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半导体材料第半导体材料第9讲讲-III-V族族化合物半导体的外延生长化合物半导体的外延生长第七章III-V族化合物半导体的外延生长内容提要：气相外延生长VPE        卤化物法        氢化物法        金属有机物气相外延生长MOVPE液相外延生长LPE分子束外延生长MBEMOVPE技术 MOVPE (Metal organic Vapor Phase Epitaxy) MOVPE (Metal organic Vapor Phase Epitaxy)技术是技术是技术是技术是生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为MOCVD MOCVD 近年来从外延生长角度出发，称这一技术为近年来从外延生长角度出发，称这一技术为近年来从外延生长角度出发，称这一技术为近年来从外延生长角度出发，称这一技术为MOVPEMOVPE它是它是它是它是采用采用采用采用ⅢⅢⅢⅢ族、族、族、族、ⅡⅡⅡⅡ族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和V V族、族、族、族、ⅥⅥⅥⅥ族元素族元素族元素族元素的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长上进行外延生长上进行外延生长上进行外延生长ⅢⅢⅢⅢ一一一一V V族，族，族，族，ⅡⅡⅡⅡ一一一一ⅥⅥⅥⅥ族化合物半导体以及它族化合物半导体以及它族化合物半导体以及它族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶们的多元化合物的薄层单晶们的多元化合物的薄层单晶们的多元化合物的薄层单晶。

ⅡⅡⅡⅡ族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如GaGa、、、、AlAl、、、、InIn、、、、ZnZn、、、、CdCd等的甲基或乙基化合物：等的甲基或乙基化合物：等的甲基或乙基化合物：等的甲基或乙基化合物：Ga(CHGa(CH3 3) )3 3、、、、GaGa(C(C2 2H H5 5) )3 3等，等，等，等，金属有机化合物的名称及其英文缩写        三甲基镓三甲基镓    Tri-methyl-gallium     TMG    Tri-methyl-gallium     TMG．．TMGaTMGa        三甲基铟三甲基铟    Tri-methyl-indium      TMI    Tri-methyl-indium      TMI．．TMInTMIn        三甲基铝三甲基铝    Tri-methyl-alumium    TMAI    Tri-methyl-alumium    TMAI        三乙基镓三乙基镓    Tri-ethyl-gallium         TEG    Tri-ethyl-gallium         TEG．．TEGaTEGa        三乙基铟三乙基铟    Tri-ethyl-indium          TEI    Tri-ethyl-indium          TEI．．TEInTEIn        二甲基锌二甲基锌    Di-methyl-zinc          DMZn    Di-methyl-zinc          DMZn        二乙基锌二乙基锌    Di-ethyl-zinc             DEZn    Di-ethyl-zinc             DEZn        二甲基镉二甲基镉    Di-methyl-cadmium  DMCA    Di-methyl-cadmium  DMCA        二乙基镉二乙基镉    Di-ethyl-cadmium     DECA    Di-ethyl-cadmium     DECAMOVPE的特点的特点MOVPEMOVPE具有下列的特点：具有下列的特点：具有下列的特点：具有下列的特点： (1)(1)可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的性质性质性质性质 用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器。

因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延器因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延器因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延器因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性可以层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性可以层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性可以层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性可以生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构 ( (2) 2) 反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度分和杂质浓度分和杂质浓度分和杂质浓度 反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质和多层结构无疑是很重要的。

和多层结构无疑是很重要的和多层结构无疑是很重要的和多层结构无疑是很重要的 MOVPE的特点的特点(3) (3) 晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要控制的参数少需要控制的参数少需要控制的参数少需要控制的参数少，设备简单便于多片和大片外延生长，，设备简单便于多片和大片外延生长，，设备简单便于多片和大片外延生长，，设备简单便于多片和大片外延生长，有利于批量生长有利于批量生长有利于批量生长有利于批量生长 (4) (4) 晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因，因，因，因此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度 (5) (5) 源及反应产物中源及反应产物中源及反应产物中源及反应产物中不含有不含有不含有不含有HClHCl一类腐蚀性的卤化物一类腐蚀性的卤化物一类腐蚀性的卤化物一类腐蚀性的卤化物，，，，因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。

因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低 此外，此外，此外，此外，MOVPEMOVPE可以进行低压外延生长可以进行低压外延生长可以进行低压外延生长可以进行低压外延生长(LP-MOVPE. Low (LP-MOVPE. Low Pressure MOVPE)Pressure MOVPE)，比上述常压，比上述常压，比上述常压，比上述常压MOVPEMOVPE的特点更加显著的特点更加显著的特点更加显著的特点更加显著MOVPE设备 MOVPE MOVPE设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的 因为因为因为因为MOVPEMOVPE生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。

因此，设备要求考虑常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层因此，设备要求考虑常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层因此，设备要求考虑常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层因此，设备要求考虑系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要紧凑等等紧凑等等紧凑等等紧凑等等 不同厂家和研究者所生产或组装的不同厂家和研究者所生产或组装的不同厂家和研究者所生产或组装的不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPEMOVPE设备往往是不同的，但设备往往是不同的，但设备往往是不同的，但设备往往是不同的，但一般来说，都由以下几部分组成：一般来说，都由以下几部分组成：一般来说，都由以下几部分组成：一般来说，都由以下几部分组成： (1) (1) 源供给系统、源供给系统、源供给系统、源供给系统、 (2) (2)气体输运和流量控制系统，气体输运和流量控制系统，气体输运和流量控制系统，气体输运和流量控制系统， (3) (3)反应室加热及温度控制系统，反应室加热及温度控制系统，反应室加热及温度控制系统，反应室加热及温度控制系统，(4)(4)尾气处理，尾气处理，尾气处理，尾气处理， (5) (5)安全防护报警系统，安全防护报警系统，安全防护报警系统，安全防护报警系统，(6)(6)自动操作及电控系统。

自动操作及电控系统自动操作及电控系统自动操作及电控系统MOVPE设备 1 1．源供给系统．源供给系统．源供给系统．源供给系统 源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给金属有机物是装在特制的不锈钢金属有机物是装在特制的不锈钢金属有机物是装在特制的不锈钢金属有机物是装在特制的不锈钢( (有的内衬聚四氟乙烯有的内衬聚四氟乙烯有的内衬聚四氟乙烯有的内衬聚四氟乙烯) )的的的的鼓泡器鼓泡器鼓泡器鼓泡器( (源瓶源瓶源瓶源瓶) )中，由通入的高纯中，由通入的高纯中，由通入的高纯中，由通入的高纯H H2 2携带输运到反应室为携带输运到反应室为携带输运到反应室为携带输运到反应室为了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精度在度在度在度在±0±0．．．．1 1℃℃℃℃以下的电子恒温器中以下的电子恒温器中。

以下的电子恒温器中以下的电子恒温器中 氢化物一般是经高纯氢化物一般是经高纯氢化物一般是经高纯氢化物一般是经高纯H H2 2稀释到浓度为稀释到浓度为稀释到浓度为稀释到浓度为5 5％或％或％或％或1010％后％后％后％后( (也有也有也有也有100100％浓度的％浓度的％浓度的％浓度的) )装入钢瓶中，使用时再用高纯装入钢瓶中，使用时再用高纯装入钢瓶中，使用时再用高纯装入钢瓶中，使用时再用高纯H H2 2稀释到所需稀释到所需稀释到所需稀释到所需浓度后，输入反应室浓度后，输入反应室浓度后，输入反应室浓度后，输入反应室 掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运相同 MOVPE设备2 2．气体输运系统．气体输运系统．气体输运系统．气体输运系统 气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器(mass (mass flow controllerflow controller．．．．MFC)MFC)，截止阀、电磁阀和气动阀等组成。

为，截止阀、电磁阀和气动阀等组成为，截止阀、电磁阀和气动阀等组成为，截止阀、电磁阀和气动阀等组成为了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头用氩弧焊或用氩弧焊或用氩弧焊或用氩弧焊或VCRVCR接头接头接头接头连接，并用正压检漏和连接，并用正压检漏和连接，并用正压检漏和连接，并用正压检漏和HeHe泄漏检测仪检测，泄漏检测仪检测，泄漏检测仪检测，泄漏检测仪检测，保证反应系统无泄漏是保证反应系统无泄漏是保证反应系统无泄漏是保证反应系统无泄漏是MOVPEMOVPE设备组装的关键之一，泄漏速设备组装的关键之一，泄漏速设备组装的关键之一，泄漏速设备组装的关键之一，泄漏速率应低于率应低于率应低于率应低于1010-9-9cmcm3 3／／／／s s 气路的数目视源的种类而定为了精确控制流量应选择量程气路的数目视源的种类而定为了精确控制流量应选择量程气路的数目视源的种类而定为了精确控制流量应选择量程气路的数目视源的种类而定。

为了精确控制流量应选择量程合适、响应快、精度高的合适、响应快、精度高的合适、响应快、精度高的合适、响应快、精度高的MFCMFC，如进行低压外延生长，在反应，如进行低压外延生长，在反应，如进行低压外延生长，在反应，如进行低压外延生长，在反应室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系统在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其统在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其统在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其统在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其他颗粒倒吸到反应室中他颗粒倒吸到反应室中他颗粒倒吸到反应室中他颗粒倒吸到反应室中 如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路上绕有加热丝并覆盖上保温材料上绕有加热丝并覆盖上保温材料。

上绕有加热丝并覆盖上保温材料上绕有加热丝并覆盖上保温材料MOVPE设备3 3．反应室和加热系统．反应室和加热系统．反应室和加热系统．反应室和加热系统 反应室多数是由石英管和石墨基座组成为了生长组分均匀、超薄反应室多数是由石英管和石墨基座组成为了生长组分均匀、超薄反应室多数是由石英管和石墨基座组成为了生长组分均匀、超薄反应室多数是由石英管和石墨基座组成为了生长组分均匀、超薄层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构 石墨基座由高纯石墨制做，并包覆石墨基座由高纯石墨制做，并包覆石墨基座由高纯石墨制做，并包覆石墨基座由高纯石墨制做，并包覆SiCSiC层，不仅立式石墨基座可以层，不仅立式石墨基座可以层，不仅立式石墨基座可以层，不仅立式石墨基座可以转动，有的水平式基座也可以转动。

转动，有的水平式基座也可以转动转动，有的水平式基座也可以转动转动，有的水平式基座也可以转动 为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯N N2 2的保护室的保护室的保护室的保护室( (箱箱箱箱) )或专用装取片设备或专用装取片设备或专用装取片设备或专用装取片设备 加热多采用高频感应加热或辐射加热由热电偶和温度控制器与微加热多采用高频感应加热或辐射加热由热电偶和温度控制器与微加热多采用高频感应加热或辐射加热由热电偶和温度控制器与微加热多采用高频感应加热或辐射加热由热电偶和温度控制器与微机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达±0±0．．．．2 2℃℃℃℃MOVPE设备4 4．尾气处理系统．尾气处理系统．尾气处理系统．尾气处理系统 反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直接排放到大气中，必须进行处理。

目前处理尾气的方法有很多种，主要有高接排放到大气中，必须进行处理目前处理尾气的方法有很多种，主要有高接排放到大气中，必须进行处理目前处理尾气的方法有很多种，主要有高接排放到大气中，必须进行处理目前处理尾气的方法有很多种，主要有高温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通入装有入装有入装有入装有H H2 2SOSO4 4+H+H2 20 02 2及装有及装有及装有及装有NaOHNaOH的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等总之要将尾气处理到符合环保要求剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等总之要将尾气处理到符合环保要求剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等总之要将尾气处理到符合环保要求剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等总之要将尾气处理到符合环保要求后再排放到大气中。

后再排放到大气中后再排放到大气中后再排放到大气中 5 5．安全保护及报警系统．安全保护及报警系统．安全保护及报警系统．安全保护及报警系统 为了安全，一般的为了安全，一般的为了安全，一般的为了安全，一般的MOVPEMOVPE系统，设备有高纯系统，设备有高纯系统，设备有高纯系统，设备有高纯N N2 2旁路系统，在断电或其他原旁路系统，在断电或其他原旁路系统，在断电或其他原旁路系统，在断电或其他原因引起的不能正常工作时，纯因引起的不能正常工作时，纯因引起的不能正常工作时，纯因引起的不能正常工作时，纯N N2 2将自动通入系统保护系统内的清洁在正常将自动通入系统保护系统内的清洁在正常将自动通入系统保护系统内的清洁在正常将自动通入系统保护系统内的清洁在正常停止生长期间也有长通高纯停止生长期间也有长通高纯停止生长期间也有长通高纯停止生长期间也有长通高纯N2N2的保护系统的保护系统的保护系统的保护系统 设备还附有设备还附有设备还附有设备还附有AsHAsH3 3，，，，PHPH3 3等毒气等毒气等毒气等毒气泄漏检测仪及泄漏检测仪及泄漏检测仪及泄漏检测仪及H2H2气泄漏检测器，并通过声光报警。

