半导体材料第9讲-III-V族化合物半导体的外延生长.ppt

半导体材料III-V族化合物半导体的外延生长第七章III-V族化合物半导体的外延生长内容提要：气相外延生长VPE卤化物法氢化物法金属有机物气相外延生长MOVPE液相外延生长LPE分子束外延生长MBE气相外延生长气相外延生长(vaporphaseepitaxy,VPE)发展较早，主要有以下三种方法：卤化物法(Ga/AsCl3/H2体系)氢化物法(Ga/HCl/AsH3/H2体系)金属有机外延法卤化物法外延生长GaAsGa/AsClGa/AsCl3 3/H/H2 2体系气相外延原理及操作体系气相外延原理及操作体系气相外延原理及操作体系气相外延原理及操作高纯高纯高纯高纯H H2 2经过经过经过经过AsClAsCl3 3鼓泡器，把鼓泡器，把鼓泡器，把鼓泡器，把AsClAsCl3 3蒸气携带入反应室中，它们在蒸气携带入反应室中，它们在蒸气携带入反应室中，它们在蒸气携带入反应室中，它们在300500300500的低温就发生还原反应，的低温就发生还原反应，的低温就发生还原反应，的低温就发生还原反应，4AsCl 4AsCl3 3+6H+6H2 2=As=As4 4+12 HCl+12 HCl生成的生成的生成的生成的AsAs4 4和和和和HCIHCI被被被被H H2 2带入高温区带入高温区带入高温区带入高温区(850(850)的的的的GaGa源源源源(也称源区也称源区也称源区也称源区)处，处，处，处，AsAs4 4便溶入便溶入便溶入便溶入GaGa中形成中形成中形成中形成GaAsGaAs的的的的GaGa溶液，直到溶液，直到溶液，直到溶液，直到GaGa饱和以前，饱和以前，饱和以前，饱和以前，AsAs4 4不流向后方。不流向后方。不流向后方。不流向后方。4Ga+xAs4Ga+xAs4 4=4GaAsx (x1)=4GaAsx (x1)而而而而HCIHCI在高温下同在高温下同在高温下同在高温下同GaGa或或或或GaAsGaAs反应生成镓的氯化物，它的主反应为反应生成镓的氯化物，它的主反应为反应生成镓的氯化物，它的主反应为反应生成镓的氯化物，它的主反应为 2Ga+2 HCl=2 GaCl+H 2Ga+2 HCl=2 GaCl+H2 2 GaAs+HCl=GaCl+As GaAs+HCl=GaCl+As4 4+H+H2 2卤化物法外延生长GaAsGaCIGaCI被被被被H H2 2运载到低温区，如此时运载到低温区，如此时运载到低温区，如此时运载到低温区，如此时GaGa舟已被舟已被舟已被舟已被AsAs饱和，则饱和，则饱和，则饱和，则AsAs4 4也能进入低温区，也能进入低温区，也能进入低温区，也能进入低温区，GaCI GaCI在在在在750750下发生歧化反应，生下发生歧化反应，生下发生歧化反应，生下发生歧化反应，生成成成成GaAsGaAs，生长在放在此低温区的衬底上，生长在放在此低温区的衬底上，生长在放在此低温区的衬底上，生长在放在此低温区的衬底上(这个低温区亦称这个低温区亦称这个低温区亦称这个低温区亦称沉积区沉积区沉积区沉积区)，6GaCl+As 6GaCl+As4 4=4 GaAs+2 GaCl=4 GaAs+2 GaCl3 3有有有有H H2 2存在时还可发生以下反应存在时还可发生以下反应存在时还可发生以下反应存在时还可发生以下反应 4GaCl+As 4GaCl+As4 4+2H2=4 GaAs +HCl+2H2=4 GaAs +HCl反应生成的反应生成的反应生成的反应生成的GaClGaCl3 3被输运到反应管尾部，以无色针状物析被输运到反应管尾部，以无色针状物析被输运到反应管尾部，以无色针状物析被输运到反应管尾部，以无色针状物析出，未反应的出，未反应的出，未反应的出，未反应的AsAs4 4以黄褐色产物析出。以黄褐色产物析出。以黄褐色产物析出。以黄褐色产物析出。氢化物法外延生长GaAs氢化物法是采用氢化物法是采用氢化物法是采用氢化物法是采用GaGaHCIHCIAsHAsH3 3H H2 2体系，其生长机理体系，其生长机理体系，其生长机理体系，其生长机理为为为为 Ga(l)+HCl(g)=GaCl(g)+H Ga(l)+HCl(g)=GaCl(g)+H2 2(g)(g)AsH AsH3 3(g)=As(g)=As4 4(g)+3/2 H(g)+3/2 H2 2(g)(g)GaCl(g)+As GaCl(g)+As4 4(g)+H(g)+H2 2(g)=GaAs(s)+HCl(g)(g)=GaAs(s)+HCl(g)这种方法，这种方法，这种方法，这种方法，Ga(GaCI)Ga(GaCI)和和和和AsAs4 4(AsH(AsH3 3)的输入量可以分别控制，的输入量可以分别控制，的输入量可以分别控制，的输入量可以分别控制，并且并且并且并且AsAs4 4的输入可以在的输入可以在的输入可以在的输入可以在GaGa源的下游，因此不存在镓源饱和源的下游，因此不存在镓源饱和源的下游，因此不存在镓源饱和源的下游，因此不存在镓源饱和的问题，所以的问题，所以的问题，所以的问题，所以GaGa源比较稳定。源比较稳定。源比较稳定。源比较稳定。卤化物和氢化物法生长卤化物和氢化物法生长卤化物和氢化物法生长卤化物和氢化物法生长GaAsGaAs除了水平生长系统外，还除了水平生长系统外，还除了水平生长系统外，还除了水平生长系统外，还有垂直生长系统，这种系统的基座大都是可以旋转的，因有垂直生长系统，这种系统的基座大都是可以旋转的，因有垂直生长系统，这种系统的基座大都是可以旋转的，因有垂直生长系统，这种系统的基座大都是可以旋转的，因此其均匀性比较好。