采用MOCVD方法在GaAs衬底上生长
GaAs外延片质量控制
GaAs外延片质量控制陈开林（珠海市金威电子公司）1化合物半导体器件及材料的发展近十来年，半导体器件的制造技术有着飞速的发展，研制出了许多结构复杂的化合物半导体器件，比如高电子迁移率品体管、双异质结激光器、GaAs集成电路等的研制与发展，它们都对化合物外延生长技术提出了更高的要求，比如重复性、均匀性、大面积生长的完整性以及界面陡峭并含多种组分的多层、超薄型、异质结构薄层的晶体材料，同时杂结可控性要好等。
为了满足这些要求，发展了多种外延技术，本文介绍其中的Mocvd技术生长的GaAs外延层。
Mocvd法是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物（一般使用它们的烷基化合物，即甲基或乙基化合物），同Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢化物作为晶体生长的源材料，以热分解的方式在衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体单晶或多元化合物的薄层单晶，热分解反应是不可逆的。
如用：Ga（CH3）3+AsH3反应生长GaAsGa（CH3）3+AsH3=GaAs+3CH4若要生长多元化合物，可在反应系统中再通入所需元素，即可得到。
2Mocvd设备结构要求生长出符合要求的外延层，设备是关键，其可控度精准，重复性高，均匀性好。
Mocvd设备分立式和卧式两种，有常压和低压，有辐射加热和感应加热。
一般说，它们都是由加热系统、控制系统、气体输运系统、源供给系统、安全保护系统、尾气处理系统和气体纯化系统等组成。
2.1加热系统主要是执行对反应室的加热工作，大多数反应都是由石英管和石墨基座组成的，人们为了获得超薄层、异质结构、组分均匀、大面积的外延层，可以说在反应室的结构设计上以及对其制造方面都下了很大的工夫。
所以Mocvd的反应室也都出现各式种样的不同结构。
反应室里必须有石墨基底，而石墨基座是由高纯石墨制成的，并且石墨基座外表面还必须包覆一层有一定厚度的sic层，反应室内的石墨基座是可以转动的，无论是立式还是水平式都可以转动。
对反应室的加热大多采用高频加热的方法，也可采用辐射加热的方法，温控系统采用微机控制，温度控制精度可达至0.1~0.2℃。
立方相AlxGa1—xN／GaAs(100)的MOCVD外延生长
目前 ， 多数蓝 、 发光二极 管 和激 光器都 是 以 大 绿
蓝 宝石 为衬底 的六 方结 构 ， 且 实现 了商品化 ． 并 而
的 ＮＨ 流量 和相 对 高 的生 长 温度 可 提 高 Ｍ Ｏ Ｎ 外 延层 的结 晶 质 量 ． ａ
关键词 ＭＯＣ ＶＤ；立方相 Ａ Ｇ Ｎ；光致发光 ｝扫描电镜 ｛低 值氧化物 Ｉａ
ＰＡ ＣＣ ： ７２８ Ｅ ； ７８ ０ ５５； ７ ５ ８６
中 围 分类 号 ：Ｔ ０ ． Ｎ３４ ２ ３
国家 自然 科 学 基 金 资 助项 目
层 上面生 长 厚约 ２ ０ ｍ 的 Ａ１ Ｎ 外延 层． ０ｎ Ｇａ 生长 Ａｌ — Ｇａ 外 延 屡 时 ， Ｎ ＮＨ。流 量 分 别 为 ５ 、 ０ 、 ０ 、 ０ １ ０ ２ ０ ５ ０ ｒｉ 其 中 生 长 温 度 为 ８ ０ ＮＨ ０ ｍ１ ａ ｎ， ／ ２ ℃． 流 量 为 ５ ０ ｒｉ 生长温 度 为 ８ ０ ， ０ ｍＩ ａ ｎ， ／ ６ ℃ 其它 条件 相 同． 光致 发 光 （ Ｌ） Ｐ 测试 在 室温 下进 行 ． 激发 光 源是 波 长为 ３ ５ ｍ 的 ＨｅＣ ２ｎ — ｄ激 光器 ． 扫描 电镜 照 片是在 型号 为 Ｊ Ｍ、 Ｓ 加速 电压 １ ｋ 的扫描 电镜上进 行 的， Ｖ ５
力． ａ ｇｅ ａ ．ａ 国际 上 首 次 实 现 立 方 Ｇ Ｎ Ｐ ｎ Ｙ ｎ ｔ １［ 在 ｊ ａ — 结 蓝 光 发 光 二 极 管 ， 实 现 了 Ｇａ ＩＧａ ：Ｚ ／ 又 Ｎ／ｎ Ｎ ｎ Ｇａ 双 异 质 结蓝 、 光 发光 二 极管 ． 目前 的亮 度 Ｎ 绿 但 还远 达不 到 以蓝 宝石 为村底 的六 方 Ｌ Ｄ． 了 实现 Ｅ 为 高亮 度 的发 光 二极 管 特别 是 激 光器 ， 须采 取 异质 必 结 结构 ． Ｎ／ Ｎ 异质 结 是 必 不 可 少 的． Ａ１ Ｇａ Ｇａ 可 是， 立方 Ａ１ Ｎ 的生 长 十分 困难 ， Ｇａ 晶体 质 量 相对 较
MOCVD外延生长技术简介
MOCVD外延生长技术简介摘要：MOCVD外延技术是国内目前刚起步的技术，本文主要介绍外延的基本原理以及目前世界上主要外延生产系统的设计原理及基本构造。
外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有红宝石和SiC两种）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。
目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
MOCVD金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD），1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。
该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
第一章外延在光电产业角色近十几年来为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。
而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管ＬＥＤ及激光二级管ＬＤ的应用无不说明了Ⅲ－Ⅴ族元素所蕴藏的潜能，表１－１为目前商品化ＬＥＤ之材料及其外延技术，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓ＧａＡｓＰ材料为主。
ＭＯＣＶＤ机台是众多机台中最常被使用来制造ＬＥＤ之机台。
而ＬＥＤ或是ＬＤ亮度及特性的好坏主要是在于其发光层品质及材料的好坏，发光层主要的组成不外乎是单层的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ或是多层的量子井ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ，而尽管制造ＬＥＤ的技术一直在进步但其发光层ＭＱＷ的品质并没有成正比成长，其原是发光层中铟Ｉｎｄｉｕｍ的高挥发性和氨ＮＨ３的热裂解效率低是ＭＯＣＶＤ机台所难于克服的难题，氨气ＮＨ３与铟Ｉｎｄｉｕｍ的裂解须要很高的裂解温度和极佳的方向性才能顺利的沉积在ＩｎＧａＮ的表面。
lec砷化镓单晶生长技术
lec砷化镓单晶生长技术
砷化镓（GaAs）单晶生长技术是一项关键的半导体制备技术，
用于制造高性能光电子器件和集成电路。
砷化镓单晶生长技术通常
采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）等方法。
MOCVD是一种常用的砷化镓单晶生长技术，它利用金属有机化
合物和气相的反应来沉积单晶薄膜。
在MOCVD过程中，砷化镓单晶
通常在高温下（约600-700摄氏度）通过热分解金属有机化合物来
实现。
通过控制反应条件和衬底表面的结构，可以实现高质量、均
