光电功能薄膜 外延技术
外延膜沉积技术
所谓外延是指在单晶基片上形成单晶结构的薄膜而且薄膜的晶体结构与取向都和基片的晶体结构和取向有关。
??简言之是在在完整的单晶衬底上延续是在在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜的方法生长单晶薄膜的方法??外延生长薄膜的形成过程是一种有方向性的生长。
外延同质外延外延膜在同一材料上生长同质外延薄膜是层状生长型。
异质外延外延膜在不同材料上生长异质外延薄膜可是层状生长型也有岛状生长型。
??用途??主要用于生长元素、半导体化合物、合金薄结晶层??优点??较好的控制膜的纯度、膜的完整性、掺杂级别外延膜沉积分类分子束外延MBE液相外延LPE热壁外延HWE金属有机物化学气相沉积MOCVD分子束外延MBE分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。
从本质上讲分子束外延也属于真空蒸发方法。
区别在于MBE具有超高真空并配有原位监测和分析系统能够获得高质量的单晶薄膜。
??分子束外延MBE??分子束外延MBE??过程??在超高真空条件下由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气经小孔准直后形成的分子束或原子束直接喷射到适当温度的单晶基片上同时控制分子束对衬底扫描就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
??特点??1生长速率极慢大约1um/小时相当于每秒生长一个单原子层因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质结构等。
实际上是一种原子级的加工技术因此MBE特别适于生长超晶格材料。
??2外延生长的温度低因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。
??3由于生长是在超高真空中进行的衬底表面经过处理可成为完全清洁的在外延过程中可避免沾污因而能生长出质量极好的外延层。
在分子束外延装置中一般还附有用以检测表面结构、成分和真空残余气体的仪器可以随时监控外延层的成分和结构的完整性有利于科学研究.分子束外延分子束外延MBEMBE分子束外延分子束外延MBEMBE??4MBE是一个动力学过程即将入射的中性粒子原子或分子一个一个地堆积在衬底上进行生长而不是一个热力学过程所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。
【2024版】微电子工艺之薄膜技术
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
沈阳分子束外延
沈阳分子束外延
沈阳分子束外延（MBE）是一种用于薄膜生长的技术，被广泛应用于半导体器件、光电子器件、磁性材料等领域。
本文将介绍沈阳分子束外延的原理、应用以及发展前景。
一、沈阳分子束外延的原理
沈阳分子束外延是一种利用分子束在真空中沉积材料的技术。
其主要原理是通过加热源将材料加热至高温，使其蒸发，并通过分子束束流将蒸发的原子或分子沉积在基底上，形成薄膜。
分子束束流可以通过控制材料的蒸发源来实现，一般采用电子束蒸发器或者分子束蒸发器。
沈阳分子束外延技术在半导体器件中有着广泛的应用。
例如，可以利用该技术生长高质量的半导体材料，用于制备高性能的红外探测器、激光二极管等器件。
此外，沈阳分子束外延还可以用于制备光电子器件，如太阳能电池、光电转换器等。
另外，沈阳分子束外延还可以用于磁性材料的生长，用于磁存储器件的制备。
三、沈阳分子束外延的发展前景
随着科技的不断进步，沈阳分子束外延技术也在不断发展。
目前，研究人员正在努力改善沈阳分子束外延技术的性能，以制备更高质量的薄膜。
同时，研究人员还在探索新的材料和器件结构，以满足不同领域的需求。
例如，近年来，研究人员利用沈阳分子束外延技
术成功制备了二维材料，如石墨烯等，为新型纳米器件的研究提供了新的可能性。
沈阳分子束外延是一种重要的薄膜生长技术，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断发展，我们相信沈阳分子束外延技术在半导体器件、光电子器件、磁性材料等领域的应用将会得到进一步拓展，为科技发展提供更多的可能性。
光电功能薄膜 镀膜技术PVD
蒸发温度1000-2000 ° C的材料可用电阻加热作蒸发源. 加热器 电阻 通电后产生热量 产生热量使蒸发材料
的分子或原子获得足够大的动能而蒸发.
加热装置的分类和特点：
（1）丝状（0.05-0.13cm)，蒸发物润湿电 阻丝，通过表面 张力得到支撑。只能蒸发 金属或合金；有限的蒸发材料被蒸发；蒸 发材料必须润湿加热丝；加热丝容易变脆。 （2）凹箔：蒸发源为粉末。 （3）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。
PVD的三个 关键过程：
产生 从源材料发射粒子（气相原子、分子、离子） 气相物质的输运 激发粒子输运到基片
沉积 气相粒子在基片上成膜（凝结、形核、长大）
• 真空蒸发：热蒸发(thermal evaporation)
最简单的方法：膜料由电阻加热丝ห้องสมุดไป่ตู้舟蒸发。
蒸发材料在真空室中被加热时, 其原子或分子就会从表面逸出.
