微电子工程学8.ppt

1,第8章微电子工程前沿课题-能带工程与深亚微米技术,微电子工程学,2,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1MOCVD技术的一般特点8.1.2MOCVD生长过程及参数控制8.1.3对于源的讨论8.2分子束外延（MBE）技术简介8.3超晶格与量子阱材料8.3.1半导体超晶格研究的主要内容8.3.2半导体超晶格的分类8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件8.4.2高速电子器件及其它器件8.5深亚微米技术的发展与光计算机8.5.1深亚微米技术的发展8.5.2光学器件与光计算机,3,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况金属有机化合物的制备起源于1939年。1957年美国化学学会（ACS）召开了一次有机金属化合物的学术会议.用金属有机化合物制备半导体材料始于60年代末。1968年H.M.Manasevit第一次成功地在Al2O3上生长了GaAs以后，陆续有人研究用这种方法制备半导体膜并用来制造器件。1975至1980年间，人们对同质外延进行了广泛研究，并用来制造发光器件及其它有希望的器件。在此基础上，分别于1981年、1984年召开了两次国际会议讨论电子材料制备中的金属有机化合物汽相淀积技术，涉及了迄今为止所发现的III族、族、族等化合物半导体材料制备技术。,4,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况从目前研究的进展来看，对MOCVD技术中存在的问题有了比较明确的认识，归纳起来有以下几点：（1）在同质外延中最大的问题是源材料的纯度；（2）在异质外延中最大的问题是衬底引起的自掺杂；（3）晶体生长的取向及完整性也存在着某些问题。尽管有这些问题，但由于MOCVD技术的突出优点及所展示出的可能的应用前景，它已经成为令人关注的重要研究课题。,5,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1MOCVD技术的一般特点MOCVD通常可以写成如下反应：族元素烷基（或烃基）化合物族元素氢化物族化合物气体碳化物生成的族化合物可以淀积在半导体衬底材料上，也可以淀积在绝缘氧化物衬底上。MOCVD的主要优点是：装置相对简单、操作容易，淀积温度低，因而可以降低杂质沾污及减少晶体缺陷；反应过程中无卤素原子，因而避免了由卤素原子引起的腐蚀等严重问题；可以在不同衬底材料上进行同质及异质外延；淀积面积大、质量好，可控杂质浓度可低至1016cm-3，因而可降低成本、提高生产率。,6,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1MOCVD技术的一般特点表81列出了目前常用的半导体薄膜制备方法，并列出了各自的优缺点及应用限制。从表中可以看出，MOCVD和ClCVD是化学方法，而LPE和MBE则属于物理方法。,7,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1MOCVD技术的一般特点图81给出了GaAs材料的MOCVD系统示意图。可见MOCVD系统有以下几个主要组成部分：,8,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1MOCVD技术的一般特点（1）加热装置通常由射频感应加热，加热用的石墨基座外面包覆SiC，基座下面有支撑杆，以便使基座转动。（2）反应器反应器由气炼石英管制作，可以是卧式的，也可以是立式的。图82示出几种反应器的设计。（3）进气系统由质量流量计控制各种气体流量，因为各种源均用高纯氢气作载气，因此必须配备氢气净化装置（如钯扩散管）。除了原料气体以外，还有掺杂源，以便在生长过程中掺杂。（4）冷阱及安全装置由于金属有机物剧毒、易爆，且有较高的蒸汽压，因此应该存放于特制的密闭冷阱中，并有泄漏监视及温度控制传感装置，以保证操作时的安全。,9,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1MOCVD技术的一般特点,图82各种形状反应器的设计：a-垂直式，b-水平式，c-桶式，d-扁平式,10,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1MOCVD技术的一般特点,图83低压MOCVD生长系统示意图,MOCVD可以常压操作或减压操作。图83是一个低压装置的示意图。它与常压装置的主要区别是可以省去载气。由于在低压气氛中生长，膜的质量较好，粘结性也较好，特别对于表面是非平面结构的衬底，也能生长较均匀的薄膜。低压系统的这些优点是由于气体分子在减压的条件下碰撞次数减少，平均自由程增加，因而有很大的扩散性。,11,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2MOCVD生长过程及参数控制在MOCVD技术中，影响质量的参数主要有生长温度、气流速度及气流方式，衬底表面处源材料纯度及掺杂控制等。1.温度由三甲基镓和砷烷为源，在尖晶石衬底上生长(111)GaAs膜的实验表明，最佳生长温度与衬底取向有很大关系。在500800范围内，由实验得到的一般规律是：低于600时，膜是多晶；在高于800时，反应器内的气流变为湍流，得到的膜有很高的缺陷密度；在所限定的温度范围内，对于(111)衬底，最合适的生长温度为680720；对(110)衬底，最合适的生长温度为630700。