匀性好的砷化镓单晶生长。
另一种常见的生长技术是分子束外延（MBE），它是一种高真空
技术，通过分子束的热蒸发来沉积单晶薄膜。
在MBE过程中，砷化
镓单晶通常在超高真空环境下通过热蒸发金属源和砷源来实现。
MBE
技术能够实现非常精确的控制，因此在制备复杂结构和多层异质结
的器件时具有优势。
除了MOCVD和MBE，还有其他一些砷化镓单晶生长技术，如气
相外延（VPE）、液相外延（LPE）等。
这些技术各有优缺点，适用
于不同的应用场景和器件制备要求。
总的来说，砷化镓单晶生长技术是一个复杂而关键的领域，需要充分考虑材料的纯度、均匀性、晶格匹配等因素，以实现高质量的砷化镓单晶生长。
随着半导体器件的不断发展和应用需求的不断变化，砷化镓单晶生长技术也在不断创新和进步。
1物理中英文翻译
摘要由于ZnO材料在光电方面具有很多出色的特性，近年来已经成为光电材料研究领域内的佼佼者。
ZnO属于直接带隙宽禁带半导体，具有较大的激子束缚能，这些优点使得ZnO材料有望在紫外发光二极管和激光二极管等的研制中发挥重要作用。
另外，ZnO材料也适合制备纳米发电机、生物探测器及紫外探测器等。
目前，已出现的可以制备ZnO薄膜材料的技术有很多种，如金属有机化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延、喷雾热解、脉冲激光沉积、化学水浴等，不同技术在制备ZnO 薄膜材料过程中都体现出特有的优势和局限性。
本篇论文主要采用不同技术制备了ZnO薄膜和ZnO基发光二极管，研究了薄膜和器件的性能。
具体内容如下：我们选取GaAs作为衬底，制备ZnO基同质结LED。
实验中利用MOCVD法生长n-ZnO 薄膜，经退火处理实现了n型向p型的转换，获得了p-ZnO：As薄膜。
然后利用磁控溅射技术在前期制备的p-ZnO：As薄膜上溅射一层ZnO籽晶层，再将带有ZnO籽晶层的p-ZnO：As薄膜置于容器中，采用水热法（CBD）生长ZnO纳米阵列。
测试结果显示，ZnO 基同质结LED表现出良好的整流特性。
当注入电流达到40mA时，该器件表现出了明显的电致发光特性，其中包含一个位于383nm的紫外发光峰。
我们选取蓝宝石（Al2O3）作为衬底，利用工业化的MOCVD设备在衬底上生长n-GaN薄膜，控制生长参数得到厚度为1500nm的薄膜。
而后在n-GaN薄膜上，利用等离子体增强MOCVD技术沉积一层厚度为500nm 的p-ZnO：N薄膜，并对器件进行了退火处理。
测试结果显示，此器件表现出明显的整流特性，电致发光光谱中出现了一个位于390nm 的强烈的紫外发光谱峰。
关键词：ZnO；GaAs；蓝宝石；MOCVD；CBDThe Preparation and Investigation of ZnO-based Lighting-emittingDiodeAbstractIn recent years, because ZnO material has many unique characteristics in photoelectric field, it has become the most high-profile material in the field of photoelectricity. ZnO possesses a wide and direct band gap. And at the same time, it also has a large exciton binding energy. These advantages make ZnO materials to be the expected material to prepare ultraviolet light-emitting diodes (LEDs).As a kind of indispensable exist, ZnO is a vital composition to produce UV LEDs and laser diode. ZnO material is also suitable for the preparation of nano generator, biological detector, ultraviolet laser tube and other advanced devices.Now, there are many technologies for preparation of ZnO thin film, such as metal organic chemical vapor deposition, magnetron sputtering technology, molecular beam epitaxy, spray pyrolysis, pulsed laser deposition, etc. Different technologies in the process of preparation of ZnO thin film materials have their unique advantages and disadvantages.In this paper, ZnO thin film and ZnO based LED are prepared by different technology, and the performances of ZnO films and ZnO based device are studied. Specific content is as follows:GaAs is used as a substrate of ZnO homojunction LED. n-ZnO thin film is deposited by MOCVD, the following step is annealing treatment to achieve the conversion of n to p type ,then the p-ZnO: As thin film is completed. And then using the magnetron sputtering technology to sputter a seed crystal layer on p-ZnO: As layer, the sample is put in a container. CBD method is conducted to grow ZnO nanometer array. The test results show that the device reveals good rectification characteristics. When injection current is set up to 40 mA, this device shows obvious electroluminescent characteristics with a strong ultraviolet spectrum peak at 383 nm. Selecting the sapphire (Al2O3) as substrate, and using industrialized MOCVD technique grows n-GaN film on the substrate. By controlling the growth