蒸发出的原子是自由、无碰撞的， 沉积速度快。
理想气体，气体分子运动论：PV=RT(1 mol),
每单位时间沉积在单位表面上的原子数： J 1 n
4
由P
J
J P / 2mkT
8kT m
10-4Pa ，Troom
平均自由程 〉500cm，远超过蒸发源到衬底距离
容易根据蒸发原料的质量、蒸发时间、衬底与蒸发源的距离、衬 底的倾角、材料的密度等计算薄膜的厚度。
饱和蒸气压(PV): 在一定的温度下,真 P 空室中蒸发材料的蒸气在与固体或
液体平衡过程中所表现的压力.
Solid
Vapor Liquid
T 蒸发速率随温度变 化的敏感性.
InSb薄膜分子束外延技术研究
InSb薄膜分子束外延技术研究刘铭;程鹏;肖钰;折伟林;尚林涛;巩锋;周立庆【摘要】InSb材料由于其优异的光电性能,一直是军事领域重要的红外探测器材料.而高温工作是InSb发展的一个重要方向,开发分子束外延InSb材料是实现高温工作的基础.本文采用分子束外延工艺生长获得了高质量的InSb薄膜,通过金相显微镜、X射线双晶衍射仪、原子力显微镜、SEM和EDX等检测手段对InSb外延膜进行表面缺陷、晶体质量表征和分析,并采用标准的InSb器件工艺制备128×128焦平面探测器芯片进行材料的验证,结果表明该材料性能可以满足制备高性能器件的要求.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)011【总页数】4页(P1256-1259)【关键词】InSb外延膜;分子束外延;晶体质量;128×128【作者】刘铭;程鹏;肖钰;折伟林;尚林涛;巩锋;周立庆【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN213第三代的红外探测器逐渐向高性能低成本方向发展，具体可以概括为：高分辨（大面阵和小像元）、先进的读出电路技术（数字化）、高工作温度（＞77K）、高空间均匀性、高稳定性、多光谱。
其中实现高温工作红外探测器是第三代红外探测器发展的一个重要分支［1］。
为了提高InSb红外探测器的工作温度，国外已经发展的多种结构的MBE外延型InSb探测器，在InSb衬底上同质外延InSb薄膜，外延薄膜InSb型探测器器件示意图如图1所示，在InSb衬底上外延p＋－n－－n＋结构材料，这样设计（通过控制掺杂浓度和厚度），使吸收区可以达到最高量子效率和最小暗电流［2］。
半导体外延技术基本原理
半导体外延技术：突破新时代的先驱半导体外延技术是指在一种晶体基底上通过生长的方法，制备出具有其他晶体结构和组分的薄膜。
它作为现代电子技术中的一个重要分支，极大地拓展了半导体材料的种类和应用领域，成为推动信息产业快速发展的关键支撑技术之一。
本文将从外延生长的基本原理、外延材料的种类及其特点、外延膜的表征方法等方面进行介绍。
一、外延生长的基本原理外延生长的基本原理是将原材料在晶体生长介质表面上沉积并由此形成新晶体的生长过程。
晶体生长方式有三种，即气相、液相及固相生长。
气相生长是将气体混合物通过催化剂作用，沉积在晶体基底上，形成一层新晶体。
液相生长是将置于基底上的生长介质在高温或压力下熔融，然后逐渐冷却，从而得到一片新的晶体。
固相生长是将硫酸铜等物质溶解在水溶液中，通过浸没样品逐渐形成靠近基底的新片晶体。
其中，气相生长被广泛应用在半导体外延技术中。
二、外延材料的种类及其特点不同外延材料的选用对外延生长膜的性质、品质及功效有着直接的影响。
外延材料可以分为硅、砷化镓、氮化镓等几类。
其中，硅的单晶在电子学器件中应用较广泛，它具有良好的稳定性、结构简单、制备工艺成熟等特点。
砷化镓和氮化镓则因其大的能隙、高速度、较小的噪声系数和较好的高电子迁移率而被广泛应用于微波等高频电子器件。
此外，氮化镓还因具有优越的光电特性，被广泛应用于LED、LD 等光电领域。
三、外延膜的表征方法外延生长的薄膜在应用过程中需要对其各种性能进行表征。
常用的表征方法有XRD衍射技术、AFM原子力显微成像技术、SEM扫描电镜技术、SIMS静电质谱技术等。
其中，XRD衍射技术可以清晰地表征薄膜的颗粒尺寸、结晶度、拓扑结构等信息；AFM原子力显微成像技术则可以清晰地观察薄膜表面形貌，确定其光学和机械性能；SEM扫描电镜技术则可以对薄膜的表面形貌、粗糙度、微观孔洞、表面缺陷等进行表征。
总之，半导体外延技术具有重要的发展意义和应用价值，通过对其基本原理、外延材料的种类及其特点、外延膜的表征方法等方面进行深入了解，有助于更好地推动半导体外延技术的发展。
外延工艺
1.外延片指的是在衬底上生长出的半导体薄膜,薄膜主要由P型，量子阱，N型三个部分构成。
现在主流的外延材料是氮化镓(GaN),衬底材料主要有蓝宝石，硅，碳化硅三种，量子阱一般为5个，通常用的生产工艺为金属有机物气相外延(MOCVD)。
这是LED产业的核心部分，需要较高的技术以及较大的资金投入(一台MOCVD一般要好几千万)。
2.外延片的检测一般分为两大类:一是光学性能检测，主要参数包括工作电压，光强，波长范围，半峰宽，色温，显色指数等等，这些数据可以用积分球测试。
