化合物半导体材料基础

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1、第4章化合物半导体材料基础4.1化合物半导体材料概述按化学组分分类，化合物半导体是由两种或两种以上元素以确定原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物，其次是三元和多元化合物及某些稀土化合物。目前已经得到实用的二元化合物半导体材料只有部分Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族及Ⅳ-Ⅳ族化合物等，涉及的相关元素如图所示。化合物半导体相关元素化合物及其固溶体的品种繁多，性能各异，给应用扩大了选择。在光电子方面，所有的发光二极管、激光二极管都是用化合物半导体制成的，已获工业

2、应用的有GaAs、GaN、GaP、GaAlAs、GaAsP、InGaAsP等；用作光敏元件、光探测器、光调制器的有InAsP、CdS、CdSe、CdTe、GaAs等；一些宽禁带半导体（SiC、ZnSe等）、三元化合物具有光电子应用的潜力；GaAs是制作超高速集成电路的最主要的材料；微波器件的制作是使用GaAs、InP、GaAlAs等；红外器件则用GaAs、GaAlAs、CdTe、HgCdTe、PbSnTe等；太阳电池是使用CdS、CdTe、CulnSe2、GaAs、GaAlAs等。4.2化合物半导体单晶的制备4.2.1Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体单晶的

3、制备1.水平布里奇曼法2.液态密封法液态密封法拉制单晶示意图水平布里奇曼法的装置利温度分布图4.2.2Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体单晶的制备Ⅱ-Ⅵ族化合物单晶的生长方法有垂直布里奇曼法、升华法、移动加热法等。1.垂直布里奇曼法2.升华法3.移动加热法导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。垂直布里奇曼炉及炉温分布升华法制备Ⅱ-Ⅵ族化合物单晶材料的装置及温度分布图移动加热法示意图4.3化合物半导体外延生长技术4.3.1气相外延生长MOVPE技术是于

4、1968年提出来的生长化合物半导体薄层晶体的方法，又称为MOCVD，它是采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长的原材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶。例如用TMG与AsH3反应生长GaAs。Ga（CH3）3+AsH3GaAs+CH4MOVPE技术主要特点有：（1）生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器。可精确控制各种气体的流量，控制外延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚度等特性。可以生长纳米级的薄层和多层结构。（2）反应器中气体流速快，气体

5、改变迅速，改变多元化合物组分和杂质浓度时，杂质分布陡峭，过渡层薄，利于生长异质和多层结构。（3）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，设备简单。便于多片和大片外延生长，有利于批量生长。（4）晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。（5）源及反应产物中不含有HCl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。MOVPE工艺流程示意图4.3.2液相外延生长液相外延技术（LPE），是一种从生长界面处于饱和状态的熔融溶液中进行沉积，借以在单晶衬底上生长外延层的技

6、术。与其他外延技术相比，液相外延有以下优点：1）生长设备比较简单；2）生长速率快；3）外延材料纯度比较高；4）掺杂剂选择范围较广泛；5）外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；6）成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；7）操作安全，没有汽相外延中反应气体和反应产物所造成的高毒、易燃、易爆和强腐蚀等危险。液相外延系统配置1.液相外延生长原理和生长方法1）生长原理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。GaAs液相

7、外延生长原理2.液相外延工艺过程1）外延生长前的准备工作（1）石墨舟处理。（2）反应管处理。（3）炉温设定。（4）衬底制备。（5）生长源称量。（6）生长源腐蚀清洗。2）外延生长步骤（1）开炉（2）烧杯和量桶清洗。（3）称Ga和装Ga。（4）抽真空和通氢气。（5）脱氧。（6）装源。（7）熔源。（8）外延生长。（9）关炉取片。4.3.3其他外延生长技术1.分子束外延（MBE）分子束外延技术主要是一种可在原子尺度上精确控制外延层厚度、掺杂和界面平整度的半导体超薄层单晶薄膜制备技术，可用以直接生长制备出二维、一维、零维的纳米结构。2.溅射溅射过程可定义

8、为因受到高能投射粒子的撞击而引起的靶粒子喷射。溅射是物理过程而不是化学过程。因此该技术极适于生长熔点和蒸汽压大不相同的元素组分所构成的化合物与合金。主