parameters, a 1500 nm thin film is grown on sapphire. Using plasma enhanced MOCVD technique to deposit a p-ZnO: N thin layer with a thickness of 500 nm. And after the following step of annealing treatment, a heterojunction LED with a structure of p-ZnO:N/n-GaN:Si is achieved. Test results show that this device reveals obvious characteristics of rectification. The device shows a electroluminescent characteristics including a strong ultraviolet spectrum peak located at 390 nm.Key Words：ZnO；GaAs；sapphire；MOCVD；CBD图1-2 ZnO的纤锌矿结构图Fig.1-2. Schematic of wurtzite crystalline structure of ZnO表1-1 纤锌矿结构ZnO的物理参数Table.1-1. Characteristic parameters of wurtzite crystalline structured ZnO图2-1 溅射法原理示意图Fig.2.1 Schematic structure of Sputtering Method图2-2 利用水溶液法生长ZnO纳米棒工艺示意图Fig.2-2Schematic illustration of solution method growth mechanism图2-3 X射线衍射原理图Fig.2-3 Schematic structure of diffraction of X-ray图2.4 扫描电子显微镜（SEM）原理及结构示意图Fig.2.4 Schematic diagram and structure diagram of SEM图3-1 实验中所用的MOCVD示意图Fig.3.1 The diagram of MOCVD device applied in this experiment.图3-2 实验中所用的退火炉Fig.3.2 The diagram of Annealing furnace device applied in this experiment.图3-3 ZnO基同质结发光器件的结构示意图Fig.3-3Schematic diagram of ZnO-based homojunction LED图3-4（a） ZnO纳米墙的SEM侧视图Fig.3-4.(a) Cross SEM image of ZnO nanowalls图3-4（b） ZnO纳米墙的SEM俯视图Fig.3-4.(b)Top-view SEM image of ZnO nanowalls.图3-4（c） 1D-ZnO纳米棒/2D-ZnO：As薄膜结构的SEM侧视图Fig.3-4.(c)Cross SEM image of 1D-ZnO-nanorods/2D-ZnO:As film structure.图3-4（d） 1D-ZnO纳米棒的SEM俯视图Fig.3-4.(d)Top-view SEM image of 1D-ZnO-nanorods.图3-5 ZnO薄膜及其器件的XRD图谱。
InGaAsGaAsP应变补偿多量子阱MOCVD生长
第42卷第4期2021年4月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.42No.4Apr.,2021文章编号：1000-7032(2021)04-0448-07InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱MOCVD生长王旭，王海珠*,张彬，王曲惠，范杰，邹永刚，马晓辉(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春130022)摘要：利用金属有机化学气相沉积技术在GaAs衬底上开展了大失配InGaAs多量子阱的外延生长研究。
针对InGaAs与GaAs之间较大晶格失配的问题,设计了GaAsP应变补偿层结构;通过理论模拟与实验相结合的方式,调控了GaAsP材料体系中的P组分,设计了P组分分别为0,0.128,0.184,0.257的三周期In”Ga-* As/ GaAs1-y P y多量子阱结构;通过PL、XRD、AFM测试对比发现，高势垒GaAsP材料的张应变补偿可以改善晶体质量。
综合比较，在P组分为0.184时,PL波长1043.6nm,半峰宽29.9nm,XRD有多级卫星峰且半峰宽较小,AFM粗糙度为0.130nm,表面形貌显示为台阶流生长模式。
关键词：金属有机化学气相沉积；InGaAs/GaAsP;应变补偿；多量子阱；晶格失配中图分类号：TN304.2文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20200379Growth of InGaAs/GaAsP Strain-compensatedMultiple Quantum Wells via MOCVD TechnologyWANG Xu,WANG Hai-zhu*,ZHANG Bin,WANG Qu-hui,FAN Jie,ZOU Yong-gang,MA Xiao-hui(State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers,Changchun University of Science and Technology,Changchun130022,China)*Corresponding Author,E-mail:whz@Abstract:The large mismatched InGaAs multiple quantum wells on GaAs substrates were prepared by metal-organic chemical vapor deposition(MOCVD)technology.In order to solve the large lattice mismatch between InGaAs and GaAs，the GaAsP strain compensation layer structure was designed.And our systematically theoretical and experimental studies were performed upon the composition adjustment of P in the GaAsP materials.The three-periods In*Ga—*As/GaAs|_y P y multi-quantum wells structures with the P component of0,0.128,0.184,and0.257were pared with PL，XRD，AFM testing