二是可靠性检测，主要参数包括光衰，漏电，反压，抗静电，I-V曲线等等，这些数据一般通过老化进行测试。
3.需要指出的是，并没有白光LED芯片，只有白光LED灯珠/管，即需要进行封装才能获得白光小LED灯，也叫灯珠，管子。
白光LED一般通过两种途径获得：一是通过配光，将红绿蓝三色芯片进行配比封装获得白光LED.二是通过荧光粉转换蓝光LED，从而获得白光LED.芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序（WaferFabrication）、晶圆针测工序（WaferProbe）、构装工序（Packaging）、测试工序（（FrontEnd1程序通常与产品种类和所使用的技术有关，件加工与制作。
2（3。
4测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。
经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。
而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。
由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-OrganicChemicalVaporDeposition，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。
光电薄膜技术在新型电子器件中的应用
光电薄膜技术在新型电子器件中的应用近年来，光电薄膜技术日渐成熟，正在广泛应用于新型电子器件中。
光电薄膜技术是一种将光学和电学相结合的技术，可以制造一系列光电器件，如光电二极管、光控开关、传感器等。
光电薄膜技术可以在薄膜上制造精细的结构，这些结构可以用来控制光信号和电信号的流动。
光电器件的性能可以通过薄膜材料的选择和结构的设计来调节和优化。
下面将对光电薄膜技术在新型电子器件中的应用进行介绍。
一、光电二极管光电二极管是一种将光信号转换成电信号的器件。
光电二极管可以实现高速、低噪声的光检测，广泛应用于光通信、光电传感等领域。
在光电薄膜技术中，采用光吸收层和电子收集层的结构设计，可以实现高效率和高灵敏度的光电二极管。
二、光控开关光控开关是一种将光信号转换成电信号控制开关的器件，可以实现光电转换和信号调制。
光控开关可以应用于光通信、光学传感等领域。
在光电薄膜技术中，采用光控制互连的结构设计，可以实现高速、高灵敏度的光控开关。
三、传感器光电传感器是一种将光信号转化为电信号用于检测的器件，可以应用于环境监测、医疗诊断等领域。
在光电薄膜技术中，采用光反射或透射的特性设计传感结构，可以实现高精度和高灵敏度的光电传感器。
四、新型显示器光电薄膜技术可以应用于新型显示器中，如有机发光二极管显示器和柔性显示器等。
在有机发光二极管显示器中，采用特殊的有机材料膜层，可以实现高效率、高对比度、大视角的显示效果。
在柔性显示器中，采用可弯曲、可铺展的薄膜材料，可以实现高可靠性、低功耗、小体积的柔性显示器。
五、新型光伏材料光电薄膜技术可以用于制备新型的光伏材料。
在传统硅基光伏材料中，制造过程复杂、成本高。
而在新型光伏材料中，采用薄膜材料制造，可以降低成本、提高效率。
光电薄膜技术的应用不仅可以改善现有器件的性能，还可以实现新型器件的发展，这将为新型电子器件的发展提供更多可能。
随着技术的不断发展和完善，相信光电薄膜技术将会有更广泛的应用。
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分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
典型的MBE系统是由进样室、预备分析室、和外延生长室串连而成。进样室用 于换取样品，可同时放入多个衬底片。预备分析室可对衬底片进行除气处理， 通常在这个真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析仪器。外延生长室是 MBE系统中最重要的一个真空工作室，配置有分子束源、样品架、高能电子衍 射仪和四极质谱仪等部件。
1968年Arthur首先进行了Ga和As在GaAs表面的反应动力学研究，奠定了 MBE的理论基础。
1969-1972年间，A．Y．Cho进行了MBE的开创性研究，用MBE生长出 了高质量的GaAs薄膜单晶及n型、p型掺杂，制备出了多种半导体器件， 而且生长出第一个GaAs／AIGaAs超晶格材料，从而引起了人们的关注。
薄膜生长模式的划分及主要控制因素
湿润性较好，但错配度较大时： 薄膜以层状-岛状模式生长！
■ 薄膜生长过程中，往往存在其它影响界面能和应变能的因素， 造成各种系统能量的不同规律涨落；
■ 沉积原子初期共格铺展，膜厚增加后重新倾向于聚集成岛！
小结：■ 层状模式形核功小，形核易完成； ■ 岛状模式弹性错配能低，生长易进行； ■ 层状-岛状模式的出现往往意味着成膜初期膜基间湿润性较好且错配应变能也不大， 而随着薄膜生长的进行，晶格错配能越来越大或膜基之间良好的湿润性被破坏。
α晶格常数 γ表面自由能
外延生长模式