气泄漏检测器，并通过声光报警气泄漏检测器，并通过声光报警气泄漏检测器，并通过声光报警 6 6．控制系统．控制系统．控制系统．控制系统 一般的一般的一般的一般的MOVPEMOVPE设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能 在控制在控制在控制在控制系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如系统面板上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况MOVPE生长GaAs使用使用使用使用TMGaTMGa与与与与AsHAsH3 3反应生长反应生长反应生长反应生长GaAsGaAs原理原理原理原理 Ga(CH Ga(CH3 3) )3 3(g) + AsH(g) + AsH3 3(g) = GaAs(s) +3CH(g) = GaAs(s) +3CH4 4(g) (g) 如果要生长三元化合物如果要生长三元化合物如果要生长三元化合物如果要生长三元化合物GaGa1-x1-xAlAlx xAsAs时，可以在上述反应系时，可以在上述反应系时，可以在上述反应系时，可以在上述反应系统中再通往统中再通往统中再通往统中再通往TMAlTMAl，反应式为：，反应式为：，反应式为：，反应式为： xAl (CH xAl (CH3 3) )3 3(g) + (1-x) Ga(CH(g) + (1-x) Ga(CH3 3) )3 3(g) + AsH(g) + AsH3 3(g) = (g) = Ga Ga1-x1-xAlAlx xAs(s) +3CHAs(s) +3CH4 4(g) (g) MOVPE生长GaAs工艺工艺工艺工艺 把处理好的把处理好的把处理好的把处理好的GaAsGaAs衬底装到基座上，调整好三甲基镓衬底装到基座上，调整好三甲基镓衬底装到基座上，调整好三甲基镓衬底装到基座上，调整好三甲基镓(TMG)(TMG)源源源源的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等。

的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等 然后系统抽空、充然后系统抽空、充然后系统抽空、充然后系统抽空、充H H2 2( (如是低压生长应调整好反应室内压力如是低压生长应调整好反应室内压力如是低压生长应调整好反应室内压力如是低压生长应调整好反应室内压力) ) 接着升温，待温度达到接着升温，待温度达到接着升温，待温度达到接着升温，待温度达到300 300 ℃℃℃℃时，开始通时，开始通时，开始通时，开始通AsHAsH3 3，在反应室内，在反应室内，在反应室内，在反应室内形成形成形成形成AsAs气氛，以防止气氛，以防止气氛，以防止气氛，以防止GaAsGaAs衬底受热分解待温度升至外延生衬底受热分解待温度升至外延生衬底受热分解待温度升至外延生衬底受热分解待温度升至外延生长温度时，通入长温度时，通入长温度时，通入长温度时，通入TMGTMG进行外延生长进行外延生长进行外延生长进行外延生长 在生长完后，停止通在生长完后，停止通在生长完后，停止通在生长完后，停止通TMGTMG，降温到，降温到，降温到，降温到300300℃℃℃℃时再停止通时再停止通时再停止通时再停止通AsHAsH3 3，待，待，待，待温度降至室温时开炉取出外延片。

温度降至室温时开炉取出外延片温度降至室温时开炉取出外延片温度降至室温时开炉取出外延片影响GaAs生长的因素常压常压常压常压MOVPEMOVPE生长生长生长生长GaAsGaAs(1)AsH3(1)AsH3／／／／TMG(VTMG(V／／／／III)III)对所生长的对所生长的对所生长的对所生长的GaAsGaAs导电类型和载流子浓度的影响导电类型和载流子浓度的影响导电类型和载流子浓度的影响导电类型和载流子浓度的影响 由图看出，在比值大的情况下，由图看出，在比值大的情况下，由图看出，在比值大的情况下，由图看出，在比值大的情况下，外延层是外延层是外延层是外延层是N N型，载流子浓度处于低型，载流子浓度处于低型，载流子浓度处于低型，载流子浓度处于低到中等到中等到中等到中等(10(101414／／／／cmcm3 3) )区域内随着区域内随着区域内随着区域内随着ASHASH3 3／／／／TMGTMG比的减少，材料的载流比的减少，材料的载流比的减少，材料的载流比的减少，材料的载流子浓度也随之减少，并发生导电类子浓度也随之减少，并发生导电类子浓度也随之减少，并发生导电类子浓度也随之减少，并发生导电类型改变。

当比值减少到大约型改变当比值减少到大约型改变当比值减少到大约型改变当比值减少到大约2020时，时，时，时，变为变为变为变为P P型 实验发现，产生导电类型转变区实验发现，产生导电类型转变区实验发现，产生导电类型转变区实验发现，产生导电类型转变区的精确的的精确的的精确的的精确的AsH3AsH3／／／／TMGTMG的比值与生的比值与生的比值与生的比值与生长温度、生长速度以及源的纯度有长温度、生长速度以及源的纯度有长温度、生长速度以及源的纯度有长温度、生长速度以及源的纯度有关此外，在比值大于关此外，在比值大于关此外，在比值大于关此外，在比值大于3030时，表面时，表面时，表面时，表面如镜面，而比值很低，小于如镜面，而比值很低，小于如镜面，而比值很低，小于如镜面，而比值很低，小于1010～～～～1515时，表面变得粗糙时，表面变得粗糙时，表面变得粗糙时，表面变得粗糙影响GaAs生长的因素(2) (2) 外延层厚度对迁移率的影响在半绝缘外延层厚度对迁移率的影响在半绝缘外延层厚度对迁移率的影响在半绝缘外延层厚度对迁移率的影响在半绝缘GaAsGaAs衬底上，相同的条件下，衬底上，相同的条件下，衬底上，相同的条件下，衬底上，相同的条件下，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，迁移率迅速增加，在层厚迁移率迅速增加，在层厚迁移率迅速增加，在层厚迁移率迅速增加，在层厚2525～～～～30μm30μm时，达到极大值，然后有所下降，但时，达到极大值，然后有所下降，但时，达到极大值，然后有所下降，但时，达到极大值，然后有所下降，但变化不大。

产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积变化不大产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积变化不大产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积变化不大产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致 (3) (3) 总杂质浓度和生长温度的关系在富砷的生长条件下，温度是影响总杂质浓度和生长温度的关系在富砷的生长条件下，温度是影响总杂质浓度和生长温度的关系在富砷的生长条件下，温度是影响总杂质浓度和生长温度的关系在富砷的生长条件下，温度是影响非掺杂非掺杂非掺杂非掺杂GaAsGaAs外延层中总杂质浓度的最重要因素实验发现，从外延层中总杂质浓度的最重要因素实验发现，从外延层中总杂质浓度的最重要因素实验发现，从外延层中总杂质浓度的最重要因素实验发现，从750750℃℃℃℃到到到到600600℃℃℃℃，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低在，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。

在，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低在，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低在600600℃℃℃℃时，时，时，时，总杂质浓度总杂质浓度总杂质浓度总杂质浓度<10<101515／／／／cmcm3 3但低于600600℃℃℃℃时，外延层表面变得粗糙时，外延层表面变得粗糙时，外延层表面变得粗糙时，外延层表面变得粗糙 (4) (4) 源纯度对迁移率的影响在源纯度对迁移率的影响在源纯度对迁移率的影响在源纯度对迁移率的影响在MOVPEMOVPE生长非掺杂生长非掺杂生长非掺杂生长非掺杂GaAsGaAs外延层中，杂外延层中，杂外延层中，杂外延层中，杂质的主要来源是源材料，只要质的主要来源是源材料，只要质的主要来源是源材料，只要质的主要来源是源材料，只要TMGTMG和和和和AsHAsH3 3中一种纯度不够，迁移率就降中一种纯度不够，迁移率就降中一种纯度不够，迁移率就降中一种纯度不够，迁移率就降低早期源的纯度不够高曾限制了低早期源的纯度不够高曾限制了低早期源的纯度不够高曾限制了低早期源的纯度不够高曾限制了MOVPEMOVPE技术的应用目前采用一般的技术的应用目前采用一般的技术的应用。

目前采用一般的技术的应用目前采用一般的源可生长出载流子浓度小于源可生长出载流子浓度小于源可生长出载流子浓度小于源可生长出载流子浓度小于1×101×101414／／／／cmcm3 3，室温迁移率大于，室温迁移率大于，室温迁移率大于，室温迁移率大于6000cm6000cm2 2／／／／VSVS的的的的GaAsGaAs外延层LP—MOVPE生长GaAsLP—MOVPELP—MOVPE生长生长生长生长GaAsGaAs的质量在很多方面优于的质量在很多方面优于的质量在很多方面优于的质量在很多方面优于MOVPEMOVPE (1) (1) 非故意掺杂对于常压非故意掺杂对于常压非故意掺杂对于常压非故意掺杂对于常压MOVPEMOVPE生长，当生长，当生长，当生长，当AsHAsH3 3／／／／TMGTMG大时，外延层为大时，外延层为大时，外延层为大时，外延层为N N型，且载流子浓度随此比值增加而增加，降低此比值到一定时则型，且载流子浓度随此比值增加而增加，降低此比值到一定时则型，且载流子浓度随此比值增加而增加，降低此比值到一定时则型，且载流子浓度随此比值增加而增加，降低此比值到一定时则GaAsGaAs转变成转变成转变成转变成P P型。

对于型对于LP—MOVPELP—MOVPE来说，当系统内压力减低时，来说，当系统内压力减低时，来说，当系统内压力减低时，来说，当系统内压力减低时， AsH AsH3 3的有效热分解也的有效热分解也的有效热分解也的有效热分解也减少，结果在衬底与气体界而处的有效减少，结果在衬底与气体界而处的有效减少，结果在衬底与气体界而处的有效减少，结果在衬底与气体界而处的有效AsAs浓度下降因此，要在比常压高的浓度下降因此，要在比常压高的浓度下降因此，要在比常压高的浓度下降因此，要在比常压高的AsAs／／／／TMGTMG比值下，才能得到高迁移率比值下，才能得到高迁移率比值下，才能得到高迁移率比值下，才能得到高迁移率N N型型型型GaAsGaAs材料 (2) (2) 影响生长速度的因素在影响生长速度的因素在影响生长速度的因素在影响生长速度的因素在1.3×101.3×103 3～～～～1×101×105 5PaPa的压强和的压强和的压强和的压强和520520～～～～760760℃℃℃℃的温的温的温的温度范围内，研究度范围内，研究度范围内，研究度范围内，研究LP—MOVPELP—MOVPE生长生长生长生长GaAsGaAs的速率，结果是：的速率，结果是：的速率，结果是：的速率，结果是： 1) 1)当温度、压力、当温度、压力、当温度、压力、当温度、压力、H2H2和和和和AsHAsH3 3流量不变时，生长速率与流量不变时，生长速率与流量不变时，生长速率与流量不变时，生长速率与TMGTMG流量成正比。

流量成正比流量成正比流量成正比 2) 2)当压力、当压力、当压力、当压力、H2H2及及及及AsHAsH3 3和和和和TMGTMG流量不变时，生长速率与生长温度关系不大流量不变时，生长速率与生长温度关系不大流量不变时，生长速率与生长温度关系不大流量不变时，生长速率与生长温度关系不大 3) 3)其他条件不变时，生长速率与其他条件不变时，生长速率与其他条件不变时，生长速率与其他条件不变时，生长速率与AsHAsH3 3流量无关流量无关流量无关流量无关 4) 4)当其他条件不变时，生长速率和系统总压力关系不大当其他条件不变时，生长速率和系统总压力关系不大当其他条件不变时，生长速率和系统总压力关系不大当其他条件不变时，生长速率和系统总压力关系不大MOVPE生长掺杂的GaAsMOVPEMOVPE生长掺杂生长掺杂生长掺杂生长掺杂GaAsGaAs时，掺杂剂与时，掺杂剂与时，掺杂剂与时，掺杂剂与TMGTMG、、、、AsHAsH3 3同时输入反应室同时输入反应室同时输入反应室同时输入反应室N N型掺杂剂有型掺杂剂有型掺杂剂有型掺杂剂有H H2 2SeSe、、、、H H2 2S S、、、、SiHSiH4 4等；等；等；等；P P型掺杂用型掺杂用型掺杂用型掺杂用DMZnDMZn、、、、DEZnDEZn、、、、DMCdDMCd等；等；等；等；用六羰基铬掺杂可获得半绝缘用六羰基铬掺杂可获得半绝缘用六羰基铬掺杂可获得半绝缘用六羰基铬掺杂可获得半绝缘GaAsGaAs外延层。