results of the samples with and without GaAsP layer，it is found that tensile strain compensation of higher barrier GaAsP material could improve the crystal quality.When the content of P was0.184,the PL wavelength of InGaAs/GaAsP MWQs was1043.6nm,the FWHM was29.9nm.The XRD peaks had multi-level satellite peaks,and the FWHM of the satellite peaks was small.The AFM roughness was0.130nm，and the surface morphology showed a step flow growth mode.Key words:metal-organic chemical vapour deposition(MOCVD)；InGaAs/GaAsP；strain compensation；multiple quantum wells；lattice mismatch收稿日期：2020-12-12；修订日期：2021-01-04基金项目：吉林省科技发展计划(20190302052GX)资助项目Supported by J ilin Science and Technology Development Plan(20190302052GX)第4期王旭，等：InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱MOCVD生长4491引言半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低等方面的优势,近几年在很多领域得到了广泛的研究和应用，其中近红外波段更是研究的重点［1-2］o在近红外的870~ 1100nm波段，对于GaAs基半导体激光器来说,有源区需要采用InGaAs应变量子阱得以实现。
LED外延芯片和外延工艺
LED外延芯片和外延工艺LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。
发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：? ①禁带宽度适合。
? ②可获得电导率高的P型和N型材料。
? ③可获得完整性好的优质晶体。
? ④发光复合几率大。
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)技术生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。
用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V族的氢化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。
MOCVD具有以下优点：1. 用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中，可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电类型，载流子浓度，厚度等特性。
2. 因有抽气装置，反应室中气体流速快，对于异质外延时，反应气体切换很快，可以得到陡峭的界面。
3. 外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过程。
4. 在一定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。
MOCVD及相关设备技术发展现状：MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十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。
目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。
日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备，利用他自己研制的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构)，于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998年实现了室温下连续激射10,000小时，取得了划时代的进展。
生长速率对低压MOCVD外延生长GaAsGe异质结的影响
第31卷第12期 光 子 学 报 Vol131No112 2002年12月 ACTA PHO TON ICA SIN ICA December2002 生长速率对低压MOCVD外延生长GaAs/Ge异质结的影响3汪 韬 李宝霞 李晓婷 赛小锋 高鸿楷(中国科学院西安光学精密机械研究所光电子学室,西安710068)摘 要 采用自制的液相金属氧化物化学汽相沉积(L P2MOCVD)设备,在G e(100)向(110)面偏9°外延生长出G aAs单晶外延层,对电池材料进行了X射线衍射测试分析,半峰宽为52″1讨论了外延生长参量对G aAs/G e的影响,表明抑制反向畴不仅与过渡层有关,而且与G aAs单晶外延生长参量有关1适当的生长速率可有效地抑制反向畴的生长1关键词 液相金属氧化物化学汽相沉积;G aAs/G e;反向畴0 引言 G aAs为直接带隙半导体材料,与太阳光谱的匹配较理想1以它为材料的太阳电池较Si太阳电池有更高的转换效率1特别是这种材料制成的太阳电池能耐高温,在250℃的条件下光电转换性依然良好1但是,G aAs衬底价格昂贵、机械性能差,限制了其应用1与G aAs(Eg=1.42eV)晶格失配较小的G e(Eg=0.66eV)材料,具有良好的机械性能,可以切割成更薄、重量更轻的衬底,而且它具有优良的抗辐射性能,大大提高太阳电池组件的功率/重量比,可以有效降低卫星的体积和重量,是空间太阳电池理想的衬底材料1对于G aAs/G e太阳电池的研究,国际上已取得了长足的进展1特别以此为基础的G a InP2/G aAs/G e叠层电池,理论转换效率大于34%(AM115)1,目前已取得了30%以上的效率21具有耐辐射、长寿命、高的功率/重量比的优点,是极具潜力的新一代空间太阳电池,有力的促进了空间技术的发展1国外如美国、德国、日本等已经进入研发、生产、应用相结合的工业化时期1我国在此领域的研究才刚刚起步1在G e衬底上进行G aAs单晶外延生长,是整个电池工艺的基础和关键31由于其为非极性衬底上生长极性材料,属于异质外延生长,3 国家自然科学基金资助项目(69876045)收稿日期:2002204201极易形成反向畴1反向畴造成电池机械性能的下降,导致表面形貌粗糙化,电池工艺的均匀性变差41而且在材料中形成深能级缺陷,形成强的散射中心和复合中心51反向畴破坏界面的电学和光学特性,进而破坏整个器件的性能,特别对于G aAs/G e太阳电池,其将导致电池效率的大大下降,如重电池的退化机制,降低太阳电池的使用寿命1这样抑制反向畴的生长成为G