薄膜材料技术与物理5

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1、液相外延（LiquidPhaseEpitaxy，LPE）从过冷饱和溶液中析出固相物质并沉积在单晶衬底上生成单晶薄膜1963年，尼尔松发明，用于外延GaAs第五章硅液相外延物理理论基础：假设溶质在液态溶剂内的溶解度随温度的降低而减少，那么当溶液饱和后再被冷却时，溶质会析出。若有衬底与饱和溶液接触，那么溶质在适当条件下可外延生长在衬底上。5.1液相外延生长的原理生长方式特点优点缺点稳态利用衬底（低温）与源可生长组分均厚度不均匀溶于熔体中的硅淀积在硅单晶衬底上，并形成单晶薄膜。（温度梯度片（高温）之间溶液的匀的厚外延层。外延生长）温度差造成的温度梯度实现淀积

2、：在生长过程中溶于熔体中的硅是过饱和的。实现溶质的外延生长。瞬态每次开始操作前不让衬生长0.1~几m厚度比稳态法底与溶液接触。的薄外延层。的要均匀得多熔体，也称熔剂，不是水、酒精等液体，而是低熔点金属的熔体，在这里，硅外延用的熔体是锡，也可用镓、铝。瞬态LPE，溶液冷却方法：硅在熔体中的溶解度随温度变化而变化。平衡法、分步冷却法（突冷法）、过冷法、两相法在以锡溶剂中，硅的溶解度随温度降低而减少。溶液生长晶体的过程，可分为以下步骤：1.熔硅原子从熔体内以扩散、对流和强迫对流方式进行输硅液相外延生长：运。质量输运过程•通过降低熔体温度进行（过冷生长），（

3、逐步过冷，(冷却速率相关)2.通过边界层的体扩散。冷却速率℃/min）3.晶体表面吸附。•熔体饱和后降低温度，使熔体呈过饱和，然后维持4.从表面扩散到台阶。恒定温度进行生长（等温生长）5.台阶吸附。受表面动力学支配6.沿台阶扩散。7.在台阶的扭折处结合入晶体。1一、过冷生长动力学（逐步冷却，冷却速率恒定）A质量输运控制选择5种冷却速率：表面动力学过程快于质量输运过程，生长速率将由质量输运控制。通常液相外延生长都是在这种条件下进0.2℃/min,0.5℃/min,0.75℃/min,2.5℃/min,7℃/min行的。0.2℃/min对应每一冷却速率，

4、0.5℃/min可得到一固定的生长速率。生长速率随冷却速率增加而增加。B表面动力学控制0.75℃/min由什么限制？质量输运速率过程快于表面动力学过程，生长速率受表面动力学限制。2.5℃/min冷却速率↑，而生长速率不再增加？7℃/min由什么限制？由质量输运限制的生长速率（存在边界层，溶质线性梯度分布）（在低冷却速率的情况下）D：溶质有效分凝系数，：过饱和度，：平衡溶质浓度，:晶体密度，：边界层厚度。图5-1外延层厚度与(a)生长时间和(b)过冷度的关系如果溶质溶解度随湿度线性变化（800-950℃），同时，●0.2℃/min,▲0.5℃/

5、min,■0.75℃/min,○2.5℃/min,△7.0℃/min冷却速率为常数C。可以这样认为：=KC•较高冷却速率，所有点都落在一条直线上。其中K是比例常数，与冷却速率大小有关，那么生长速率：•较低冷却速率生长，外延层厚度与过冷度成线性。（质量输运限制）•所有冷却速率，外延层厚度与生长时间成正比。薄膜厚度（Thickness）图5-2生长速率随冷却速率的变化关系可以看出：膜厚最终取决于过冷度，与冷却速度无关。在较低的冷却速率下，表面动力学过程比质量输运过程快，生长速率受质量输运限制。冷却速率上升，生长速率趋于饱和。生长速率为质量输运限制，冷却

6、速率增大，C↑→↑在过冷生长条件下获得外延层的形态:(表面质量)1）低冷却速率0.2℃/min，表面平整。生长速率为表面动力学限制（大冷却速率），与C无关。2）冷却速率↗0.5℃/min，有锡的类杂，组分过冷。3）冷却速率↗↗7℃/min，表面形态强烈依赖下表面晶向。2二、等温生长动力学在熔体过饱和时才能进行外延生长。过饱和度以熔体饱和温度与生长温度差的形式给出，外延层厚度与过饱和的关系。因为在这个温度范围内，硅在锡中的溶解度与温度成线性关系。因此，温度差直接表示过饱和度。过饱和度21℃外延层厚度的增加与生长时间平方根成正比，与过饱生长温度919℃

7、和度成正比。生长温度949℃生长时间100min图5-3外延层厚度与(a)过饱和度(b)生长时间的线性关系假设：停滞边界层；生长单元（硅原子）能穿过边界层，并通过边界层和熔体的界面的一级反应，结合并进入外延层。只要外延层的密度远大于熔体中溶质的浓度，只要生长速率低，在分析中就可忽略边界层运动。等温生长技术非常适用于薄层外延生长，因为表面微形CL:边界层外的固定浓度，Ce:平衡浓度，貌很好，厚层处延需较长的生长时间和高的过饱和度。D：熔体中生长单元的扩散系数，K：表面反应常数。等温生长可获得平整的表面。：外延层密度即使在较低的冷却速率下获得外延层，其表

8、面形貌，多多少少有波纹。2．生长设备5.2设备和实验方法1．溶剂锡（Sn），溶点低，重要的是，