外延层MOVPE法生长GaNGaNGaN的熔点约为的熔点约为的熔点约为的熔点约为28002800℃℃℃℃，在这个温度下氮的蒸气压可达，在这个温度下氮的蒸气压可达，在这个温度下氮的蒸气压可达，在这个温度下氮的蒸气压可达4.5×104.5×109 9PaPa．．．．即使在即使在即使在即使在12001200～～～～15001500℃℃℃℃温度范围内生长，氮的压力仍然为温度范围内生长，氮的压力仍然为温度范围内生长，氮的压力仍然为温度范围内生长，氮的压力仍然为1.5×101.5×109 9papa，，，，并且并且并且并且N N在在在在GaGa中的溶解度低于中的溶解度低于中的溶解度低于中的溶解度低于1 1％，因此，很难生长体单晶％，因此，很难生长体单晶％，因此，很难生长体单晶％，因此，很难生长体单晶由于得不到由于得不到由于得不到由于得不到GaNGaN衬底材料，所以衬底材料，所以衬底材料，所以衬底材料，所以GaNGaN只能进行异质外延生长目前作只能进行异质外延生长目前作只能进行异质外延生长目前作只能进行异质外延生长目前作为实用的衬底材料的有为实用的衬底材料的有为实用的衬底材料的有为实用的衬底材料的有SiCSiC、蓝宝石等，也在寻找新的衬底材料，如、蓝宝石等，也在寻找新的衬底材料，如、蓝宝石等，也在寻找新的衬底材料，如、蓝宝石等，也在寻找新的衬底材料，如ZnOZnO、、、、SiSi、、、、GaAsGaAs及某些锂盐等。

现在用于生长制备高亮度蓝色发光及某些锂盐等现在用于生长制备高亮度蓝色发光及某些锂盐等现在用于生长制备高亮度蓝色发光及某些锂盐等现在用于生长制备高亮度蓝色发光二极管所需二极管所需二极管所需二极管所需GaNGaN系材料的方法是系材料的方法是系材料的方法是系材料的方法是MOVPE,MOVPE,，，，，原料：以蓝宝石原料：以蓝宝石原料：以蓝宝石原料：以蓝宝石(0001)(0001)为衬底，为衬底，为衬底，为衬底，NHNH3 3和和和和TMGTMG为为为为N N和和和和GaGa源，源，源，源，H H2 2为输运气为输运气为输运气为输运气体二步外延法：二步外延法：二步外延法：二步外延法：由于由于由于由于GaNGaN和衬底之间的失配大到和衬底之间的失配大到和衬底之间的失配大到和衬底之间的失配大到15.415.4％，为此先用％，为此先用％，为此先用％，为此先用MOVPEMOVPE法，在法，在法，在法，在550550℃℃℃℃左右，在衬底上先生长一层左右，在衬底上先生长一层左右，在衬底上先生长一层左右，在衬底上先生长一层2020～～～～25nm25nm厚的厚的厚的厚的GaNGaN的缓冲层，然后升温至的缓冲层，然后升温至的缓冲层，然后升温至的缓冲层，然后升温至10301030℃℃℃℃，接着生长，接着生长，接着生长，接着生长GaNGaN外延层。

外延层双气流双气流MOVPE 由于由于由于由于GaNGaN生长温度高，生长温度高，生长温度高，生长温度高，GaNGaN易分解，产生较多易分解，产生较多易分解，产生较多易分解，产生较多N N空位为了解决这个空位为了解决这个空位为了解决这个空位为了解决这个问题，采用双气流问题，采用双气流问题，采用双气流问题，采用双气流MOVPE (TWO Flow MOVPEMOVPE (TWO Flow MOVPE，，，，TF-MOVPE)TF-MOVPE)系统这个系统使用二组输入反应室的气路这个系统使用二组输入反应室的气路这个系统使用二组输入反应室的气路这个系统使用二组输入反应室的气路一路称为一路称为一路称为一路称为 主气路主气路主气路主气路，它沿，它沿，它沿，它沿与衬底平行与衬底平行与衬底平行与衬底平行方向输入反应气体方向输入反应气体方向输入反应气体方向输入反应气体(NH(NH3 3、、、、TMGTMG和和和和H H2 2混合物混合物混合物混合物) )另一路称为另一路称为另一路称为另一路称为 副气路副气路副气路副气路，它以高速度在，它以高速度在，它以高速度在，它以高速度在垂直于衬底垂直于衬底垂直于衬底垂直于衬底方向输入方向输入方向输入方向输入H H2 2和和和和N N2 2的混的混的混的混合气体。

合气体副气路输入的气体的作用是改变主气流的流向和抑制生长副气路输入的气体的作用是改变主气流的流向和抑制生长副气路输入的气体的作用是改变主气流的流向和抑制生长副气路输入的气体的作用是改变主气流的流向和抑制生长GaNGaN时的热对流，从而生长了具有高迁移率的时的热对流，从而生长了具有高迁移率的时的热对流，从而生长了具有高迁移率的时的热对流，从而生长了具有高迁移率的GaNGaN单晶层一般生长的非掺杂的一般生长的非掺杂的一般生长的非掺杂的一般生长的非掺杂的GaNGaN都是都是都是都是N N型的，为了生长型的，为了生长型的，为了生长型的，为了生长PNPN结结构，要进行掺结结构，要进行掺结结构，要进行掺结结构，要进行掺杂常用的杂常用的杂常用的杂常用的N N型掺杂源是型掺杂源是型掺杂源是型掺杂源是SiH4SiH4，其掺杂浓度可达，其掺杂浓度可达，其掺杂浓度可达，其掺杂浓度可达10101717～～～～10101919／／／／cmcm3 3为了获得为了获得为了获得为了获得P P型型型型GaNGaN，首先要将非掺杂，首先要将非掺杂，首先要将非掺杂，首先要将非掺杂GaNGaN的的的的N N型背景杂质浓度降下来，型背景杂质浓度降下来，型背景杂质浓度降下来，型背景杂质浓度降下来，再用二茂基镁为源掺杂镁，经低能电子束辐射或在再用二茂基镁为源掺杂镁，经低能电子束辐射或在再用二茂基镁为源掺杂镁，经低能电子束辐射或在再用二茂基镁为源掺杂镁，经低能电子束辐射或在N N2 2气氛中气氛中气氛中气氛中700700℃℃高高高高温退火可得到低阻温退火可得到低阻温退火可得到低阻温退火可得到低阻P P型型型型GaNGaN。

液相外延生长(LPE)液相外延是液相外延是液相外延是液相外延是从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法 (Liquid phase epitaxy(Liquid phase epitaxy，，，，LPE)LPE)它是19631963年由纳尔逊年由纳尔逊年由纳尔逊年由纳尔逊(H(H．．．．Nelson)Nelson)提出来的，与其他外延方法相比，它有如下的提出来的，与其他外延方法相比，它有如下的提出来的，与其他外延方法相比，它有如下的提出来的，与其他外延方法相比，它有如下的优点：优点：优点：优点：①①①①生长设备比较简单；生长设备比较简单；生长设备比较简单；生长设备比较简单；②②②②有较高的生长速率；有较高的生长速率；有较高的生长速率；有较高的生长速率；③③③③掺杂剂选择范围广；掺杂剂选择范围广；掺杂剂选择范围广；掺杂剂选择范围广；④④④④晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；⑤⑤⑤⑤晶体纯度高，系统中没有剧毒和强腐性的原料及产物，晶体纯度高，系统中没有剧毒和强腐性的原料及产物，晶体纯度高，系统中没有剧毒和强腐性的原料及产物，晶体纯度高，系统中没有剧毒和强腐性的原料及产物，操作安全、简便。

操作安全、简便操作安全、简便操作安全、简便 由于上述的优点，使它在光电、微波器件的研究和生产由于上述的优点，使它在光电、微波器件的研究和生产由于上述的优点，使它在光电、微波器件的研究和生产由于上述的优点，使它在光电、微波器件的研究和生产中得到广泛的应用中得到广泛的应用中得到广泛的应用中得到广泛的应用LPE的缺点的缺点1) 1) 当外延层与衬底晶格常数差大于当外延层与衬底晶格常数差大于当外延层与衬底晶格常数差大于当外延层与衬底晶格常数差大于1 1％时，不能进行很好的生％时，不能进行很好的生％时，不能进行很好的生％时，不能进行很好的生长2) 2) 由于分凝系数的不同，除生长很薄外延层外，在生长方向上由于分凝系数的不同，除生长很薄外延层外，在生长方向上由于分凝系数的不同，除生长很薄外延层外，在生长方向上由于分凝系数的不同，除生长很薄外延层外，在生长方向上控制掺杂和多元化合物组分均匀性遇到困难控制掺杂和多元化合物组分均匀性遇到困难控制掺杂和多元化合物组分均匀性遇到困难控制掺杂和多元化合物组分均匀性遇到困难3) LPE3) LPE的外延层表面一般不如气相外延好的外延层表面一般不如气相外延好。

的外延层表面一般不如气相外延好的外延层表面一般不如气相外延好 近年来，由于近年来，由于近年来，由于近年来，由于MOVPEMOVPE等外延技术的发展，等外延技术的发展，等外延技术的发展，等外延技术的发展，LPELPE的应用受到了影的应用受到了影的应用受到了影的应用受到了影响，特别是响，特别是响，特别是响，特别是LPELPE很难重复生长超薄很难重复生长超薄很难重复生长超薄很难重复生长超薄( (厚度厚度厚度厚度<10nm)<10nm)的外延层，使的外延层，使的外延层，使的外延层，使它在超晶格，量子阱等低维结构材料和器件制备方面遇到困难它在超晶格，量子阱等低维结构材料和器件制备方面遇到困难它在超晶格，量子阱等低维结构材料和器件制备方面遇到困难它在超晶格，量子阱等低维结构材料和器件制备方面遇到困难液相外延的相平衡原理液相外延实质上是液相外延实质上是液相外延实质上是液相外延实质上是从金属溶液中生长一定组分晶从金属溶液中生长一定组分晶从金属溶液中生长一定组分晶从金属溶液中生长一定组分晶体的结晶过程体的结晶过程体的结晶过程体的结晶过程它是在多相体系中进行的它是在多相体系中进行的它是在多相体系中进行的。

它是在多相体系中进行的 为了正确控制外延层的性质，确定合理的工艺为了正确控制外延层的性质，确定合理的工艺为了正确控制外延层的性质，确定合理的工艺为了正确控制外延层的性质，确定合理的工艺参数，必须知道温度、压力和各相组分之间的定参数，必须知道温度、压力和各相组分之间的定参数，必须知道温度、压力和各相组分之间的定参数，必须知道温度、压力和各相组分之间的定量关系，所以体系的相图是液相外延的物理化学量关系，所以体系的相图是液相外延的物理化学量关系，所以体系的相图是液相外延的物理化学量关系，所以体系的相图是液相外延的物理化学基础 图图图图7—57—5为为为为Ga-AsGa-As二元体系二元体系二元体系二元体系T-xT-x相图，利用此图可相图，利用此图可相图，利用此图可相图，利用此图可以说明液相外延的原理以说明液相外延的原理以说明液相外延的原理以说明液相外延的原理由图可知，用由图可知，用由图可知，用由图可知，用GaGa做溶剂，在低于做溶剂，在低于做溶剂，在低于做溶剂，在低于GaAsGaAs熔点的温度下生长熔点的温度下生长熔点的温度下生长熔点的温度下生长GaAsGaAs晶体。

晶体如如如如GaGa溶液组分为溶液组分为溶液组分为溶液组分为C CL1L1，当温度，当温度，当温度，当温度T=TT=TAA时，它与时，它与时，它与时，它与GaAsGaAs衬底接触，此时衬底接触，此时衬底接触，此时衬底接触，此时A A点点点点处于液相区，故它将溶掉处于液相区，故它将溶掉处于液相区，故它将溶掉处于液相区，故它将溶掉GaAsGaAs衬底衬底衬底衬底( (俗称吃片子俗称吃片子俗称吃片子俗称吃片子) ) GaAs GaAs衬底被溶解后，溶液中衬底被溶解后，溶液中衬底被溶解后，溶液中衬底被溶解后，溶液中AsAs量量量量增大，增大，增大，增大，A A点朝右移动至点朝右移动至点朝右移动至点朝右移动至A’A’后，后，后，后，GaAsGaAs才停止溶解，才停止溶解，才停止溶解，才停止溶解， 如组分为如组分为如组分为如组分为C CL1L1的的的的GaGa溶液在温度溶液在温度溶液在温度溶液在温度T TBB时时时时与与与与GaAsGaAs接触，这时溶液为饱和态，接触，这时溶液为饱和态，接触，这时溶液为饱和态，接触，这时溶液为饱和态，GaAsGaAs将不溶解降温后溶液变成过将不溶解降温后溶液变成过将不溶解。