aAs/G e异质外延生长的基础和关键1为抑制反向畴的生长,通常采用偏角稍大的衬底1但是大偏角的衬底容易形成台面间的聚集,这将造成外延层生长时产生层错堆积,形成大的缺陷,严重影响器件的性能1对于大偏角的G e衬底要同时解决抑制反向畴和避免层错堆积两个问题1这不仅与过渡层的生长工艺密切相关,而且与外延层的生长工艺参量有关1本文采用自行研制的L P2MOCVD设备,在G e(100)向(110)面偏9°外延生长出,半峰宽为52″的G aAs单晶外延层1探讨生长参量对G aAs 单晶外延生长的影响,通过调节生长速率有效的抑制反向畴的生长11 实验采用自行研制的水平反应室L P 2MOCVD 设备,用高频感应加热1以经过钯扩散管提纯的H 2气为载气(纯度达到6个9),流速4L/min ,用免清洗G e 单晶的衬底,晶向为(100)面偏(110)面9°1反应室压力为(45～65)×133.3224Pa ,衬底托盘转速为80～100rpm Ⅲ族源为TM G a ,V 族源为AsH 3(100%)1外延生长开始前,对G e 单晶在700℃通H 2处理10min ,然后通AsH 3降温到过渡层生长温度(400～450℃)1生长30nm 厚G aAs 过渡层1G aAs 外延层的生长条件为:衬底温度为600℃,V/Ⅲ比保持在15:1,在不同的生长速率(从115μm/h 至412μm/h )下生长G aAs/G e 异质结,外延层厚度用解理后显结,在标定的金相显微镜下测量1用双晶X 2ray 衍射(DCXD )测量在G e 衬底上生长的G aAs 外延层的晶格完整性及与衬底的失配,用金相显微镜观测G aAs 外延层的表面形貌12 结果与讨论反向畴的形成机制有两种解释:一为反向畴形成于衬底的台阶处6,如图1(a )1二为Olson 等研究G e 衬底表面不同台面的表面态交替变化7,表面态影响G aAs 单晶外延层的晶相造成表面间隔出现G aAs 反向畴,如图1(b )界面间灰色体表 图1 界面间产生的反向畴 Fig.1 Anti 2phase domain in interface betweenG e substrate and G aAs epi 2layer示为反向畴1反向畴在异质结界面处存在,关键是抑制其放大生长1用高分辨率X 射线衍射仪对所生长的G aAs/G e 材料进行测试1图2即是样品X 射线衍射的回摆曲线1该曲线出现两个衍射峰,左为G e 衍射峰,半峰宽为29″,右为G aAs 衍射峰1半峰宽为52″1反向畴的产生有利于应 图2 G aAs/G e 的X 射线衍射回摆曲线 Fig.2 Double crystal X 2ray diffraction rock curveof G aAs/G e epi 2wafer力释放1生长前G e 衬底半峰宽<22″,生长G aAs/G e 外延层后G e 衬底的半峰宽展宽为29″,衬底的半峰宽展宽说明有应力存在1当反向畴被抑制,G aAs/G e 异质结中的应力不能有效释放,导致半峰宽展宽1衬底和G aAs 外延层晶格失配较小,G e 衬底的半峰宽达29″,表明材料存在较强应变1对不同生长速率条件下生长的G aAs/G e 材料的表面形貌用金相显微镜观测1结果显示,生长速率对材料的表面形貌影响很大1在低生长速率(115μm/h )条件下生长的G aAs/G e 材料的表面有明显的角锥产生,如图3(a )这是反向畴放大生长的结果1这是由于TM G a 和AsH 3的分压较低,反向畴的生长速率相对较快,表现为反向畴的放大生长,在外延层表面形成角锥1在较高生长速率(2.5μm/h ～313μm/h )条件下生长的G aAs/G e 材料的表面为光滑的镜面,如图3(b )、(c )无角锥分布,说明较高的生长速率,外延层的表面平整反向畴被抑制,这与的G.Timo 结果相近81这主要是因为高的生长速率对应其源的分压较高,有利于加快G aAs 的成核速率,使其生长速率快于反向畴的生长速率形成优势生长,反向畴则被抑制1通常G aAs/G e 异质结的外延生长对生长速率有一定的要求,因为作为太阳电池材料,要尽量抑制G aAs 与G e 之间的互扩散1要求采用尽量低的生长温度,和尽量短的生长时间,即要有尽量高的生长速率1而对于(100)面向(110)面偏9°G e 衬底,太高的生长速率(412μm/h ),G aAs 单晶外延层的表面形貌开始变糟,如图3(d ),无角锥分布,但是有细小的针状小丘分布1这与偏5°G e 衬底生长G aAs 单晶外延层有很大的不同1对于偏5°G e 衬底,高的生长速率G eAs 外延层的表面形貌较低速生长好91这主要是由于As 对G e 衬841 31卷光 子 学 报(a )growth rate =1.5μm/h (b )growth rate =2.5μm/h(c )growth rate =3.3μm/h (d )growth rate =4.2μm/h图3 不同生长速率的G aAs/G e 的表面行貌Fig.3 Surface images of G aAs at different growth rate (mark =20μm )底有一定的腐蚀作用,造成台阶间的聚合效应增强,当外延生长G aAs 时成为缺陷的一个主要来源1对于大偏角的G e 衬底生长G aAs 外延层时,台阶间的聚集效应强,层错堆积较为严重,过高的分压有利于缺陷的放大生长,造成在G aAs 外延层的表面形成密集的针状小丘1而在MOCVD 的反应室的环境下As 的影响难以消除,而且通常在G e 衬底上外延生长G aAs 时先沉积As 用以抑制G aAs/G e 异质结界面间的互扩散1对于在大偏角的9°G e 衬底上生长G aAs 时,生长速率不能过高,可以调节适中的生长速率获得好的表面形貌1对于生长太阳能电池通常厚度大于4μm ,这意味着需要较长的生长时间,这对于抑制G aAs/G e 异质结界面间的互扩散是不利的1这可以通过低温生长过渡层和尽可能的降低外延层的生长温度的方法抑制其扩散13 小结采用自制的L P 2MOCVD 设备,在(100)面向(110)面偏9°的G e 衬底上外延生长出G aAs 单晶外延层,对材料进行了双晶X 射线衍射测试分析,半峰宽为52″1反向畴的产生有利于应力释放1生长前G e 衬底半峰宽<22″1生长G aAs 外延层后G e 衬底半峰宽展宽为29″1半峰宽展宽说明有应力存在1当反向畴被抑制,G aAs/G e 异质结中的应力不能有效释放,对半峰宽的展宽有影响1衬底和G aAs 外延层晶格失配小1G e 衬底的半峰宽达29″(生长前衬底半峰宽<22″),表明材料存在较强应变1可以通过调整V/Ⅲ比、退火等工艺改善1对不同生长速率条件下生长的G aAs/G e 材料的表面形貌用金相显微镜进行观测1结果显示,生长速率对材料的表面形貌影响很大1较低的生长速率,反向畴明显扩张1这与偏5°G e 衬底生长G aAs 单晶外延层一致1太高的生长速率,对于偏9°G e 衬底生长的G aAs 单晶外延层的表面形貌变糟1这与偏5°G e 衬底生长G aAs 单晶外延层有很大的不同1对于偏5°G e 衬底,高的生长速率G aAs 外延层的表面形貌较低速生长更好1抑制反向畴不仅与过渡层有关,而且与G aAs 单晶外延生长参量有关1适当的生长速率可有效地抑制反各畴的生长,对于大偏角的9°G e 衬底,生长速率也不能太高,由于台阶间的聚集效应强,层错堆积较为严重,必须避免高速生长条件下的缺陷放大,可以通过调节适中的生长速率获得好的表面形貌1参考文献1 