此其均匀性比较好。此其均匀性比较好。此其均匀性比较好。金属有机物化学气相沉积金属有机物化学气相沉积金属有机物化学气相沉积金属有机物化学气相沉积金属有机物化学气相沉积(Metal Organic(Metal Organic Chemical Vapor DepositionChemical Vapor Deposition，MOCVD)MOCVD)自自自自2020世世世世纪纪纪纪6060年代首次提出以来，经过年代首次提出以来，经过年代首次提出以来，经过年代首次提出以来，经过7070年代至年代至年代至年代至8080年代的年代的年代的年代的发展，发展，发展，发展，9090年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法能与之相比。能与之相比。能与之相比。能与之相比。MOVPE技术 MOVPE(Metal organic Vapor Phase Epitaxy)MOVPE(Metal organic Vapor Phase Epitaxy)技术是技术是技术是技术是生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为MOCVD MOCVD。近年来从外延生长角度出发，称这一技术为近年来从外延生长角度出发，称这一技术为近年来从外延生长角度出发，称这一技术为近年来从外延生长角度出发，称这一技术为MOVPEMOVPE。它是它是它是它是采用采用采用采用族、族、族、族、族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和V V族、族、族、族、族元素族元素族元素族元素的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长上进行外延生长上进行外延生长上进行外延生长一一一一V V族，族，族，族，一一一一族化合物半导体以及它族化合物半导体以及它族化合物半导体以及它族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶们的多元化合物的薄层单晶们的多元化合物的薄层单晶们的多元化合物的薄层单晶。族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如GaGa、AlAl、InIn、ZnZn、CdCd等的甲基或乙基化合物：等的甲基或乙基化合物：等的甲基或乙基化合物：等的甲基或乙基化合物：Ga(CHGa(CH3 3)3 3、GaGa(C(C2 2H H5 5)3 3等，等，等，等，金属有机化合物的名称及其英文缩写三甲基镓三甲基镓Tri-methyl-galliumTMGTri-methyl-galliumTMGTMGaTMGa三甲基铟三甲基铟Tri-methyl-indiumTMITri-methyl-indiumTMITMInTMIn三甲基铝三甲基铝Tri-methyl-alumiumTMAITri-methyl-alumiumTMAI三乙基镓三乙基镓Tri-ethyl-galliumTEGTri-ethyl-galliumTEGTEGaTEGa三乙基铟三乙基铟Tri-ethyl-indiumTEITri-ethyl-indiumTEITEInTEIn二甲基锌二甲基锌Di-methyl-zincDMZnDi-methyl-zincDMZn二乙基锌二乙基锌Di-ethyl-zincDEZnDi-ethyl-zincDEZn二甲基镉二甲基镉Di-methyl-cadmiumDMCADi-methyl-cadmiumDMCA二乙基镉二乙基镉Di-ethyl-cadmiumDECADi-ethyl-cadmiumDECAMOVPE的特点的特点MOVPEMOVPE具有下列的特点：具有下列的特点：具有下列的特点：具有下列的特点：(1)(1)可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的性质性质性质性质 用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可以层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可以层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可以层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可以生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。(2)2)反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度分和杂质浓度分和杂质浓度分和杂质浓度 反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质和多层结构无疑是很重要的。和多层结构无疑是很重要的。和多层结构无疑是很重要的。和多层结构无疑是很重要的。