2015第2次课-第二章 半导体异质结的组成与生长

外延生长所需材料： 1. 镓(Ga )源：三甲基镓【TMGa =Ga(CH3)3 】 2. 铟(In )源：三甲基铟【TMIn =In(CH3)3 】 3. 氮(N) 源：蓝氨( NH3 ) 4. p 型掺杂源：二茂基镁【Cp2Mg=Mg(C5H5)2 】 5. n 型掺杂源：硅烷(SiH4) 6. 载气：高纯度的 氢气(H2)
(1)The transport of reactants through the boundary layer to the substrate, (2)The adsorption of reactants at the substrate, (3)The atomic and/or molecular surface diffusion and chemical reactions, (4)The incorporation of GaAs into the lattice, (5)The transport of by-products away from the substmple reaction: Ga(CH3)3 + AsH3
(Trimethal gallium gas) (Arsene gas)
3CH4
(Methane gas)

+
GaAs
(on the substrate)
The reaction occurs in a sealed container (reactor)
1 2
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
)
(
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
)
lh
1 2
2a
3 2
2a
3a 2 2
可以看出，在（111）面上， 异质结界面态密度最小。然而 实际的器件结构中，由于 （110）面易于解理这一性质， 常常利用它来作光学谐振腔面。 相应地，与其垂直的（100） 常被用来作外延生长的异质结 界面。因而，其界面态密度相 对于其它晶面要高一些。
晶体生长过程是物质从其它相转变为结晶相的过程


晶体是在物相转变的情况下形成的。 物相有三种〃即气相、液相和固相。 由气相、液相固相时形成晶体〃 固相之间也可以直接产生转变。 液相生长:液体固体
气相生长:气体固体
材料外延生长技术



Deposition of a layer on a substrate which matches the crystalline order of the substrate Homoepitaxy Growth of a layer of the same material as the substrate Si on Si Heteroepitaxy Growth of a layer of a different material than the substrate GaAs on Si
Si RHEED 像
生长模式
Self
Assembed structures
High-resolution TEM image of AlN/sapphire interface grown by MOCVD.The large Lattice mismatch between sapphire and AlN induces a dislocated interface with the thickness on The order of 1mL,after which the AlN epilayer assumes its ownl attice parameter.
2d sin=n
arcsin(/2d)
=arcsin(1.5443/5.189)=17.31 234.62 deg
1 4 (h 2 hk k 2 ) l 2 2 2 d (hkl) 3a0 c0
例
6半导体合金材料
把两种半导体A和B混合成合金时， （1）混合材料的晶体结构。 （2）原子在合金材料内的分布状况。设x为材料A的量，形 成AxB1-x时，有以下几种情况： # 两种材料分布在材料的不同区域，形成分凝相。 在每个合金点上，A原子占据的概率为x,B原子占据的概率 为(1-x).形成随机合金材料。 A原子和B原子按一定规则形成周期结构，形成超晶格。 在三元合金情况下,如GaAlAs, GaAlN, InGaN. 禁带宽度随组分.
第四节 分子束外延法（MBE）
分子束外延生长法〃是在对生长条件严 格控制的超高真空下完成单晶薄膜生长 的〃是真空蒸镀方法的进一步发展。其 晶体生长过程是在非热平衡条件下完成〃 仅受基片的动力学制约。这是与在近热 平衡状态下进行的液相外延生长的根本 区别。
Molecular Beam Epitaxy**
a a
（ 2.2.1)
晶格匹配：异质结的两种材料的 晶格常数要尽可能匹配。 为什么要晶格匹配： 1 悬挂键 2 界面态 3 由界面态引 起的非辐射复 合。
悬挂键密度等于交界处键密度之差.
N s N s1 N s 2
Nss
1 LS

