（物理电子学专业论文）横向外延技术的理论分析与两步生长法的实验研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文摘要 横向外延技术的理论分析与两步生长法的实验研究 摘要 本论文的研究工作是围绕以任晓敏教授为首席科学家的国家重 点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件 及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 中课题1 ( 单片集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创新” ( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) 、以及黄辉副教授承担的教育部“新世 纪人才支持计划”( 批准号：n c e t 0 0 5 0 1 1 1 ) 展开的。 今天，随着信息技术的发展，光通信技术作为信息社会的“神经”， 其基础地位日益凸现。波分复用与全光网络在光通信技术中脱颖而 出，已成为人们研究的焦点。这些技术希望能够同时利用光的高速特 性与电的成熟特性，因此，如何将具备不同光电特性的异质半导体材 料，尤其是以g a a s 、i n p 为代表的i i i v 族化合物半导体材料与s i 集 成在一起，改善异质兼容的性能，从而为实现光电子器件的单片集成 及准单片集成提供衬底基础的问题，已经成为人们研究的重中之重。 本论文围绕着光电子集成中大失配异质外延的横向外延技术与 两步生长技术的若干理论问题开展了系统的研究，并在实验上对这些 实现方法进行了有益的探索。取得的主要成果如下： 1 建立了基于金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 技术的横向外延 ( e l o g ) 生长速率模型。该模型将气相扩散与掩膜表面扩散相 结合，解释了掩膜宽度、窗口宽度以及有效掩膜宽度对e l o g 中 横向和纵向生长速率的作用机制。其结论与已有文献报道的实验 相一致； 2 依据k h e n n e r 等人建立的e l o g 晶体形貌演进模型，利用m a t l a b 与f o r t r a n 混合编程技术编写了计算程序，讨论了模型求解的若干 数学问题。这部分工作与生长速率模型一起，为未来的晶体表面 动态模拟提供了理论与计算机程序基础； 3 。在本课题组周静博士地带领下，采用扫描电子显微镜( s e m ) 对 e l o g 外延片进行测试。测试结果表明：本课题组探索的i n p g a a s 横向外延技术，其生长过程与生长速率的理论分析相吻合，为下 i i 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 一步研究g a a s 与i n p 光电子器件的集成奠定了基础； 4 在本课题组熊德平博士地带领下，利用低压金属有机化学气相沉 积( l p m o c v d ) 技术，采用基于低温非晶缓冲层的两步生长方 法，开展了在( 1 0 0 ) s i 衬底上直接异质外延g a a s 的实验研究。 优化得到的g a a s 低温缓冲层生长条件为：生长温度为4 5 0 ， 生长时间为2 5 0 s 。在此基础上生长了厚度为1 4 l x m 的正常g a a s 外延层，d c x r d 一2 0 测试得到的半高宽为4 9 3 6 a r c s e c 。 关键词：光电集成异质外延金属有机化学气相沉积横向外延 低温缓冲层 l i i 北京邮电大学硕士学位论文摘要 t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ee p i t a x i a l l a t e r a lo v e r g r o w t ha n de x p e r i m e n t r e s e a r c h o nt h et w os t e pm e t h o d a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i sw a sm a i n l ys u p p o r t e db yt h es u b - p r o j e c to n e “t h e o r yo hh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a l sc o m p a t i b i l i t ya n dk e ys t r u c t u r e t e c h n o l o g y i n n o v a t i o n s f o r m o n o l i t h i c i n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ”仃r o j e e l n o 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 0 1 ) o ft h e m a j o rp r o j e c t b a s i c r e s e a r c ho ni n t e g r a t e