液相外延实验讲义

液相外延实验

外延生长是半导体材料和器件制造的重要工艺。从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法称液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）。例如，GaAs外延层就可从以Ga为溶剂、As为溶质的饱和溶液中生长出来。液相外延方法是在1963年由纳尔逊（Nelson）提出的。与其他外延技术相比，液相外延有以下优点：

1．生长设备比较简单；

2．生长速率快；

3．外延材料纯度比较高；

4．掺杂剂选择范围较广泛；

5．外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；

6．成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；

7．操作安全，没有汽相外延中反应气体和反应产物所造成的高毒、易燃、易爆和强腐蚀等危险。

液相外延技术的出现，对于化合物半导体材料和器件的发展起了重要的推动作用。目前这一技术已广泛用于生长GaAs、GaAlAs、GaP、InP、GaInAsP等半导体材料和制作发光二极管、激光二极管、太阳能电池、微波器件等。

液相外延的最大缺点是当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长发生困难。其次，由于生长速率较快，难以得到纳米厚度的外延材料。此外，外延层的表面形貌一般不如汽相外延的好。

一、实验目的：

1．了解液相外延生长技术的基本原理和设备构成；

2．学会使用液相外延生长装置制备适用于光电子器件制作的多层化合物半导体材料；

二、实验仪器：

1．TG332-A型微量天平。用于生长源称量，使用说明书见附件1；

2．由UJ31型低电势直流电位差计、AC15/1型直流复射式检流计、标准电池和甲电池以及铂铑热电偶组成的测温装置，用以生长温度监测；

3．J WC-10型精密液相外延系统，由以下主要部分组成：

1）可编程精密自动温控仪；

2）轨道滑动炉体及支撑架；

3）石英生长室（反应管）；

4）水平滑动石墨生长舟和石英舟托；

5）不锈钢密封接口和推动装置；

6）有机玻璃操作箱及支撑架；

7）机械真空泵；

8）氢气管路及控制阀；

9）B G-5型氢气净化仪。

整套系统配置示意图如图1所示，使用说明书见附件2。

三、液相外延生长原理和生长方法

（一）生长原理

液相外延生长的基础是溶质在液态溶剂内的溶解度随温度降低而减少。因此一个饱和溶液，在它与单晶衬底接触后被冷却时，如条件适宜，就会有溶质析出，析出的溶质就外延生长在衬底上。这里所述的外延，是指在晶体结构和晶格常数与生长层足够相似的单晶衬底上生长，使相干的晶格结构得以延续。如果衬底和外延层是由相同的材料组成的称为同质外延，反之称异质外延。在GaAs衬底上生长Ga1-x Al x As外延层就是异质外

延的典型例子。液相外延生长过程可由平衡相图来描述，下面以GaAs衬底上生长GaAs外延层为例作一说明。图2为Ga-As二元体系的T-C图。由图可知，可以用Ga做溶剂，在低于GaAs的熔点温度下生长GaAs晶体。如Ga溶液组分为C L1，当温度为Ta时，溶液与GaAs衬底接触，这时由于A点处于液相区，未饱和，所以它将溶掉GaAs衬底（吃片子）。衬底被溶掉后，溶液中As含量增加，相点A向右移动至B后，GaAs衬

底才停止溶解，溶液饱和。如果溶液组分为C L1的Ga溶液，在T b的温度下与GaAs衬底接触，此时溶液处于饱和状态，衬底将不会溶解。这时如果降温，溶液呈过饱和状态，若溶液不存在过冷，就会有GaAs 析出。溶液组分将沿液相线上箭头方向向C L2移动，析出的GaAs将外延生长在衬底上。

（二）生长方法

由于动力学因素对生长速率的影响很大，仅从平衡液相线数据计算得到的生长层厚度与实际结果一般相差很大。为此，人们建立了几种理论模型来解决这个问题。对于从稀溶液进行的外延生长，一般采用简单扩散控制模型。该模型除假设生长溶液中不存在对流外，还包括以下三个假设：1．生长溶液处于等温状态。对于富Ga的GaAs溶液来说，这个假设可以认为是正确的，至少在与溶液扩散长度相当的距离内是正确的。因为

热扩散速率（~0.5cm/s ）远大于溶质扩散速率(~5×10-5cm/s)；

2．生长界面处于平衡状态。这样，界面上溶液中溶质的浓度可由液相线给出。这个假设对于从稀溶液中进行扩散控制的很缓慢的外延生长来说也是正确的；

3．从溶液中析出的溶质，只生长在衬底上，不在溶液内或溶液边界处沉积。这个假设在大多数情况下也是正确的。

基于上述假设，对于平面衬底上的外延生长，通过解具有合适边界条件的一维扩散方程，就可计算出生长速率和外延层厚度。下面分稳态和瞬态两种情况作一介绍。

（1）稳态液相外延生长。也称温度梯度外延生长。如图3所示，源晶片浸入溶液的一端，衬底放在另一端，两者间距为W ，源片的温度比衬底的温度高，两者间有固定的温度差T 1-T 2。因为溶解度随温度下降而

减少，故溶液中溶质As 的浓度从源晶片表面到衬底表面逐渐降低。当建立起稳态浓度分布时，源的溶解与衬底上的生长速率相等。溶液内的溶质浓度梯度则是溶质从源片向衬底输运的驱动力。用这种方法可以生长组分均匀的厚外延层。如果溶质的输运完全由扩散控制，则对于相互平行放置的源片和衬底片来说，输运速率可由解稳态扩散方程

0=∂∂+∂∂x C f x

C D （1） 得到。式中，D 为溶质的扩散系数，C 为溶质浓度，x 为衬底表面的法线坐标，f 为输运速率。假设溶液与源片和衬底表面在温度T 1和T 2下分别处

于平衡，则两者表面上溶质的浓度C w和C0就等于由该体系液相线所给出的在各自所处温度下的溶解度。在这些边界条件下，应用质量守恒定律可得晶体生长速率

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡-

=

C

C

C

C

W

D

r ln（2）

式中，C

s

为外延生长的固相中溶质浓度。

稳态法外延生长的缺点是外延层厚度不均匀，它是由于溶液中对流引起的溶质浓度发生变化造成的。

（2）瞬态液相外延生长。绝大多数化合物半导体器件所使用的外延层都较薄，厚度在0.1μm到几μm之间。这种薄外延层可用瞬态液相外延生长技术生长，外延层厚度比稳态法生长的要均匀得多。瞬态生长法有四种，分别为平衡冷却、分步冷却、过冷和两相溶液冷却法，见图4。每种瞬态生长过程在每次开始生长前都不让衬底与溶液接触，同时将系统加热

到高于与溶液的初始组成相对应的液相线温度T

l

，然后冷却。图中箭头分

别指示四种生长方法所采用的衬底与溶液开始接触的时间和温度。

1) 平衡冷却法。该方法在整个液相外延生长过程中采用恒定的冷却速度。当温度达到T l时（此时溶液刚好饱和），使衬底与溶液接触，在接触瞬间两者处于平衡状态。这种技术在双晶片法中有变化，在操作开始时，温度保持恒定，使溶液与源晶片（或陪片）先接触，待溶液达到平衡后，