MOVPE的特点的特点(3)(3)晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要控制的参数少需要控制的参数少需要控制的参数少需要控制的参数少，设备简单。便于多片和大片外延生长，设备简单。便于多片和大片外延生长，设备简单。便于多片和大片外延生长，设备简单。便于多片和大片外延生长，有利于批量生长。有利于批量生长。有利于批量生长。有利于批量生长。(4)(4)晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因，因，因，因此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。(5)(5)源及反应产物中源及反应产物中源及反应产物中源及反应产物中不含有不含有不含有不含有HClHCl一类腐蚀性的卤化物一类腐蚀性的卤化物一类腐蚀性的卤化物一类腐蚀性的卤化物，因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。此外，此外，此外，此外，MOVPEMOVPE可以进行低压外延生长可以进行低压外延生长可以进行低压外延生长可以进行低压外延生长(LP-MOVPE.(LP-MOVPE.Low Pressure MOVPE)Low Pressure MOVPE)，比上述常压，比上述常压，比上述常压，比上述常压MOVPEMOVPE的特点更的特点更的特点更的特点更加显著。加显著。加显著。加显著。MOVPE设备 MOVPE MOVPE设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。因为因为因为因为MOVPEMOVPE生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要紧凑等等。紧凑等等。紧凑等等。紧凑等等。不同厂家和研究者所生产或组装的不同厂家和研究者所生产或组装的不同厂家和研究者所生产或组装的不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPEMOVPE设备往往是不同的，但设备往往是不同的，但设备往往是不同的，但设备往往是不同的，但一般来说，都由以下几部分组成：一般来说，都由以下几部分组成：一般来说，都由以下几部分组成：一般来说，都由以下几部分组成：(1)(1)源供给系统、源供给系统、源供给系统、源供给系统、(2)(2)气体输运和流量控制系统，气体输运和流量控制系统，气体输运和流量控制系统，气体输运和流量控制系统，(3)(3)反应室加热及温度控制系统，反应室加热及温度控制系统，反应室加热及温度控制系统，反应室加热及温度控制系统，(4)(4)尾气处理，尾气处理，尾气处理，尾气处理，(5)(5)安全防护报警系统，安全防护报警系统，安全防护报警系统，安全防护报警系统，(6)(6)自动操作及电控系统。自动操作及电控系统。自动操作及电控系统。自动操作及电控系统。MOVPE设备 1 1源供给系统源供给系统源供给系统源供给系统 源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给。源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给。源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给。源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给。金属有机物是装在特制的不锈钢金属有机物是装在特制的不锈钢金属有机物是装在特制的不锈钢金属有机物是装在特制的不锈钢(有的内衬聚四氟乙烯有的内衬聚四氟乙烯有的内衬聚四氟乙烯有的内衬聚四氟乙烯)的的的的鼓泡器鼓泡器鼓泡器鼓泡器(源瓶源瓶源瓶源瓶)中，由通入的高纯中，由通入的高纯中，由通入的高纯中，由通入的高纯H H2 2携带输运到反应室。为携带输运到反应室。为携带输运到反应室。为携带输运到反应室。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精度在度在度在度在001 1以下的电子恒温器中。以下的电子恒温器中。以下的电子恒温器中。以下的电子恒温器中。氢化物一般是经高纯氢化物一般是经高纯氢化物一般是经高纯氢化物一般是经高纯H H2 2稀释到浓度为稀释到浓度为稀释到浓度为稀释到浓度为5 5或或或或1010后后后后(也也也也有有有有100100浓度的浓度的浓度的浓度的)装入钢瓶中，使用时再用高纯装入钢瓶中，使用时再用高纯装入钢瓶中，使用时再用高纯装入钢瓶中，使用时再用高纯H H2 2稀释到所稀释到所稀释到所稀释到所需浓度后，输入反应室。需浓度后，输入反应室。需浓度后，输入反应室。需浓度后，输入反应室。掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运相同。相同。相同。相同。MOVPE设备2 2气体输运系统气体输运系统气体输运系统气体输运系统 气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器(mass(mass flow controllerflow controllerMFC)MFC)，截止阀、电磁阀和气动阀等组成。