d o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo p t i c a lf i b e r s w i t hs t r u c t u r ea n d t e c h n o l o g yi n n o v a t i o n s f o rf u t u r ea d v a n c e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi st h e s t a t e k e yd e v e l o p m e n tp r o g r a mf o rb a s i cr e s e a r c ho fc h i n a ( p r o j e e t n o 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) ，i nw h i c hp r o f e s s o rr e nx i a o m i ni sr e s p o n s i b l ef o ra sac h i e f s c i e n t i s t a d d i t i o n a l l y , p a r to fr e s e a r c hw a sa l s oa s s i s t e db yt h ep r o g r a mf o rn e w c e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y ( g r a n dn o n c e t 0 5 0 1 “) a tp r e s e n t ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r eu n d e r p i n n i n go ft h e i n f o r m a t i o ns o c i e t y , h a v ep u l l e dm o s tr e s e a r c ha t t r a c t i o n s i nw h i c h , w d ma n d a l l - o p t i c a ln e t w o r kd e v e l o p i n gr a p i d l y , h a v eb e e nt h er e s e a r c hf o c u sf o rap e r i o do f t i m e t h ep r o b l e mh o wt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh e t e r os e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l se p i t a x yg r o w t h e s p e c i a l l yc o m p a t i b i l i t yo fi i i ，vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r w i t hs i ，f o ra c h i e v e m e n to fm o n o l i t h i co rq u a s i m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o ni sd e f i n i t e l y t h ec r a xo f t h em a t t e r , i nt h i sm a s t e r st h e s i s ，t h et h e o r e t i c a lm e c h a n i s m sa b o u th e t e r oe p i t a x yg r o w t h t e c h n i q u e s e s p e c i a l l ye p i t a x i a ll a t e r a lo v e i t g r o w t ha n dt w os t e p m e t h o d ，f o ri n t e g r a t i o no fl a r g e rl a t t i c em i s m a t c hs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l si n o e i ch a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m i c a l l y s e v e r a le x p e r i m e n t sa b o mt h ea b o v ew e r e c a r d e do u tm e a n t i m eb y c o r r e s p o n d i n gs c h e m e s t h er e s e a r c h r e s u l t sc a nb e i v 北京邮电大学硕士学位论文 s u m m a r i z e d 嬲f o l l o w s ： 1 t b e o r e t i e a le x p r e s s i