用蓝宝石作为衬底，也观察到类似的规律，在800生长的GaAs膜不如675时的质量好。,12,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2MOCVD生长过程及参数控制对于尖晶石和蓝宝石两种衬底生长速率和温度关系的研究表明，这两种生长系统中生长速率在相当宽的温度范围内基本上是常数。这时膜的质量和生长速率主要与气流量、气流方式有关。在特定的设备中，即当气流方式不变的情况下，某个特定的材料体系的最佳气流量可由实验来确定。一般来说，当气流量大于最佳值时，衬底中心部分的淀积速率较大，而当气流量小于最佳值时，淀积容易在衬底周边发生。2.流量和流速由三甲基镓和砷烷为源，在尖晶石衬底上生长(111)GaAs膜的实验表明，当膜在过量的AsH3（进入反应器的AsH3流量是(CH3)3Ga的10倍）条件下生长时，淀积速率随三甲基镓的浓度线性增加。,13,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2MOCVD生长过程及参数控制源气体的最佳配比对生长高质量的膜非常重要。实验发现，尖晶石上淀积的GaAs外延层的电学性质与气流中的砷烷和三甲基镓的比例有很大关系。对于一定的生长温度，n型膜的载流子浓度在三甲基镓流速不变时与砷烷流速有关：较高的砷烷流速条件下得到的膜，其载流子浓度在某个特定值时趋于饱和，而在砷烷气流减小时，净的施主浓度也趋于减小。在继续减小砷烷流速的情况下，膜将最终变成p型。起p型导电作用的受主态可能与膜中的缺陷（砷空位）有关。在生长过程中改变源气的气流比例可以在外延膜中制造p-n结。,14,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2MOCVD生长过程及参数控制3.源的纯度在MOCVD技术中，源的纯度非常重要。可以说，膜的电学性质在相当大程度上由源的纯度决定。市场上可以买到高纯的砷烷。其纯度可由预先用氯化镓与砷烷为源同质外延得到的GaAs膜的电学测量来估计。三甲基镓的质量尚无法预先估计。发射光谱分析证明，三甲基镓中含有Cu、Fe、Zn、Al、Si、Mg等诸多杂质，其重量比可高达107104。这些杂质可以引起GaAs膜的非故意掺杂。红外光谱分析证明，在三甲基镓中还存在不等量的碳氢化合物。到目前为止，三甲基镓的纯度一般是由外延生长膜的电学测量来评估的。不纯的镓源生长的GaAs膜表观上有很高的电阻率（大于103Wcm），而且与膜的厚度无关，有时还能得到多晶膜。,15,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.3对于源的讨论鉴于源材料对于MOCVD技术的重要性，下面就源的组成问题进行一些讨论。MOCVD技术所用的源材料是路易斯酸（电子接受体）和路易斯碱（电子给予体）及所生成的加合物作为反应产物的母体，即：路易斯酸（电子接受体）路易斯碱（电子给予体）加合物例如：MR3+XR3=MR3XR3加合物中各化学键的强度由R、R、M及X的性质决定。在加合物形成后，可以有以下几种方式生成产物MX（下列各式中，括号内是可替代成分）：（1）由多组分原位生成：MR3+XR3=MXR3R3例如：GaMe3+P(As)H3=GaP(As)+3MeH(Me=CH3，甲基),16,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.3对于源的讨论（2）由单一源生成：MR3(R2X)XR3=MX+R3R3(RX+2RR)例如：GaEt2ClAsEt3=GaAs+EtCl+2EtEt(Et=C2H5，乙基)（3）由取代反应生成：MR3XR3+XR3=MX+XR3+R3R3例如：InMe3PEt3+P(As)H3=InP(As)+PEt3+3MeH,17,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.3对于源的讨论几乎所有的族、族、族化合物的MOCVD都可归于上述几种类型的一种。在由多组分原位反应生成所需的化合物时，存在着生成高聚物的副反应：nMR3+nXR3=(MRXR)n+2nRR例如：nInMe3(Et3)+nPH3=(InMe(Et)PH)n+2nMe(Et)H生成的高聚物(MRXR)n妨碍了半导体化合物MX的生成。目前已找到一些解决这个问题的办法：（1）加入某种阻化剂，使高聚物不易生成，如在上述反应中加入Me3InPMe3、MeInPEt3、Me3InNEt3等一类物质可以阻止高聚物(InMe(Et)PH)n生成。（2）在原料气混合之前使PH3裂解。（3）用低压汽相淀积（LPMOCVD）使高聚物分解。（4）在衬底附近设置辅助加热器使高聚物分解。,18,第8章微电子工程前沿课题,8.1金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.3对于源的讨论总之，MOCVD技术在80年代中期已经在合成高纯的烷、烃基金属化合物及其加合物，解决淀积过程中的高聚物问题以及减少设备开关瞬态时间，从而使组分和掺杂都得到了精确控制等几个方面都取得了巨大进步，使MOCVD技术进入了一个趋于成熟并在电子材料制备中越来越显示出重大作用的新阶段。最后，关于MOCVD技术中的安全问题，主要有两个方面：一是所有金属有机化合物及V族元素氢化物极毒，因此要求系统密闭及对废物严格处理；二是氢化物及金属有机化合物沸点低、易挥发、易燃、易爆。目前已在MOCVD系统上设计了很多传感器，并用电脑加以控制，有效地保证了操作中的安全。