为，截止阀、电磁阀和气动阀等组成。为，截止阀、电磁阀和气动阀等组成。为，截止阀、电磁阀和气动阀等组成。为了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头用氩弧焊或用氩弧焊或用氩弧焊或用氩弧焊或VCRVCR接头接头接头接头连接，并用正压检漏和连接，并用正压检漏和连接，并用正压检漏和连接，并用正压检漏和HeHe泄漏检测仪检测，泄漏检测仪检测，泄漏检测仪检测，泄漏检测仪检测，保证反应系统无泄漏是保证反应系统无泄漏是保证反应系统无泄漏是保证反应系统无泄漏是MOVPEMOVPE设备组装的关键之一，泄漏速设备组装的关键之一，泄漏速设备组装的关键之一，泄漏速设备组装的关键之一，泄漏速率应低于率应低于率应低于率应低于1010-9-9cmcm3 3s s。气路的数目视源的种类而定。为了精确控制流量应选择量程气路的数目视源的种类而定。为了精确控制流量应选择量程气路的数目视源的种类而定。为了精确控制流量应选择量程气路的数目视源的种类而定。为了精确控制流量应选择量程合适、响应快、精度高的合适、响应快、精度高的合适、响应快、精度高的合适、响应快、精度高的MFCMFC，如进行低压外延生长，在反应，如进行低压外延生长，在反应，如进行低压外延生长，在反应，如进行低压外延生长，在反应室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系统。在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其统。在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其统。在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其统。在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其他颗粒倒吸到反应室中。他颗粒倒吸到反应室中。他颗粒倒吸到反应室中。他颗粒倒吸到反应室中。如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路上绕有加热丝并覆盖上保温材料。上绕有加热丝并覆盖上保温材料。上绕有加热丝并覆盖上保温材料。上绕有加热丝并覆盖上保温材料。MOVPE设备3 3反应室和加热系统反应室和加热系统反应室和加热系统反应室和加热系统 反应室多数是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄反应室多数是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄反应室多数是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄反应室多数是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构。多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构。多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构。多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构。石墨基座由高纯石墨制做，并包覆石墨基座由高纯石墨制做，并包覆石墨基座由高纯石墨制做，并包覆石墨基座由高纯石墨制做，并包覆SiCSiC层，不仅立式石墨基座可以层，不仅立式石墨基座可以层，不仅立式石墨基座可以层，不仅立式石墨基座可以转动，有的水平式基座也可以转动。转动，有的水平式基座也可以转动。转动，有的水平式基座也可以转动。转动，有的水平式基座也可以转动。为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯N N2 2的保护室的保护室的保护室的保护室(箱箱箱箱)或专用装取片设备。或专用装取片设备。或专用装取片设备。或专用装取片设备。加热多采用高频感应加热或辐射加热。由热电偶和温度控制器与微加热多采用高频感应加热或辐射加热。由热电偶和温度控制器与微加热多采用高频感应加热或辐射加热。由热电偶和温度控制器与微加热多采用高频感应加热或辐射加热。由热电偶和温度控制器与微机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达002 2。MOVPE设备4 4尾气处理系统尾气处理系统尾气处理系统尾气处理系统 反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直接排放到大气中，必须进行处理。目前处理尾气的方法有很多种，主要有高接排放到大气中，必须进行处理。目前处理尾气的方法有很多种，主要有高接排放到大气中，必须进行处理。目前处理尾气的方法有很多种，主要有高接排放到大气中，必须进行处理。目前处理尾气的方法有很多种，主要有高温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通入装有入装有入装有入装有H H2 2SOSO4 4+H+H2 20 02 2及装有及装有及装有及装有NaOHNaOH的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等。