o n so ft h ee p i t a x i a ll a t e r a lo v e r g r o w t h ( e l o g ) r a t ei nt h e m e t a lo r g a n i cc h e m i c a ld e p o s i t i o n ( m o c v d ) h a v eb e e nf o r m u l a t e d ，w i t h r e s p e c tt ot w os e p a r a t ep r o c e s s e s ：v a p o rp h a s ed i f f u s i o na n dm a s ks u r f a c e d i f f u s i o n o nt h ec o n d i t i o no fi n pd e p o s i t i o no ng a a ss u b s t r a t e ，ap a r a n a e t r i c s t u d yw a sa c c o m p l i s h e di no r d e rt od e t e r m i n et h ei m p a c to ft h em a s k w i n d o w w i d t ht ot h eg r o w t hr a t e t h em o d e l ，w h i c hw a sc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n t m e t h o d r e v e a l e dt h a tt h ek e yd e t e r m i n i n gf a c t o r so ft h eg r o w t hr a t ea 地 m a s k w i n d o ww i d t ha n dm a s kw i d t h e f f e c t i v em a s kl e n g t h t h em o d e l ，w h i c h a m e l i o r a t e st h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fe l o ( jc a nb ea l s ou s e d 髂ap r e d i c t i o n t o o lt oi d e n t i f yt h eg r o w t hc o n d i t i o n sl e a d i n gt oe x p e c t a b l eg r o w t hr a t e 2 t h em o d e lo ft h ei s o t r o p i cc r y s t a ls u r f a c ee v o l u t i o ng r o w no nas u b s l r a t e c o v e r e db yt h em a s km a t e r i a li nt h em o c v de n v i r o n m e n th a sb e e ns e tu p i n h e r i t e df r o mt h emk h e r m e r st h e o r e t i c a lr e s e a r c h , 、析t hr e s p e c tt ot h e r e p h y s i c a lm e c h a n i s m s ：c r y s t a ls u r f a c ed i f f u s i o n , s u r f a c ed e p o s i t i o nb yt h e c h e m i c a lp o t e n t i a ld i f f e r e n c ea c r o s st h ei n t e r f a c ea n dt h em a s ks u r f a c ed i f f u s i o n 1 r i l em o d e lw a ss o l v e db yaf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n de u l e rm e t h o d u s i n g m a t l a ba n df o r t r a na p it e c h n i q u e s ，t h ee v o l u t i o no ft h ec r y s t a ls u r f a c ec o u l db e s i m u l a t e dd y n a m i c a l l yi nf u t u r e t h i se v o l u t i o nm o d e lc o u l dd e s c r i b et h ew h o l e e l o gw i mt h ea b o v eg r o w t hr a t em o d e l 3 t h ee x p e r i m e n t a le l o ge p i t a x i a lw a f e r sw e r ee v a l u a t e db yt h em e a n so fs e m t h a n k