但值得提出的是这些装置并非越多越好，实际上是越多越容易出毛病。,19,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介分子束外延就是在超高真空系统中，用分子或原子束进行外延淀积的过程。在超高真空条件下，分子束束流密度低，束流分子之间以及束流分子与背景气体分子之间都没有明显的碰撞发生。分子束外延的特点如表82所示：（1）外延生长的蒸发源与衬底分开加热，可以分别加以控制和调整；（2）生长速率极慢，约1埃/秒10埃/秒，可以利用快门精密地控制膜厚与成分；（3）生长温度低，可以避免生长过程中衬底或外延层中杂质的再扩散，也可避免高温热缺陷的产生，并可获得杂质分布非常陡峭的突变结；（4）外延生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，所以可以生长一般热平衡生长难以获得的晶体；（5）在生长过程中，生长面处于高真空中，可以进行就地分析，研究外延生长过程、外延层的组成及表面状态。,20,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介,表82分子束外延的特点,21,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介外延生长系统是一个用不锈钢制成的超高真空工作室，它的极限真空度达11081109Pa。在外延生长时，仍需保持在107Pa以上。通常高真空机组由钛升华泵、液氮冷阱、溅射离子泵等组成（有时还需要分子泵和冷凝泵）。由于整个工作室要达到超高真空，工作室必须经过烘烤，所以要求整个工作室内部的附属机件能承受200250的高温。,22,第8章微电子工程前沿课题,图84是分子束外延装置的示意图。它由外延生长和监控系统两部分组成。,图84分子束外延装置示意图,23,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介工作室内部直接用于外延生长的部分是分子束的喷射室，控制束流的快门，可以加热的样品架等。图85是一个典型的喷射室结构。盛有蒸发物的加热池可用被高温热解的BN制成，它的化学稳定性好，释放出的吸附气体少。加热池中插有热电偶以控制炉温。温度一般控制在1误差之内。因为对象Ga、Al、P、As之类的蒸发源，当炉温每变化1时，分子束流将变化36，炉子系用螺旋式的钨丝加热，加热器外用钽箔做的屏蔽罩遮起来，以防止炉体热辐射。分子束经过一个准直孔喷入真空室内。喷射室的要求是：（1）尺寸小，（2）气体喷射率高，（3）热响应快，（4）辐射功率损耗低，（5）加热池受热均匀。,24,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介,图85喷射室结构示意图,25,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介为了生长各种多元化合物半导体，并满足不同的掺杂要求，这种喷射室往往有好几个。每个室均有相应的热电偶、快门及加热控制回路，为防止源之间的沾污，室之间还装有隔板。样品以镓片或铟片靠表面张力粘附在样品架上，可防止由应力引起的晶格缺陷。清洁衬底表面的工作，由生长室内的氩离子枪轰击来完成。监控部分一般包括四极质谱，俄歇电子能谱仪和低能电子衍射仪等。四极质谱仪是一种常用的分析气体成分的仪器，用以监视残留气体和分子束流成分。低能电子衍射仪可进行晶体表面结构的分析，若装有扫描高能电子衍射仪还可以观察表面的光洁平整度。俄歇谱仪则用来监视表面成分，测定化学计量比，表面沾污等。电子计算机可以从四极质谱仪取得束流成分和强度的信、加热池温度信号。经数据处理后，自动调节温度和快门，以精确控制外延膜厚与成分，利用电子计算机进行闭环控制对于制备很薄的超晶格结构是十分必要的。,26,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介分子束外延过程分两个步骤，一是原料蒸发形成一定化学成分与束流密度的分子束；二是分子束在单晶衬底上淀积生长。对于元素半导体如锗、硅，蒸发过程比较简单，化合物半导体则比较复杂。例如对于一个二元化合物，组成它的化学元素分别为M和X（设M为金属，X为非金属）。因为蒸发源处于热平衡状态，所以MX蒸发时挥发性的元素束流大得多，如用IIIV族化合物作V族元素的分子束是很合适的，因为这样能提供稳定的、正确的分子束通量。III族元素的分子束源，一般都用元素本身。将淀积过程看做是一级解吸过程，设表面寿命t、吸附原子浓度n和解吸率G有如G=n/t的关系。当一强度为J的分子束突然入射到衬底表面上，则n的改变率为取起始条件n(0)=0，并假定tf(n)，则上述方程可以积分，由方程Gn/t可得G(t)=J(1-e-t/t),27,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介同样道理，当束流突然被快门截断时，解吸率将按e-t/t衰减。根据t的温度关系可以确定解吸的激活能Et=t0exp(E/RT)Ga在GaAs上的吸附和解吸符合上述规律，如图86a所示，该图示出两个温度下由(111)GaAs上Ga的矩形入射脉冲得到的解吸脉冲的形状。,图86两个温度下(111)GaAs上Ga的矩形入射脉冲得到的解吸脉冲(a)和砷分子入射于GaAs衬底时的反射束流强度(b),28,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介As2在GaAs上的解吸则不符合上述规律。