半导体材料第9讲-III-V族化合物半导体的外延生长PPT课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5
6
氢化物法外延生长GaAs
氢化物法是采用Ga／HCI／AsH3／H2体系，其生长机理 为 Ga (l) + HCl (g) = GaCl (g) + ½ H2(g) AsH3 (g) = ¼ As4(g) + 3/2 H2(g) GaCl (g) + ¼ As4(g) + ½ H2(g) = GaAs (s) + HCl (g)
这种方法，Ga(GaCI)和As4(AsH3)的输入量可以分别控 制，并且As4的输入可以在Ga源的下游，因此不存在镓源 饱和的问题，所以Ga源比较稳定。
卤化物和氢化物法生长GaAs除了水平生长系统外，还 有垂直生长系统，这种系统的基座大都是可以旋转的，因 此其均匀性比较好。
7wenku.baidu.com
金属有机物化学气相沉积
3
卤化物法外延生长GaAs
Ga/AsCl3/H2体系气相外延原理及操作
高纯H2经过AsCl3鼓泡器，把AsCl3蒸气携带入反应室中，它们在 300~500℃的低温就发生还原反应，
4AsCl3 + 6H2 = As4 + 12 HCl 生成的As4和HCI被H2带入高温区(850℃)的Ga源(也称源区)处，As4 便溶入Ga中形成GaAs的Ga溶液，直到Ga饱和以前，As4不流向后 方。
半导体材料
III-V族化合物半导体的外延生长
1
第七章 III-V族化合物半导体的外延生长
内容提要：
气相外延生长VPE 卤化物法 氢化物法 金属有机物气相外延生长MOVPE
液相外延生长LPE 分子束外延生长MBE
2
气相外延生长
气相外延生长(vapor phase epitaxy, VPE) 发展较早，主要有以下三种方法： 卤化物法 (Ga/AsCl3/H2体系) 氢化物法 (Ga/HCl/AsH3/H2体系) 金属有机外延法
此外，MOVPE可以进行低压外延生长(LP-MOVPE. Low Pressure MOVPE)，比上述常压MOVPE的特点更 加显著。
12
MOVPE设备
MOVPE设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热 和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。
因为MOVPE生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且 常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑 系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要 紧凑等等。
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
4
卤化物法外延生长GaAs
GaCI被H2运载到低温区，如此时Ga舟已被As饱和，则 As4也能进入低温区， GaCI在750℃下发生歧化反应，生 成GaAs，生长在放在此低温区的衬底上(这个低温区亦称 沉积区)， 6GaCl + As4 = 4 GaAs + 2 GaCl3 有H2存在时还可发生以下反应 4GaCl + As4 + 2H2 = 4 GaAs + HCl 反应生成的GaCl3被输运到反应管尾部，以无色针状物析 出，未反应的As4以黄褐色产物析出。
11
MOVPE的特点
(3) 晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长， 需要控制的参数少，设备简单。便于多片和大片外延生长， 有利于批量生长。
(4) 晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因 此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。
(5) 源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物， 因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。
金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)自20世 纪60年代首次提出以来，经过70年代至80年代的 发展，90年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子 材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮 化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。
9
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
性质 用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反 应器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外 延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可 以生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。
(2) 反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组 分和杂质浓度
反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组 分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可 以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质 和多层结构无疑是很重要的。
到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性 能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法 能与之相比。
8
MOVPE技术
MOVPE (Metal organic Vapor Phase Epitaxy)技术是 生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为MOCVD 。 近年来从外延生长角度出发，称这一技术为MOVPE。 它是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V族、Ⅵ族元素 的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底 上进行外延生长Ⅲ一V族，Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体以及它 们的多元化合物的薄层单晶。 Ⅱ族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如Ga、 Al、In、Zn、Cd等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、 Ga(C2H5)3等，
Tri-ethyl-indium
TEI．TEIn
Di-methyl-zinc
DMZn
Di-ethyl-zinc
DEZn
Di-methyl-cadmium DMCA
Di-ethyl-cadmium DECA
10
MOVPE的特点
MOVPE具有下列的特点： (1)可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的
