半导体基础知识

外延基础知识

一、基本概念能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数 N 决定，每一确定能量值称为一个能级。能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述）导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）直接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间同一位置。间接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间不同位置。

同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U（undope）－GaN 上生长 N（dope）－ GaN）

异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中： GaN 上生长 Al GaN ）

超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）

的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。

量子阱（QW）:通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。

二、半导体

1.分类：元素半导体： Si 、Ge

化合物半导体：GaAs、InP、GaN（山-V ）、ZnSe（U-W）、SiC

2.化合物半导体优点：

a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料）

b.高电子迁移率。

c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。

3.半导体杂质和缺陷杂质：替位式杂质（有效掺杂）

间隙式杂质缺陷：点

缺陷：如空位、间隙原

子

线缺陷：如位错面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错

4.外延技术

LPE:液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法）

MOCVD （也称 MOVPE ）: Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。

HVPE :氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于山-V氮化物半导体薄膜和

超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。

MBE :分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。

三、MOCVD 设备

1.发展史：国际上起源于 80 年代初，我国在 80年代中（ 85年）。国际上发展特点：专业化分工，我国发展特

点：小而全，小作坊式。

技术条件： a.MO 源：难合成，操作困难。

b.设备控制精度：流量及压力控制

c.反应室设计： Vecco :高速旋转

Aixtron: 气浮式旋转

Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点）

Nichia:双流式

2.MOCVD 组成

常用MO源：TMGa（三甲基镓，液态）

TMAI （三甲基铝，液态）

TMIn （三甲基铟，固态，现已有液态）

TEGa （三乙基镓，液态）

Cp2Mg （二茂基镁，固态，现已有液态）

载气为纯度很高（99.999999%）的氢气和氮气

特气：高纯度（99.9999%）的AsH3（砷烷，液态）PH3 （磷烷，液态）Si2H6 （乙硅烷，气态）（前三种为红黄

光生产使用）NH3 （氨气，液态）SiH4 （硅烷，气态）（后两种为蓝绿光生产使用）

气控单元：主要由 MFC （流量计）、PC （压力计）和一些管道组成，用于气体的控制和输送。

控制单元：根据PC机输入的生长程序，对工艺进行控制。

反应室：a.按压力分可分为常压反应室（如 Nichia公司的设备）和低压反应室（如 Veeco和Aixtron公司的设备）。两者区别：气体流速。低压反应室优点：气体切换快，停滞层薄，预反应小，界面转换快。B.按形状分：水平式（Aixtron ）、立式（Vecco和Tomax Swan）、桶式（常用于 Si外延）和双流式（Nichia ）。

衬底：红黄光生长用 GaAs（砷化镓），蓝绿光生长用 Al2O3（蓝宝石）（最通用）、SiC （Cree）和GaAs（砷化镓）、 Si（硅）（后两种仍处于实验室阶段）等。

尾气处理器：主要用于生长后的废气处理，使其达到无污染排放。红黄光生长产生尾气用化学尾气处理器处理，蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处理。

四、LED的MOCVD外延生长

1.基本反应: 红黄光：TMGa+AsH3 _► GaAs+CH4

TMGa+PH3 ―► GaP+CH4

蓝绿光：TMGa+ NH3 - GaN+CH4

反应特点：a远离化学平衡：V /山>>1

b.晶体生长速率主要由山族元素决定

2.外延层结构及生长过程

（1）红黄光LED