LS 2 a1

LS 2 a2

（ 2.2.2)
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2 1 )( a2 a1 ) ( a2 aa 2 2 a 1 2
(2.2.3)
L
S
（ 110 ）面 :
4 2
(
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
) =2.83 ( a a
=4
2 2 a2 a1 2 2 1 2
)
（ 100 ）面 : 4(
面积
2 装置
3 MBE生长
（1）表面净化 加温 GaAs 573 oC

离子照射 H原子照射。

4 薄膜生长及生长机理
吸附系数 吸附 脱附
MBE growth mechanism *
MBE growth mechanism **
5高能电子衍射
Reflection High Energy Electron Diffraction
金属有机物化学气相沉积
MOCVD 金属有机物化学气相 沉积（Metalorganic Chemical Vaporphase Deposition） 也称为MOVPE（金属有机物气 相外延Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）。 它是在60年代末由Manasevit提 出。已成为介观物理、半导体材 料和器件的研究以及生产领域最 重要的外延技术之一。 在GaAs、InP和GaN材料系的应 用中，由它制备的材料和器件性 能达到或超过了其它任何晶体外 延技术的水平。与其它外延技术 相比，MOCVD具有反应室简单， 材料纯度高，生长界面陡，操作 容易，应用范围广，可用于大规 模生产等优点.
第二章 半导体异质结的组成与生长
问题？
1. 2.
立方晶与六方晶的区别与联系 维达定理
3.
4.
半导体合金材料（用途）
MOCVD
5.
6. 7.
MBE
自组织生长
RHEED
内容
第一节 材料的一般特性
第二节 异质结界面的晶格失配 第三节金属有机物化学气相外延生长
第四节分子束外延法（MBE）
第一节 材料的一般特性
MOCVD设备可分为四个系统： (1)载气和源供应系统， (2)反应室和控制系统， (3)尾气处理系统和 (4)安全保障系统。 MOCVD所用的源有气体源和需要用 载气携带的固、液体源； 控制系统又分为压强、流量和温度三 个控制分系统，分别控制反应室的压 强，载气及气体源的流量和反应室的 温度等； 尾气处理系统由裂解炉和喷淋塔组成， 用于分解和吸收尾气中的有毒物质， 减少污染； 安全系统包括压强、有毒气体和可燃 气体报警装置以及应急反应装置，用 于保证系统和操作人员的安全。
包含在这个面中的键数为2.
（ 111 ）面 N s N s1 N s 2
4 3 4 3 4 2 3a1
2 a2

2
4 2 3a2
2 a1
( )
1 2 a1 1 2 a2
4 3
( a 2a 2 a 2a 2 )
1 1 2
(
2 2 a2 a1 2 2 a1 a2
)
=2.31
b InGaN AlGaN InGaN 3.2 (strained) 0.25 (strained) 3.8 (unstrained)
适用范围 X<0.20 X<0.25 X<0.20
Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179
Vegard定律 a合金 xaA (1 x)aB （ 2.1.5) a合金：混晶的晶格常数 a A：材料A的晶格常数 a B：材料B的晶格常数
1 晶格结构




(1)晶格结构 立方晶 六方晶 晶格常数:Si:5.43A, Ge:5.658A GaAs:5.56A, GaN: c=5.189Å,a=3.192Å
2 立六方结构
1双原子层堆积 2 偶极层
3 六方晶GaN的极性
N-Face Ga-Face
两个面具有不同的表面结构、组 成和化学特性, 1. 薄膜生长、掺杂和所含缺陷 也有着极大的影响 2. 氧氢的吸附 3. 化学腐蚀特性也恰恰相反, 4. 氧、铝等杂质则更易于进入 氮面的氮化稼薄 5. 镁的引入会导致薄膜极性的 变化。
Epitaxial growth:
直拉法是生长元素和III-V族化合物半导体体单晶的 主要方法。 该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内〃引入籽晶作为非均 匀晶核〃然后控制温度场〃将籽晶旋转并缓慢向上提 拉〃晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。