st od o c t o rz h o uj i n g t h er e s u l t sr e v e a lt h a ti n p g a a sh e t e r o e p i t a x yw a f e r b a s e do ne l o gh a sb e e na c h i e v e d 4 t h eg a a s s ih e t e r o e p i t a x yg r o w t hs t r u c t u r eb a s e do nt w os t e pm e t h o dw a s a c h i e v e dw i t l ll p - m o c v dt h a n k st od o c t o rx i o n gd e p i n g t h eo p t i m i z i n g g r o w t hp a r a m e t e r sw e r e b u f f e rl a y e rg r o w t ht i m ei s2 5 0 s ，b u f f e rl a y e rg r o w t h t e m p e r a t u r ei s4 5 0 c 1 1 1 e 印i - l a y e rt h i c k n e s si s1 4 p r oa n dt h ed c x r d c o 一2 0 f w h mi s4 9 3 6a r c s e c v 北京邮电大学硕士学位论文摘要 k e yw o r d s ：o e i c h e t e r o e p i t a x y m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n l o w - t e m p e r a t u r eb u f f e rl a y e r v i 北京邮电大学硕士学位论文声明 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：翅磊同期：z 1 2 ：! 皇 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 童3 盈 开期： 逝翌五盘 导师签名： 彳礁 同期：塑2 ：! ：丝 北京邮电大学硕士学位论文第一章 第一章绪论 本论文研究工作是围绕以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发 展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创 新与基础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 中课题1 “单片集成光电子器件的 异质兼容理论与重要结构工艺创新”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) 、以及黄辉副 教授承担的教育部“新世纪人才支持计划”( 批准号：n c e t - 0 5 0 1 1 1 ) 展开的。 在任晓敏教授、黄永清教授、黄辉副教授和王琦讲师的精心指导下，笔者与 课题组的其他同学一起，针对单片及准单片集成光电子器件中基于m o c v d 生 长技术的大失配异质兼容外延技术，尤其是横向外延技术、两步生长法的物理机 制问题、以及生长实验问题等，开展了系统的理论分析和实验研究。 在本论文的绪论部分，将就本论文的研究背景和意义，以及论文的结构安排 作以简单扼要的介绍。 1 1 研究的背景及意义 当今人类的时代被称为信息时代，信息对于人类活动的重要性可想而知。事 实上，从结绳记事到飞鸽传书，从汗牛充栋到千里传音，信息从人类诞生伊始就 与人类生存息息相关。信息的流通包括信息的产生、传输、储存、交换与处理五 个过程。信息的流通过程离不开载体。从甲骨文时期龟甲承载信息到周幽王烽火 招诸侯千金买笑，从马可尼跨洋无线电通信到今天遍布全球的光纤通信系统，信 息的载体经历了一代又一代变迁。信息的流通无非是将一切主观与客观事物的运 动状态与方式，以及由此引发的人类感知传递给需要的对象。人作为信息流通的 需求者，自然希望信息能够中止于人的视听嗅味触五感。信息的载体能够承载五 感愈甚者，愈有助于信息的流通，而信息愈能顺畅流通，社会发展的速度亦会愈 快。纵观信息载体发展的历程，可以发现，信息载体的变更总会预示社会跨越式 进步的到来。 1 9 0 4 年弗莱明发明了第一只电子二极管，并将其用于无线电检波，电子技 术的时代宣告开始。而电子技术真正蓬勃发展并成为人类生活不可或缺的组成部 分，开始于半导体晶体管与集成电路的发明。今天，电子技术的发展水准是现代 化的一个重要标志，电子工业是实现现代化的重要物质技术基础。电子工业的发 展速度和技术水平，特别是电子计算机的高度发展及其在生产领域中的广泛应 用，直接关系到工业、农业、科学技术和国防建设，关系着社会主义建设的发展 速度和国家的安危，更直接关系着亿万人民的物质、文化生活，关系着广大群众 北京邮电大学硬士学位论文第一章 的切身利益。因此，依托于电子技术的现代信息化，是当今社会发展的根基之一。 