半导体电子材料与器件物理的发展（二）.ppt

文档介绍：半导体电子材料与器件物理的发展(二)
吴惠桢教授
浙江大学理学院物理系
浙江大学电子与无线电物理研究所
固体电子材料物理与器件实验室
教十二(204)
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《电子与无线电物理专题》

第三讲:半导体材料的生长技术
(1)分子束外延(MBE)
(2)金属有机物化学气相沉积(MOCVD)
(3)液相外延(LPE)
(1) 分子束外延(MBE)
分子束外延(MBE)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。
---超高真空状态下的真空蒸发技术,
配有原位监测和分析系统,能够获得高质量、高纯度的单晶薄膜。
分子束外延是由美国Bell . Cho, . Arthur, . Chang 在1973~1975年发明的[JAP, 46,1733; JVST 1973,10:11],之后得到了迅速发展。
首先是GaAs, 然后是II-VI族(ZnSe, CdTe, CdHgTe), IV-VI族(PbSe, PbTe),进展巨大,是半导体光电子和微纳电子器件的最重要技术之一。
Diagram of a typical MBE system growth chamber
Solid-Source MBE (SS-MBE)
group-III and -V molecular beams.
2. The Gas-Source MBE (GS-MBE)
III-V semiconductors,
group-V materials are hydrides such as arsine (AsH3)
or phosphine (PH3)
实验表明生长GaAs, InP等III-V化合物半导体, 离子H的
引入有利于提高外延膜的质量。
3. anic MBE (MO-MBE)
group-III materials are pounds.
., TMGa(三甲基镓) and TMIn (三甲基铟)
group-V materials are hydrides such as arsine (AsH3)
or phosphine (PH3)
兼有固态源分子束外延和MOCVD的优点:
界面陡峭的异质结构和超薄层
环境非常干净
容易配置原位表面监测仪器
MBE种类(Types of MBE)
生产的MBE公司
美国Veeco公司
英国Oxford公司
法国Riber公司
德国、日本等也有公司生产。
用于科学研究和工业生产的MBE
特点:
多个真空室: 外延,沉积,制备/分析, 传递,进样、取样
多个衬底(3“片子x8),衬底的传送可有计算机控制
多个分子束盒, 多达10个,可提供生长的半导体材料、结构种类很多
固态源分子束外延系统
进样室
预处理室
生长室
不锈钢制成
进样室
生长室
预处理室
进样室:
与外部交换样品,可暴露到大气中;具有烘烤功能,有分子泵抽真空,机械泵位前级泵,真空度10-7~10-8 Torr;
预处理室:
在生长室和进样室之间交换样品;对样品加热、离子轰击除气,有离子泵抽真空,真空度10-9~10-10 Torr
超高真空生长室:升华泵,冷凝泵扩散泵等,真空度10-10~10-11 Torr;装备有分子束源炉(盒),衬底价热器,反应气体进气管; RHEED;四极质谱仪;背景气氛中O2, H2O, CO2, N2的浓度很低;热分离:液氮冷却。
固态源MBE---生长室
Effusion cells
Shutters
Substrate hater
RHEED
固态源
As
P
Sb
Al
Ga
In
Si
Be
气态源分子束外延系统
气态源:
AsH3
PH3
CBr4
进样室,预处理室,生长室
Oxford 公司
气体的流量的控制-精确控制的电子质量流量计
V族氢化物的裂解(AsH3与高温壁多次碰撞,转变成As2+H2)
尾气的处理和安全
V族烷基材料取代AsH3与PH3,
但有纯度问题影响应用。
固态源
Al
Ga
In
Si
Be
GaAs的分子束外延
III-族镓---高纯金属8N
III-Al----高纯金属6N
III-In----高纯金属7N
BN坩锅-耐高温分子束盒(1300 C)
As:
As4 和As2
固体裂解炉
气体源
AsH3, PH3
气体裂解炉(1000C)
MBE生长GaAs 中分子束流的控制很重要:
III族,Ga、In、Al的束流大