降温后溶液变成过将不溶解降温后溶液变成过饱和，这时饱和，这时饱和，这时饱和，这时GaAsGaAs将析出并沉积在将析出并沉积在将析出并沉积在将析出并沉积在GaAsGaAs衬底上进行外延生长衬底上进行外延生长衬底上进行外延生长衬底上进行外延生长1237℃液相外延的方法 液相外延的方法有许多种，按衬底与溶液接触方式不同分液相外延的方法有许多种，按衬底与溶液接触方式不同分液相外延的方法有许多种，按衬底与溶液接触方式不同分液相外延的方法有许多种，按衬底与溶液接触方式不同分为：为：为：为：舟倾斜法、浸渍法、旋转反应管法舟倾斜法、浸渍法、旋转反应管法舟倾斜法、浸渍法、旋转反应管法舟倾斜法、浸渍法、旋转反应管法及及及及滑动舟法滑动舟法滑动舟法滑动舟法等，其等，其等，其等，其中滑动舟法最用中滑动舟法最用中滑动舟法最用中滑动舟法最用 滑动舟法可分为滑动舟法可分为滑动舟法可分为滑动舟法可分为降温法降温法降温法降温法( (瞬态生长瞬态生长瞬态生长瞬态生长) )和和和和温差法温差法温差法温差法( (稳态生长稳态生长稳态生长稳态生长) ) 降温法降温法降温法降温法1) 1) 先将先将先将先将GaGa池与池与池与池与GaAsGaAs固体源接触，使之达到饱和固体源接触，使之达到饱和固体源接触，使之达到饱和固体源接触，使之达到饱和2) 2) 将将将将GaGa池与衬底接触，以一定的速度降温至溶液过饱和池与衬底接触，以一定的速度降温至溶液过饱和池与衬底接触，以一定的速度降温至溶液过饱和池与衬底接触，以一定的速度降温至溶液过饱和3) GaAs3) GaAs将在衬底上析出，达到所要求厚度将在衬底上析出，达到所要求厚度将在衬底上析出，达到所要求厚度将在衬底上析出，达到所要求厚度4) 4) 将将将将GaGa池与衬底分开，池与衬底分开，池与衬底分开，池与衬底分开， 停止生长。

停止生长停止生长停止生长 此法适于生长薄的单晶层此法适于生长薄的单晶层此法适于生长薄的单晶层此法适于生长薄的单晶层 降温法(瞬态生长)工艺 瞬态生长工艺应用比较广泛，按衬底片与源接触情况不同又瞬态生长工艺应用比较广泛，按衬底片与源接触情况不同又瞬态生长工艺应用比较广泛，按衬底片与源接触情况不同又瞬态生长工艺应用比较广泛，按衬底片与源接触情况不同又分成平衡冷却、过冷、步冷和两相溶液冷却四种工艺分成平衡冷却、过冷、步冷和两相溶液冷却四种工艺分成平衡冷却、过冷、步冷和两相溶液冷却四种工艺分成平衡冷却、过冷、步冷和两相溶液冷却四种工艺 平衡冷却平衡冷却平衡冷却平衡冷却 是在平衡温度是在平衡温度是在平衡温度是在平衡温度T T1 1时，溶液与衬底接触以恒定的冷时，溶液与衬底接触以恒定的冷时，溶液与衬底接触以恒定的冷时，溶液与衬底接触以恒定的冷却速率降温外延生长；却速率降温外延生长；却速率降温外延生长；却速率降温外延生长； 步冷步冷步冷步冷 溶液降温至溶液降温至溶液降温至溶液降温至T

片上，然后将此溶液与衬底接触并继续降温生长片上，然后将此溶液与衬底接触并继续降温生长片上，然后将此溶液与衬底接触并继续降温生长温差法1) 1) 溶液与上方的溶液与上方的溶液与上方的溶液与上方的GaAsGaAs源片接触，至达到平衡源片接触，至达到平衡源片接触，至达到平衡源片接触，至达到平衡2)2)降低炉子下部温度，在降低炉子下部温度，在降低炉子下部温度，在降低炉子下部温度，在GaGa池内建立一定的温度梯度池内建立一定的温度梯度池内建立一定的温度梯度池内建立一定的温度梯度(5(5～～～～7 7℃℃℃℃／／／／cm)cm)3) 3) 推动舟，使推动舟，使推动舟，使推动舟，使GaGa液与下面的衬底接触液与下面的衬底接触液与下面的衬底接触液与下面的衬底接触4) 4) 由于由于由于由于GaGa液上下温度不同，故它们对液上下温度不同，故它们对液上下温度不同，故它们对液上下温度不同，故它们对GaAsGaAs溶解度不同，溶解度不同，溶解度不同，溶解度不同，于是高温处于是高温处于是高温处于是高温处GaAsGaAs源片溶解，而低温处源片溶解，而低温处源片溶解，而低温处源片溶解，而低温处GaAsGaAs衬底上将生长衬底上将生长衬底上将生长衬底上将生长GaAsGaAs，外延生长速率由，外延生长速率由，外延生长速率由，外延生长速率由GaGa液中温度梯度决定液中温度梯度决定液中温度梯度决定液中温度梯度决定外延结束时，将外延结束时，将外延结束时，将外延结束时，将GaGa池推离衬底池推离衬底池推离衬底池推离衬底 此法可避免在生长过程中由于降温造成的杂质分布的此法可避免在生长过程中由于降温造成的杂质分布的此法可避免在生长过程中由于降温造成的杂质分布的此法可避免在生长过程中由于降温造成的杂质分布的不均匀，使杂质纵向均匀性和晶体完整性得到改善，并且不均匀，使杂质纵向均匀性和晶体完整性得到改善，并且不均匀，使杂质纵向均匀性和晶体完整性得到改善，并且不均匀，使杂质纵向均匀性和晶体完整性得到改善，并且GaAsGaAs析出量不受降温范围限制，适于生长厚外延层。

析出量不受降温范围限制，适于生长厚外延层析出量不受降温范围限制，适于生长厚外延层析出量不受降温范围限制，适于生长厚外延层 液相外延生长膜的过程液相外延生长膜的过程可分为两步：液相外延生长膜的过程可分为两步：      ①①   物质输运，液相中溶质通过扩散，对流输运到物质输运，液相中溶质通过扩散，对流输运到生长界面生长界面      ②②   界面反应，包括溶质在衬底表面上的吸附、反界面反应，包括溶质在衬底表面上的吸附、反应、成核、迁移、在台阶处被俘获、副产物的脱应、成核、迁移、在台阶处被俘获、副产物的脱附等步骤附等步骤     反应速度主要受扩散限制反应速度主要受扩散限制   GaAs液相外延的掺杂 系统自掺杂：系统自掺杂：系统自掺杂：系统自掺杂：影响外延层中杂质的因素很多，如源、器具的纯度，系统影响外延层中杂质的因素很多，如源、器具的纯度，系统影响外延层中杂质的因素很多，如源、器具的纯度，系统影响外延层中杂质的因素很多，如源、器具的纯度，系统的密封性，接触温度，采用的工艺条件等的密封性，接触温度，采用的工艺条件等的密封性，接触温度，采用的工艺条件等的密封性，接触温度，采用的工艺条件等。

减少自掺杂的措施：减少自掺杂的措施：减少自掺杂的措施：减少自掺杂的措施：液相外延的器具要用高纯石墨制造并在外延前经高真空高液相外延的器具要用高纯石墨制造并在外延前经高真空高液相外延的器具要用高纯石墨制造并在外延前经高真空高液相外延的器具要用高纯石墨制造并在外延前经高真空高温处理，可除去温处理，可除去温处理，可除去温处理，可除去CrCr，，，，MnMn，，，，FeFe，，，，NiNi，，，，CuCu，，，，znzn，，，，SeSe等杂质 高温烘烤还有利于除去能产生深能级的氧高温烘烤还有利于除去能产生深能级的氧高温烘烤还有利于除去能产生深能级的氧高温烘烤还有利于除去能产生深能级的氧 另外系统要严密，外延系统磨口接头用纯另外系统要严密，外延系统磨口接头用纯另外系统要严密，外延系统磨口接头用纯另外系统要严密，外延系统磨口接头用纯N2N2保护，这些保护，这些保护，这些保护，这些都有助于减少氧沾污残留杂质对生长层的纯度也有影响都有助于减少氧沾污残留杂质对生长层的纯度也有影响都有助于减少氧沾污残留杂质对生长层的纯度也有影响都有助于减少氧沾污残留杂质对生长层的纯度也有影响GaAs液相外延的掺杂 掺杂剂，掺杂剂，掺杂剂，掺杂剂，N N型的有型的有型的有型的有碲碲碲碲TeTe，锡，锡，锡，锡SnSn，硒，硒，硒，硒SeSe；；；；P P型用型用型用型用ZnZn，，，，GeGe．．．． N N型型型型：：：： Sn Sn在在在在GaAsGaAs中溶解度大，蒸气压低，分凝系数很小中溶解度大，蒸气压低，分凝系数很小中溶解度大，蒸气压低，分凝系数很小中溶解度大，蒸气压低，分凝系数很小(K≈10(K≈10-4-4) )，可生长掺杂浓度很宽的均匀的，可生长掺杂浓度很宽的均匀的，可生长掺杂浓度很宽的均匀的，可生长掺杂浓度很宽的均匀的N N型型型型GaAsGaAs外延层。

外延层掺杂浓度可达掺杂浓度可达掺杂浓度可达掺杂浓度可达8×108×101818／／／／cmcm3 3，且不受生长温度和衬底晶向的影，且不受生长温度和衬底晶向的影，且不受生长温度和衬底晶向的影，且不受生长温度和衬底晶向的影响，是最常用的响，是最常用的响，是最常用的响，是最常用的N N型掺杂剂型掺杂剂型掺杂剂型掺杂剂 TeTe、、、、 Se Se的蒸气压高，分凝系数大的蒸气压高，分凝系数大的蒸气压高，分凝系数大的蒸气压高，分凝系数大(K≈1(K≈1，，，，5)5)，很难进行均匀掺，很难进行均匀掺，很难进行均匀掺，很难进行均匀掺杂一般不使用杂一般不使用杂一般不使用杂一般不使用TeTe和和和和SeSe掺杂 P P型型型型 Ge Ge的蒸气压、分凝系数和扩散系数都比的蒸气压、分凝系数和扩散系数都比的蒸气压、分凝系数和扩散系数都比的蒸气压、分凝系数和扩散系数都比ZnZn低，因而是最低，因而是最低，因而是最低，因而是最常用的掺杂剂常用的掺杂剂常用的掺杂剂常用的掺杂剂 Zn Zn在在在在GaAsGaAs中溶解度和分凝系数大，为了获取陡峭的杂质中溶解度和分凝系数大，为了获取陡峭的杂质中溶解度和分凝系数大，为了获取陡峭的杂质中溶解度和分凝系数大，为了获取陡峭的杂质分布和形成良好的电极接触材料，也常用来做掺杂剂。

分布和形成良好的电极接触材料，也常用来做掺杂剂分布和形成良好的电极接触材料，也常用来做掺杂剂分布和形成良好的电极接触材料，也常用来做掺杂剂GaAs液相外延的掺杂半绝缘半绝缘半绝缘半绝缘GaAs GaAs 掺掺掺掺CrCr可得到电阻率高达可得到电阻率高达可得到电阻率高达可得到电阻率高达10107 7Ω·cmΩ·cm的半绝缘的半绝缘的半绝缘的半绝缘GaAsGaAs两性杂质两性杂质两性杂质两性杂质 Si Si在在在在GaAsGaAs中是两性杂质，它替代中是两性杂质，它替代中是两性杂质，它替代中是两性杂质，它替代GaGa时起施主作用，替代时起施主作用，替代时起施主作用，替代时起施主作用，替代AsAs时起受主作用，施主与受主的浓度差与生长温度有关时起受主作用，施主与受主的浓度差与生长温度有关时起受主作用，施主与受主的浓度差与生长温度有关时起受主作用，施主与受主的浓度差与生长温度有关 当生长温度高于转型温度当生长温度高于转型温度当生长温度高于转型温度当生长温度高于转型温度TcTc时析出时析出时析出时析出N N型型型型GaAsGaAs，，，， 低于转型温度低于转型温度低于转型温度低于转型温度TcTc时析出时析出时析出时析出P P型型型型GaAsGaAs。

