半导体材料外延生长..
新型半导体材料的气相外延生长技术
新型半导体材料的气相外延生长技术随着科学技术的不断进步，新型半导体材料的研究愈发受到了广泛关注。
在半导体材料领域中，气相外延生长技术已经成为了一个重要的研究方向。
本文将着重介绍新型半导体材料的气相外延生长技术，包括其原理、方法、应用等方面的内容。
一、气相外延生长技术的原理及方法气相外延生长技术是指在高温高真空的条件下，将蒸汽或气体中的某种元素输送到衬底上进行材料生长的方法。
在该过程中，元素的反应可以通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)方式实现。
CVD是指将气态化合物在热的表面解离成为固态沉积物的过程。
在CVD过程中，反应物和载体气体均从反应室中流出，以使反应发生在反应器的外围。
先将反应室进行抽空，然后将合适比例的气态化合物和载体气体，通过喷嘴送入反应室中。
最终反应产物在试件表面沉积一定时间后，制成所需的膜层结构。
在PVD过程中，用高能的粒子束轰击蒸发源中的材料，原子或离子以很高的速度射向试样表面，反应表面原子或离子造成表面改变并沉积成膜。
与CVD不同的是，PVD生长技术是直接利用溅射、电子轰击、激光等方式，对材料进行沉积加工，不需要进一步反应。
二、新型半导体材料的应用新型半导体材料的气相外延生长技术应用广泛，主要应用于半导体激光器，高通量和高速光通讯，太阳能电池等晶体管电子学领域。
由于新型半导体材料有许多良好的物理、光学、电学性能，因此在信息存储、信息处理、光电传感器、集成电路等领域得到了广泛应用。
例如：GaAs、InP等半导体材料常常用于制造制造固态激光器。
该类激光器是目前最经济，最成熟的半导体激光器，其可广泛应用于通信、银行卡刷卡、医疗、工控、智能家居、道路安全等多个领域，其优越性能得到广泛认可和市场广泛关注。
此外，以InGaAsP为代表的复合半导体材料，由于其带隙能够调节，因此在光电传感器方面应用颇广；以SiC为代表的高温必须半导体材料，是未来发展火中的一个很有潜力的领域；以二氧化锌以及氧化锌为基础材料生长出的结构可直接制成发光二极管(LED)，广泛用于室内外照明领域。
半导体分子束外延生长技术
半导体分子束外延生长技术第一章绪论半导体分子束外延生长技术是一种高效、精确的半导体材料制备方法。
它通过对单个原子或分子进行控制，使其按照预先设计的方法在晶体表面上沉积，成功地扩展了半导体材料的制备能力。
本文将分别介绍半导体分子束外延生长技术的定义、基本原理、应用以及未来发展趋势。
第二章基本原理半导体分子束外延生长技术的基本原理是利用分子束外延，将分子束喷射在单晶表面上，通过外延生长形成薄膜。
其主要过程包括制备表面、准备分子束、表面邻域反应和压缩成膜等步骤。
首先，需要制作出单晶表面，通常采用化学气相沉积和物理气相沉积等技术方法。
随后，需要准备出所需的分子束，可以采用光子法、离子束法等技术，将分子束聚焦到单晶表面上，使其形成定向生长的应力场。
然后，分子束与单晶表面相互作用，在表面上发生表面邻域反应，形成键合。
这些反应随着时间的推移而逐渐扩展，直到最终形成均匀的薄膜。
最后，将这些定向生长的应力场压缩成膜，即得到所需的薄膜材料。
第三章应用半导体分子束外延生长技术在光电子、微电子、太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。
其中，最常见的应用是生长出高质量、厚度均匀、表面平整的半导体材料。
这种材料具有能带宽度、折射率和光学增益系数等物理性能的优异特点，在半导体激光器、光电子器件、传感器等方面有广泛的应用前景。
此外，半导体分子束外延生长技术还可以用于制备二维材料和纳米结构材料，满足快速高精度器件的需求。
第四章发展趋势半导体分子束外延生长技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：1.多元化的控制技术。
目前，半导体分子束外延生长技术还存在一些问题，如杂质、应变和晶格缺陷等。
为了解决这些问题，需要不断改进分子束技术，并结合机器学习、人工智能等技术手段实现高精度的控制。
2.质量稳定性的提高。
半导体材料质量的稳定性是做高精度器件的前提，因此未来将致力于提高技术的稳定性，优化生长过程中的各种参数，并采用先进的表征、测试、反馈技术。
SIC外延生长法的工艺流程
SIC外延生长法的工艺流程SIC外延生长法的工艺流程序号：1SIC外延生长法是一种重要的半导体材料生长技术，被广泛应用于功率电子、射频器件和光电子器件等领域。
它通过在SIC衬底上连续沉积SiC晶体层，实现了对SiC材料的高质量控制和大面积生长。
在本文中，我们将深入探讨SIC外延生长法的工艺流程，以帮助读者更好地理解和学习该技术。
序号：2SIC外延生长法的基本原理是在惰性气体气氛中，通过化学气相沉积（CVD）的方法，将硅和碳源气体分解成SiC气体，然后在SIC衬底上沉积成SIC晶体层。
在整个工艺过程中，需要控制好气氛、温度和气体流量等参数，以保证SIC晶体层的质量和厚度的一致性。
序号：3具体而言，SIC外延生长法的工艺流程可以分为以下几个关键步骤：a. 衬底准备：选择合适的SIC衬底，并进行表面处理，以去除杂质和缺陷。