如将砷的分子束流周期地以矩形脉冲方式加在GaAs衬底上，然后测量其反射束流的强度，得实验结果如图86b所示。可以认为As2分子是以一种可动的、弱键合的状态被吸附的，当这些吸附的As2分子遇到成对的砷空位时，它们就能够离解，在升高温度时，As原子复合成As2分子，随即能吸附如其中*表示表面物质种类。由此可得粘附系数式中t是As2*的表面寿命，k是离解的速率常数。,29,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介实验结果说明，当入射砷时，衬底表面无Ga存在的情况下，砷的寿命是很短的，也就是说粘附系数接近于0。若在入射砷的束流之前，加入一镓的束流，此时砷的反射束流脉冲的上升时间显著变长，即砷的表面寿命t显著增加。实验表明，衬底温度在750K以下镓的分子束流不发生反射，衬底温度在904K时，镓的寿命为7秒。在873K左右，As2的粘附系数SAs2是镓到达速率的函数，砷原子的表面寿命与GaAs表面的镓覆盖程度有关。对于全覆盖着镓的表面，砷的粘附系数接近于1。生成合乎化学计量比要求的GaAs的条件是吸附的镓与砷之间的碰撞速率等于镓的到达速率。假如镓与砷的到达速率分别为RGa和RAs，则GaAs的生长速率为,30,第8章微电子工程前沿课题,8.2分子束外延（MBE）技术简介这里的d是GaAs的离解率，K是吸附的Ga与As之间的作用常数，约为1014mm2，若As2的到达速率RAs2为1015cm-2s-1，衬底温度小于873K，镓在表面上的寿命t10s。若忽略d，由上式可知GaAs的生长速率基本上等于镓的到达速率。实验表明，只要RAs20.5RGa时，外延层可以有合适的化学计量比，而且其生长速率完全由RGa所决定。实际上，为了保证外延层的化学计量比，一般总是让RAs2远大于RGa，在低于600K的温度下，还有As4分子的吸附和反应，此处不再赘述。分子束外延GaAs常用的N型掺杂剂为Si和Sn，粘附系数都接近于1，P型掺杂剂有Mg和Zn，它们的粘附系数都较小。,31,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料早在1958年，Esaki就首次发现了，在显著提高掺杂浓度的n+-p+Ge二极管中，当空间电荷区厚度小于10nm时，明显地呈现出隧道效应。其后，美国和日本的一些研究者又发现，当Si-MOS晶体管的导电沟道，在其有效厚度成为100埃左右的量子薄膜后，电子在薄膜内会形成驻波状态并被量子化。由此人们设想，如果能够找到可以人为地对波动性进行控制技术，有可能出现在以往的半导体材料中不曾看到的物理现象。1969年，Esaki和Tsu首次提出了使具有量子薄膜和隧道势垒功能的两种超薄膜层化的超晶格新概念。并指出，在这种结构中随着电子的布喇格反射，将会出现负阻效应。,32,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料恰逢此时，分子束外延（MBE）由贝尔实验室研制成功。从此，新工艺为新概念的付诸实现提供了技术保证。1972年，Esaki等人首次用MBE法制作了GaAs/AlGaAs第一类超晶格，并测定了其IV特性，证实了这种结构中负阻效应的存在。1974年，Chang等人采用数十埃厚的GaAs/AlGaAs双重势垒结构，研究了垂直于界面方向的电导性，观测了低温下的共振隧道效应。几乎在同一时期，贝尔实验室的R.Dingle等人从GaAs/AlGaAs量子势阱结构的光吸收谱，验证了量子能级形成的物理事实。,33,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料随着MBE等超薄层外延技术的日渐成熟，新的超晶格结构也不断出现。1977年，R.Tsu等人又制作了第二类超晶格InAs/GaSb并计算了其能带结构。与此同时，日本东京大学的H.Sakaki构想出了平面超晶格和超精细量子细线结构，语言这种结构具有极高的电子迁移率，并试图采用超薄层外延技术和超精细刻蚀工艺研制这种新型结构。,34,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料人们一方面研究半导体超晶格的物理性质，一方面着手研究如何采用这种结构制备实用的新型电子器件。1978年，DR.Dingle等人在调制掺杂的GaAs/AlGaAs结构中，首次发现了电子迁移率增加现象，即刻引起了各国科学家的关注。时隔两年，日本富士通公司的S.Hiyamize（冷水佐寿）等人率先用这种结构研制成功了第一支超高速逻辑器件高电子迁移率晶体管（HEMT）。可以说，HEMT的问世是半导体超晶格研究中的一个重要里程碑。其后，一代渗透基区晶体管（PBT）等相继登场，从而半导体超晶格研究的面貌大为改观。,35,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料在半导体超晶格研究领域中，对于量子阱结构的能带与次能带中电子跃迁过程的研究，导致了量子阱激光器，高速发光器件等一类光电子器件的出现。1975年，Vanderziel等人制备了层厚为100埃的8层量子阱结构，并在液氮温度下振荡成功。而1979年由西德的D.H.Dohler等人利用调制掺杂技术，在GaAs生长过程中周期性地掺入p型杂质和n型杂质，形成了nipi掺杂型超晶格，使它在可调谐红外激光器制作方面显示出令人满意的优越性。随着对量子阱结构光学特性研究的不断深入，先后试制成功了一系列光电子器件，如光吸收调制器，光双稳定器件，全反射型开关，高速发光器件，各类雪崩二极管以及光敏器件等。