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(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、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Ⅲ-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)

TMAl（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/Ⅲ>>1

b.晶体生长速率主要由Ⅲ族元素决定

2.外延层结构及生长过程

（1）红黄光LED

a.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。

b.生长一层GaAs buffer（缓冲层），其晶格质量较衬底好，可除衬底影响，但不能消除位错。

c.生长一套DBR（分布布拉格反射器）。它是利用GaAs和AlAs反射率不同，可达到增反射效果，

提高反射率。每层厚度：d=λ/4n（d：厚度，λ：波长，n：材料折射率），这一层相当于镜子的作用，减少衬底的吸收。

d.生长一层N型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，为active layer(有源区)提供辐射复合电子。

e.Actrive layer（有源层），其成分是(Al x Ga1-x)0.5In0.5P /(Al y Ga1-y)0.5In0.5P，是主要的发光层，光强和波

长主要由此层决定。它通过调节MQW（多量子阱）中的Al(铝)的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度），可明显提高发光效率。

f.生长一层P型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，此层因Al组分很高，对载流子起到限制的作用，可明显提高发

光效率。

g.生长一层P型GaP层，此层为电流扩展层，扩展层越厚，电流扩展得越好，亮度越高。（但有一个

成本问题）

（2）蓝绿光LED