通常使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等方法来制备合适的SIC衬底。
b. 热解预处理：将SIC衬底放置在高温炉中，通过热解预处理，去除表面的氧化物和其它杂质。
这一步骤也有助于提高SIC晶体层的生长质量。
c. 生长条件控制：在热解预处理后，将SIC衬底放置在CVD反应室中。
控制好反应温度、压力和气体流量等参数，以实现SiC晶体层的均匀和连续生长。
通常，选择适当的碳源和硅源气体，如甲烷（CH4）和四氯化硅（SiCl4），作为SIC生长的原料气体。
d. 控制生长时间：根据所需的SIC晶体层厚度和生长速率，控制生长时间。
通过调整反应室中的反应气体流量和温度，可以有效控制SIC晶体层的生长速率。
e. 冷却和退火：在SIC晶体层生长完成后，将SIC衬底从反应室中取出，并进行冷却和退火处理。
这一步骤有助于提高晶体层的结晶质量、降低残余应力，并改善界面的质量。
序号：4总结回顾：SIC外延生长法是一种关键的半导体材料生长技术，其工艺流程包括衬底准备、热解预处理、生长条件控制、控制生长时间以及冷却和退火等关键步骤。
外延生长的方法有哪些
外延生长的方法有哪些外延生长是指材料沉积在晶体表面基础上的一种生长方式，也称为自下而上的生长方式。
在外延生长过程中，新形成的晶体层沿着晶体的晶面方向生长，从而使整个晶体薄片的尺寸逐渐增大。
外延生长技术广泛应用于半导体行业，例如用于制造集成电路和发光二极管等器件。
下面将介绍几种常见的外延生长方法。
1. 液相外延生长方法液相外延生长是一种基于溶液的生长方法，通过将溶液中的材料沉积在晶体衬底表面来实现生长。
在生长过程中，溶液中的材料原子逐渐结晶并沉积在衬底上。
这种方法可以用于生长多种材料，包括硅、镓、锗等。
通过改变溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制晶体生长的形状、尺寸和取向等属性。
2. 气相外延生长方法气相外延生长是一种基于气体的生长方法，通过在预定温度和压力条件下使材料从气态沉积在晶体衬底上，实现晶体的生长。
这种方法常用于生长复杂的硅化物、氮化物和磷化物等材料。
在气相外延生长过程中，材料原子从气态通过化学反应、物理吸附或气体分解等方式沉积在晶面上。
这种方法可以控制晶体生长的取向和形貌，是制备高质量晶体的一种重要方法。
3. 分子束外延生长方法分子束外延生长是一种在超高真空条件下生长薄膜的方法。
在生长过程中，通过利用分子束砷化炉、分子束外延装置等设备，使材料原子经过加热和蒸发的过程，以超高速度沉积在晶体表面上。
这种方法可以控制材料的镉蒸汽压、晶体衬底温度和反应室的压力等参数，从而实现晶体的精确生长和纯度控制。
4. 水热合成外延生长方法水热合成外延生长是一种在高温高压水溶液中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过溶液中的化学反应和矿物物质的转移来实现晶体生长。
水热合成外延生长常用于合成高质量的纳米晶体和纳米材料。
通过调节溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制材料的尺寸、形状和结构等属性。
5. 熔体外延生长方法熔体外延生长是一种在熔体中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过将材料的熔融物质以超低速度沉积在晶体衬底上。
mocvd外延生长步骤
MOCVD外延生长步骤简介MOCVD（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）是一种常用的半导体外延生长技术，广泛应用于半导体器件制造中。
本文将详细介绍MOCVD外延生长的步骤和相关原理。
基本原理MOCVD是一种化学气相沉积技术，通过在高温下将金属有机化合物和载气反应，从而在衬底上沉积出所需的材料。
整个过程可以分为以下几个步骤：1.衬底预处理：在进行外延生长之前，需要对衬底进行预处理，以去除表面的杂质和氧化物，并提供一个干净平整的基础。
2.加载衬底：将经过预处理的衬底放置在反应室中，并通过真空系统排除其中的空气和水分。
3.加热：使用加热装置将反应室升温至所需温度。
温度通常在500°C到1200°C之间，具体取决于要生长的材料。
4.载气流入：引入适当的载气（如氢气或氮气）到反应室中，以稀释金属有机化合物的浓度，并提供反应所需的气氛。
5.金属有机化合物进入：将金属有机化合物（如三甲基镓、三乙基铝等）通过气体进料系统引入反应室。
这些化合物会在高温下分解，释放出所需的金属元素。
6.生长反应：金属元素与载气中的氢原子发生反应，形成所需材料的沉积物。
反应过程中需要控制温度、压力和流量等参数，以获得理想的生长速率和材料质量。
7.冷却：在完成生长后，将反应室冷却至室温，停止外延生长过程。
8.取出衬底：将外延生长后的衬底从反应室中取出，并进行后续处理和测试。
过程优化为了获得高质量的外延薄膜，需要对MOCVD过程进行优化。