从而大大促进了光电子集成电路和长距离光纤通信技术的发展。,36,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料进入八十年代，半导体超晶格的研究出现两个明显趋向。一是人们开始集中而系统地从理论和实验上研究超晶格所具有的各种物理性质，如量子阱的能带结构，低温量子输运，平行和垂直于界面的导电性以及光学特性等，并取得实质性进展。其中，整数及分数量子化霍尔效应的发现就是一例。KlassVonKlitzing因发现了量子化霍尔效应而荣获1985年诺贝尔物理奖。二是人们开始将超薄层外延技术与已经成熟稳定的Si-VLSI工艺相结合，采用HEMT和HBT竟相开发超高速逻辑电路。目前，HEMT已从大规模集成向超大规模集成方向发展，HBT大规模集成注入逻辑电路性能不断提高，而共振隧道双极晶体管（RTBT）和共振隧道热电子晶体管（RHET）及其在电路应用方面的研究也在逐步取得进展。,37,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料半导体超晶格研究之所以能够取得显著进展，是与MBE和MOCVD一类超薄层外延技术密切相关的。反过来，半导体超晶格研究的不断深入，又使超薄层外延工艺不断完善。继MBE、MOCVD之后，又相继出现了兼有二者之长的MOMBE，和原子层外延（ALE）以及超高真空溅射等技术，特别是将反射高能电子衍射（RHEED）用于这类超薄层外延生长，不久能十分精确地控制薄层生长厚度及生长形貌，而且还为研究生长动力学过程提供了有用信息。,38,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.1半导体超晶格研究的主要内容半导体超晶格的研究涉及超晶格结构物理、超晶格结构器件、超晶格结构的制备以及超晶格结构的评价等几个方面。,39,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.1半导体超晶格研究的主要内容,40,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类超晶格的基本概念：当两层或两层以上的GaAs量子阱相互靠近时，电子波在处于两层之间的AlGaAs层内并无明显衰减，因此使得相邻GaAs量子阱内的量子能级结合在一起，其结果导致简并的量子能级产生分裂。如果量子阱数足够多，那么分裂的量子能级将成为连续状态，并形成小的能带。换言之，GaAs层量子阱内的电子波以隧道方式穿过AlGaAs层，而且可以在若干层内进行连续传播。因此我们定义，由能够封闭电子的薄层（如GaAs）和可以产生隧道效应的薄层（如AlGaAs）交替生长，而形成的周期性晶格结构叫做超晶格（Superlattic-SL）,41,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类超晶格的整个结构保持晶格的连续性。每种材料的厚度通常为晶格常数的两倍至二十倍。由于两种材料的导带和价带边的能量不相同，因此在两种材料的交界处，带边发生不连续的变化，即能带具有不连续性。目前因组成超晶格的材料不同，制备方法各异，已出现了多种类型的超晶格。现按其结构类型分述如下。,42,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类1.第一类超晶格（TypeSuperlattice）第一类超晶格又称组分超晶格，如图88（a）所示。这种结构的主要特点是，GaAs的导带底低于AlxGa1-xAs导带底，但其价带顶却高于后者。电子和空穴能量的极小值都在GaAs层的量子阱中，即电子与空穴都被封闭在GaAs中，其布里渊区分成子能带，子能带间有窄的禁带。量子阱的名称是为了强调，两边势垒的限制使垂直方向的运动发生了量子化。,43,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类2.第二类超晶格（TypeSuperlattice）第二类超晶格又分为如图88（b）和（c）两种，即Staggered型和Misaligned型。在前者中，In1-xGaxAs的导带底Ec1低于GaSb1-yAsy的导带底Ec2，而前者的价带顶也低于后者的价带顶。因此电子能谷位于In1-xGaxAs层，而空穴能谷位于GaSb1-yAsy中。电子和空穴在空间上是分开的，故具有很长的非平衡载流子寿命。后者的能带在界面具有特殊形式。InAs的导带底Ec1低于GaSb的价带顶Ev1，所以电子位于InAs层内，而空穴位于GaSb内。在InAs-GaSb超晶格中，随着各层膜厚的增加，InAs层内的电子能级将下降，而GaSb层内的空穴能级则上升，其有效带隙慢慢递减。当周期长度增加到160埃左右时，有效带隙等于零，原来在实空间中被分离的电子和空穴处于共存状态，亦即呈现“金属行为”。,44,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类3.第三类超晶格（TypeSuperlattice）这类超晶格亦称复型超晶格。它是由三种化合物半导体周期地相间生长的。AlSb、GaSb和InAs三者的禁带宽度不同，但晶格常数却比较相近，因而界面很平整，失配位错不严重，如图8-8（d）所示。