主要控制因素：
晶格错配度 |as- af |/as ：薄膜与基片材料的晶格错配度越小，则 |as- af |/as 越趋近于 0； 膜基湿润性 (s- f )/s ：湿润性好 基材表面能s > 薄膜表面能f 形成新相表面可 系统界面能；
湿润性差 s < f 暴露更多基片表面可 系统界面能！
外延生长模式 层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式转变的物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而 随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一 定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。 2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子不仅将使Si晶体 表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。这有效地 降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变为三维的岛状生长。
岛状生长模式(Is land Grow th)
层Vo状lm生er长- W模eb式er(LMaoydeer by Layer Growth)
Frank
-
Van
der
Merw
eMode
层状 -岛状生长模式(Layer Plus Island Growth)
Stranski- Krastanov Mode
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
• 1.入射的原子或分子在 一定温度衬底表面物理 化学吸附。
• 2.吸附分子在表面的迁 移和分解。
• 3.组分原子与衬底或外 延层品格点阵的结合或 在衬底表面成核。
• 4.未与衬底结合的原子 或分子的热脱附。
MBE生长经典范例
用MBE生长GaAs薄膜主要利用到达表面的Ga原子束和As的二聚物As2及四聚 物As4的分子束。 As2分子参与生长的关键是在单个Ga原子上的As2分子的分 解化学吸附反应。 As2分子的粘附系数正比于Ga的入射通量，过量As2的分子 可以保证满足化学配比GaAs的薄膜的生长
3、在层状外延生长表面是表面能比较高 的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将 暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生 长到一定厚度之后，生长模式会由层状模 式向岛状模式转变。
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
MBE是上世纪70年代在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备极薄的单 层或多层单晶薄膜的一种技术，它是在超高真空的条件下，把一定比例 的构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的 衬底表面来进行晶体外延生长的技术。
两类薄膜生长方法：薄膜沉积和薄膜外延
分子束外延
Molecular Beam Epitaxy
有机金属化合物化学气相沉积 MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Deposition 原子层沉积
Atomic Layer Deposition
Epitaxy Growth
生长模式的划分
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
分子束从束源炉(Knudsen effusion cell)中产生， 束源炉温度由计算机精确控制，并通过热偶提供 温度反馈。分子束流的大小主要由束源炉的温度 决定，其稳定度可达±1％。束流强度由几何关 系推导出，但实际受坩埚的锥度、口径、液面与 炉口的距离等因素影响
基本规律：
湿润性很差时： 薄膜以岛状模式生长！ (同时要求沉积温度 足够高、沉积原子具有一定扩散能力)
■ 错配度影响较小，沉积原子倾向相互键合形成三维岛，而避 免与基片原子键合！
■ 在非金属基片上沉积金属材料时，薄膜往往以这种模式生长！
湿润性好、且晶格错配度很小时： 薄膜以层状模式生长！ ■ 沉积原子以共格/半共格形式在基片表面堆叠，薄膜始终 采取二维扩展的模式沿基片表面铺开； ■ 往往没有明确的形核阶段； ■ 沉积化合物膜时，异质元素间的键合可显著 表面能， 更容易出现这种模式的薄膜生长。
MBlar beam epitaxy )
RHEED是最重要的设备。高能电 子枪发射电子束以1-3度掠射到基 片表面后，经表面晶格衍射在荧 光屏上产生的衍射图样直接反映 薄膜的结晶性和表面形貌，衍射 强度随表面的粗糙度发生变化， 振荡反映了薄膜的层状外延生长 和外延生长的单胞层数。