众多专业术语和工艺步骤。
以下是对半导体薄膜生长过程中一些核心术语的阐述：1. 『分子束外延』(Molecular Beam Epitaxy, MBE)：一种高精密薄膜生长技术，通过精确控制原子或分子束的能量和方向，在超真空环境下实现单晶半导体薄膜的逐层精确生长。
2. 『化学气相沉积』(Chemical Vapor Deposition, CVD)：利用气态物质在固态基底上反应生成所需固体薄膜的一种方法，常见于制备高质量、大面积的半导体薄膜。
3. 『原子层沉积』(Atomic Layer Deposition, ALD)：基于自限制表面反应机制，以单原子层为单位进行薄膜生长的技术，尤其适用于复杂三维结构的均匀薄膜沉积。
4. 『液相外延』(Liquid Phase Epitaxy, LPE)：将基片浸入含有过饱和组分的溶液中，利用溶质在固-液界面处的定向结晶形成薄膜。
5. 『溅射沉积』(Sputter Deposition)：利用离子束轰击靶材，使靶材原子溅射出来并在衬底上凝结成膜的过程。
6. 『热氧化』(Thermal Oxidation)：在高温下，硅片表面与氧气反应生成二氧化硅（SiO₂）薄膜，是制造MOS 结构的关键步骤。
7. 『掺杂』(Doping)：在半导体薄膜生长过程中引入杂质元素，改变材料导电类型，如n型掺杂（磷、砷等）、p型掺杂（硼、镓等）。
8. 『二维生长模式』与『三维生长模式』：前者指薄膜原子严格沿基底平面排列生长；后者则允许薄膜原子在垂直和平行于基底的方向上同时生长。
9. 『台阶流』(Step Flow Growth)：在具有原子级平整度的衬底表面，薄膜沿着台阶边缘连续生长的现象。
10. 『表面重构』(Surface Reconstruction)：薄膜生长初期，由于表面应力、能态等因素影响，实际表面结构与理想晶体结构发生偏离的现象。
【集成电路 哈工大】微电子工艺(2) - PRINT
4
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
3.1.2 外延工艺种类性，在硅工艺中一直占主导地位 3.1.3
按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延(LVP)， 固相外延 (SPE)，分子束外延（MBE)
自掺杂效应是气相外延的本征效应， 不可能完全避免。
33
自掺杂外延层杂质浓度分布
假设1：外延层生长时外延剂中无杂质， 杂质来源于自掺杂效应
N E (x) NS ex
假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底 未掺杂）
N E ( x) N E0 (1 ex )
界面杂质叠加的数学表达式为
N E (x) N S ex N E0 (1 ex )
“+”对应n/n（p/p）
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“-”对应p/n（n/p）
3、综合效果
杂质再分布综合效果示意图
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4、减小杂质再分布效应措施
降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2；或SiH4， 但这对As的自掺杂是无效。
重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面 和侧面，减少杂质外逸。
低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果 显著，对硼的作用不明显。
新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅片称为 （硅）外延片。
外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶向与 衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率、材料可不同。
记为：n/n+-Si，n/p/-Si，GaAs/Si。
3
3.1.1外延概念
外延生长时掺入杂质的类型、浓度、材料都 可以与衬底不同，增加了芯片工艺的灵活性。
“+”对应n/n（p/p）
分子束外延
分子束外延分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。
其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。
由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。
分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。
该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。
随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。
分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）技术是在真空沉积法和1968年阿尔瑟(Arthur)对镓砷原子与GaAs表面相互作用的反应动力学研究的基础上，由美国贝尔实验室的卓以和在70年代初开创的。
它推动了以超薄层微结构材料为基础的新一代半导体科学技术的发展。
分子束外延（MBE）是一种灵活的外延薄膜技术，可以表述为在超高真空环境中通过把热蒸发产生的原子或分子束投射到具有一定取向、一定温度的清洁衬底上而生成高质量的薄膜材料或各种所需结构。