总之要将尾气处理到符合环保要求剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等。总之要将尾气处理到符合环保要求剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等。总之要将尾气处理到符合环保要求剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等。总之要将尾气处理到符合环保要求后再排放到大气中。后再排放到大气中。后再排放到大气中。后再排放到大气中。5 5安全保护及报警系统安全保护及报警系统安全保护及报警系统安全保护及报警系统 为了安全，一般的为了安全，一般的为了安全，一般的为了安全，一般的MOVPEMOVPE系统，设备有高纯系统，设备有高纯系统，设备有高纯系统，设备有高纯N N2 2旁路系统，在断电或其他原旁路系统，在断电或其他原旁路系统，在断电或其他原旁路系统，在断电或其他原因引起的不能正常工作时，纯因引起的不能正常工作时，纯因引起的不能正常工作时，纯因引起的不能正常工作时，纯N N2 2将自动通入系统保护系统内的清洁。在正常将自动通入系统保护系统内的清洁。在正常将自动通入系统保护系统内的清洁。在正常将自动通入系统保护系统内的清洁。在正常停止生长期间也有长通高纯停止生长期间也有长通高纯停止生长期间也有长通高纯停止生长期间也有长通高纯N2N2的保护系统。的保护系统。的保护系统。的保护系统。设备还附有设备还附有设备还附有设备还附有AsHAsH3 3，PHPH3 3等毒气等毒气等毒气等毒气泄漏检测仪及泄漏检测仪及泄漏检测仪及泄漏检测仪及H2H2气泄漏检测器，并通过声光报警。气泄漏检测器，并通过声光报警。气泄漏检测器，并通过声光报警。气泄漏检测器，并通过声光报警。6 6控制系统控制系统控制系统控制系统 一般的一般的一般的一般的MOVPEMOVPE设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。在控制在控制在控制在控制系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况。有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况。有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况。有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况。MOVPE生长GaAs使用使用使用使用TMGaTMGa与与与与AsHAsH3 3反应生长反应生长反应生长反应生长GaAsGaAs原理原理原理原理 Ga(CH Ga(CH3 3)3 3(g)+AsH(g)+AsH3 3(g)=GaAs(s)+3CH(g)=GaAs(s)+3CH4 4(g)(g)如果要生长三元化合物如果要生长三元化合物如果要生长三元化合物如果要生长三元化合物GaGa1-x1-xAlAlx xAsAs时，可以在上述反应系时，可以在上述反应系时，可以在上述反应系时，可以在上述反应系统中再通往统中再通往统中再通往统中再通往TMAlTMAl，反应式为：，反应式为：，反应式为：，反应式为：xAl(CH xAl(CH3 3)3 3(g)+(1-x)Ga(CH(g)+(1-x)Ga(CH3 3)3 3(g)+AsH(g)+AsH3 3(g)=(g)=Ga Ga1-x1-xAlAlx xAs(s)+3CHAs(s)+3CH4 4(g)(g)MOVPE生长GaAs工艺工艺工艺工艺 把处理好的把处理好的把处理好的把处理好的GaAsGaAs衬底装到基座上，调整好三甲基镓衬底装到基座上，调整好三甲基镓衬底装到基座上，调整好三甲基镓衬底装到基座上，调整好三甲基镓(TMG)(TMG)源源源源的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等。的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等。的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等。的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等。然后系统抽空、充然后系统抽空、充然后系统抽空、充然后系统抽空、充H H2 2(如是低压生长应调整好反应室内压力如是低压生长应调整好反应室内压力如是低压生长应调整好反应室内压力如是低压生长应调整好反应室内压力)。接着升温，待温度达到接着升温，待温度达到接着升温，待温度达到接着升温，待温度达到300 300 时，开始通时，开始通时，开始通时，开始通AsHAsH3 3，在反应室内，在反应室内，在反应室内，在反应室内形成形成形成形成AsAs气氛，以防止气氛，以防止气氛，以防止气氛，以防止GaAsGaAs衬底受热分解。待温度升至外延生衬底受热分解。待温度升至外延生衬底受热分解。待温度升至外延生衬底受热分解。