第二代半导体晶体砷化镓晶体

1、精选优质文档-倾情为你奉上第二代半导体晶体磷化镓单晶 砷化钾单晶是目前技术最成熟、应用最广泛的最主要的半导体材料之一。广泛用于光电子和微电子领域。在-族化合物半导体晶体中，砷化镓的电子迁移率比硅大45倍，用其制作集成电路时，工作速率比硅更快，且禁带宽度也较宽，因此它的热稳定性和耐辐射性也较好。砷化镓是直接跃迁型能带结构，它的发光效率较高，并可用来制作激光器。1.生长方法1.2 直拉法(1)生长装置直拉法生长装置如图11-2所示。 (a)磁拉法装置 (b)镓封法示意图11-2 晶体直拉法生长装置示意1-石墨坩埚；2，9-射频线圈；3，8-辅助熔炉；4-磁铁；5-高居里点合金；6-封闭的Si02容

2、器；7-用于密封的液态镓 (2)生长过程与条件 在GaAs晶体生长的过程中，应始终保持一定的蒸汽压力。 坩埚中放人合成的GaAs多晶锭料，在低温端放砷，并保持610，在容器中保持压力为9.1×l04 Pa的砷蒸气。磁拉法的磁铁也是处在610的温度下，因此在反应器内的磁性材料必须是高居里点温度的合金，用纯铁也可以。外部磁铁可用电磁铁或固定磁铁。 镓封法是因为温度在610时镓中溶入的As量很少，也不会结晶并且镓液的蒸气压也很低可以用来拉制GaAs单晶。1.2.1.2液体覆盖直拉法(LEC) 用LEC法拉制GaAs单晶，可以像Si 一样将GaAs多晶料放在坩埚中，上面放一定量经脱水的B20

3、3，加热后拉制GaAs单晶，炉内气氛为Ar或N2，气压为(1.52)×105Pa。这种方法所用的多晶料仍需在石英管内合成。为了降低单晶的成本可用原位合成，即在单品炉内合成GaAs并拉制单晶。原位合成还可分为两种：一种称为注入法；另一种为高压原位合成法。注入法是将除去氧化膜的Ga和脱去水分的B203装于坩埚，单晶炉内充入N2或Ar，使其气压为(1.52)×105Pa再加热到1237，将细颈的装As的石英管插入Ga液中，使As管和Ga管连通，加热As管（也可利用单晶炉的辐照热），使As蒸气通入Ga合成GaAs熔体，合成过程要保持气压和温度稳定，防止熔体吸人As管，使其结晶并堵塞

4、As蒸气出口引起As管爆炸。待As全部溶人Ga液完成GaAs的合成，即可拉制单晶。1.2.1.3 GaAs液相外延生长(LPE-GaAs)法 LPE-GaAs生长是基于Ga-As体系的相图，在一定温度下已经饱和的溶液随着温度下降产生过饱和结晶。在饱和溶液中放人GaAs单晶片作为衬底，当达到过饱和结晶时以单晶的方式沉积在GaAs衬底上，这种晶体生长的方式称为液相外延。这里的溶液是Ga，溶质是As，为了控制导电类型和载流子浓度也可掺入一定量的杂质。液相外延生长的温度低，可以获得纯度较高、缺陷较少的GaAs。用液相外延生长的薄膜广泛地用于光电子器件上，这是由于无辐照复合较少，兆量子效率也较高。这种方

5、法是目前制作红外发光管、p-n结注入式的半导体激光器以及大面积GaAs太阳能电池等光电器件的主要手段。1.2.1.4 GaAs晶体气相外延生长(VPE-GaAs)法(1)生长装置GaAs晶体气相外延生长法生长装置如图11-3所示。图11-3 GaAs晶体气相外延生长装置示意1-流量计；2-反应管；3-衬底；4-镓舟；5，6-加热炉；7-恒温器 (2)生长过程 Ga在H2气氛下脱氧(870)，将温度控制在850，通人AsCl3，使Ga源饱和，也可采用在Ga液中放入GaAs。在不通AsCl3的情况下，将GaAs衬底移到高温区，当温度达到800时处理1015min，随后将衬底温度降至750，进行气相

6、外延生长。在Ga-AsCI3 -H2系中，除了生长GaAs的反应以外还与石英器皿反应引起硅沾污。载气换成N2或Ar，可避免生成HC1，可以避免硅沾污，提高GaAs外延层的纯度。 (3)生长条件 典型生长条件：Ga源温度为816，衬底温度为640760，沉积区温度梯度为8.5/cm，通过鼓泡瓶的N2或Ar为70120mL/min，衬底取向(100)偏(110)6°。利用Ga-AsCl3 -N2或Ga-AsCl3 -Ar系已生长出电学参数n7710131014 cm-3、77=(1.7×2.2)×105 cm-3(Vs)的高质量的气相外延GaAs层。 (4)特点 VP