晶体生长受分子束相互作用的动力学过程支配，而异于常规的化学气相淀积(VPE)和液相外延(LPE)中的准热力学平衡。
随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术，近年来又出现了激光分子束外延技术。
低维半导体材料的生长与性能研究
低维半导体材料的生长与性能研究随着科技的不断发展和人们对于节能环保理念的日益强烈意识，对于新型半导体材料的研究也变得越来越重要。
低维半导体材料作为其中的一种新型半导体材料，备受关注。
一、低维半导体材料概述低维半导体材料是指一种宽带隙半导体材料，它在磊晶生长过程中的一个或多个尺度被限制在纳米级别。
这种材料呈现出非常特殊的光电性能，主要表现在：具有高载流子流动率、较小的载流子有效质量、超高自由载流子寿命以及较高的量子效率等方面。
由于低维半导体材料具有优异的性能，一些研究机构将其定义为“下一代新型半导体材料”。
二、低维半导体材料的生长低维半导体材料的生长是指将低维半导体材料从气体相、液相或固相转化成晶体的过程。
通常采用的生长方法有气相外延、液相外延、分子束外延以及溅射等方法。
其中气相外延是最常采用的低维半导体材料生长方法之一。
该方法通过控制气相物种与衬底表面反应，使半导体材料在衬底表面上生长而成。
气相外延还有一些衍生的方法，如金属有机气相外延、分子束流外延等。
液相外延是利用熔融合金与触晶棒之间相互扩散的方式，在触晶棒表面上生长低维半导体材料。
该方法相对于气相外延具有比较高的可生长面积和所需的设备成本低等优点。
溅射生长是通过离子轰击的方式，将靶材上的原子或离子释放到衬底表面上生成原子薄膜的生长方法。
此方法也是可生长面积较大、设备成本相对较低的方法，因此在低维晶体材料的生长中也得到广泛应用。
三、低维半导体材料的研究1. 光电性能低维半导体材料的光电性能是指材料对于光的响应及其光电特性，这也是低维半导体材料研究中的重要方面。
对于低维半导体材料而言，其载流子运动受到约束，因此载流子的寿命会变长。
同时，由于低维半导体材料表面积小，表面反应活性很强，因此极易出现表面态。
这些表面态往往会对材料的光电性能产生重要影响。
低维半导体材料的光电性能研究对于进一步了解材料的特性、提升材料的性能以及开发新型光电器件有着重要意义。
外延生长_精品文档
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MOCVD设备 Thomas Swan的设备外型
MBE
分子束外延（MBE）是70年代在真空蒸发的基础上迅速发展起来 的制备极薄单晶层和多层单晶层薄膜的新技术。其基本原理是在超高真 空系统中（真空度优于10-11Pa，分子平均自由程可达1m）将组成化合 物的元素材料分别装入喷射炉内，对面喷射炉相隔一定距离放置衬底 （加热到600-700℃）。从喷射炉喷出的热分子或热原子束射到衬底表 面并延表面移动，与表面发生反应生长成单晶薄膜。
瞬态法共有：平衡冷却法，分步冷却法，过冷法和两相溶液法四种
1）平衡冷却法 当温度达到T1时，溶液刚好饱和，使衬底与溶液接触，即在接触瞬间
两种处于平衡状态。然后以恒定的降温速率，一边冷却，一边生长（本方 法对应于过冷度ΔT=0，降温速率α≠0）。 2）分步冷却法
这种工艺首先使溶液在温度T1下饱和，将衬底与溶液接触，并迅速冷却 到Tg（不能出现自发结晶），此后保持Tg不变进行生长直至结束。 3）过冷法
LED制造系列之---外延生长
外延生长的定义与种类
定义：外延生长就是指在某种起始单晶（衬底）上生长 具有相同或接近的结晶学取向的薄层单晶的过程
1. 液相外延（LPE） 2. 金属有机化学汽相沉积（MOCVD） 3. 分子束外延（MBE） 4. 化学分子束外延（CBE）
液相外延（LPE）
液相外延是指在某种饱和或过饱和溶液中在单晶衬底 上定向生长单晶薄膜的方法。生长的单晶薄膜可以与衬底 的晶向相同，也可以相对于衬底表面的晶向具有另一种特 定的晶格取向。液相外延时，首先在较高温度下把加有溶 质的溶剂溶解成溶液，当冷却到较低温度时，溶液就变成 过饱和状态。当衬底与这种溶液接触并逐渐降温时，溶质 就将从溶剂里析出，在衬底上延伸出新的单晶层，生长层 的组分（包括掺杂）由相图来决定。
液相外延和分子束外延
液相外延液相外延【liquid phase epitaxy】由溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的方法。
液相外延由尼尔松于1963年发明，成为化合物半导体单晶薄层的主要生长方法，被广泛的用于电子器件的生产上。
薄层材料和衬底材料相同的称为同质外延，反之称为异质外延。
液相外延可分为倾斜法、垂直法和滑舟法三种，其中倾斜法是在生长开始前，使石英管内的石英容器向某一方向倾斜，并将溶液和衬底分别放在容器内的两端；垂直法是在生长开始前，将溶液放在石墨坩锅中，而将衬底放在位于溶液上方的衬底架上；滑舟法是指外延生长过程在具有多个溶液槽的滑动石墨舟内进行。
在外延生长过程中，可以通过四种方法进行溶液冷却：平衡法、突冷法、过冷法和两相法。
与其他外延方法相比；它具有如下的优点：1）生长设备比较简单，；2）有较高的生长速率；3）掺杂剂选择范围广；4）晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；5）晶体纯度高，生长系统中没有剧毒和强腐蚀性的原料及产物，操作安全、简便等。
LPE的不足在于，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。
其次，由于分凝系数的不同，除生长很薄的外延层外，在生长方向上控制掺杂和多元化合物组合均匀性遇到困难。
再者LPE的外延层表面一般不如气相外延好。