硅( s i ) 是整个地球环境中比例第二高的元素，也在所有半导体材料中，原 材料最丰富、成本最低廉；硅具有出众的热导能力，这非常有助于半导体器件的 散热，从而使其能够更有效的工作在设计条件下；硅还具有出色的机械强度，易 于加工，这使得硅片的切削、倒角、机械研磨等都比较容易实现。上述特点使得 硅很早就取代锗( g e ) 成为使用最广泛的半导体电子材料，无怪人们称当今的 时代为“硅基时代”。 最早的光承载信息实现通信的例子可以追溯到三千多年前的周朝。周幽王点 燃烽火台召来各路诸侯，只为博佳人一笑。而真正意义上的现代光通信，是以石 英玻璃光导纤维和常温砷化镓( g a a s ) 双异质结激光器的发明为起点的。信息 的载体正由电子向光电子结合和全光方向发展，2 l 世纪的信息技术将是以信息 功能材料为基础的微电子、光电子和光子技术融合的高技术。在这个转变过程中， 有一类被称为化合物半导体的半导体材料脱颖而出。 以g a a s 、磷化铟( i n p ) 为代表的化合物半导体材料具有以下诸多优势： 1 相对较小的载流子有效质量，使得电子迁移率比s i 、g e 等元素半导体材料 高，电路速率更快； 2 直接带隙，光电转换效率远远高于间接带隙的s i 、g e 等元素半导体材料； 3 可调的组分，使得在不改变品格常数的同时调整禁带宽度，从而达到调整发 光波长的目的。 这些优势使得化合物半导体在超高速、超高频、低功耗、低噪声电子电路和 器件，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。据报道，i n p h e m t 晶体管的最高频率可以达到6 0 0 g h z 以上【“，i m p h b t 的截止频率可以达到 3 0 0 g h z l 2 1 ，发光波长从数百n r f l 到数干n m 不等( g a a s ，6 3 5 n m 一1 0 0 0 n m ，i n p ， 1 3 0 0 n m 1 7 0 0 h m ) ，而且产生了诸如异质结、多量子阱等新奇结构。世界各地的 研究人员不断突破，不断获得重大的进展，信息技术的载体经历变革，人类社会 进入了又一轮高速发展时期。 从材料发展的角度分析，我们可以发现它是遵循从电到光的演化规律的。电 子的时代已经蓬勃发展，而光子的时代就在不远的未来，那么现在必然要经历一 个光电融合的过渡期。通信光电子集成( o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ， o e i c ) 是将发射或接收光信号的有源光器件( 如激光器、调制器、探测器或光 放大器) 、无源光器件( 如光波导或光耦合器) 与相关的驱动电路、放大电路、 信号处理电路、监测控制电路等电子器件集成在同一芯片上，完成某一特定功能 或子系统功能。o e i c 将微电予技术的成熟与光技术的高速大容量特性相结合， 为信息时代的信息流通提供了新的载体。 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章 通信光电子集成技术的研究面临最突出的矛盾是半导体材料、结构与工艺之 间的兼容闯题1 4 1 。任何光电子集成器件都包含至少两个半导体材料层。然而，表 l - l 说明s i 、g a a s 、i n p 的天然物理性质截然不同，导致它们在光电应用不同方 面具备不同优势。图1 - 1 显示了不同半导体材料制造的电子电路所能够达到的截 止频率，以及其重要应用。表1 - 1 对比了本论文所关注的三种半导体材料，单质 半导体材料s i 以及m v 族化合物半导体材料g a a s 、i n p 的物理特性和应用领域。 可见，i i 卜v 族化合物半导体具备高速、高频、高光电转换效率、可见光及红外 波长工作、耐高温和高功率阻抗等诸多优点。为了实现半导体材料之间的兼容， 实现不同材料优势共同利用的目标，就必须首先解决因晶格常数、热膨胀系数以 及极性不同而导致的失配问题。 图卜1 不同半导体材料的应用举例及工作额率“ 表1 1s i 、6 a 。、i n p 材料物理参数与应用领域的对比 s ig a a si i l p席 带隙宽度1 1 2 e v ( i n d i r e c t )1 4 2 4 e v ( d i r e c t )1 3 4 4 e v ( d i r e c t ) 晶格常数 5 。4 3 0 8 9 a 5 6 5 3 2 5 a5 8 6 8 7a 热膨胀系数 2 4 4 10 - 6 k 。1 5 7 3 1 0 1 ( i4 6 1 0 0 1 极性 n o n p o l a r p o l a rp o l a r 优势 晶片尺寸大光电转换效率高 加工技术成熟高速、高频、高压 成本低廉 应用领域微电子集成电路 8 5 0 n m 附近光电子1 5 5 0 n m 附近光电 器件子器件 如果能够解决异质半导体材料的材料兼容问题，实现1 1 i v 族化合物半导体 之间、化合物半导体与元素半导体( 如s i ) 之间，以及其它半导体材料之间的异 质兼容，那么就可能为信息技术带来无限的可能： 1 通过将带隙不同的半导体材料( 两层或多层) 组合在一起，可以设计载流予 的空间限制结构，使得精确控制器件的特性成为可能； 3 北京邮电大学硕士学位论文第一章 2 通过组合化合物半导体，可以按需求设计材料的品格常数和带隙； 3 通过将晶格常数不同的半导体材料组合在一起，可以引入精确设计的应力分 布和能带结构，创造意想不到的新奇结构： 4 最重要的，将成熟完善的s i 技术与高速大容量的化合物半导体技术相结合， 将极大地降低高速大容量器件的生产制造成本，提高应用灵活性，保护已有 技术与投入，推动高速信息化与人类文明的发展。 