InP_tech

He-Cd激光器 – 325nm
光敏胶 基片
抗蚀层沉积技术
• 等离子增强（PE）CVD沉积SiO2
– 一般用作比光刻胶更可靠的刻蚀掩膜
• 沉积过程
– – – – – 源SiH4， O2， N2 导入反应舱内混合 RF或DC电极放电电离反应源SiH4， O2 SiH4 + O2 → SiO2↓ + 2H2↑ SiO2沉积在基片上 若有必要，可用晶振陪片控制生长层厚
MOCVD生长原理： In(CH3)3+PH3→InP↓+3CH4↑（Heat）
MOCVD生长设备
MOCVD生长设备
• 气源 (Gas Source)
– V族源 (Hydrides): PH3, AsH3, SiH4 (Si 施主杂质) – III族源 (Alkyles, MO precursors): TMI [In(CH3)3], TMG [Ga(CH3)3], DMZ [Zn(CH3)2] – 置于水浴恒温(Thermal Bath) 的鼓泡瓶(Bubbler)内以控制挥发率 – 携带源 (Carrier Gas): H2 – 还原性气体 – 保护/排净源 (Purge Gas): N2
MOCVD生长设备
• 反应舱 (Reaction Chamber)
– 舱壁 (Wall): 不锈钢或石英，外绕防过热冷却水管 – 气管 (Liner): 外段不锈钢，内段石英 – 基座 (Susceptor): 石墨，有NH3源时必须加镀膜层保护， 或将石墨表面经高温处理后玻璃化 – 喷口 (Gas Injector): 不锈钢或石墨 – 加热-温控 (Heater - Temperature Control): 高频感应加 热，或红外加热，或直接电阻加热
MOCVD生长设备
• 尾气处理系统 (Gas Exhaust and Clean System)
– 毒物必须转化为液体或固体形式回收或扔弃
• 参考文献 Gerald B. Stringfellow (1999)， Organometallic Vapor-Phase Epitaxy: Theory and Practice (2nd ed.), Academic Press, ISBN 0-12673842-4
扫描电子显微镜（SEM）技术
• • • • 二次电子 – 由入射电子与样品表面的非弹性碰撞过程产生，是样品表面再次发 射的电子， 与样品物相（原子量）基本无关，只与样品表面曲率（形貌）有关 背向反射电子（BSE）– 由入射电子直接反射产生，不但与样品表面结构有关， 更重要的是还与样品的物相（原子量）有关 X射线 – 入射电子电离内层电子，留出空位，外层电子自发跃迁填充空位并发 出X射线，与样品的结构和物相（原子量）极其相关 样品表面有复合中心时 – 产生暗影（因入射电子消失于复合中心，所有发射、 反射都被抑制） 高能入射电子 X-ray 背向反射电子（高能） 二次电子（低能）
基于InGaAsP/InP材料的光电器件工 艺原理与技术
Xun Li Department of Electrical and Computer Engineering McMaster University 1280 Main Street West，Hamilton Ontario，L8S 4K1 Canada E-mail: lixun@mcmaster.ca Http: www.ece.mcmaster.ca/faculty/li
• 在交变电场（10~20MHz） Wafer 激励下两电极间产生等离 子体区 Electrodes • 质量小的电子运动快，被 导电能力弱的基片吸收并 Plasma RF Source 积累，因此基片上有负电 势首先产生 • 此负电势（~几百伏）而 后加速质量大，运动慢的 带核正离子，并撞击基片 Gas Vacuum Pump Lines/Inlets 致使基片被侵蚀
可采用MOCVD技术生长的化合物半导体
• • • • • • • • • • • InGaAs-AlGaAs-GaAs（泵浦光源） AlGaInP-GaInP-GaAs （可见光源： 红-黄） AlGaInN-AlGaN-InGaN-GaN （广谱光源） AlGaP-GaP GaAsP-GaP AlGaInAs-AlInAs（高性能激光器）光源与探测器） GaInAsN （高性能激光器） GaInAsP-InP （光纤通信用各类光电器件） InN
内容
• • • • • • • • • 单晶及衬底制备 单晶层外延生长 基片的测试技术 表面图形制备 抗蚀层沉积及刻蚀技术 电极工艺 端面镀膜工艺 管芯工艺及测试 几种器件工艺设计实例
单晶及衬底制备
• 多晶合成
封闭石英管
In 隔离玻璃丝绵 157°C熔化
P（红磷）
420°C升华
分区恒温炉
单晶及衬底制备
