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外延生長(zhǎng)的基礎(chǔ)與應(yīng)用

老虎說(shuō)芯|Tiger Chip|

2024-09-21 16:52:49 1028

在半導(dǎo)體和光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，材料生長(zhǎng)技術(shù)扮演了關(guān)鍵角色。無(wú)論是用于電腦芯片的晶體管，還是高亮度發(fā)光二極管（LED），這些現(xiàn)代電子設(shè)備都依賴(lài)于半導(dǎo)體材料的制備。而外延生長(zhǎng)技術(shù)正是其中重要的一環(huán)，它幫助我們?cè)诰w襯底上精確地構(gòu)建新的材料層，提升了器件的性能和可靠性。

無(wú)論是化學(xué)氣相沉積（CVD）還是分子束外延（MBE），每一種技術(shù)都有其獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景。外延生長(zhǎng)技術(shù)的未來(lái)充滿(mǎn)了機(jī)遇，它將繼續(xù)為新材料和新器件的開(kāi)發(fā)提供支持，引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新。

1|什么是外延生長(zhǎng)？

外延生長(zhǎng)的概念最早由Royer于1928年提出，它源于希臘語(yǔ)，意思是“放在上面”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，外延生長(zhǎng)指的是在一塊晶體襯底上有序地生長(zhǎng)另一層晶體材料。在這個(gè)過(guò)程中，新材料層會(huì)與襯底的晶格保持一定的對(duì)齊關(guān)系，這種對(duì)齊可以理解為就像在一塊拼圖板上拼接另一塊相似的拼圖。

外延生長(zhǎng)的關(guān)鍵在于晶格失配，即新材料層與襯底晶體在晶格結(jié)構(gòu)上的匹配度。如果新材料的晶格與襯底的晶格非常接近，那么外延層可以與襯底很好地對(duì)齊；而如果晶格失配較大，則會(huì)影響生長(zhǎng)的質(zhì)量和性能。在外延過(guò)程中，還要考慮到表面自由能，這就像水滴在不同表面上的表現(xiàn)一樣：有時(shí)水滴會(huì)鋪展開(kāi)（如在玻璃上），有時(shí)則會(huì)形成球狀（如在荷葉上）。外延生長(zhǎng)的不同模式也和這種“鋪展”現(xiàn)象類(lèi)似。

2、三種主要的外延生長(zhǎng)模式

外延生長(zhǎng)可以大致分為三種模式：逐層生長(zhǎng)、成核生長(zhǎng)和S-K生長(zhǎng)模式。它們的差異主要在于晶體層如何在襯底上鋪展。

①逐層生長(zhǎng)模式

逐層生長(zhǎng)模式，也被稱(chēng)為“Frank-Van-Der-Merwe生長(zhǎng)模式”，就像是我們?cè)谠旆孔訒r(shí)，一磚一瓦地往上搭建。在這種生長(zhǎng)模式下，原子一層一層地排列在襯底表面上，形成一個(gè)完整的單原子層。之后，再開(kāi)始生長(zhǎng)下一層。雖然在實(shí)際操作中，很難做到每一層都完全覆蓋，但整體上這種模式仍然是一種二維的生長(zhǎng)方式。

這種模式通常適用于晶格匹配較好的材料系統(tǒng)，如硅在硅上的生長(zhǎng)（Si/Si）或砷化鎵在砷化鎵上的生長(zhǎng)（GaAs/GaAs）。為實(shí)現(xiàn)真正的逐層生長(zhǎng)，科學(xué)家們發(fā)展了如遷移增強(qiáng)外延（MEE）和原子層外延（ALE）等技術(shù)。通過(guò)控制原子的擴(kuò)散路徑，使得原子能夠找到合適的成核點(diǎn)，從而更好地控制生長(zhǎng)過(guò)程，特別是在厚度要求達(dá)到原子級(jí)別時(shí)，這些技術(shù)尤為重要。

②成核生長(zhǎng)模式

與逐層生長(zhǎng)模式不同，成核生長(zhǎng)模式（Volmer-Weber生長(zhǎng)模式）更像是在不規(guī)則表面上“撒”一些種子，然后這些種子逐漸生長(zhǎng)，形成獨(dú)立的“小島”。這些小島隨著時(shí)間的推移變大，最后合并成一個(gè)完整的外延層。

