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半导体基础知识.doc

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外延基础知识 基本概念 同质结:组成PN结的P型区和N型区是同种材料。(如红黄光中的:GaAs上生长GaAs,蓝绿光中:U(undope)-GaN上生长N(dope)-?GaN) 异质结:两种晶体结构相同,晶格常数相近,但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结,称为异质结。(如蓝绿光中:GaN上生长Al GaN) 超晶格(superlatic):由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层(相邻势阱内电子波函数发生交迭)的材料,交替生长形成的人工周期性结构,称为超晶格材料。 量子阱(QW):通常把势垒较厚,以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构,称为量子阱(它是超晶格的一种)。 半导体 固体按其导电性分为导体、半导体、绝缘体。 对于被电子部分占满的能带,在外电场作用下,点子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去,形成了电流,起导电作用,常称这种能带为导带。 绝缘体、半导体和导体的能带示意图 导带半满带导带 导带 半满带 导带 禁带 禁带 禁带 满带价带价带 满带 价带 价带 (a)绝缘体 (b)半导体 (c)导体 分类:元素半导体:Si 、Ge 化合物半导体:GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ) 、SiC 化合物半导体优点: 调节材料组分易形成直接带隙材料,有高的光电转换效率。(光电器件一般选用直接带隙材料) 高电子迁移率。 可制成异质结,进行能带裁减,易形成新器件。 半导体杂质和缺陷 杂质:替位式杂质(有效掺杂)    间隙式杂质 缺陷:点缺陷:如空位、间隙原子  线缺陷:如位错  面缺陷:(即立方密积结构里夹杂着少量六角密积)如层错 外延技术 LPE:液相外延,生长速率快,产量大,但晶体生长难以精确控制。(普亮LED常用此生长方法) MOCVD(也称MOVPE):Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长,重复性好,产量大,适合工业化大生产。 HVPE:氢化物汽相外延,是近几年在MOCVD基础上发展起来的,适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快,但晶格质量较差。 MBE:分子束外延,可精确控制晶体生长,生长出的晶体异常光滑,晶格质量非常好,但生长速率慢,难以用于工业化大生产。 MOCVD设备 发展史:国际上起源于80年代初,我国在80年代中(85年)。 国际上发展特点:专业化分工,我国发展特点:小而全,小作坊式。 技术条件:a.MO源:难合成,操作困难。    b.设备控制精度:流量及压力控制    c.反应室设计:Vecco:高速旋转   Aixtron:气浮式旋转   Tomax Swan :CCS系统(结合前两种设备特点) Nichia:双流式 MOCVD组成 MO源 MO源 载气(H2和N2) 特气 气控单元 反应室 尾气处理器 大气 控制单元 PC机 衬底 常用MO源:TMGa(三甲基镓,液态) TMAl(三甲基铝,液态) TMIn(三甲基铟,固态,现已有液态) TEGa(三乙基镓,液态) Cp2Mg(二茂基镁,固态,现已有液态) 载气为纯度很高(99.999999%)的氢气和氮气 特气:高纯度(99.9999%)的AsH3(砷烷,液态)PH3(磷烷,液态)Si2H6(乙硅烷,气态)(前三种为红黄光生产使用)NH3(氨气,液态)SiH4(硅烷,气态)(后两种为蓝绿光生产使用) 气控单元:主要由MFC(流量计)、PC(压力计)和一些管道组成,用于气体的控制和输送。 控制单元:根据PC机输入的生长程序,对工艺进行控制。 反应室:a.按压力分可分为常压反应室(如Nichia公司的设备)和低压反应室(如Veeco和Aixtron公司的设备)。两者区别:气体流速。低压反应室优点:气体切换快,停滞层薄,预反应小,界面转换快。B.按形状分:水平式(Aixtron)、立式(Vecco和Tomax Swan)、桶式(常用于Si外延)和双流式(Nichia)。 衬底:红黄光生长用GaAs(砷化镓),蓝绿光生长用Al2O3(蓝宝石)(最通用)、SiC(Cree)和GaAs(砷化镓)、Si(硅)(后两种仍处于实验室阶段)等。 尾气处理器:主要用于生长后的废气处理,使其达到无污染排放。红黄光生长产生尾气用化学尾气处理器处理,蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处理。 LED的MOCVD外延生长 基本反应: 红黄光:TMGa+AsH3 GaAs+CH4 TMGa+PH3 GaP+CH4 蓝绿光:TMGa+ NH3 GaN+CH4 反应特点:a.远离化学平衡:Ⅴ
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