,45,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类,图88GaAs-GaAlAs,InGaAs-GaSbAs及GaSb-InAs-AlSb三种类型超晶格材料的能带图(a)第一类超晶格(b)Staggered型超晶格(c)Misaligned型超晶格(d)第三类超晶格,46,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类4.nipi掺杂超晶格（DopingSuperlattice）这是一种由掺杂n型和p型杂质的超薄层与本征层相间组成的周期性结构。图89（a）示出了GaAs掺杂超晶格的带隙。超晶格的周期为nipi各层厚度之和，即式中dn、dp和dj分别为n型和p型掺杂层及本征层的厚度。这种超晶格与通常的异质结超晶格系统不同。它不包含任何界面，因此不存在任何与界面有关的问题。其周期势是固定离化杂质产生的静电势。当这种超晶格受到光照后，光生电子和空穴分别处于导带底和价带顶。由于这种因光产生的电子空穴对空间上是分开的，因而有特别长的寿命。,47,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类5.锯齿型掺杂超晶格（SawtoothDopingSuperlattice）锯齿型掺杂超晶格又称型掺杂超晶格。锯齿型掺杂超晶格的目的在于满足这样的要求，即在一个均匀半导体材料中既要有短的载流子寿命，又要有大幅度的带边调制，以实现低于基质材料带隙的能量下发生受激光发射。GaAs锯齿型掺杂超晶格陡峭的V性势阱使得其能隙比基质材料的能隙低得多，由于载流子寿命短，即使在高激发状态下能隙也是恒定的。这些独特性质使其极富有吸引力，可望应用于8501100埃波长范围的光电器件。,48,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类6.应变层超晶格（AtrainedLayerSuperlattice）由于MBE和MOCVD等超薄层外延技术能够生长具有原子级平滑程度的超晶格结构，所以对于晶格匹配的要求不再十分严格。只要晶格失配的两种材料可以在界外弹性地调整原子间距，使两者都达到一个使界面原子排列仍保持匹配的晶格常数，这样的超晶格称为应变层超晶格（SLS），如图89（b）所示。应变层超晶格的主要特点是，当SLS的厚度发生变化时，能带宽度发生变化，能带附近的曲率也会发生变化，因而会影响载流子的输运特性。由于超晶格布里渊区的折叠效应，由间接能隙材料制备的SLS有可能成为直接能隙，使光学性质发生较大变化。目前，代表性的应变层超晶格有InGaAs/GaAs系、GaAsP/GaAs系、GaSb/AlSb系、InGaAs/GaAsP系以及Si/SiGe系等。,49,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类7.分数层超晶格（FractionalLayerSuperlattice）分数层超晶格的概念最早是由美国加州大学的P.M.Petroff于1984年提出的。图89（c）示出了由日本NTT的T.Fukui采用MOCVD在GaAs（001）的邻晶面上生长的（AlAs）1/2（GaAs）1/2分数层超晶格。由于在（001）邻晶面上存在单原子的阶梯，精确的表面定向切割，可使每个台阶的宽度均相等。如果严格控制生长条件，使成核过程发生在台阶边而并非二维成核，让台阶上先长半个单层AlAs，再生长半个单层GaAs，如此反复便可形成分数层超晶格。分数层超晶格提供了一个极好的制造量子细线的方法。,50,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类,图8-9(a)掺杂超晶格的带隙；(b)应变层超晶格示意图；(c)分数层超晶格示意图,51,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类8.多维超晶格（MutidimensionalSuperlattice）根据量子封闭的维数，超晶格可分为一维、二维与三维超晶格，依次称为量子薄膜，量子细线与量子点（量子箱）。超晶格的多维化带来的最明显的特征是有效状态密度的变化。对于一维超晶格，有效状态密度在各子能带内，且有,成为与能量无关的阶跃函数；在二维超晶格中，有效状态密度在各子能带内，且有,在子能带底有效状态密度最大；在三维超晶格中，有效状态密度为线状光谱，类似孤立氢原子模型。图810依次示出了上述超晶格的关系。,52,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类,图810各类超晶格的有效状态密度与能量的关系,53,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类9.特殊类型超晶格迄今，采用GaAs的超晶格均是在（001）面上生长的。而如果象图811那样，在与结晶学的（001）面成角的衬底表面生长超晶格，则会出现一些新的现象。如当在平台状的衬底上制备(GaAs)4(AlAs)6600超晶格时，其生长方向具有的长周期，在面内具有的长周期。因此，从X射线图形可以观察到，在同001方向成角的方向呈现出所谓的卫星发生现象。亦即超晶格的密度波方向不是001方向，而是q的方向。予计，这种超晶格的平台结构，可用于各种新型人工材料的制备，如新的一维金属超晶格等。,54,第8章微电子工程前沿课题,8.3超晶格与量子阱材料8.3.2半导体超晶格的分类,图811特殊超晶格结构示意图,55,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件基于超晶格和量子阱中载流子限制和共振隧道效应的研究，已经研制出许多工作原理新颖、性能优异的新型器件，其中有量子阱激光器、长波长光探测器、光学开关、HEMT、HBT和HET等，现分述如下。