( (转型温度因衬底晶向，冷却速度，掺转型温度因衬底晶向，冷却速度，掺转型温度因衬底晶向，冷却速度，掺转型温度因衬底晶向，冷却速度，掺SiSi浓度不同而略有差异浓度不同而略有差异浓度不同而略有差异浓度不同而略有差异) ) 一般情况下，一般情况下，一般情况下，一般情况下，LPELPE生长的掺杂生长的掺杂生长的掺杂生长的掺杂GaAsGaAs外延层中载流子浓度与外延层中载流子浓度与外延层中载流子浓度与外延层中载流子浓度与生长温度、生长速率和衬底晶向有关生长温度降低生长温度、生长速率和衬底晶向有关生长温度降低生长温度、生长速率和衬底晶向有关生长温度降低生长温度、生长速率和衬底晶向有关生长温度降低SnSn和和和和ZnZn的分凝系数减小，而的分凝系数减小，而的分凝系数减小，而的分凝系数减小，而TeTe和和和和SeSe则增大分子束外延生长(MBE)分子束外延分子束外延分子束外延分子束外延(molecular beam epitaxy(molecular beam epitaxy，，，，MBE)MBE)是是是是在超高真空条件下，用分子在超高真空条件下，用分子在超高真空条件下，用分子在超高真空条件下，用分子束或原子束输运源进行外延生长的方法束或原子束输运源进行外延生长的方法束或原子束输运源进行外延生长的方法束或原子束输运源进行外延生长的方法。

在超高真空中，分子束中的分子之在超高真空中，分子束中的分子之在超高真空中，分子束中的分子之在超高真空中，分子束中的分子之间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞 分子束外延与其他外延方法相比具有如下的优点：分子束外延与其他外延方法相比具有如下的优点：分子束外延与其他外延方法相比具有如下的优点：分子束外延与其他外延方法相比具有如下的优点：①①①①源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低，如，如，如，如GaAsGaAs可在可在可在可在500500℃℃℃℃左右生长，左右生长，左右生长，左右生长，可减少生长过程中产生的热缺陷及衬底与外延层中杂质的扩散，可得到杂质可减少生长过程中产生的热缺陷及衬底与外延层中杂质的扩散，可得到杂质可减少生长过程中产生的热缺陷及衬底与外延层中杂质的扩散，可得到杂质可减少生长过程中产生的热缺陷及衬底与外延层中杂质的扩散，可得到杂质分布陡峭的外延层；分布陡峭的外延层；分布陡峭的外延层；分布陡峭的外延层；②②②②生长速度低生长速度低生长速度低生长速度低(0.1-1nm/s)(0.1-1nm/s)，利用快门，利用快门，利用快门，利用快门可精密地控制掺杂可精密地控制掺杂可精密地控制掺杂可精密地控制掺杂、、、、组分和厚度组分和厚度组分和厚度组分和厚度，是一，是一，是一，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；③③③③MBEMBE生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此可以生长可以生长可以生长可以生长一般热平衡生长难以得到的晶体一般热平衡生长难以得到的晶体一般热平衡生长难以得到的晶体一般热平衡生长难以得到的晶体；；；；④④④④生长过程生长过程生长过程生长过程中，表面处于真空中，利用附设的设备可中，表面处于真空中，利用附设的设备可中，表面处于真空中，利用附设的设备可中，表面处于真空中，利用附设的设备可进行原位进行原位进行原位进行原位( (即时即时即时即时) )观测，观测，观测，观测，分析、研究生长过程、组分、表面状态等分析、研究生长过程、组分、表面状态等分析、研究生长过程、组分、表面状态等分析、研究生长过程、组分、表面状态等。

分子束外延生长 MBE MBE作为重要的超薄层生长技术，已广泛用于生长作为重要的超薄层生长技术，已广泛用于生长作为重要的超薄层生长技术，已广泛用于生长作为重要的超薄层生长技术，已广泛用于生长ⅢⅢⅢⅢ一一一一V V、、、、ⅡⅡⅡⅡ一一一一ⅥⅥⅥⅥ、、、、ⅣⅣⅣⅣ～～～～ⅥⅥⅥⅥ族等化合物及其多元化合物的单晶族等化合物及其多元化合物的单晶族等化合物及其多元化合物的单晶族等化合物及其多元化合物的单晶层，制做结构复杂、性能优异的各种器件层，制做结构复杂、性能优异的各种器件层，制做结构复杂、性能优异的各种器件层，制做结构复杂、性能优异的各种器件 缺点：缺点：缺点：缺点： MBEMBE设备比较复杂，价格昂贵，使用时消耗大量设备比较复杂，价格昂贵，使用时消耗大量设备比较复杂，价格昂贵，使用时消耗大量设备比较复杂，价格昂贵，使用时消耗大量液氮液氮液氮液氮某些元素如某些元素如某些元素如某些元素如ZnZn的粘附系数较小，用这类元素掺杂尚的粘附系数较小，用这类元素掺杂尚的粘附系数较小，用这类元素掺杂尚的粘附系数较小，用这类元素掺杂尚有困难 过去，由于过去，由于过去，由于过去，由于MBEMBE生长速率慢，每次只生长一片，因此只生长速率慢，每次只生长一片，因此只生长速率慢，每次只生长一片，因此只生长速率慢，每次只生长一片，因此只限于研究使用，目前，生产型的限于研究使用，目前，生产型的限于研究使用，目前，生产型的限于研究使用，目前，生产型的MBEMBE已投入市场。

已投入市场已投入市场已投入市场MBE的设备 MBE MBE设备主要由设备主要由设备主要由设备主要由真空系统真空系统真空系统真空系统、、、、生长系统生长系统生长系统生长系统及及及及监控系统监控系统监控系统监控系统等组成 MBEMBE生长系统生长系统生长系统生长系统 以不锈钢结构为主体，由三个真空室连接以不锈钢结构为主体，由三个真空室连接以不锈钢结构为主体，由三个真空室连接以不锈钢结构为主体，由三个真空室连接而成，分别为而成，分别为而成，分别为而成，分别为衬底取放室衬底取放室衬底取放室衬底取放室、、、、衬底存储传送室衬底存储传送室衬底存储传送室衬底存储传送室和和和和生长室生长室生长室生长室 三个室之间用高真空阀门连结，各室都能独立地做到常三个室之间用高真空阀门连结，各室都能独立地做到常三个室之间用高真空阀门连结，各室都能独立地做到常三个室之间用高真空阀门连结，各室都能独立地做到常压和高真空转换而不影响其他室内的真空状态这三个室均压和高真空转换而不影响其他室内的真空状态这三个室均压和高真空转换而不影响其他室内的真空状态这三个室均压和高真空转换而不影响其他室内的真空状态。

这三个室均与由标准机械泵、吸附泵、离子泵、液与由标准机械泵、吸附泵、离子泵、液与由标准机械泵、吸附泵、离子泵、液与由标准机械泵、吸附泵、离子泵、液N N2 2冷阱、钛升华泵等冷阱、钛升华泵等冷阱、钛升华泵等冷阱、钛升华泵等构成的真空系统相连，以保证各室的真空度均可达到构成的真空系统相连，以保证各室的真空度均可达到构成的真空系统相连，以保证各室的真空度均可达到构成的真空系统相连，以保证各室的真空度均可达到1×101×10-8-8～～～～1×101×10-9-9PaPa，外延生长时，也能维持在，外延生长时，也能维持在，外延生长时，也能维持在，外延生长时，也能维持在1010-7-7PaPa的水平为了获的水平为了获的水平为了获的水平为了获得超高真空，生长系统要进行烘烤，所以生长系统内的附属得超高真空，生长系统要进行烘烤，所以生长系统内的附属得超高真空，生长系统要进行烘烤，所以生长系统内的附属得超高真空，生长系统要进行烘烤，所以生长系统内的附属机件应能承受机件应能承受机件应能承受机件应能承受200~250200~250℃℃℃℃的高温，并且具有很高的气密性的高温，并且具有很高的气密性的高温，并且具有很高的气密性。

的高温，并且具有很高的气密性MBE的设备生长室内设有多个内有生长室内设有多个内有生长室内设有多个内有生长室内设有多个内有BNBN或石英、石墨制的坩埚，外绕钨加热丝并或石英、石墨制的坩埚，外绕钨加热丝并或石英、石墨制的坩埚，外绕钨加热丝并或石英、石墨制的坩埚，外绕钨加热丝并用热电偶测温的温控炉分别用来装用热电偶测温的温控炉分别用来装用热电偶测温的温控炉分别用来装用热电偶测温的温控炉分别用来装GaGa、、、、InIn、、、、AlAl和和和和AsAs以及掺杂元素以及掺杂元素以及掺杂元素以及掺杂元素SiSi(N(N型掺杂型掺杂型掺杂型掺杂) )、、、、铍铍铍铍Be(PBe(P型掺杂型掺杂型掺杂型掺杂) )温度控制精度为温度控制精度为温度控制精度为温度控制精度为±0±0．．．．5 5℃℃℃℃在热平衡时在热平衡时在热平衡时在热平衡时气态分子气态分子气态分子气态分子( (或原子或原子或原子或原子) )从坩埚开口处射出形成分子束射向衬底由在炉口从坩埚开口处射出形成分子束射向衬底由在炉口从坩埚开口处射出形成分子束射向衬底由在炉口从坩埚开口处射出形成分子束射向衬底由在炉口的快门控制分子束的发射与中止的快门控制分子束的发射与中止。

的快门控制分子束的发射与中止的快门控制分子束的发射与中止 在分子束发射炉对面设置带有加热器的衬底架，利用在分子束发射炉对面设置带有加热器的衬底架，利用在分子束发射炉对面设置带有加热器的衬底架，利用在分子束发射炉对面设置带有加热器的衬底架，利用InIn或或或或GaGa将衬底将衬底将衬底将衬底黏附在衬底架上为了对衬底表面清洁处理还装有离子枪监控系统黏附在衬底架上为了对衬底表面清洁处理还装有离子枪监控系统黏附在衬底架上为了对衬底表面清洁处理还装有离子枪监控系统黏附在衬底架上为了对衬底表面清洁处理还装有离子枪监控系统一般包括四极质谱仪，俄歇谱仪和高、低能电子衍射仪等一般包括四极质谱仪，俄歇谱仪和高、低能电子衍射仪等一般包括四极质谱仪，俄歇谱仪和高、低能电子衍射仪等一般包括四极质谱仪，俄歇谱仪和高、低能电子衍射仪等 四极质谱仪用来监测残余气体和分子束流的成分低能电子衍射仪四极质谱仪用来监测残余气体和分子束流的成分低能电子衍射仪四极质谱仪用来监测残余气体和分子束流的成分低能电子衍射仪四极质谱仪用来监测残余气体和分子束流的成分低能电子衍射仪可分析晶体表面结构，高能电子衍射仪还可以观察生长表面光洁平整可分析晶体表面结构，高能电子衍射仪还可以观察生长表面光洁平整可分析晶体表面结构，高能电子衍射仪还可以观察生长表面光洁平整可分析晶体表面结构，高能电子衍射仪还可以观察生长表面光洁平整度。

各监测仪器所得信号，分子束发射炉温度信号等输入微机进行处理，各监测仪器所得信号，分子束发射炉温度信号等输入微机进行处理，各监测仪器所得信号，分子束发射炉温度信号等输入微机进行处理，各监测仪器所得信号，分子束发射炉温度信号等输入微机进行处理，自动显示并调节温度和快门，按编制的程序控制生长，以获得结构、自动显示并调节温度和快门，按编制的程序控制生长，以获得结构、自动显示并调节温度和快门，按编制的程序控制生长，以获得结构、自动显示并调节温度和快门，按编制的程序控制生长，以获得结构、组分、厚度等均符合要求的外延片组分、厚度等均符合要求的外延片组分、厚度等均符合要求的外延片组分、厚度等均符合要求的外延片质谱分析法质谱分析法质谱分析法质谱分析法是是是是 通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或分析方法被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或分析方法被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或分析方法。

被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/zm/z）分开而得到质谱，）分开而得到质谱，）分开而得到质谱，）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果低能电子衍射低能电子衍射低能电子衍射低能电子衍射利用利用利用利用10-500eV10-500eV能量电子入射，通过弹性背散射电子波的能量电子入射，通过弹性背散射电子波的能量电子入射，通过弹性背散射电子波的能量电子入射，通过弹性背散射电子波的相互干涉产生衍射花样低能电子衍射仪可分析晶体表面结构相互干涉产生衍射花样低能电子衍射仪可分析晶体表面结构相互干涉产生衍射花样低能电子衍射仪可分析晶体表面结构相互干涉产生衍射花样低能电子衍射仪可分析晶体表面结构背散射电子：被固体样品的原子核反弹回来的一部分入射电子背散射电子：被固体样品的原子核反弹回来的一部分入射电子背散射电子：被固体样品的原子核反弹回来的一部分入射电子背散射电子：被固体样品的原子核反弹回来的一部分入射电子俄偈电子俄偈电子俄偈电子俄偈电子 当原子内层因电离激发而留下一个空位，较外层电子向这当原子内层因电离激发而留下一个空位，较外层电子向这当原子内层因电离激发而留下一个空位，较外层电子向这当原子内层因电离激发而留下一个空位，较外层电子向这一能级跃迁使原子释放能量过程中，可以发射一个具有特征能量的一能级跃迁使原子释放能量过程中，可以发射一个具有特征能量的一能级跃迁使原子释放能量过程中，可以发射一个具有特征能量的一能级跃迁使原子释放能量过程中，可以发射一个具有特征能量的X-X-rayray光子，也可以将这部分能量交给另一外层电子引起进一步电离，光子，也可以将这部分能量交给另一外层电子引起进一步电离，光子，也可以将这部分能量交给另一外层电子引起进一步电离，光子，也可以将这部分能量交给另一外层电子引起进一步电离，从而发射一个具有特征能量的电子，此电子称为俄偈电子从而发射一个具有特征能量的电子，此电子称为俄偈电子从而发射一个具有特征能量的电子，此电子称为俄偈电子从而发射一个具有特征能量的电子，此电子称为俄偈电子 。