以下是一些常用的优化方法：1.材料选择：选择适当的金属有机化合物和载气组合，以获得所需材料的最佳生长条件。
2.温度控制：通过精确控制反应室的温度，可以调节外延生长速率和材料品质。
温度过高可能导致材料熔化或不稳定，而温度过低则可能影响生长速率和结晶质量。
3.气氛控制：合理选择和调节载气的流量和压力，以提供适当的反应气氛。
过高的压力可能导致材料堆积过厚或形成颗粒，而过低的压力则可能影响生长速率和均匀性。
半导体工艺生长和外延
半导体工艺生长和外延半导体工艺生长和外延是制造高性能芯片和器件的关键步骤。
在半导体行业中，这两个工艺技术是不可或缺的，它们通过精确控制材料的生长和组织结构来实现半导体晶体的制备。
生长技术是指在特定条件下，通过化学反应或物理沉积的方式，在晶体结构上添加新的材料，从而形成所需的半导体结构。
这种技术主要应用于半导体材料的生长和薄膜的制备。
工艺生长技术的优点是可以控制材料的成分、形貌和尺寸，并且可以实现高纯度的材料生长。
通过不同的生长方法，如化学气相沉积、物理气相沉积和分子束外延等，可以得到所需的晶体结构和性能。
而外延技术是在晶体基底上生长一层新的晶体结构。
这种技术可以通过在晶体表面摆放原子层，逐渐增加晶体结构的大小和复杂度，形成高质量的外延层。
外延可以用于制备半导体器件中的最薄组件，如栅压敏感器和光电二极管等。
半导体工艺生长和外延在半导体行业中具有重要的应用，对于高性能芯片和器件的制造至关重要。
通过生长技术，可以控制材料的成分和尺寸，从而实现特定的电学和物理性能。
而外延技术则可以使晶体结构更加完美，提高材料的品质和器件的性能。
这两种技术的结合，可以实现对半导体材料和器件的精细调控，为现代科技的发展提供了有力的支持。
在实际应用中，半导体工艺生长和外延需要严格控制各种参数和条件，确保材料的均匀性和一致性。
同时，对于不同的材料体系和器件结构，需要选择合适的生长和外延方法，从而实现最佳的性能和效果。
因此，在半导体工艺生长和外延的研究中，需要结合理论模拟和实验验证，不断优化和改进技术，为半导体行业的发展提供新的突破和支持。
总而言之，半导体工艺生长和外延是制造高性能芯片和器件的核心技术。
通过精确控制材料的生长和组织结构，可以实现半导体晶体的制备和性能调控。
这两种技术的发展和应用，将推动半导体行业的创新和进步，为人类社会的科技发展带来更多的机遇和挑战。
半导体材料课件气相外延生长(VPE) 金属有机物气相外延生长MOVPE
吉林大学电子科学与工程学院
半ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体材料
第7章 III-V族化合物的外延生长
7-1、气相外延生长(VPE)
7-2、金属有机物气相外延生长MOVPE
7-3、液相外延生长(LPE)
7-4、分子束外延生长(MBE)
7-5、化学束外延生长(CBE)
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金属有机物化学气相沉积
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GaAs、InP等光电子材料外延片制备的 核心生长技术，特别是制备GaN发光二极管和激 光器外延片的主流方法。
温度不均匀的Ga源表面状态
AsCl3 到 Ga 源 表 面 布 满 GaAs壳
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半导体材料
实践表明：VPE生长时，气相组成Ga/As比较低的条 件下，外延层质量好（载流子浓度低，电子迁移率 高） 表 面 保 持 全 壳 或 用 固 态 GaAs 源 生 长 稳 定 ， 但 由 于 GaAs源在合成过程中经历了高温过程纯度较差。 保持完整的全壳，要保持气相As分压大于等于三相 平衡的As分压以及温度的稳定。 Ga的不稳定不能靠长时间充分吸收As来克服，因为 Ga源在吸收As的同时也在进行Ga输运。
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卤化物法外延生长其他化合物
用In+PCl3+H2体系可以生长InP外延层 用Ga+PCl3+H2体系可以生长GaP外延层 用Ga+AsCl3+PCl3+H2体系可以生长GaAsP 固溶体外延层
半导体材料第5章硅外延生长课后答案
第五章硅外延生长1、解释名词：①*自掺杂：外延生长时由衬底、基座和系统等带来的杂质进入到外延层中的非人为控制的掺杂称为自掺杂。
②外扩散：在外延生长中，由于是在高温条件下进行的，衬底中的杂质会扩散进入外延层致使外延层和衬底之间界面处的杂质浓度梯度变平的现象。
③外延夹层：外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反形层。
④双掺杂技术：在外延生长或扩散时，同时引入两种杂质。
因为原子半径不同而产生的应变正好相反。
当两种杂质原子掺入比例适当时，可以使应力互相得到补偿，减少或避免发生晶格畸变，从而消除失配位错的产生。
这种方法叫作双掺杂技术。
⑤SOS技术：在蓝宝石或者尖晶石衬底上外延生长硅。