待温度升至外延生长温度时，通入长温度时，通入长温度时，通入长温度时，通入TMGTMG进行外延生长。进行外延生长。进行外延生长。进行外延生长。在生长完后，停止通在生长完后，停止通在生长完后，停止通在生长完后，停止通TMGTMG，降温到，降温到，降温到，降温到300300时再停止通时再停止通时再停止通时再停止通AsHAsH3 3，待，待，待，待温度降至室温时开炉取出外延片。温度降至室温时开炉取出外延片。温度降至室温时开炉取出外延片。温度降至室温时开炉取出外延片。影响GaAs生长的因素常压常压常压常压MOVPEMOVPE生长生长生长生长GaAsGaAs(1)AsH3(1)AsH3TMG(VTMG(VIII)III)对所生长的对所生长的对所生长的对所生长的GaAsGaAs导电类型和载流子浓度的影响。导电类型和载流子浓度的影响。导电类型和载流子浓度的影响。导电类型和载流子浓度的影响。由图看出，在比值大的情况下，由图看出，在比值大的情况下，由图看出，在比值大的情况下，由图看出，在比值大的情况下，外延层是外延层是外延层是外延层是N N型，载流子浓度处于低型，载流子浓度处于低型，载流子浓度处于低型，载流子浓度处于低到中等到中等到中等到中等(10(101414cmcm3 3)区域内。随着区域内。随着区域内。随着区域内。随着ASHASH3 3TMGTMG比的减少，材料的载流比的减少，材料的载流比的减少，材料的载流比的减少，材料的载流子浓度也随之减少，并发生导电类子浓度也随之减少，并发生导电类子浓度也随之减少，并发生导电类子浓度也随之减少，并发生导电类型改变。当比值减少到大约型改变。当比值减少到大约型改变。当比值减少到大约型改变。当比值减少到大约2020时，时，时，时，变为变为变为变为P P型。型。型。型。实验发现，产生导电类型转变区实验发现，产生导电类型转变区实验发现，产生导电类型转变区实验发现，产生导电类型转变区的精确的的精确的的精确的的精确的AsH3AsH3TMGTMG的比值与生的比值与生的比值与生的比值与生长温度、生长速度以及源的纯度有长温度、生长速度以及源的纯度有长温度、生长速度以及源的纯度有长温度、生长速度以及源的纯度有关。此外，在比值大于关。此外，在比值大于关。此外，在比值大于关。此外，在比值大于3030时，表面时，表面时，表面时，表面如镜面，而比值很低，小于如镜面，而比值很低，小于如镜面，而比值很低，小于如镜面，而比值很低，小于10101515时，表面变得粗糙。时，表面变得粗糙。时，表面变得粗糙。时，表面变得粗糙。影响GaAs生长的因素(2)(2)外延层厚度对迁移率的影响。在半绝缘外延层厚度对迁移率的影响。在半绝缘外延层厚度对迁移率的影响。在半绝缘外延层厚度对迁移率的影响。在半绝缘GaAsGaAs衬底上，相同的条件下，衬底上，相同的条件下，衬底上，相同的条件下，衬底上，相同的条件下，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，迁移率迅速增加，在层厚迁移率迅速增加，在层厚迁移率迅速增加，在层厚迁移率迅速增加，在层厚252530m30m时，达到极大值，然后有所下降，但时，达到极大值，然后有所下降，但时，达到极大值，然后有所下降，但时，达到极大值，然后有所下降，但变化不大。产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积变化不大。产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积变化不大。产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积变化不大。产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致。物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致。物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致。物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致。(3)(3)总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响非掺杂非掺杂非掺杂非掺杂GaAsGaAs外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从750750到到到到600600，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在600600时，时，时，时，总杂质浓度总杂质浓度总杂质浓度总杂质浓度10101515cmcm3 3。但低于。但低于。但低于。但低于600600时，外延层表面变得粗糙。时，外延层表面变得粗糙。时，外延层表面变得粗糙。时，外延层表面变得粗糙。(4)(4)源纯度对迁移率的影响。在源纯度对迁移率的影响。在源纯度对迁移率的影响。在源纯度对迁移率的影响。在MOVPEMOVPE生长非掺杂生长非掺杂生长非掺杂生长非掺杂GaAsGaAs外延层中，杂外延层中，杂外延层中，杂外延层中，杂质的主要来源是源材料，只要质的主要来源是源材料，只要质的主要来源是源材料，