俄歇谱仪通过检测俄偈电子的能量和强度，可获得表层化学成分的定俄歇谱仪通过检测俄偈电子的能量和强度，可获得表层化学成分的定俄歇谱仪通过检测俄偈电子的能量和强度，可获得表层化学成分的定俄歇谱仪通过检测俄偈电子的能量和强度，可获得表层化学成分的定性或定量信息，用来检测表面成分，化学计量比，表面沾污等性或定量信息，用来检测表面成分，化学计量比，表面沾污等性或定量信息，用来检测表面成分，化学计量比，表面沾污等性或定量信息，用来检测表面成分，化学计量比，表面沾污等MBE生长原理MBEMBE生长过程可分为两个步骤：生长过程可分为两个步骤：生长过程可分为两个步骤：生长过程可分为两个步骤：一是源蒸发形成具有一定束流密度的分子束一是源蒸发形成具有一定束流密度的分子束一是源蒸发形成具有一定束流密度的分子束一是源蒸发形成具有一定束流密度的分子束, , 并在高真空并在高真空并在高真空并在高真空条件下射向衬底；条件下射向衬底；条件下射向衬底；条件下射向衬底；二是分子束在衬底上进行外延生长二是分子束在衬底上进行外延生长二是分子束在衬底上进行外延生长二是分子束在衬底上进行外延生长MBE生长原理1 1．源的蒸发．源的蒸发．源的蒸发．源的蒸发 MBE MBE使用的分子束是将固态源装在发射炉中靠加热蒸发而得到的。

使用的分子束是将固态源装在发射炉中靠加热蒸发而得到的使用的分子束是将固态源装在发射炉中靠加热蒸发而得到的使用的分子束是将固态源装在发射炉中靠加热蒸发而得到的这对于元素比较简单，但对于化合物半导体则比较复杂，如一个二元这对于元素比较简单，但对于化合物半导体则比较复杂，如一个二元这对于元素比较简单，但对于化合物半导体则比较复杂，如一个二元这对于元素比较简单，但对于化合物半导体则比较复杂，如一个二元化合物化合物化合物化合物MX(MMX(M为金属，为金属，为金属，为金属，x x为非金属为非金属为非金属为非金属) )，在蒸发源处于热平衡状态时，挥，在蒸发源处于热平衡状态时，挥，在蒸发源处于热平衡状态时，挥，在蒸发源处于热平衡状态时，挥发性组分的束流比难挥发组分要大得多，因此用化合物做挥发性组分发性组分的束流比难挥发组分要大得多，因此用化合物做挥发性组分发性组分的束流比难挥发组分要大得多，因此用化合物做挥发性组分发性组分的束流比难挥发组分要大得多，因此用化合物做挥发性组分的源比较合适，比如用的源比较合适，比如用的源比较合适，比如用的源比较合适，比如用GaAsGaAs做做做做AsAs源就能提供合适的分子束流，而源就能提供合适的分子束流，而源就能提供合适的分子束流，而源就能提供合适的分子束流，而GaGa及掺杂元素一般用其本身做源。

及掺杂元素一般用其本身做源及掺杂元素一般用其本身做源及掺杂元素一般用其本身做源 由发射炉发射的分子束，在单位时间内到达单位面积衬底上的分子由发射炉发射的分子束，在单位时间内到达单位面积衬底上的分子由发射炉发射的分子束，在单位时间内到达单位面积衬底上的分子由发射炉发射的分子束，在单位时间内到达单位面积衬底上的分子数目数目数目数目( (也就是分子束通量密度也就是分子束通量密度也就是分子束通量密度也就是分子束通量密度) )，可由统计热力学求得为，可由统计热力学求得为，可由统计热力学求得为，可由统计热力学求得为 R = 3 R = 3．．．．51×1051×102222(p(p平平平平一一一一p p背背背背)(1)(1／／／／MT) MT) ½ ½ (7—6) (7—6)式中，式中，式中，式中，p p平为生长室内平衡气压，平为生长室内平衡气压，平为生长室内平衡气压，平为生长室内平衡气压，p p背为背景蒸气压，背为背景蒸气压，背为背景蒸气压，背为背景蒸气压，MM为分子束分子为分子束分子为分子束分子为分子束分子的分子量，的分子量，的分子量，的分子量，T T为温度。

由于为温度由于为温度由于为温度由于MBEMBE中中中中 p p平》平》平》平》p p背，因此上式简化为背，因此上式简化为背，因此上式简化为背，因此上式简化为 R = 3 R = 3．．．．51×1051×102222p p平平平平(1(1／／／／MT) MT) ½ ½ (7—7)(7—7)MBE生长过程 入射到衬底表面的分子入射到衬底表面的分子入射到衬底表面的分子入射到衬底表面的分子( (或原子或原子或原子或原子) )与衬底表面相互作用，有一部分分与衬底表面相互作用，有一部分分与衬底表面相互作用，有一部分分与衬底表面相互作用，有一部分分子生长在衬底上子生长在衬底上子生长在衬底上子生长在衬底上 生长在衬底上的分子数与入射的分子数之比称为生长在衬底上的分子数与入射的分子数之比称为生长在衬底上的分子数与入射的分子数之比称为生长在衬底上的分子数与入射的分子数之比称为黏附系数黏附系数黏附系数黏附系数。

不同种类的分子与衬底表面作用是不同的，例如不同种类的分子与衬底表面作用是不同的，例如不同种类的分子与衬底表面作用是不同的，例如不同种类的分子与衬底表面作用是不同的，例如ⅢⅢⅢⅢ族族族族(Ga)(Ga)原子与原子与原子与原子与GaAsGaAs衬底表面发生化学吸附作用，因此，在一般的生长温度，其粘衬底表面发生化学吸附作用，因此，在一般的生长温度，其粘衬底表面发生化学吸附作用，因此，在一般的生长温度，其粘衬底表面发生化学吸附作用，因此，在一般的生长温度，其粘附系数为附系数为附系数为附系数为1 1而V V族族族族(As)(As)分分分分( (原原原原) )子则先是物理吸附，经过一系列物理化子则先是物理吸附，经过一系列物理化子则先是物理吸附，经过一系列物理化子则先是物理吸附，经过一系列物理化学过程后一部分转为化学吸附，因此，它的粘附系数与衬底表面的分学过程后一部分转为化学吸附，因此，它的粘附系数与衬底表面的分学过程后一部分转为化学吸附，因此，它的粘附系数与衬底表面的分学过程后一部分转为化学吸附，因此，它的粘附系数与衬底表面的分子子子子( (原子原子原子原子) )状态及温度等密切相关状态及温度等密切相关。

状态及温度等密切相关状态及温度等密切相关 以以以以AsAs为源形成分子束时，一般得到的是为源形成分子束时，一般得到的是为源形成分子束时，一般得到的是为源形成分子束时，一般得到的是AsAs4 4分子束分子束分子束分子束，而以，而以，而以，而以GaAsGaAs为为为为源或在高温下分解源或在高温下分解源或在高温下分解源或在高温下分解As4As4时可得到时可得到时可得到时可得到AsAs2 2分子束分子束分子束分子束这两种分子束在这两种分子束在这两种分子束在这两种分子束在GaAsGaAs衬衬衬衬底上的行为好像相同，先被物理吸附形成弱束缚状况，然后再进行化底上的行为好像相同，先被物理吸附形成弱束缚状况，然后再进行化底上的行为好像相同，先被物理吸附形成弱束缚状况，然后再进行化底上的行为好像相同，先被物理吸附形成弱束缚状况，然后再进行化学吸附结合到晶格格点上但这两者的具体过程上却是不同的，所生学吸附结合到晶格格点上但这两者的具体过程上却是不同的，所生学吸附结合到晶格格点上但这两者的具体过程上却是不同的，所生学吸附结合到晶格格点上但这两者的具体过程上却是不同的，所生长的长的长的长的GaAsGaAs的性质也有一些差别。

的性质也有一些差别的性质也有一些差别的性质也有一些差别 当当当当As2As2束入射到束入射到束入射到束入射到GaAsGaAs上时，上时，上时，上时，先形成物理吸附，并以先形成物理吸附，并以先形成物理吸附，并以先形成物理吸附，并以As2As2的形式在表面移动，的形式在表面移动，的形式在表面移动，的形式在表面移动，遇到遇到遇到遇到AsAs空位时空位时空位时空位时( (有有有有GaGa原子时原子时原子时原子时) )，，，，As2As2便分解成便分解成便分解成便分解成AsAs，变为，变为，变为，变为化学吸附，形成化学吸附，形成化学吸附，形成化学吸附，形成Ga-AsGa-As键，键，键，键，生长在晶格点上生长在晶格点上生长在晶格点上生长在晶格点上如果没有如果没有如果没有如果没有AsAs空位空位空位空位( (没有没有没有没有GaGa原原原原子子子子) )时，时，时，时，As2As2不分解并且脱不分解并且脱不分解并且脱不分解并且脱附或在附或在附或在附或在600K600K的温度下形成的温度下形成的温度下形成的温度下形成As4As4而脱附若表面有很多空位若表面有很多空位若表面有很多空位若表面有很多空位( (GaGa原原原原子子子子) )时，时，时，时，As2As2的粘附系数将的粘附系数将的粘附系数将的粘附系数将接近接近接近接近1 1。

入射的是入射的是入射的是入射的是As4As4束时，如衬底温度为束时，如衬底温度为束时，如衬底温度为束时，如衬底温度为300300～～～～450K450K，并且没有，并且没有，并且没有，并且没有GaGa束入射，束入射，束入射，束入射，As4As4的粘附的粘附的粘附的粘附系数为零系数为零系数为零系数为零入射入射入射入射GaGa束时，束时，束时，束时， 入射的入射的入射的入射的As4As4主主主主要处于物理吸附状态并在表面要处于物理吸附状态并在表面要处于物理吸附状态并在表面要处于物理吸附状态并在表面上进行迁移上进行迁移上进行迁移上进行迁移一部分一部分一部分一部分As4As4进入化学吸附，进入化学吸附，进入化学吸附，进入化学吸附，另一部分移动的另一部分移动的另一部分移动的另一部分移动的As4As4与被化学与被化学与被化学与被化学吸附的吸附的吸附的吸附的As4As4结合，分解成结合，分解成结合，分解成结合，分解成AsAs原原原原子，有的生成新的子，有的生成新的子，有的生成新的子，有的生成新的As4As4而脱附，而脱附，而脱附，而脱附，As4As4的附着系数不会超过的附着系数不会超过的附着系数不会超过的附着系数不会超过0.50.5的的的的原因。

原因由于在这个温度范围内，由于在这个温度范围内，由于在这个温度范围内，由于在这个温度范围内， As4As4能发生分解反应而生成能发生分解反应而生成能发生分解反应而生成能发生分解反应而生成AsAs，所以能生长，所以能生长，所以能生长，所以能生长GaGa：：：：AsAs：：：：1 1：：：：1 1的的的的GaAsGaAs MBE生长GaAs1 1．一般生长过程．一般生长过程．一般生长过程．一般生长过程 抛光好的抛光好的抛光好的抛光好的GaAsGaAs的衬底，常规清洁处理后装入衬底取放室的衬底，常规清洁处理后装入衬底取放室的衬底，常规清洁处理后装入衬底取放室的衬底，常规清洁处理后装入衬底取放室中抽真空以避免空气进入生长室，在衬底取放室、存储中抽真空以避免空气进入生长室，在衬底取放室、存储中抽真空以避免空气进入生长室，在衬底取放室、存储中抽真空以避免空气进入生长室，在衬底取放室、存储传送室、生长室都处于高真空的条件下，将衬底分步送入传送室、生长室都处于高真空的条件下，将衬底分步送入传送室、生长室都处于高真空的条件下，将衬底分步送入传送室、生长室都处于高真空的条件下，将衬底分步送入生长室中。