Fan J C ,Tsaur B Y ,Palm B J.O ptimal design of hight 2efficiency tandem cells.Proceedings of the 16th IEEE PhotovoltaicSpecialists Conference (IEEE ,New Y ork ),1982(2):692～7012 Cotal H L ,Lillington D R ,Ermer J H ,et al.Highly efficient 32.3%monolithic G aInP/G aAs/G e tir ple junctioncomcentrator solar cells.Program and Proceedings :NCPV Program Review Meeting 2000,16219April 2000:111～1123 高鸿楷,赵星1G aAs/G e 的MOCVD 生长研究1光子学报,1996,25(6):518～5204 高鸿楷,吴龙胜1新型空间太阳能电池研究11997年全国G aAs 及其有关化合物会议,湖南张家界,1997,11,354～3555 Kroemer H.Suppression of antiphase disorder in G aAs growth on relaxed G eSi buffers By metal 2organic chemical vapordeposition.J Crystal Growth ,(1987),81(2):193～1976 Ringel S A ,Sieg R M.Anti 2phase domain 2free G aAs on G e substrate growth by MBE for space solar cell application.Proceedings of the 26th IEEE Photovoltaic S pecialists Conference (IEEE ,Anaheim ,USA ),1997,(3):793～797184112期 汪韬等1生长速率对低压MOCVD 外延生长G aAs/G e 异质结的影响7 Li Y ,Salviati G M ,Bongers M G ,et al.On the formation of anti phase domains in the system of G aAs on G e.J Cryst Growth(1996),163(2):195～2028 McMahon W E ,Olson J M.Atomic 2resolution STM study of a structural phase transition of steps on vicinal As/G e (100).Physical Review (B ),1999,60(23):15999～160059 Timo G ,Flores C.The effect of the growth rate on the low pressure metalorganic vapour epitaxy of G aAs/G eheterostructures.J Crystal Growth ,1992,125(3):440～448THE EFFECT OF GR OWTH RATE ONLP 2MOCV D G aAs/G e HETER OSTRUCTRUESWang Tao ,Li Baoxia ,Li Xiaoting ,Sai Xiaofeng ,G ao HongkaiXi ′an Institute of Optics and Precision Mechanism ,the Chinese Academy of Science ,Xi ′an 710068Received date :2002204201Abstract G aAs/G e heterostructrue has been obtained on a home 2made low pressure MOCVD system.The crystal quality of the G aAs epi 2layer was studied by the double rystal X 2ray diffractometer.The morphology was studied ,too.Results indicate that only proper growth rate for the G aAs epi 2layer will give anti 2phasedomain free and better morphology G aAs epi 2layer on G e substrate miscut 9degrees towards the (110).K eyw ords L P 2MOCVD ;G aAs/G e ;anti 2phasedomainW ang T ao was born in Shaanxi ,China ,in 1974.He received the B.S degree and M.S degree from the Northwest University in 1996and 1999respectively.At present ,he is a Ph.D degree candidate in Xi ′an Institute of Optics and Precision Mechanics ,Chinese Academy of Sciences.His present interest is photronic materials and devices.2841 31卷光 子 学 报。
LP-MOCVD两步生长法制备的InAs0.9Sb0.1／GaAs
有潜力的红外材料体系 ， 它覆盖了两个重要大气
窗 口波段 ３～ ５ 和 ８～１ ｍ。特 别是 在 ３—５ ２
ｍ波段的红外光 电探测器 ， 由于其在污染监测 、 红外热成像 、 雷达 以及光纤通讯等领域具有极其
重要 的应 用 背 景 而 受 到 人们 的高 度 重 视 。而 且 ＩＡＳ 材料 有相 对 高 的稳 定 性 、 高 的 电子 和 空 ｎ ｓｂ 更 穴 迁 移率 、 易于控 制组分 、 于集成 化 以及相对 成 易
源， 以经 过氢气 净化 器 纯 化 的 Ｈ 作 为载 气 ， 用 使 半绝 缘 （０ ） ａ ｓ 衬 底 。Ｔ ｎ和 Ｔ ｂ冷 阱 １０ Ｇ Ａ 为 ＭＩ ＭＳ 源 温分 别 控 制在 １ ｃ和 一２ ｃ。Ｇ Ａ ７ｃ ０ｃ ａ ｓ衬 底通
作者简介 ： 建春 （９ ０ ， ， 谢 １８ 一） 男 江西丰城人 ， 硕士研究生 ， 主要从 事１一 １ Ｖ族半导体材料与器件的研究 。 １
摘要： 利用 Ｌ ． Ｏ Ｖ ＰＭ Ｃ Ｄ技术， 采用两步生长法 ， １ ） ａ ｓ 在（０ ＧＡ 单晶衬底上生长高质量的 Ｉ ｓ ｂ ０ ｎ Ｓ㈦。用扫描 Ａ
电镜 、 ｘ射线 单晶衍射 、 ａ 测量 以及 Ｒ ｍ ｎ光谱等方法对材料进 行 了表征 。分析 了缓 冲层 和外延层 生长温 Ｈｌ ｌ ａａ
种光学声子行为 。
关
键
词 ： 属有机化学气相沉积 ；ＩＡ Ｓ ；两步生 长法 ； ａ ｓ 金 ｎ ｓｂ Ｇ Ａ
