液相外延

由溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的方法

液相外延由溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的方法。

简介

液相外延技术(Liquid Phase Epitaxy,简称LPE)1963年由Nelson等人提出,其原理是:以低熔点的金属(如Ga、In等)为溶剂,以待生长材料(如Ga、As、Al等)和掺杂剂(如Zn、Te、Sn等)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单晶衬底足够相似的晶体材料,使晶体结构得以延续,实现晶体的外延生长。这种技术可以生长Si、GaAs、GaAlAs、GaP等半导体材料以及石榴石等磁性材料的单晶层,用以做成各种光电子器件、微波器件、磁泡器件和半导体激光器等。

液相外延由尼尔松于1963年发明，成为化合物半导体单晶薄层的主要生长方法，被广泛的用于电子器件的生产上。薄层材料和衬底材料相同的称为同质外延，反之称为异质外延。液相外延可分为倾斜法、垂直法和滑舟法三种，其中倾斜法是在生长开始前，使石英管内的石英容器向某一方向倾斜，并将溶液和衬底分别放在容器内的两端；垂直法是在生长开始前，将溶液放在石墨坩锅中，而将衬底放在位于溶液上方的衬底架上；滑舟法是指外延生长过程在具有多个溶液槽的滑动石墨舟内进行。在外延生长过程中，可以通过四种方法进行溶液冷却：平衡法、突冷法、过冷法和两相法。

与其他外延方法相比；它具有如下的优点：1）生长设备比较简单，；2）有较高的生长速率；3）掺杂剂选择范围广；4）晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；5）晶体纯度高，生长系统中没有剧毒和强腐蚀性的原料及产物，操作安全、简便等。

LPE的不足在于，当外延层与衬底晶格常数差大于1%时，不能进行很好的生长。其次，由于分凝系数的不同，除生长很薄的外延层外，在生长方向上控制掺杂和多元化合物组合均匀性遇到困难。再者LPE的外延层表面一般不如气相外延好。

硅LPE技术研究

硅LPE技术近年来一方面在向低温方向发展,另一方面在改善其组分分布、表面形貌等方面都取得了不少成果.

低温硅液相外延：低温外延是硅器件制造的总体趋势.在硅LPE中,由于新的溶剂(主要是Ag,Au及其合金)不断发现,大大降低了硅LPE的温度.金对硅的溶解度就是在400℃也能达到15at.%以上,Ag在845℃也有11at.%的Si含量.又因金在硅中的固溶度在800℃才达到影响光生载流子寿命的阈值,而当生长温度低于500℃时,Au在硅中的固溶度不到1012cm-3,这对器件几乎没有任何影响,因此可以用纯金、纯银作为溶剂,分别在400℃ ,845℃左右进行低温外延生长.不过太高的溶解度会引起淀积速率不易控制和熔体内自发成核等问题.

硅LPE系统：LPE技术发展到现在,其广泛采用的系统是改进的浸渍系统和滑动舟系统,近期报道一种新颖的旋转坩埚系统(离心系统)也值得注意.

硅LPE的器件应用

LPE的硅外延层,以其良好的电学、光学及其生长特性,而在CVD无法胜任的领域应用前景诱人.目前,取得较为成功的方面有:(1)垂直沟道的场控制器件中的埋栅制造及沟道的外延再填;(2)太阳能电池;(3)超晶格器件;(4)三维集成技术.

场控制器件：CVD在硅器件的埋结制造中,因自掺杂而出现埋层尺寸增加,密排栅极叉指制造也受到严重影响,而LPE因其可以消除自掺杂,而在这方面得到应用,尤其对硼扩散的埋栅区域的埋结制造,其优点更为明显.

太阳能电池(solar cells,SC)：在SC制造中,一个突出的既矛盾又相互制约的问题是:要求外延层不能太厚,以免光生载流子在到达表面之前复合太多,但又不能太薄,以保证足够的光吸收.目前商业生产的SC发射极厚达250—400μm,是用硅体单晶或多晶硅制成,因而材料的成本就占了很大的比重,为降低成本,在廉价的衬底如硅片、玻璃、陶瓷上液相外延一层10—50μm的高质量的硅薄膜,这已成为SC中的很有意义的研究方向.

超晶格器件：在硅上外延Si/SixGe1-x多层结构,可以用来提高器件的工作性能,它可以应用于异质结双极型晶体管、红外光探测器、发光二极以及能带调制工程.正是有如此优越的功用,Si/SixGe1-x超晶格的研究工作也就成为材料及器件工作者关心的一大热点。

三维集成技术(three dimensionalintegration,3DI)：3DI的开发是采用SOI(silicon on insulater)结构,使各电路元件的互连线的距离缩短,从而提高微电子的集成度.目前,3DI技术已经在无源器件制造中应用,而制造MOSFET和双极型晶体管等有源器件,就需要高阻的单晶硅外延层.达到这一目标较为理想的方法是对CVD淀积的多晶硅用激光在很短的时间内加热,然后重结晶.另外,用低能粒子溅射加热生长的薄膜或对非晶硅薄膜在低温下退火也可在3DI中制作有源器件.可在上述所有的方法中,生长的外延层不能同熔体,环境温度达到平衡.

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