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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