,56,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件1.多量子阱激光器具有多量子阱结构的激光器，比通常用外延材料制作的异质结激光器具有阈值电流低、阈值电流随稳定变化小、发射谱线窄、量子效率高和调制频率高等优点，而且发射波长不受基质材料带隙宽度的限制，可通过改变量子阱的结构参数来改变发射波长。如果采用应变层量子阱，由于压缩应力的存在，量子阱平面上重空穴带中的空穴有效质量显著减小，这将进一步减小阈值电流和改进激光器的其它参数。,57,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件1.多量子阱激光器（1）1.5波长半绝缘阻挡平面异质结构激光器这种激光器采用了应变层多量子阱有源区，有源区中制作了四个25埃宽的InGaAs量子阱层和五个90埃宽的InGaAsP势阱层。条宽为2.5，腔长200的激光器，阈值电流低达2.2mA，工作电流为53mA时，室温连续单模输出功率20mW。（2）调制掺杂AlGaAs/GaAs多量子阱高速激光器在低温（低于600）下用MBE生长的调制掺杂AlGaAs/GaAs多量子阱激光器，结构如图812所示。条宽9、腔长200的条形激光器阈值电流为50mA，最大输出功率200mW，在室温下测得的驰豫振荡频率大于30GHz。这种激光器具有超高速调制能力，可以满足高容量光纤通信的需要。,58,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件1.多量子阱激光器,图812调制掺杂多量子阱激光器结构示意图,59,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件2.光探测器（1）长波长探测器先进的晶体生长技术已能生长出具有理想光学特性的人造晶格结构，由于超晶格结构中能级分离主要取决于吸收层的厚度，所以改变吸收层的厚度就可改变最大响应率的波长。例如，一种AlGaAs/GaAs多量子阱光探测器，可以探测310微米的辐射波长，但构成量子阱基质材料带隙所对应的波长小于1微米。用40个周期的AlGaAs/GaAs量子阱结构制作了高灵敏度的长波长探测器。每周期由非常薄的GaAs阱（40埃，掺杂浓度为21018cm-3）和一个较厚的Al0.31Ga0.69As势垒层组成，如图813所示。这种探测器在时探测器高达，这个灵敏度与典型的背景限制HgCdTe光电导探测器的灵敏度相当。,60,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件2.光探测器,图813AlGaAs/GaAs多量子阱长波长光探测器示意图,61,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件2.光探测器采用In0.15As0.35Sb/InSb应变层超晶格制作了红外高探测率低压型探测器，结构如图814所示。它用MBE生长在InSb衬底上的p-i-n结构，每层都由150埃InAsSb/150埃InSb应变层超晶格组成，p区掺Be，n区掺Se，i区掺杂水平是MBE本底掺杂水平。为了改进超晶格的质量，采用了InGaAs渐变组分缓冲层。二极管采用台面隔离，背面接触为一个反射层，以提高量子效率。这种探测器在10mm波长下探测率D*也大于11010cmHz1/2W-1。,62,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件2.光探测器,图814InAsSb/InSb应变层超晶格光电压红外探测器,63,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件2.光探测器(2)波长可调谐的1.5mm高速AlGaInAs/AlInAs多量子阱pin光探测器为了满足高比特率、长距离光纤传输系统的需要，NTT光电子学实验室研制了1.5mm高速AlGaInAs/AlInAs多量子阱pin光探测器。这种探测器的响应波长可利用量子限制Stark效应来改变。器件结构如图815所示。pin光二极管的i区是由30个周期的非掺杂、100埃厚的AlInGaAs量子阱层和50埃厚的AlInAs势垒层组成，整个pin结构生长在n型InP衬底上。在10V反偏压下漏电流密度为6104/cm2。响应波长随反偏压的变化而移动，最大可以变化1600埃。这种探测器非常适合用于多路信号分离器。探测器的脉冲响应上升时间只有40ps。,64,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件2.光探测器,图815AlGaInAs/AlInAs多量子阱pin光探测器剖面图,65,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件3.光学开关在目前的光波传输系统中，开关和信号处理都用电子开关器件来完成，但由于数据传输速率的不断提高，电子开关系统就满足不了要求，所以光学开关和信号处理越来越具有吸引力。光学双稳态IIIV族化合物器件是光学开关系统的基础。AT&T已发表了一种基于量子限制Stark效应的开关器件。这种器件称为自光电效应器件（SEED）。它是一种光触发光学开关，如图816(a)、(b)所示。器件有一个pin结构，i区是由非掺杂多量子阱组成，它由一些吸收层和非吸收层交叠而成（厚度小于100埃）。