Ｐ Ｃ ７ ８ Ｅ ８ １Ｈ Ａ Ｃ： ２ ０ ； １５ 文献标识码 ： Ａ
中图分类号 ： Ｎ ０ ．５ Ｔ ３４ ５
１ 引
言
Ｇ Ａ 衬 底 上生 长 ＩＡ 。Ｓ ／ ａ ｓ 料 的报 道 。 ａｓ ｎ ｓ。ｂ＿ Ｇ Ａ 材 ０ １ 在 生 长高失 配 的半 导 体 材 料 时 ， 了减少 由 晶格 为
GaAs和AlGaAs半导体材料的制备及其电学性能研究
GaAs和AlGaAs半导体材料的制备及其电学性能研究GaAs 和 AlGaAs 半导体材料是当前广泛应用于光电子与微电子领域的重要半导体材料。
本文将介绍这两种材料的制备方法及其电学性能研究。
一、GaAs半导体材料制备方法1.分子束外延法（MBE）分子束外延法是目前制备GaAs薄膜的主要方法之一。
该方法的步骤如下：首先，在高真空条件下，将Ga和As分子通过热源加热并喷射到基片表面上，形成一个薄膜。
在此过程中，基片表面会先被As覆盖，然后再加入Ga原子，使其与As原子反应生成GaAs晶体。
此外，在该过程中，可以通过控制加热器的温度和压强来调节Ga和As的流速和比例，从而得到不同形态和组成的薄膜。
2.金属有机气相沉积法（MOCVD）金属有机气相沉积法也是制备GaAs半导体材料的主要方法之一。
该方法的步骤与MBE法类似，但是使用的是金属有机化合物和气态源材料。
在此过程中，液态有机金属化合物通过加热分解生成金属原子和有机气态物质。
Ga和As源材料也以气态形式加入，控制金属源和As源的蒸发速率，使它们分子间相遇反应生成GaAs晶体。
3.分别生长法分别生长法是指先在基片上生长一层厚度较大的相应衬底层，然后在衬底层上沉积半导体薄膜。
衬底层可以选择Si、Ge等单晶材料，以保证晶体与基片的匹配度和质量。
GaAs的制备中，一般采用Ge衬底，因为GaAs的晶格参数与Ge较接近，容易获得高质量的GaAs晶体。
二、AlGaAs半导体材料制备方法AlGaAs的制备方法基本上和GaAs相同，只是在加入As源材料的同时，还加入Al原子和As原子的混合源材料。
Al和Ga原子相互掺杂，生成含有不同Al含量的AlGaAs晶体。
三、 GaAs和AlGaAs半导体材料的电学性能研究1.电性能特点GaAs半导体材料具有较高的电子迁移率、较快的载流子寿命和较小的激子激子复合系数等特点，从而表现出良好的高频性能和高速性能。
AlGaAs半导体材料中，Al含量的增加可以降低禁带宽度，从而改变电学性能。
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第34卷第6期 人 工 晶 体 学 报 Vol.34 No.6 2005年12月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS Dece mber,2005 采用MOCV D方法在GaA s衬底上生长ZnO(002)和ZnO(100)薄膜崔勇国,张源涛,朱慧超,张宝林,李万程,杜国同(吉林大学电子科学与工程学院,集成光电子国家重点实验室,长春130023)摘要:采用金属有机化学汽相沉积生长法(MOCVD),在不同的衬底表面处理条件和生长温度下,在GaA s衬底上生长出了Zn O薄膜。
随着化学腐蚀条件的不同,可生长出优先定位不同的Zn O(100)和Zn O(002)薄膜。
该薄膜的晶体结构特性是由X光衍射谱仪(XRD)所获得的,而其光学特性是由光荧光谱仪(P L)来测的。
与Zn O(002)相比, Zn O(100)薄膜具有更优越的晶体结构特性,并且在同样的生长温度下都具有相似的光学特性。
对于腐蚀条件不同的Ga A s衬底所进行的XPS分析结果表明,Zn O薄膜优先定位变化的主要原因在于腐蚀过程中形成的富A s层。
关键词:金属有机化学汽相沉积;Zn O薄膜;半导体材料中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:10002985X(2005)0621154204Growth of ZnO(002)and ZnO(100)F il m s on GaA s Substra tes by MOCVDCU I Yong2guo,ZHAN G Yuan2tao,ZHU Hu i2chao,ZHAN G B ao2lin,L I W an2cheng,DU Guo2tong (State Key Laborat ory on I ntegrated Op t oelectr onics,College of Electr onics Science and Engineering,J ilin University,Changchun130023,China)(Received14July2005)Abstract:ZnO fil m s were gr own on Ga A s(001)substrates at different surface treat m ent conditi ons and gr owth te mperatures by metal organic che m ical vapor depositi on(MOCVD).ZnO(100)and ZnO(002) fil m s having different p referred orientati ons were gr o wn according t o the different che m ical etch conditi ons.The crystallinity and op tical p r operties of ZnO fil m s were investigated with X2ray diffracti on (XRD)and the r oom2te mperature phot olu m inescence(P L)s pared with ZnO(002)fil m s, ZnO(100)fil m s underg oing a variati on at the p referred orientati ons have better crystal structures.Moreover,all sa mp les have si m ilar op tical characteristics at the sa me gr o wth te mperature.For Ga A s substrates etched under the different conditi ons,the analysis results of X2ray phot oelectr oscopy(XPS) show that the p referred orientati on variati ons of Zn O fil m s take p lace because rich A s layers are for med in the p r ocess of che m ical etch.Key words:metal organic chem ical vapor depositi on;Zn O fil m;se m iconductive material1 引 言ZnO是一种直接宽带隙半导体材料,目前,Zn O的应用范围日益广泛。
随着很多更加优越的新薄膜生长技术的研发,其在质量上有了明显的改善。