這種生長(zhǎng)模式通常出現(xiàn)在晶格失配較大或化學(xué)不兼容的材料系統(tǒng)中，比如氮化鎵（GaN）在藍(lán)寶石或硅碳化物（SiC）襯底上的生長(zhǎng)?？茖W(xué)家們通過(guò)開(kāi)發(fā)各種技術(shù)，如順應(yīng)基板工程，來(lái)解決這些問(wèn)題，使得異質(zhì)外延成為可能。成核生長(zhǎng)就像是將多個(gè)小塊拼圖逐漸組合起來(lái)，最終形成一幅完整的圖畫(huà)。

③S-K生長(zhǎng)模式

S-K生長(zhǎng)模式（Stranski-Krastanov生長(zhǎng)模式）則結(jié)合了前兩者的特點(diǎn)。它的初始階段是逐層生長(zhǎng)，但隨著外延層厚度的增加，總體表面自由能增大，逐層生長(zhǎng)模式會(huì)被打破，開(kāi)始形成三維的小島。

這種模式適用于晶格失配較低的系統(tǒng)，比如硅鍺合金（SiGe）在硅上的生長(zhǎng)（SiGe/Si），或者銦鎵砷（GaInAs）在砷化鎵上的生長(zhǎng)（GaInAs/GaAs）。可以把這種模式理解為一開(kāi)始我們像蓋房子一樣一磚一瓦地建造，但隨著房子變高，我們需要在房頂上添加一些裝飾小島來(lái)增加美觀。

3、外延生長(zhǎng)的技術(shù)與設(shè)備

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，外延生長(zhǎng)的主要技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積（CVD）和分子束外延（MBE）。這些技術(shù)可以幫助我們?cè)谝r底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的半導(dǎo)體層，并控制材料的厚度、成分和結(jié)構(gòu)。

①化學(xué)氣相沉積（CVD）

CVD是一種利用氣態(tài)化學(xué)反應(yīng)來(lái)在襯底上沉積材料的技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)會(huì)被引入反應(yīng)室，然后在高溫下分解并沉積在襯底上，形成外延層。CVD具有非常高的靈活性，可以用于各種不同的材料系統(tǒng)。

其中的一種變體，金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD），被廣泛應(yīng)用于砷化物、磷化物和氮化物類(lèi)半導(dǎo)體的生長(zhǎng)，例如用于氮化鎵（GaN）LED的生產(chǎn)?？梢园袰VD比作在平底鍋里煎蛋，氣態(tài)的材料像雞蛋液一樣覆蓋在鍋底，經(jīng)過(guò)加熱后，逐漸形成固態(tài)薄膜。

②分子束外延（MBE）

與CVD不同，MBE在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，利用原子或分子束直接撞擊加熱后的襯底表面，形成外延層。這就像用射箭的方式將原子*地“射”到襯底上。在MBE中，原子束具有彈道特性，它們之間幾乎沒(méi)有氣態(tài)反應(yīng)，能夠非常精確地控制外延層的生長(zhǎng)。MBE生長(zhǎng)系統(tǒng)如下：

MBE的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的厚度控制，適用于制作一些需要高度*控制的器件，例如量子點(diǎn)激光器或高遷移率晶體管（HEMT）。MBE可以理解為在極其精確的操作下“雕刻”出一層層的材料。MBE外延設(shè)備如下：

4、外延生長(zhǎng)的應(yīng)用

外延生長(zhǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其在現(xiàn)代半導(dǎo)體和光電子設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用。例如，基于量子阱結(jié)構(gòu)的激光二極管、光電探測(cè)器和高遷移率電子晶體管等器件都離不開(kāi)外延生長(zhǎng)技術(shù)。

在高亮度發(fā)光二極管（LED）的制造中，外延生長(zhǎng)用于在藍(lán)寶石或碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵（GaN）層，從而實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光。同樣，基于砷化鎵的高速電子器件和光電器件也依賴(lài)外延技術(shù)，提供了高速、高性能的解決方案。

此外，外延生長(zhǎng)技術(shù)還用于制備量子點(diǎn)和納米線(xiàn)等新型材料結(jié)構(gòu)，這些材料在未來(lái)的量子計(jì)算和納米電子學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

5、總結(jié)

外延生長(zhǎng)技術(shù)作為半導(dǎo)體行業(yè)的重要基石，推動(dòng)了電子和光電子器件的發(fā)展。從逐層生長(zhǎng)到成核生長(zhǎng)，再到S-K生長(zhǎng)模式，每一種外延生長(zhǎng)方式都為解決不同的材料系統(tǒng)問(wèn)題提供了有力的工具。通過(guò)不斷優(yōu)化外延生長(zhǎng)技術(shù)，我們能夠制造出更高效、更精密的器件，這不僅滿(mǎn)足了現(xiàn)有的技術(shù)需求，也為未來(lái)的新興科技提供了無(wú)限可能。

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