当pin加上反偏压后，在非掺杂的多量子阱区中产生一个电场，用光照射时，入射光在多量子阱i区的吸收层中激发产生载流子，从而改变了器件的电学阻抗（因而也改变了电场）。如果入射光的能量接近量子阱材料的带隙能量时，光照改变后的电场就对光的传输产生影响，即形成光的滞后现象和双稳特性。这就是SEED的工作原理。,66,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件3.光学开关,图816(a)SEED示意图,(b)光信号的滞后和双稳定性能,67,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件3.光学开关一种对称型SEED，它由两个串联的量子阱pin二极管组成，如图817所示。这种对称型SEED的特点是，它对入射光功率的起伏和偏压大小相对来说不太敏感。并已用这种对称SEED做成阵列，开关时间小于几个毫微秒。这种器件具有逻辑放大功能和双稳光学存储功能。,图817AT&T研制的对称型SEED的剖面图,68,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.1光学器件4.高速光学调制器AT&TBell实验室根据量子限制Stark效应制作了一种台面结构的多量子阱光学反射调制器。调制器结构如图818所示。调制台面直径50mm，偏压120V。测量的3dB带宽响应频率为5.5GHz。,图818高速多量子阱光学反射调制器结构图,69,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.2高速电子器件及其它器件1.InP基W波段低噪声HEMT用超晶格材料制成的高性能器件，首先是调制掺杂的高电子迁移率晶体管（HEMT）。现在介绍一种InP基W波段低噪声InAlAs/InGaAsHEMT。这种材料系统中具有较高的电子饱和速度和二维电子气密度，非常适合发展高速逻辑电路和微波集成电路，而且非常适合发展高性能InP基OEIC。美国通用电气公司电子学实验室用In0.35Ga0.47As/In0.48Al0.52As/InP晶格匹配的材料系统制成的高性能HEMT，其结构如图819所示。用电子束光刻制作了0.15mmT型栅，栅宽3050mm。器件的直流和射频性能如下：18GHz下，本征跨导1300mS/mm，噪声0.3dB，相关增益17.2dB。这种器件优良的特性说明，InP基HEMT在100GHz下低噪声运用有很大潜力。,70,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.2高速电子器件及其它器件1.InP基W波段低噪声HEMT,图819HEMT结构图,71,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.2高速电子器件及其它器件2.多能态共振隧道双极晶体管（RTBT）用MBE生长的各种材料系统和各种结构的异质结HBT取得了惊人的发展，尤其是用GaInAs/InP材料体系制作的异质结HBT，fT可达165GHz，最高振荡频率100GHz，用这种器件制作的17级环形NTL振荡器，传输延迟14.7ps、每门功耗5.4mW。用InGaAs/GaInAsP/InP制作的双极晶体管，电流放大倍数高达2500，并且具有较大的电流驱动能力，Ic大于350mA。RTBT是在半绝缘InP衬底上用MBE生长的Ga0.47In0.53Asnpn晶体管，这种结构的特点是在发射极中制作了两个Al0.48In0.52As(5nm)/Ga0.47In0.53As(5nm)共振隧道双势垒。基区宽度150nm，Be掺杂浓度41018cm-3。由于发射极中双势垒共振隧穿的连续淬灭，在共发射极输出特性曲线上和Ic-VBE转移特性曲线上分别出现两个负阻区和负跨导区，形成两个峰值，如图820所示。,72,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.2高速电子器件及其它器件2.多能态共振隧道双极晶体管（RTBT）具有这种特性的RTBT不仅是一种性能优良的传统异质结构HBT（直流增益60，截止频率24GHz），更重要的是它具有许多电路功能，它是作为一种功能器件而引人注目，它可以是一个倍频器，一只晶体管在一定偏置条件下可使频率倍增5倍。这样一只晶体管还具有四位奇偶发生器的功能，完成了24只一般晶体管的电路功能。它还能完成数字电路功能，是一种结构简单、又能实现复杂的多级逻辑功能的新型器件。,图820(a)共发射极输出特性，(b)共发射极转移特性,73,第8章微电子工程前沿课题,8.4超晶格材料制作的器件8.4.2高速电子器件及其它器件3.双阱超晶格微波振荡器这是一种根据真实空间转移负微分电阻特性设计的器件，采用了双阱超晶格结构。由于这种器件结构和超晶格设计方面具有很大的灵活性，所以是一种很有前途的振荡器。器件工作的基本原理是双阱超晶格中的量子态转移。一个双阱超晶格单元结构（如图821所示）有两个宽度不同的GaAs阱，一个是宽阱，一个是窄阱。它们之间用Al0.3Ga0.7As势垒层分开。这种双阱超晶格的导带结构如图822所示。图中三条横线表示每个量子态的本征能级。如果有外部激励时（如加电场），电子就被加速并变成转移到能态2的热电子。这种量子能态的转换是一种从宽阱到窄阱的实空转移，当能态2和能态3的能级彼此接近相等时，可以预计从能态3向能态2的转移会产生共振，这时电子就以很快的速度完成了从能态1通过能态3向能态2的转移。因为窄阱是硅调制掺杂的GaAs层，宽阱是非掺杂的GaAs层，所以电子从宽阱转移到窄阱后迁移率减小，产生了负微分电阻特性