7、E-GaAs生长的温度较低，沾污较少，可以进行掺杂并能获得完整性均匀性好的GaAs薄膜。载气可以用纯H2、纯N2或纯Ar，携带一定量的AsCI3蒸气进入系统，镓源区和沉积区分别用两个炉子控制温度。 1.2.1.5 金属有机化合物气相化学沉积法(Mo-CVD)(1)生长装置金属有机化合物气相化学沉积法生长装置如图11-4所示。(2)生长过程衬底经抛光和清洗处理后装入反应器，通H2并加热，当温度超过400以后通入图11-4金属有机化合物气相化学沉积法生长装置示意AsH3，AsH3的流速随温度而改变，也和AsH3稀释浓度有关。使反应器内As压力与该温度下GaAs离解压接近。当温度达到700时，同时通

8、入AsH3和Ga(CH3)3以及所需的掺杂剂。生长完毕先停止通入Ga(CH3)s和掺杂剂，降低炉温，当温度低于500方可停止通入AsH3。 (3)优缺点 Mo-CVD法优点是设备简单、容易控制成分或各种电参数，气体流速比一般气相外延的流速大得多，因此反应室内的气体变换很快，杂质分布很陡，晶体生长速率变化的幅度很大(0. 051um/min)，厚度可精确控制等。 它的缺点是AsH3有剧毒，Ga(CH3)3遇水和空气会爆炸失火。目前，族元素的有机化合物的纯度和AsH3的质量还未得到圆满解决，但Mo-CVD法是一种很有希望的方法。 1.2.1.6 分子束外延(MBE)法 (1)生长装置分子束外延洼生

9、长装置如图11-5所示。图11-5分子束外延法生长装置示意1-加热台；2一衬底-3-液氮冷却器；4-加热器；5-坩埚；6蒸发器 (2)生长过程 将各种外延物质放在热解BN坩埚内，在超高真空(10-8 Pa)条件下将物质蒸发出来沉积在衬底上，衬底的温度约500，液氮冷却室要避免加热器放出的杂质沾污。 (3)特点 随着超高真空技术的发展，已可用分子束外延的方法来生长GaAs或其他化合物半导体。它的优点是：生长温度仅为400500；控制厚度很精确，可以达到原子量级；改变组分和掺杂浓度很方便；生长速率可控制在0. 1nm/h或mh的数量级。这些优点当前是很有意义的。随着分子束外延技术的发展，在超晶格、

10、量子阱及调制掺杂异质结等方面的研究，已从单纯的理论研究发展到新器件的发现和研制。MBE技术是发展下一代半导科学的关键性技术之一。 1.2.1.7 化学束外延(CBE)法 化学束外延( CBE)是由MBE方法发展而来的。由于MBE方法中蒸发器内装料的量很少及切换元素的种类有限，因而发展了CBE技术，采用气体的金属有机化合物做气源。 化学束外延的优点如下。 分子源是用管道连接，金属有机化合物的装载量很大，便于连续化生产。 由于采用了多头管道输入或截止，扩大了制备化合物材料的种类。 由于外延设备中取消了蒸发源的高温加热装置，避免了设备内的沾污，也节省了大量的液氮（蒸发炉周围液氮的消耗量最多）。 由于

11、发展了CBE技术使超薄层的外延生长向着实用化和大规模连续生产迈进了一步。但是CBE技术和Mo-CVD技术有一个共同的问题就是金属有机化合物源的纯度研究，目前这方面工作已取得了很大的进步。1.2.1.8 原子层外延生长(ALE) 原子层外延生长是在Mo-CVD、MBE和CBE技术基础上发展过来的。ALE技术与Mo-CVD、MBE和CBE技术的主要区别是组成化合物半导体外延层的方式不同。Mo-CVD、MBE和CBE以化合物方式沉积于衬底片或在衬底上，同时完成合成和沉积。而ALE技术是两种元素以原子的方式交替地沉积在衬底上，由于在衬底上的生长表面不同，各元素的黏附系数也不同，因而可实现其单原子层的生

12、长。对化合物半导体而言，交替沉积后会化合成单层的化合物钋延层。 ALE生长技术的特点如下。 厚度控制精确，易生长突变结界面。 重复性较好。 厚度均匀，并可实现大面积和多片的外延生长（多片外延主要是在Mo-CVD系统完成）。 外延层表面光洁，由于吸附的原子不易成堆聚集，因此不形成表面丘状物或弯月面。 可以较好地用于选择性外延生长。在多层界面的侧面上，实现界面的侧壁生长，只要气源压力控制合适，即可实现多层结侧壁各层的独立生长，生长后仍然保持它的多层结构。1.2.1.9 离子束外延(IBE) 离子束外延技术是由等离子体技术发展而来的，它包括了溅射、等离子体气相沉积及离子镀膜，由于上述技术存在一些缺点