生长室中生长室中生长室中 对所有的源进行加热排气处理待真空达到要求后，对对所有的源进行加热排气处理待真空达到要求后，对对所有的源进行加热排气处理待真空达到要求后，对对所有的源进行加热排气处理待真空达到要求后，对衬底进行处理衬底进行处理衬底进行处理衬底进行处理 因为经常规清洁处理后的衬底表面，用俄歇谱仪分析因为经常规清洁处理后的衬底表面，用俄歇谱仪分析因为经常规清洁处理后的衬底表面，用俄歇谱仪分析因为经常规清洁处理后的衬底表面，用俄歇谱仪分析时，发现有氧和碳沾污氧在高真空下加热很容易被除去，时，发现有氧和碳沾污氧在高真空下加热很容易被除去，时，发现有氧和碳沾污氧在高真空下加热很容易被除去，时，发现有氧和碳沾污氧在高真空下加热很容易被除去，但除碳比较困难因此，在外延生长前用但除碳比较困难因此，在外延生长前用但除碳比较困难因此，在外延生长前用但除碳比较困难因此，在外延生长前用ArAr+ +溅射处理以溅射处理以溅射处理以溅射处理以除去碳等沾污但要注意防止除去碳等沾污但要注意防止除去碳等沾污但要注意防止除去碳等沾污但要注意防止ArAr+ +溅射带来的新的沾污，溅射带来的新的沾污，溅射带来的新的沾污，溅射带来的新的沾污，同时溅射后还要进行热处理以消除由溅射引起的损伤。

同时溅射后还要进行热处理以消除由溅射引起的损伤同时溅射后还要进行热处理以消除由溅射引起的损伤同时溅射后还要进行热处理以消除由溅射引起的损伤MBE生长GaAs 如果使用如果使用如果使用如果使用GaGa和和和和AsAs为源，在为源，在为源，在为源，在GaGa：：：： As As为束流比为为束流比为为束流比为为束流比为1 1：：：：1010，，，，生长速率为生长速率为生长速率为生长速率为0.10.1～～～～0.2nm0.2nm／／／／s s的条件下生长的条件下生长的条件下生长的条件下生长GaAsGaAs，则，则，则，则GaGa炉炉炉炉温为约温为约温为约温为约950950℃℃℃℃，而，而，而，而AsAs炉温约炉温约炉温约炉温约300 300 ℃℃℃℃ ，，，，GaGa炉温度必须精确炉温度必须精确炉温度必须精确炉温度必须精确控制，衬底温度一般为控制，衬底温度一般为控制，衬底温度一般为控制，衬底温度一般为500500℃℃℃℃，以，以，以，以GaGa和和和和AsAs为源其束流可单为源其束流可单为源其束流可单为源其束流可单独控制，并可保证独控制，并可保证独控制，并可保证独控制，并可保证AsAs源能在较长的时间内使用。

源能在较长的时间内使用源能在较长的时间内使用源能在较长的时间内使用利用利用利用利用GaAsGaAs作为作为作为作为AsAs2 2源，虽然较元素源，虽然较元素源，虽然较元素源，虽然较元素AsAs便于控制束流，其便于控制束流，其便于控制束流，其便于控制束流，其缺点是缺点是缺点是缺点是AsAs很快耗尽很快耗尽很快耗尽很快耗尽 在外延生长过程中，系统内的监测设备都要进行工作，在外延生长过程中，系统内的监测设备都要进行工作，在外延生长过程中，系统内的监测设备都要进行工作，在外延生长过程中，系统内的监测设备都要进行工作，以获得有关生长的各种信息，保证在微机控制下，按程序以获得有关生长的各种信息，保证在微机控制下，按程序以获得有关生长的各种信息，保证在微机控制下，按程序以获得有关生长的各种信息，保证在微机控制下，按程序进行正常生长进行正常生长进行正常生长进行正常生长GaAs的掺杂1 1、自掺杂、自掺杂、自掺杂、自掺杂 在半绝缘的衬底上生长非掺杂的在半绝缘的衬底上生长非掺杂的在半绝缘的衬底上生长非掺杂的在半绝缘的衬底上生长非掺杂的GaAsGaAs外延层，本底杂质外延层，本底杂质外延层，本底杂质外延层，本底杂质浓度取决于外延系统的清洁度、生长室残余杂质及源的纯度等，一般浓度取决于外延系统的清洁度、生长室残余杂质及源的纯度等，一般浓度取决于外延系统的清洁度、生长室残余杂质及源的纯度等，一般浓度取决于外延系统的清洁度、生长室残余杂质及源的纯度等，一般杂质浓度在杂质浓度在杂质浓度在杂质浓度在l×10l×101515／／／／cmcm3 3，并且常常是高阻。

并且常常是高阻并且常常是高阻并且常常是高阻 2 2、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 N N型掺杂剂型掺杂剂型掺杂剂型掺杂剂有有有有SiSi、、、、GeGe、、、、SnSn它们的粘附系数都接近于它们的粘附系数都接近于它们的粘附系数都接近于它们的粘附系数都接近于1 1常使用常使用常使用常使用SnSn，缺点是在表面有一定程度的分凝不过，缺点是在表面有一定程度的分凝不过，缺点是在表面有一定程度的分凝不过，缺点是在表面有一定程度的分凝不过SnSn比比比比GeGe容易获得容易获得容易获得容易获得高的迁移率，高的迁移率，高的迁移率，高的迁移率，SnSn也比也比也比也比SiSi容易处理但容易处理但容易处理但容易处理但SiSi和和和和GeGe具有较强的两性特性，具有较强的两性特性，具有较强的两性特性，具有较强的两性特性，既可做施主又可以做受主除既可做施主又可以做受主除既可做施主又可以做受主除既可做施主又可以做受主除SnSn之外，之外，之外，之外，SiSi也常用来做施主掺杂剂也常用来做施主掺杂剂也常用来做施主掺杂剂也常用来做施主掺杂剂P P型掺杂剂型掺杂剂型掺杂剂型掺杂剂有有有有ZnZn和和和和CdCd，但它们的粘附系数太小，在，但它们的粘附系数太小，在，但它们的粘附系数太小，在，但它们的粘附系数太小，在MBEMBE生长生长生长生长GaAsGaAs时时时时不易掺入。

所以一般采用不易掺入所以一般采用不易掺入所以一般采用不易掺入所以一般采用GeGe和和和和MgMg，，，，GeGe只能在只能在只能在只能在GaGa稳定条件下，被强稳定条件下，被强稳定条件下，被强稳定条件下，被强制掺入，因此很难保证表面平滑，制掺入，因此很难保证表面平滑，制掺入，因此很难保证表面平滑，制掺入，因此很难保证表面平滑，MgMg掺杂效率很低掺杂效率很低掺杂效率很低掺杂效率很低 为了寻找更好的为了寻找更好的为了寻找更好的为了寻找更好的P P型掺杂剂，人们试用离化的型掺杂剂，人们试用离化的型掺杂剂，人们试用离化的型掺杂剂，人们试用离化的ZnZn，可把粘附系数提高，可把粘附系数提高，可把粘附系数提高，可把粘附系数提高到到到到1010-2-2BeBe的粘附系数接近于的粘附系数接近于的粘附系数接近于的粘附系数接近于l l，而且掺，而且掺，而且掺，而且掺BeBe可获得光滑生长表面，因可获得光滑生长表面，因可获得光滑生长表面，因可获得光滑生长表面，因此，目前用此，目前用此，目前用此，目前用BeBe做做做做P P型掺杂剂的较多型掺杂剂的较多型掺杂剂的较多型掺杂剂的较多 化学束外延生长(CBE)分子束外延生长，使用的是固体源，在生长过程中存在着源补充的问分子束外延生长，使用的是固体源，在生长过程中存在着源补充的问分子束外延生长，使用的是固体源，在生长过程中存在着源补充的问分子束外延生长，使用的是固体源，在生长过程中存在着源补充的问题。

此外，由于含磷题此外，由于含磷题此外，由于含磷题此外，由于含磷ⅢⅢⅢⅢ一一一一v v族化合物及其固溶体和族化合物及其固溶体和族化合物及其固溶体和族化合物及其固溶体和II II一一一一ⅥⅥⅥⅥ族化合物的固族化合物的固族化合物的固族化合物的固态源在形成射束时难以控制，给这类化合物的态源在形成射束时难以控制，给这类化合物的态源在形成射束时难以控制，给这类化合物的态源在形成射束时难以控制，给这类化合物的MBEMBE生长带来困难生长带来困难生长带来困难生长带来困难 为了解决这些问题，提出了用气态源代替固态源进行为了解决这些问题，提出了用气态源代替固态源进行为了解决这些问题，提出了用气态源代替固态源进行为了解决这些问题，提出了用气态源代替固态源进行MBEMBE生长，即生长，即生长，即生长，即所谓的气态源所谓的气态源所谓的气态源所谓的气态源MBE(Gas Source MBEMBE(Gas Source MBE．．．．GSMBE)GSMBE) 气态源气态源气态源气态源MBEMBE是一个通称，根据使用源的组合不同，其命名也不同，是一个通称，根据使用源的组合不同，其命名也不同，是一个通称，根据使用源的组合不同，其命名也不同，是一个通称，根据使用源的组合不同，其命名也不同，当然它们的生长机制也不相同。

尽管如此，人们习惯上常把这类气态当然它们的生长机制也不相同尽管如此，人们习惯上常把这类气态当然它们的生长机制也不相同尽管如此，人们习惯上常把这类气态当然它们的生长机制也不相同尽管如此，人们习惯上常把这类气态源源源源MBEMBE称为化学束外延生长称为化学束外延生长称为化学束外延生长称为化学束外延生长(Chemical Beam Epitaxy(Chemical Beam Epitaxy．．．．CBE)CBE) 近年来，特别是近年来，特别是近年来，特别是近年来，特别是19861986年以来，以年以来，以年以来，以年以来，以InGaAsInGaAs／／／／InPInP为中心，用为中心，用为中心，用为中心，用CBECBE生生生生长材料制做器件的也多起来了长材料制做器件的也多起来了长材料制做器件的也多起来了长材料制做器件的也多起来了CBECBE兼有兼有兼有兼有MBEMBE和和和和MOVPEMOVPE的优点CBE生长设备CBECBE所用的设备从结构上看，多数是把固态源所用的设备从结构上看，多数是把固态源所用的设备从结构上看，多数是把固态源所用的设备从结构上看，多数是把固态源MBEMBE设备的源炉加以设备的源炉加以设备的源炉加以设备的源炉加以改造而成。

气态源输入生长室的管路中使用了改造而成气态源输入生长室的管路中使用了改造而成气态源输入生长室的管路中使用了改造而成气态源输入生长室的管路中使用了MOVPEMOVPE系统的控制系系统的控制系系统的控制系系统的控制系统，具体结构依研究者或厂家而异统，具体结构依研究者或厂家而异统，具体结构依研究者或厂家而异统，具体结构依研究者或厂家而异 CBE CBE的生长机理的生长机理的生长机理的生长机理 虽然都统称为虽然都统称为虽然都统称为虽然都统称为CBECBE或气态源或气态源或气态源或气态源MBEMBE，但由于有几种源的结合，但由于有几种源的结合，但由于有几种源的结合，但由于有几种源的结合( (如课本如课本如课本如课本表表表表7.47.4所列所列所列所列) )，因此，它们的生长机理是不一样的因此，它们的生长机理是不一样的因此，它们的生长机理是不一样的因此，它们的生长机理是不一样的其中其中其中其中(1)(1)是以固态金属为是以固态金属为是以固态金属为是以固态金属为ⅢⅢⅢⅢ族源，以族源，以族源，以族源，以V V族氢化物经预先热分解成族氢化物经预先热分解成族氢化物经预先热分解成族氢化物经预先热分解成ASAS2 2或或或或P P2 2等等等等V V族气态源通入生长室，在衬底上进行生长，其生长机理固态源族气态源通入生长室，在衬底上进行生长，其生长机理固态源族气态源通入生长室，在衬底上进行生长，其生长机理固态源族气态源通入生长室，在衬底上进行生长，其生长机理固态源MBEMBE几乎没有什么差别。