• 优点 – 对比普通CVD工艺PECVD对基片加温低， 不影响基片中已形成的PN结结构
刻蚀技术
• 离子束（IE）技术 – 物理刻蚀（垂直刻蚀） • 湿法（Wet）技术 – 化学刻蚀 （由基片晶向决定 的各向异性） • 反应离子束（RIE）技术 – 物理化学刻蚀 （几乎 各向同性） • 感应耦合等离子（ICP-RIE， ICP：InductivelyCoupled Plasma）刻蚀技术 – 具有可控定向性的 物理化学刻蚀
• 单晶拉制（Liquid-Encapsulated Czochralski)
单晶及衬底制备
• 单晶拉制（Horizontal/Vertical Bridgeman Method)
多晶区
熔区
单晶区
—— 常用于固体材料，例金属等提纯（区熔法）
单晶及衬底制备
• • • • 退火 单晶定向（确定<100>晶向） 切片（0.5~0.6mm） 磨片（机械磨料：11目左右金刚砂，减薄至 ~0.35mm） • 抛片（化学/机械：1~3%Br2-Methanol/抛光纸或 无纺平绒，最终厚度为~0.32mm）
电化学CV
• 金属-绝缘体-半导体（MIS）等效于一个电容，电容量由 构成MIS结构的材料和残留载流子浓度决定 • 若改变加在这个等效电容上的电压（V）并测定相应的电 容量（C），就可以解析出结构的材料和半导体中的载流 子浓度 • 通过对已知材料的定标，就可以唯一地获取有关半导体中 载流子浓度的信息 • 电化学CV – 通过化学逐层剥离的办法测定整个基片剖面 上各层的平衡载流子浓度分布，从而得到掺杂浓度分布 • 优点 – 方便；缺点 – 精度差，尤其是无法精确测定异质结 构中PN结的精确位置
可采用MOCVD技术生长的化合物半导体
• • • • ZnSe（蓝光源） HgCdTe（红外探测器） ZnO（发光材料等） ZnS（广谱光电探测器）
• Si • Ge • GeSbTe（相变记忆材料）
基片的测试技术
• • • • • • X-ray双晶衍射 – 生长层晶格质量测试 光致荧光（PL）谱 – 生长层材料组分测试 电化学CV – 生长层剖面掺杂浓度分布测试 SEM – 生长层剖面形貌测试 SEM-EBIC – 生长层剖面PN结位测试 SEM-BSE(RHEED)/X-ray – 生长层剖面结构及组 分测试
光致荧光（PL）谱
高能激光带 间泵浦抽运
电子-声子 带内互作用
带间自 发发射
hv
必要条件：光泵波长 < 样品荧光发射波长 对于可用的激光器结构基片，荧光峰FWHM应小于40nm，无杂乱卫星峰。 荧光峰对应波长可用于标定电致发光增益峰波长： 电方式比光方式注入效率高， 热效应强，前者减小，后者增大电致发光增益峰波长。一般热效应为主导，所以 实际电致发光增益峰波长会比荧光峰波长长20nm左右。
光刻
• 清洗 • 匀胶（转速控制光刻胶厚度，一般要求4000~8000rpm， 湿度必须<40%） • 前烘（80°C，无PN结时或加热350°C以下可用热板， 烘烤几分钟即可，否则必须置入恒温烘箱30分钟左右） • 对版曝光：正、负性光刻胶的采用必须根据版图及实际所 需图形决定，原则是： 1. 去除少部分（有时与Lift-off工艺 配合）以保证图形精度；2. 易于对版 • 显影-DI清洗 • 坚膜 （90°C~120°C，取决于采用何种Etchant，太低 脱膜，太高除膜困难） • 去膜 – 等离子除胶或化学清洗
电子束曝光光刻（EBL）
• 原理 – 控制电子束直接曝光电子束敏胶（如 PMMA， ZEP），写入所需图形 • 特点 – 无需母版 • 设备 – 类似于SEM装置 • 图形写法 – 往复扫描
第一代：全片扫描，开关控制
汇聚电子束斑 第二代：矢量模式
全息光刻（光栅制作）
• 原理 – 利用单光束激光自干涉产生的明暗条纹直 接对涂覆了光敏胶的基片曝光
X-ray双晶衍射
Bragg 定理 nλ=2dsinθ
n - 衍射阶数
X-ray结构测试原理：给定λ，测定d 测试时，同时转动样品和探测器，但探测 器转动角速必须比样品转动角速快一倍。 关键问题在于对测试结果的解读： 1. 直接可获取的信息 – d，膜层失配度 2. 间接可获取的信息 – 形貌，物相
湿法技术
• 基本原理 – 酸对半导体材料的腐蚀 • 特点
– 沿不同晶向各向异性，例采用0.3%Br2-Methanol，沿 <011>晶向产生锐角下蚀，沿正交<011>晶向产生钝角 下蚀 – ***材料选择性，例H2SO4只腐蚀GaAs，HCl只腐蚀InP 等 – 自由表面腐蚀，无损伤缺陷
离子束技术（IE， RIE， ICP-RIE）
MOCVD生长设备
• 压力维持系统 (Pressure Maintenance System)
– 真空泵 (Vacuum Pump)：机械-分子泵系统 – 压力控制 (Pressure Control)：通过电容Baratron压力计