⑥SOI技术：把器件制作在绝缘衬底上生长的硅单晶层上。
（当器件尺寸缩小到亚微米范围以内时，常规结构就不适应了，导致了SOI结构的发展）⑦SIMOX：氧注入隔离，通过氧离子注入到硅片，再经高温退火过程消除注入缺陷而成。
⑧SDB&BE：直接键合与背面腐蚀技术。
将两片硅片通过表面的S i O2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。
⑨ELTRAN：外延层转移，在多孔硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理的速率将多孔硅区域彻底刻蚀掉，该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优越的性能。
⑩Smart-Cut：利用H+注入Si片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合，经适当的热处理，使注氢片从气泡层完整剥离形成SOI结构。
2、*(简述)详述影响硅外延生长速率的因素。
答：①S i CL4浓度：生长速率随浓度的增加增大并达到一个最大值，以后由于腐蚀作用增大，生长速率反而降低。
②*温度：当温度较低时，生长速率随温度升高而呈指数变化，在较高温度区，生长速率随温度变化比较平缓，并且晶体完整性比较好。
③气流速度：在反应物浓度和生长温度一定时，生长速率与总氢气流速平方根成比例关系，但到极限时不在增加。
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(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。
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。
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。
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。
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III-V族化合物半导体的外延生长
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
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
这种方法，Ga(GaCI)和As4(AsH3)的输入量可以分别控 制饱，和并的且问题As，4的所输以入G可a源以比在较G稳a源定的。下游，因此不存在镓源
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。
金属有机物化学气相沉积
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。
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
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 沉积区)，
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。
Tri-methyl-indium TMI．TMIn
Tri-methyl-alumium TMAI
Tri-ethyl-gallium
TEG．TEGa
Tri-ethyl-indium
TEI．TEIn
Di-methyl-zinc
DMZn
Di-ethyl-zinc
DEZn
Di-methyl-cadmium DMCA
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。
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)
(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。
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。
Di-ethyl-cadmium DECA
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
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。
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：
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。
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，
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