目前实现半导体异质材料的兼容主要有两种方法：异质外延( h c t c r o c p i t a x y ) 与晶片键合( b o n d i n g ) 。 1 异质外延。英文e p i t a x y 是由希腊文“e p i ”和“t a x i o ”引申而来的，意思是 “在之上排列”。它指的是在一定条件下，使某种物质的原子( 或分子) 按照事先制备好的完整晶体( 一般称为衬底) 晶格有规则的排列。异质外延 一般是采用先进的生长技术，如金属有机化学气相沉积( m e t a lo r g a n i c c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，m o c v d ) 、分子柬外延( m o l e c u l eb e a me p i t a x y , m b e ) 等，控制异质材料物理特性的不匹配所导致的各种缺陷与位错，从 而达到相互兼容的目的。相比氢化物气相外延法和液相外延法，m o c v d 与 m b e 具有厚度精确控制、多层生长、掺杂可控等优点，为目前半导体异质 外延最经济常用的生长技术。本论文就将主要关注m o c v d 方法的异质外 延生长研究，第二章详细介绍并对比了几种常用的生长技术。 2 晶片键合。b o n d 指原子的化学键，b o n d i n g 就是指利用异质材料界面的成键 能( 一般为共价键或范德瓦尔斯键) ，将不同物理常数的材料“粘合”在一 起。它作为一种准单片光电子集成工艺，是大失配异质外延的必要补充。特 别适合于线性膨胀系数差别较小，而晶格常数差别大于5 的大失配异质兼 容。本论文不将其作为研究重点。 有了m o c v d 生长技术的支持，实现异质外延还需要考虑生长方法的革新。 人们在材料外延生长的研究过程中，提出过众多的生长方法，诸如两步法 ( t w o - s t e pg r o w t hm e t h o d ) 、超晶格缓冲层法( s u p c r - l a t t i c 霉b u f f e rl a y e rg r o w t h m e t h o d ) 、循环热退火生长( t h e r m a lc y c l ea n n e a l i n gg r o w t h ) 、选择区域生长法 ( s e l e c t i v ea r e ag r o w t hm e t h o d ) 、横向外延方法( c p i t a x i a ll a t e r a lo v e r g r o w t h m e t h o d ) 等等。这些方法根据进入反应室的次数可以分为一次外延和两次外延。 一次外延指衬底进入反应室外延异质材料，出炉即得到异质外延结构，如两步法、 循环热退火方法；两次外延指第一次进入反应室生长一薄层中间材料，出炉后经 过曝光、刻蚀等过程改变衬底的表面性质，再第二次进入反应室外延异质材料， 如s a g 、e l o g 等。 异质外延的生长方法虽然多种多样，但是其中的两步生长法工艺简单，横向 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章 外延法得到的外延片质量较好，因此其它方法基本都是这两种方法的变种或者组 合。深入研究这两种方法，对于异质外延的实现有着重要的意义： 1 有助于深入理解半导体材料生长的微观物理机制。科学正在向宏观和微观两 个方向发展。s i 与v 族半导体分别属于非极性和极性材料。研究它们的 异质外延，可以深入理解晶体表面成核的过程、表面能量的演变、原子在晶 体表面吸附后的运动机制，以及微观不同原子的相互作用对宏观结构的影响 等等一系列基本物理问题。这有助于丰富人类对微观材料性状的认识； 2 为半导体光电子集成提供材料生长的技术平台。前面提到s i 、g a a s 、i l l p 为 代表性的半导体材料，光电子集成的实现首先要求光电子依附的不同半导体 材料的集成。研究它们的异质外延，可以为半导体光电子集成提供技术平台， 也有助于深入研究其它半导体材料的兼容： 3 为集成器件提供异质外延衬底。质量完好的g a a s s i 异质外延衬底可以将 g a a s 基激光器探测器和成熟的s i 微电子技术相结合，为信息技术提供更 高速、更稳定、更灵活的载体。而i n p g a a s 异质外延衬底可以将g a a s 的 大功率高速优势拓展到1 5 5 0 r i m 附近，从而为高速光通信技术打下呼唤已玖 的衬底基础。而且本来不易在g a a s s i 上外延的材料可以再次外延在 i n p g - a a s 层上，如i n s b ，从而将光电子集成的波长范围拓展开来，从紫外 波长一直延伸到远红外波长。 1 2 。论文的结构安排 本论文主要围绕单片和准单片通信光电子器件中半导体材料的异质外延问 题展开理论与实验研究，尤其关注m o c v d 生长技术的物理机制，以及包括横向 外延、基于低温缓冲层的两步生长等不同生长方法的动力学原理与实验。