13、而发展了离子束外延技术或离子束薄膜沉积技术。元素在离子源内离化，经电场加速成为束流，并可用电或磁进行分选进行提纯，最后经减速沉积在衬底上。离子束外延可在比其他方法更低的温度下进行外延，附着力强、覆盖性好，利用这种技术还可制得一些在热平衡条件下难以制备的材料。离子束外延技术现已有离子团束、单束低能离子束沉积法和离子束加分子束沉积。近来国内已有人开始研究双束合成的方法进行化合物沉积。离子束外延的方法是不成熟的，但有它特殊的用途，在化合物半导体中获得良好的绪果。 1.2.2 砷化镓晶体的特性GaAs与硅相比主要是电子迁移率高、易实现器件超高速与超高频性能，实现了微波与毫米波、低噪声器件，减小了功耗和

14、体积。此外，GaAs是带间直接跃迁，发光效率高，在发光与激光器件中得到广泛应用。单晶的直径大，面积利用率高，价格低，这是20世纪90年代的总趋势。目前，舟法生产的单晶仍以2in为主，在实验室已研制出4in的单晶。舟法生产的单晶的位错低，适用于光电器件。高压液封直拉法单晶目前以4in为主，在实验室里已研制出6in的单晶，主要用于集成电路用基片。表征GaAs单晶质量的参数仍是位错密度和碳含量，EL2深能级，均匀性及热稳定性。舟法单晶的位错密度比高压液封直拉法约低一个数量级。后者采用热反射极和多温区等方法使温度梯度降低，可使位错密度降低。但是未被B203覆盖的一部分单晶表面，由于长时间处于高温区，造

15、成砷的离解，从而诱发出种种缺陷。不过，可在气氛中掺入砷以防止砷的离解。研究发现，金属栅场效应管较大的阈值电压分散性与位错群网结构有关。位错联成网的区域，阈值电压分布的标准偏差高，相反则低。阈值电压标准偏差过大，将使一块集成电路失效，成品率降低。单晶经退火后电阻率的微区均匀性得到改善，阈值电压分散性得到改善，以满足大规模集成电路的要求。半绝缘GaAs单晶中的EL2深能级吸引众多人的研究。有人认为其本质是镓空位的络合物，逆位缺陷，并且EL2与碳浓度咸正比。为此，将单晶炉的石墨部件换成氮化硼或氮化铝材料，防止碳进入晶体。当碳在晶体中分布良好时，则阈值电压也较一致，这是实现高集成度的重要前提。目前，集

16、成度已达到2万3万门阵列和1.6万SRAM的水平。1.2.3 应用与技术发展以GaAs等为代表的-V族化合物半导体材料大多是直接带隙材料，与硅相比，具有光学跃迁概率、电子饱和漂移速率高以及耐高温、抗辐射等特点，在超高速、超高频，低功耗、低噪声器件和电路，特别是在光电子器件和光电存储方面占有独特的优势，受到广泛重视。目前世界GaAs生产能力约2530t/a(SI-GaAs约5t/a)，2000年，GaAs的需求量达40t，其中光电子占70%，通信占20%，信息占10%，若按15%年增长，到2010年GaAs的总需求量将在180t左右。1995年集成电路的产值5.35亿美元，2000年增至22亿美

17、元。直径为23in的n型和p型GaAs和InP单晶材料主要用于光电器件的衬底。常用水平布里奇曼(HB)或高压液封直拉法(LEC)制备，其掺杂浓度、均匀性和晶体完整性（除InP单晶的位错密度需进一步降低外）基本可满足传统光电子和微电子器件的需隶。未掺杂半绝缘( SI) GaAs单晶是GaAs集成电路(GaAs IC's)的基础材料，主要采用LEC法制备，已形成工业化生产规模，直径为2.3in和4in的片材已商品化，6in的SI-GaAs单晶也已在实验室拉制成功。目前，在国外GaAs IC's制造正由3in生产线向4in过渡，20世纪末21世纪初，6in的GaAs IC's生产线将建成投产。如何控制GaAs、InP等化合物半导体的正化学配比，从而获得高的电学和光学微区均匀性、微缺陷与沉淀物少的大直径和高晶体完整性的单晶，特别是降低位错密度是目前研究的重点。近几年来，国际上又发展了垂直布里奇曼(VB)，垂直梯度凝固(VGF)和气压控制直拉(VCZ)等方法以及多片退火技术(NWA)，使GaAs单晶材料的纯度、均匀性和完整性都有明显的提高。直径为23in