不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPE设备往往是不同的，但 一般来说，都由以下几部分组成：
6
氢化物法外延生长GaAs
氢化物法是采用Ga／HCI／AsH3／H2体系，其生长机理 为 Ga (l) + HCl (g) = GaCl (g) + ½ H2(g) AsH3 (g) = ¼ As4(g) + 3/2 H2(g) GaCl (g) + ¼ As4(g) + ½ H2(g) = GaAs (s) + HCl (g)
这种方法，Ga(GaCI)和As4(AsH3)的输入量可以分别控 制，并且As4的输入可以在Ga源的下游，因此不存在镓源 饱和的问题，所以Ga源比较稳定。
卤化物和氢化物法生长GaAs除了水平生长系统外，还 有垂直生长系统，这种系统的基座大都是可以旋转的，因 此其均匀性比较好。
7wenku.baidu.com
金属有机物化学气相沉积
3
卤化物法外延生长GaAs
Ga/AsCl3/H2体系气相外延原理及操作
高纯H2经过AsCl3鼓泡器，把AsCl3蒸气携带入反应室中，它们在 300~500℃的低温就发生还原反应，
4AsCl3 + 6H2 = As4 + 12 HCl 生成的As4和HCI被H2带入高温区(850℃)的Ga源(也称源区)处，As4 便溶入Ga中形成GaAs的Ga溶液，直到Ga饱和以前，As4不流向后 方。
半导体材料
III-V族化合物半导体的外延生长
1
第七章 III-V族化合物半导体的外延生长
内容提要：
气相外延生长VPE 卤化物法 氢化物法 金属有机物气相外延生长MOVPE
液相外延生长LPE 分子束外延生长MBE
2
气相外延生长
气相外延生长(vapor phase epitaxy, VPE) 发展较早，主要有以下三种方法： 卤化物法 (Ga/AsCl3/H2体系) 氢化物法 (Ga/HCl/AsH3/H2体系) 金属有机外延法
此外，MOVPE可以进行低压外延生长(LP-MOVPE. Low Pressure MOVPE)，比上述常压MOVPE的特点更 加显著。
12
MOVPE设备
MOVPE设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热 和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。
因为MOVPE生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且 常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑 系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要 紧凑等等。
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
4
卤化物法外延生长GaAs
GaCI被H2运载到低温区，如此时Ga舟已被As饱和，则 As4也能进入低温区， GaCI在750℃下发生歧化反应，生 成GaAs，生长在放在此低温区的衬底上(这个低温区亦称 沉积区)， 6GaCl + As4 = 4 GaAs + 2 GaCl3 有H2存在时还可发生以下反应 4GaCl + As4 + 2H2 = 4 GaAs + HCl 反应生成的GaCl3被输运到反应管尾部，以无色针状物析 出，未反应的As4以黄褐色产物析出。
11
MOVPE的特点
(3) 晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长， 需要控制的参数少，设备简单。便于多片和大片外延生长， 有利于批量生长。
(4) 晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因 此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。
(5) 源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物， 因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。
金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)自20世 纪60年代首次提出以来，经过70年代至80年代的 发展，90年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子 材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮 化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。
9
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
性质 用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反 应器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外 延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可 以生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。
(2) 反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组 分和杂质浓度
反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组 分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可 以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质 和多层结构无疑是很重要的。
到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性 能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法 能与之相比。
8
MOVPE技术
MOVPE (Metal organic Vapor Phase Epitaxy)技术是 生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为MOCVD 。 近年来从外延生长角度出发，称这一技术为MOVPE。 它是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V族、Ⅵ族元素 的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底 上进行外延生长Ⅲ一V族，Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体以及它 们的多元化合物的薄层单晶。 Ⅱ族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如Ga、 Al、In、Zn、Cd等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、 Ga(C2H5)3等，
Tri-ethyl-indium
TEI．TEIn
Di-methyl-zinc
DMZn
Di-ethyl-zinc
DEZn
Di-methyl-cadmium DMCA
Di-ethyl-cadmium DECA
10
MOVPE的特点
MOVPE具有下列的特点： (1)可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的
不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPE设备往往是不同的，但 一般来说，都由以下几部分组成：