论文的 安排如下： 在第二章中，首先简要介绍了m o c v d 生长技术的物理机制，给出了一种基 于流体动力学的反应室流体模型，为随后研究异质外延方法提供基础模型：然后 简要介绍了x r d i 贝i j 试技术，为评价异质外延的结果打下基础。 在第三章中，重点介绍了横向外延的理论与实验研究。首先简单介绍了横向 外延的技术渊源与理论背景，并从本课题组的实验成果出发，分析了建立横向外 延模型的必要性；然后为横向外延的生长速率与表面形貌分别建立了数学模型， 这两个模型基于扩散与迁移过程，并对求解模型的数学方法做了简要介绍；最后 总结了这一部分的主要研究成果。 在第四章中，首先简单介绍了基于低温缓冲层的两步生长方法，然后详细介 绍了采用s i 基g a a s 两步法实现材料异质兼容的实验方案，并对结果进行了深入 北京邮电大学硕士学位论文第一章 讨论。 接下来，将逐章节对上述研究工作进行详细介绍。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第一章 参考文献 f 1 1s m i t hpm ，“usm ，w - b a n de f f i c i e n c yi n p - b a s e dp o w e rh e m tw i t h6 0 0 g h z f m “，舰m i c r o w a v ea n dg u i d e dw a v el e t t e r , v 0 1 5n o 7 ，1 9 9 5 ，2 3 0 【2 】“n t t 开发出截止频率高达3 4 1 0 h z 的晶体管”， i e d m 速报。 f 3 1t h ec o n c e p to f m o c v dr e a c t o r s ，t h o m a ss w a ns c i e n t i f i ce q u i p m e n tl t d 4 】任晓敏，国家重点基础研究发展( 9 7 3 ) 计划项目“新一代通信光电子集成 器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”申请书，2 0 0 3 9 。 7 北京邮电大学硕士学位论文 第二章 第二章m o c v d 生长技术及相关检测手段 利用外延技术实现光电子集成异质材料的兼容，必然依托于材料的生长技术 与测试手段。本章将就这些生长方法与测试技术做简单介绍。m o c v d 作为技术 成熟、成本不断降低的生长手段，以及扫描电镜( s e m ) 技术、x 射线衍射技术 作为简单、的分析手段，成为我们首选的生长方法与测试方法。 首先，本章对比了几种重要的生长方法，重点介绍了金属有机化学气相沉积 ( m o c v d ) 生长方法，及其反应室的一般模型，为随后研究横向外延的生长机 制打下理论基础；然后，对重要的异质外延质量测试技术，尤其是扫描电镜与x 射线衍射技术做了介绍，我们将采用这些技术评价异质外延的结果是否符合预期 目标。 2 1 外延技术及m o c v d 2 1 1 半导体异质材料的生长方法 半导体科学的发展同半导体材料和器件制造技术的发展是密不可分的，而半 导体材料和器件制造技术的发展又推动着半导体科学日新月异的进步。外延是半 导体材料和器件制造的重要工艺之一，它的应用与发展对于提高半导体材料的质 量和器件的性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重 要意义。 外延技术最早是应硅半导体器件的要求而发展起来的，这种技术首先用于硅 高频大功率晶体管制造中，巧妙地解决了晶体管中集电极区击穿电压与串联电阻 之间的矛盾，同时利用外延层能较精确地控制厚度和掺杂的特点，促使当时处于 急速发展的半导体集成电路进入比较完善的阶段。随着化合物半导体的发展，化 合物半导体外延成为不可或缺的工艺，这是因为绝大多数化合物半导体体单晶材 料通常只是被利用来做外延的衬底，因此外延层的质量直接关系到器件的性能。 目前，最好的g a a s 和i n p 材料都是用外延方法生长出来的。 常见的外延技术包括分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，m b e ) 、液相外 延( l i q u i d p h a s ee p i t a x y ，l p e ) ，盒属有机化学气相外延( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ，m o c v d ) 、氢化物气相外延( h y d r i d ev a p o rp h a s ee p i t a x y ， h v p e ) 等。下面就将分别介绍这几种外延技术。 1 m b e t l 】 分子束外延是一种在晶体衬底上生长高质量外延薄膜的技术。其基本生长过 北京邮电大学硕士学位论文 第二章 程为：在超高真空( 1 0 8 p a 量级) 下，由装有各种所需组分的炉子( 通常为k n u d s o n 炉，也称为源发射炉，炉中保持准平衡态，所以射束的组分和强度不变，并可由 热力学进行计算) 加热产生蒸汽，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷 射到适当温度的单晶衬底上，同时控制分子束对衬底扫描，就可以使分子或原子 按衬底晶格一层层的“长”上去。 