由于它独特的材料特性(激子束缚能约为60mV),在光电材料收稿日期:2005207214基金项目:国家自然科学基金(No.60307002);吉林大学青年教师基金和吉林大学创新基金资助项目作者简介:崔勇国(19632),男,朝鲜平壤市人,朝鲜金日成综合大学副教授,吉林大学博士研究生。
E2mail:cuiyongguo61.student@ 通讯作者:张源涛,E2mail:zhangyt@方面具有极大应用潜力因而吸引着不少人的瞩目。
强大的激子能使Zn O 薄膜成为一种在室温下能够实现激光发射的材料。
正因为其强大激子能的原因,使Zn O 在紫外线领域上的研究主要围绕着光电器件和光量子仪器的应用而进行[123]。
稳定的高质量p 型ZnO 薄膜仍是比较难以获得的,因此其在电子发光器材上的应用研究方面还有着不少难题。
已有不少科学家为获得稳定的高质量p 型Zn O 薄膜展开不同的方法(倒如协同掺杂、掺杂及热处理、杂质的自扩散法等)广泛的研究工作[4,5]。
与此同时,一些科学家还为了在n 型Zn O 薄膜上利用其他的半导体材料形成p 2n 异质结从而实现电发光而进行着更深入的研究。
异质结形成所需的材料通常为Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体(Ga N,Ga A s,I nP,I nSb )[6,7]。
本文将重点介绍利用MOCVD 法在不同生长温度和表面处理条件下,在Ga A s 衬底上生长的ZnO 薄膜的特性。
生长在Ga A s 衬底上的ZnO 薄膜同时具有形成异质结的可能性和p 型杂质A s 自衬底至ZnO 薄膜的扩散可能性。
Zn O 薄膜在Ga A s 衬底上的生长通常是用溅射法(RF )、金属有机化学汽相沉积生长法(MOCVD )和脉冲激光沉淀法(P LD )等几种方法实现的[8212]。
本文通过实验发现,利用MOCVD 法在Ga A s 衬底上生长出的ZnO 薄膜的优先定位随衬底的表面处理条件而变化,而且其薄膜光荧光谱特性在很大程度上依赖于生长温度的变化。
2 实 验在Ga A s (001)衬底上,利用MOCVD 法生长出了ZnO 薄膜。
关于反应器和生长过程已在其他文献中介绍过其详细内容[13]。
在实验中,采用二乙基锌(DEZn )和氧(O 2)作为源,采用氩气(A r )作Zn 源的载气,采用高纯氮(N 2)气作为辅助流气。
为了观察Ga A s 衬底的表面处理对生长出的ZnO 薄膜质量的影响,在70℃温度下,以30s 、60s 、90s 和120s 作为时间间隔,对生长前研磨的Ga A s 衬底进行化学腐蚀。
腐蚀液的配方为(H 2S O 4∶H 2O 2∶H 2O =5∶1∶1)。
化学腐蚀在生长之前进行。
实验中所使用的衬底分别为硅掺n 型Ga A s 和锌掺p 型Ga A s 。
ZnO 薄膜分别生长在上述两个不同的Ga A s 衬底上,但其生长条件相同。
实验中利用了X 光衍射分析仪、325nm He 2Cd 激光光荧光谱仪和ESCALAB Mark X 射线光电子能谱仪研究了薄膜的晶体结构以及光学特性。
在600～700℃温度范围内进行了Zn O 薄膜在Ga A s 衬底上的生长实验,观察了生长温度对ZnO 薄膜特性的影响。
图1 生长温度为630℃腐蚀时间分别为30、60、90和120s 的p 型Ga A s 衬底上生长的Zn O 薄膜的XRD 谱Fig .1 XRD s pectra of the Zn O fil m s gr own on p 2Ga A s substrates etching for 30,60,90and 120s at 630℃图2 生长温度为630℃腐蚀时间分别为30、60、90和120的n 型Ga A s 衬底上生长的Zn O 薄膜的XRD 谱Fig .2 XRD s pectra of the Zn O fil m s gr own on n 2Ga A s substrates etching f or 30,60,90and 120s at 630℃3 结果与讨论图1和2分别显示了在两个表面腐蚀程度不同的Ga AS 衬底上生长的Zn O 薄膜的XRD 分析结果。
图中可5511 第6期 崔勇国等:采用MOC VD 方法在Ga AS 衬底上生长Zn O (002)和Zn O (100)薄膜以看到,在当化学腐蚀时间为30s和60s时在2θ=34.4°出现了较强的Zn O(002)峰而在化学腐蚀时间为90s和120s时在2θ=31.7°又出现了更强的Zn O(100)峰。
当Zn O薄膜生长时,其(001)、(110)和(100)面处于低表面能密度状态。
其中,(001)面的表面能最低,因此在此面上的生长也同样最容易发生[12]。
随着薄膜生长条件的不同,ZnO薄膜的生长方向也不同。
Norifum i Fuji m ura等研究者发现,当利用溅射法(RF)生长Zn O薄膜时,根据喷射气体配比和RF功率的变化,可分别生长出以此作为优先定位面的(002)、(110)以及(100)面[14]。
P M Ratheesh Ku mar等研究者还认为,掺杂也会影响到ZnO薄膜的优先定位和质量[15]。
正如上述的XRD谱分析结果所示,当利用MOCVD法在Ga A s衬底上生长ZnO薄膜时,优先定位面的选择会发生较大的变化。
此外,实验结果还显示,薄膜生长的优先定位并不依赖于衬底的电导型(p 型或n型)和掺杂剂的种类。
表1 ZnO薄膜优先定位生长面和晶粒尺寸随p型GaA s衬底腐蚀时间的变化Table1 Preferred or i en t a ti on pl anes and gra i n si ze var i a ti on s of the ZnO f il m s w ith p2GaA s substra tes etch i n g ti m e Etching ti m e(s)Preferred orientati on p lanes F WHM(°)Grain size(nm)30(002)0.28828.860(002)0.21538.490(100)0.09884.0120(100)0.19840.0表2 ZnO薄膜优先定位生长面和晶粒尺寸随n型GaA s衬底腐蚀时间的变化Table2 Preferred or i en t a ti on pl anes and gra i n si ze var i a ti on s of the ZnO f il m s w ith n2GaA s substra tes etch i n g ti m e Etching ti m e(s)Preferred orientati on p lanes F WHM(°)Grain size(nm)30(002)0.24533.960(002)0.18345.390(100)0.10281.0120(100)0.18345.2图3 不同条件下腐蚀后Ga A s衬底表面的A s3d光电谱图Fig.3 XPS s pectra of A s3d on GaA s surfaceunder different etched conditi ons 图4 不同条件下腐蚀后Ga A s衬底表面的Ga3d光电谱图Fig.4 XPS s pectra of Ga3d on Ga A s surfaceunder different etched conditi ons利用Debye2Scherre公式D=(0.9λ)/(βcosθ)计算出结晶粒子的粒径。