分子束外延Molecular Beam Epitaxy内容分子束外延的英文缩写为ＭＢＥ，这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。
在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。
第二章 外延
2.温度对生长速率的影响
3.气流速度对生长速率的影响
生长速率与总氢气流速的平方根成正比
4.衬底晶向的影响
生长速率<100>><110> > <111>
Epitaxy: Purpose • Barrier layer for bipolar transistor – Reduce collector resistance while keep high breakdown voltage. – Only available with epitaxy layer. • Improve device performance for CMOS and DRAM because much lower oxygen, carbon concentration than the wafer crystal.
CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。
CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好，
是目前硅外延生长的主要方法
对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及
其均匀性、位错和层错密度等。
按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行
外延的定义 分类 硅气相外延方法的方法
按 反 应 室 分 类
•卧式 •立式
•桶式
按材料异同分Leabharlann 按外延温度分按反应压力分
按电阻率高低和导电类型分
按外延厚度和结构分
按外延生长方法：
直接外延 是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长 的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表 面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等 间接外延 是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外 延层，广义上称为化学气相淀积 （chemical vapor deposition,CVD）
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液相外延
液相外延【liquid phase epitaxy】由溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的方法。
液相外延由尼尔松于1963年发明，成为化合物半导体单晶薄层的主要生长方法，被广泛的用于电子器件的生产上。
薄层材料和衬底材料相同的称为同质外延，反之称为异质外延。
液相外延可分为倾斜法、垂直法和滑舟法三种，其中倾斜法是在生长开始前，使石英管内的石英容器向某一方向倾斜，并将溶液和衬底分别放在容器内的两端；垂直法是在生长开始前，将溶液放在石墨坩锅中，而将衬底放在位于溶液上方的衬底架上；滑舟法是指外延生长过程在具有多个溶液槽的滑动石墨舟内进行。
在外延生长过程中，可以通过四种方法进行溶液冷却：平衡法、突冷法、过冷法和两相法。
与其他外延方法相比；它具有如下的优点：1）生长设备比较简单，；2）有较高的生长速率；3）掺杂剂选择范围广；4）晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；5）晶体纯度高，生长系统中没有剧毒和强腐蚀性的原料及产物，操作安全、简便等。
LPE的不足在于，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。
其次，由于分凝系数的不同，除生长很薄的外延层外，在生长方向上控制掺杂和多元化合物组合均匀性遇到困难。
再者LPE的外延层表面一般不如气相外延好。
分子束外延
Molecular Beam Epitaxy
内容
分子束外延的英文缩写为ＭＢＥ，这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。
在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。
特点
（1）生长速率极慢，大约1um/小时，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质结构等。
实际上是一种原子级的加工技术，因此MBE特别适于生长超晶格材料。
（2）外延生长的温度低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。
（3）由于生
长是在超高真空中进行的，衬底表面经过处理可成为完全清洁的，在外延过程中可避免沾污，因而能生长出质量极好的外延层。
在分子束外延装置中，一般还附有用以检测表面结构、成分和真空残余气体的仪器，可以随时监控外延层的成分和结构的完整性，有利于科学研究.（4）MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。
（5）MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用快门可以对生长和中断进行瞬时控制。
因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。