利用真空蒸发技术制备半导体薄膜早在1 9 4 8 年就开始了，但最早利用从射 束箱中发生分子束并在n a c i 上生长p b s ，第一次实现化合物薄膜生长是在1 9 6 4 年【1 1 】。随后a r t h u r 等人研究了镓和砷射束入射到砷化镓衬底表面的动力学行为， 大大促进了准直分子束在超高真空系统中沉积薄膜的应用l l 孙。研究发现，如果 g a a s 表面上覆盖了镓原子，砷射束就能附着在加热的砷化镓表面。因此，只要 有过量的砷，就很容易获得符合化学计量比的砷化镓。这些研究大大促进了真正 意义上的m b e 生长方法的建立。 分子束外延的优点是：m b e 是在超高真空系统中操作，使用纯度极高的源， 因此可以得到高纯度、高性能的外延薄膜；生长速率低( 1 1 0 p , m ) ，可以精确控 制外延层的厚度，制作超薄层：生长温度5 0 0 - - 6 0 0 。c ，可以有效限制温度引起的 杂质扩散；可在生长腔内安装各种仪器，包括质谱仪、衍射仪、俄歇电子谱仪等 等，实现生长实时监控。同时也存在诸多不足：超高真空的保证使得成本大幅度 升高；表面形态存在卵形缺陷、长须状缺陷及多晶生长；难以控制多种源同时生 长，掺杂均匀性难以保证；不利于批量生产。 ；。m b e 的特点使得它更适合应用于异质结构、量子阱与超品格研究领域。其 基本结构如图2 - 1 所示。 嚼2 1n i b e 生长技术的示意图 2 l p e 2 液相外延1 9 6 3 年由n e l s o n 等人提出f 3 1 ，其基本原理为：以低熔点的金属( g a 、 i n 等) 为溶剂，以待生长材料( 如g a 、a s 、a i 等) 和掺杂剂( z n 、t e 、s n ) 为 溶质，使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态。通过降温冷却使石墨舟中的溶质从 溶剂中析出，在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与衬底足够相近的 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章 材料，实现外延。这种技术可以生长s i 、g a a s 、g a a i a s 、g a p 等半导体材料以 及石榴石等磁性材料，用以制备各种光电子器件、微波器件和半导体器件。 液相外延具备很多独特的优点，如较低的生长温度、掺杂的灵活性、系统的 安全性、价格低廉、生长速率快等等，但是其最重要的缺陷是，异质界面无法外 延生长，多层复杂结构生长难以实现，生长速率过快导致形貌难以控制等等。因 此液相外延一般用于晶格匹配，要求快速生长的外延结构。其基本结构如图2 - 2 。 图2 - 2l p e 生长技术的示意图 3 h v p e 4 。5 】 氢化物气相外延常用于g a n 的生长。它采用g a c i 为镓源、n h 3 为氮源，于 1 0 0 0 c 左右发生下列主要化学反应： h c i + g a g a c i + 1 2 h 2 ( 2 1 ) g a c i + n h 3 斗g a n + h c i + h 2 ( 2 2 ) 从而实现g a n 的外延。 氢化物气相外延具有很多优势：生长速率高，一般可达到1 0 - - 1 0 0 1 u n h o u r 可以生长大面积薄膜：与横向外延技术与激光剥离技术相结合，可以用来制备 g a n 白支撑衬底等等。当然也存在一些缺点：难以准确控制薄膜厚度，反应气 体对设备存在腐蚀性等。其基本结构如图2 3 所示。 4 m o c v d 1 0 抵溢高强i z废气 图2 - 3t t v p e 生长技术的示意图 北京邮电大学硕士学位论文第二章 金属有机化学气相沉积( 以下简称m o c v d ) 技术是m a n a s e v i t 于1 9 6 8 年提出 来的制备化合物半导体薄膜单晶的方法。”1 。它是采用i i i 族、i i 族有机化合物和 v 族、族元素的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解反应方式在衬底上 进行气相外延，生长i i i v 族、i i 族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄 膜单晶。i i i 族、i i 族化合物多采用它们的烷基化合物，如g a 、a i 、i n 、z n 的甲基 或乙基化合物，g a ( c h 3 ) 3 、i n ( c h 3 ) 3 、a i ( c h 3 ) 3 、c d ( c h 3 ) 2 、g a ( c 2 h 5 ) 3 等。 这些金属有机化合物的大多数都是具有高蒸汽压的液体( 也有固体) ，可以用氨 气、氮气或惰性气体做载气，通过该液体的鼓泡器，将其携带，再与v 族、族 元素的氢化物( n h 3 、p h 3 、a s h ，、s b h 3 、h 2 s 、h 2 s e ) 混合进入反应室。当流 经加热的衬底表面时，它们就在衬底表面上发生热分解反应，并外延成化合物晶 体薄膜。反应室的一般结构如图2 4 所示。 m o c v d 的生长过程十分复杂，但它的本质部分是可以用热力学、流体动力 学和化学反应动力学来描述的。流体动力学主要决定气体在反应室内及基座附近 速度温度