2015第2次课-第二章半导体异质结的组成与生长

第二章半导体异质结的组成与生长问题？1.立方晶与六方晶的区别与联系2.维达定理3.半导体合金材料（用途）4.MOCVD5.MBE6.自组织生长7.RHEED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）内容(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第一节材料的一般特性1晶格结构1双原子层堆积2偶极层2立六方结构3六方晶GaN的极性N-FaceGa-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。4氮化镓材料的极化5晶体结构测量)3.1.2(2)(34)(1)2.1.2(1)(1)1.1.2(nsin2d2022202220clkhkhahkldlkhahkld例2022202)(34)(1clkhkhahkld对于c=5.189,(0002)面d=c/l=2.59452dsin=narcsin(/2d)=arcsin(1.5443/5.189)=17.31234.62deg6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。)4.1.2(2cxbxaEg在三元合金情况下,如GaAlAs,GaAlN,InGaN.禁带宽度随组分.Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(InN)*(1-x)–b*x*(1-x)Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)禁带宽度的经验公式b适用范围InGaN3.2(strained)X0.20AlGaN0.25(strained)X0.25InGaN3.8(unstrained)X0.20Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179的晶格常数：材料的晶格常数：材料：混晶的晶格常数（定律合金合金BaAaaaxxaaVegardBABA)5.1.2)1(对直接禁带半导体材料，材料的禁带宽度满足：)6.1.2)1(（合金BgAggExxEEAlGaAs,AlGaN,InGaN.等应用广泛,波长调节光限制载流子限制第二节异质结界面的晶格失配)1.2.2)(21)(1212（aaaaaa晶格匹配：异质结的两种材料的晶格常数要尽可能匹配。1悬挂键2界面态3由界面态引起的非辐射复合。为什么要晶格匹配：22212121222222121212()()1(2.2.3)aaaaaaLSLSLSaaaaaaNss)2.2.221（sssNNN悬挂键密度等于交界处键密度之差.SL23222232121aaahl面积包含在这个面中的键数为2.)()()(111222121222221212221222221222134341134343421aaaaaaaaaaaaaasssNNN）面（)(4:100)(:110222121222221212224aaaaaaaa）面（）面（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。=2.31)(22212122aaaa=2.83)(22212122aaaa=4)(22212122aaaa第三节金属有机物化学气相外延生长制造衬底材料加工制成晶片GaN外延生长制成外延晶片LED晶片制造制成LED晶粒LED晶粒封装制成LED成品蓝宝石Al2O3衬底GaN缓冲层n型GaN层InGaN量子阱发光层p型GaN层外延片外延层衬底层外延片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DepositionofalayeronasubstratewhichmatchesthecrystallineorderofthesubstrateHomoepitaxyGrowthofalayerofthesamematerialasthesubstrateSionSiHeteroepitaxyGrowthofalayerofadifferentmaterialthanthesubstrateGaAsonSiEpitaxialgrowth:材料外延生长技术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。液相外延生长的基础是溶质在液态溶剂内的溶解度随温度降低而减少。因此一个饱和溶液，在它与单晶衬底接触后被冷却时，如条件适宜，就会有溶质析出，析出的溶质就外延生长在衬底上。这里所述的外延，是指在晶体结构和晶格常数与生长层足够相似的单晶衬底上生长，使相干的晶格结构得以延续液相外延MOCVD金属有机物化学气相沉积（MetalorganicChemicalVapor-phaseDeposition）也称为MOVPE（金属有机物气相外延MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）。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.金属有机物化学气相沉积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。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)反应方程式Examplereaction:Ga(CH3)3+AsH3(Trimethalgalliumgas)(Arsenegas)3CH4+GaAs(Methanegas)(onthesubstrate)Thereactionoccursinasealedcontainer(reactor)(1)Thetransportofreactantsthroughtheboundarylayertothesubstrate,(2)Theadsorptionofreactantsatthesubstrate,(3)Theatomicand/ormolecularsurfacediffusionandchemicalreactions,(4)TheincorporationofGaAsintothelattice,(5)Thetransportofby-productsawayfromthesubstrate.外延生长机制模型，表面复相反应机制认为：外延生长是按照下列步骤进行的，（1）反应物气体混合物输运到外延生长区；（2）反应物分子通过扩散，穿过边界层到达衬底表面（3）吸附分子间或吸附物与气体分子间发生化学反应生成晶体原子和气体副产物；（4）生成的晶体原子沿衬底表面扩散到达衬底表面上晶格的扭折或台阶处结合进晶体点阵；（5）副产物从表面脱附扩散穿过边界层进入主气流中被排出系统。第四节分子束外延法（MBE）分子束外延技术(MBE):MBE技术本质上是一个在超高真空条件下,对蒸发束源和外延衬底温度加以精确控制的薄膜蒸发技术.它已能生长大面积均匀、单原子表面平滑、界面陡变的各种微结构材料.MolecularBeamEpitaxy**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。1特点：MBE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。MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用快门可以对生长和中断进行瞬时控制。因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。2装置3MBE生长（1）表面净化加温GaAs573oC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MBEgrowthmechanism**MBEgrowthmechanism*SiRHEED像5高能电子衍射ReflectionHighEnergyElectronDiffraction生长模式SelfAssembedstructuresHigh-resolutionTEMimageofAlN/sapphireinterfacegrownbyMOCVD.ThelargeLatticemismatchbetweensapphireandAlNinducesadislocatedinterfacewiththethicknessonTheorderof1mL,afterwhichtheAlNepilayerassumesitsownlatticeparameter.