几乎没有什么差别几乎没有什么差别几乎没有什么差别 但是，在但是，在但是，在但是，在(2)(2)、、、、(3)(3)、、、、(4)(4)的情况下则不同，它们的的情况下则不同，它们的的情况下则不同，它们的的情况下则不同，它们的ⅢⅢⅢⅢ族组分是以该族组分是以该族组分是以该族组分是以该ⅢⅢⅢⅢ族元素的有机化合物为源，在通人生长室前，族元素的有机化合物为源，在通人生长室前，族元素的有机化合物为源，在通人生长室前，族元素的有机化合物为源，在通人生长室前，金属有机物不经热解金属有机物不经热解金属有机物不经热解金属有机物不经热解，，，，而是以化合物的分子束直接射向加热的衬底表面，进行外延生长的而是以化合物的分子束直接射向加热的衬底表面，进行外延生长的而是以化合物的分子束直接射向加热的衬底表面，进行外延生长的而是以化合物的分子束直接射向加热的衬底表面，进行外延生长的CBE的生长机理 固态源固态源固态源固态源MBEMBE，如前面所介绍，，如前面所介绍，，如前面所介绍，，如前面所介绍，ⅢⅢⅢⅢ族元素是以原子或分子束的形式射族元素是以原子或分子束的形式射族元素是以原子或分子束的形式射族元素是以原子或分子束的形式射向衬底表面，并在其上面移动，占据适当的格点位置，在一般生长温向衬底表面，并在其上面移动，占据适当的格点位置，在一般生长温向衬底表面，并在其上面移动，占据适当的格点位置，在一般生长温向衬底表面，并在其上面移动，占据适当的格点位置，在一般生长温度下，度下，度下，度下，ⅢⅢⅢⅢ族元素的吸附系数看作是族元素的吸附系数看作是族元素的吸附系数看作是族元素的吸附系数看作是1 1，因此，生长速度取决于，因此，生长速度取决于，因此，生长速度取决于，因此，生长速度取决于ⅢⅢⅢⅢ族供族供族供族供给量，即受限制于固态源形成分子束流的速度。

给量，即受限制于固态源形成分子束流的速度给量，即受限制于固态源形成分子束流的速度给量，即受限制于固态源形成分子束流的速度 在在在在MOVPEMOVPE外延生长中，金属有机化合物在反应管中到达衬底之前外延生长中，金属有机化合物在反应管中到达衬底之前外延生长中，金属有机化合物在反应管中到达衬底之前外延生长中，金属有机化合物在反应管中到达衬底之前已经部分热分解，有一定程度热分解的金属有机化合物及分解产物通已经部分热分解，有一定程度热分解的金属有机化合物及分解产物通已经部分热分解，有一定程度热分解的金属有机化合物及分解产物通已经部分热分解，有一定程度热分解的金属有机化合物及分解产物通过扩散穿过衬底表面上的边界层，再在被加热的衬底上完成全部分解过扩散穿过衬底表面上的边界层，再在被加热的衬底上完成全部分解过扩散穿过衬底表面上的边界层，再在被加热的衬底上完成全部分解过扩散穿过衬底表面上的边界层，再在被加热的衬底上完成全部分解成成成成IIIIII族元素原子族元素原子族元素原子族元素原子一般说来，一般说来，一般说来，一般说来， MOVPE MOVPE法外延生长时，金属有机化合物的热分解是在气法外延生长时，金属有机化合物的热分解是在气法外延生长时，金属有机化合物的热分解是在气法外延生长时，金属有机化合物的热分解是在气流中和衬底表面两处进行的。

因此，在通常的生长温度下，通过控制流中和衬底表面两处进行的因此，在通常的生长温度下，通过控制流中和衬底表面两处进行的因此，在通常的生长温度下，通过控制流中和衬底表面两处进行的因此，在通常的生长温度下，通过控制边界层的扩散速度来控制生长速度边界层的扩散速度来控制生长速度边界层的扩散速度来控制生长速度边界层的扩散速度来控制生长速度CBE生长机理生长机理对于对于对于对于CBECBE，金属有机化合物分子束像普通，金属有机化合物分子束像普通，金属有机化合物分子束像普通，金属有机化合物分子束像普通MBEMBE的分子束的分子束的分子束的分子束一样，直接射到衬底表面，衬底表面上没有边界层，一样，直接射到衬底表面，衬底表面上没有边界层，一样，直接射到衬底表面，衬底表面上没有边界层，一样，直接射到衬底表面，衬底表面上没有边界层，金属金属金属金属有机化合物在衬底表面以外也不发生热分解有机化合物在衬底表面以外也不发生热分解有机化合物在衬底表面以外也不发生热分解有机化合物在衬底表面以外也不发生热分解 在这种情况下，生长速率主要在这种情况下，生长速率主要在这种情况下，生长速率主要在这种情况下，生长速率主要由金属有机化合物的供给由金属有机化合物的供给由金属有机化合物的供给由金属有机化合物的供给速率速率速率速率和和和和衬底表面热分解的速率衬底表面热分解的速率衬底表面热分解的速率衬底表面热分解的速率决定。

决定 衬底温度与衬底温度与衬底温度与衬底温度与V V族源供给的状况对生长速率也有影响族源供给的状况对生长速率也有影响族源供给的状况对生长速率也有影响族源供给的状况对生长速率也有影响 关于关于关于关于CBECBE的生长操作基本上与的生长操作基本上与的生长操作基本上与的生长操作基本上与MBEMBE相同其他外延生长技术 除了以上介绍的化合物外延生长技术外，还有一些正在发展中的外除了以上介绍的化合物外延生长技术外，还有一些正在发展中的外除了以上介绍的化合物外延生长技术外，还有一些正在发展中的外除了以上介绍的化合物外延生长技术外，还有一些正在发展中的外延技术，如原子层、分子层外延生长，利用光、离子的化合物外延生延技术，如原子层、分子层外延生长，利用光、离子的化合物外延生延技术，如原子层、分子层外延生长，利用光、离子的化合物外延生延技术，如原子层、分子层外延生长，利用光、离子的化合物外延生长技术，电外延等外延生长技术长技术，电外延等外延生长技术长技术，电外延等外延生长技术长技术，电外延等外延生长技术原子层、分子层外延生长技术原子层、分子层外延生长技术原子层、分子层外延生长技术原子层、分子层外延生长技术 原子层外延原子层外延原子层外延原子层外延(atomic layer epitaxy(atomic layer epitaxy，，，，ALE)ALE)、分子层外延、分子层外延、分子层外延、分子层外延(molecular layer epitaxy(molecular layer epitaxy，，，，MLE)MLE)的概念，前者是由的概念，前者是由的概念，前者是由的概念，前者是由T T．．．．SuntolaSuntola于于于于19741974年提出来的，开始是作为年提出来的，开始是作为年提出来的，开始是作为年提出来的，开始是作为II II一一一一ⅥⅥⅥⅥ族化合物外延生长技术加以应用族化合物外延生长技术加以应用族化合物外延生长技术加以应用族化合物外延生长技术加以应用的。

后来应用到的后来应用到的后来应用到的后来应用到III-VIII-V族化合物半导体的生长族化合物半导体的生长族化合物半导体的生长族化合物半导体的生长 由于由于由于由于ALE(ALE(或或或或MLE)MLE)能以单原子能以单原子能以单原子能以单原子( (或分子或分子或分子或分子) )层为单位进行外延生长，可较层为单位进行外延生长，可较层为单位进行外延生长，可较层为单位进行外延生长，可较精确地控制外延层厚度和异质结的界面因此成为制做超晶格、量子精确地控制外延层厚度和异质结的界面因此成为制做超晶格、量子精确地控制外延层厚度和异质结的界面因此成为制做超晶格、量子精确地控制外延层厚度和异质结的界面因此成为制做超晶格、量子阱，低维结构等所需要的化合物薄层材料的较好的生长方法阱，低维结构等所需要的化合物薄层材料的较好的生长方法阱，低维结构等所需要的化合物薄层材料的较好的生长方法阱，低维结构等所需要的化合物薄层材料的较好的生长方法ALEALE的基本特点是交替供应两种源气体，使反应的基本特点是交替供应两种源气体，使反应物在衬底表面形成化学吸附的单层，再通过化学物在衬底表面形成化学吸附的单层，再通过化学反应使另一种反应物源也单层覆盖。

如此交替反应使另一种反应物源也单层覆盖如此交替        当每一步表面覆盖层精确为一层时，生长厚度当每一步表面覆盖层精确为一层时，生长厚度才等于单层厚度乘上循环数在才等于单层厚度乘上循环数在GaAs(100)GaAs(100)方向方向上一次循环所得到的生长厚度为上一次循环所得到的生长厚度为0 0．．283 nm283 nm经过多年的研究，过多年的研究，ALEALE的实验装置有水平的，也有的实验装置有水平的，也有垂直的，有衬底旋转的，也有气流中断方式的，垂直的，有衬底旋转的，也有气流中断方式的，有的还有光照或激光诱导等装置有的还有光照或激光诱导等装置ALE的优点 由生长原理可以知道，由生长原理可以知道，由生长原理可以知道，由生长原理可以知道，ALEALE的方法是通过反应物与衬底之间的表面的方法是通过反应物与衬底之间的表面的方法是通过反应物与衬底之间的表面的方法是通过反应物与衬底之间的表面吸附进行反应的当反应物与衬底经过充分长的时间进行反应吸附后，吸附进行反应的当反应物与衬底经过充分长的时间进行反应吸附后，吸附进行反应的当反应物与衬底经过充分长的时间进行反应吸附后，吸附进行反应的。

当反应物与衬底经过充分长的时间进行反应吸附后，即使再供应此种反应物，也不会出现晶体生长因此决定生长厚度的即使再供应此种反应物，也不会出现晶体生长因此决定生长厚度的即使再供应此种反应物，也不会出现晶体生长因此决定生长厚度的即使再供应此种反应物，也不会出现晶体生长因此决定生长厚度的参数是参数是参数是参数是ALE ALE 的循环次数，因此的循环次数，因此的循环次数，因此的循环次数，因此ALEALE也被称为也被称为也被称为也被称为“ “数字外延数字外延数字外延数字外延” ” 数字外延有较高的重复性，可以由循环次数精确地知道生长厚度数字外延有较高的重复性，可以由循环次数精确地知道生长厚度数字外延有较高的重复性，可以由循环次数精确地知道生长厚度数字外延有较高的重复性，可以由循环次数精确地知道生长厚度对于数字外延来说，由于它是化学吸附的单层反应物的逐层生长，此对于数字外延来说，由于它是化学吸附的单层反应物的逐层生长，此对于数字外延来说，由于它是化学吸附的单层反应物的逐层生长，此对于数字外延来说，由于它是化学吸附的单层反应物的逐层生长，此模式与气流分布、温度均匀性等关系不大，不需要特别注意边界层厚模式与气流分布、温度均匀性等关系不大，不需要特别注意边界层厚模式与气流分布、温度均匀性等关系不大，不需要特别注意边界层厚模式与气流分布、温度均匀性等关系不大，不需要特别注意边界层厚度、衬底附近的温度分布等参数。

只要衬底表面完全吸附了一层反应度、衬底附近的温度分布等参数只要衬底表面完全吸附了一层反应度、衬底附近的温度分布等参数只要衬底表面完全吸附了一层反应度、衬底附近的温度分布等参数只要衬底表面完全吸附了一层反应物，则厚度的高度均匀性就必然会达到，会得到高质量的镜面表面，物，则厚度的高度均匀性就必然会达到，会得到高质量的镜面表面，物，则厚度的高度均匀性就必然会达到，会得到高质量的镜面表面，物，则厚度的高度均匀性就必然会达到，会得到高质量的镜面表面，消除由于表面的势能不同而造成的生长表面产生的不均匀性消除由于表面的势能不同而造成的生长表面产生的不均匀性消除由于表面的势能不同而造成的生长表面产生的不均匀性消除由于表面的势能不同而造成的生长表面产生的不均匀性ALE生长方式的主要缺点是生长速率慢，生长方式的主要缺点是生长速率慢，循环时间长循环时间长有很多人采用很多办法来降低循环时间，有很多人采用很多办法来降低循环时间，提高生长速度，比如进行光照，但比起目提高生长速度，比如进行光照，但比起目前通常的外延方式，尤其是与前通常的外延方式，尤其是与MOCVD 比比起来，其生长速度是非常慢的起来，其生长速度是非常慢的。

电化学原子层外延(ECALE)技术基本原理与特点电化学原子层外延(ECALE)是电化学沉积和原子层外延技术的结合，化合物组分元素的原子层在欠电位条件下进行循环交替沉积，从而直接生成化合物该方法最先由Stickney提出，其基本流程如下图：溶液池溶液池流通池恒电位仪ECALEECALE的表面限制反应是欠电位沉积的表面限制反应是欠电位沉积(UPD)(UPD)欠欠电位沉积是指一种元素可在比其热力学可逆电位电位沉积是指一种元素可在比其热力学可逆电位正的电位下沉积在另一种物质上的现象正的电位下沉积在另一种物质上的现象这是由这是由于沉积原子以某种方式与衬底发生作用，以致与于沉积原子以某种方式与衬底发生作用，以致与衬底直接接触的那一层原子的沉积电位出现在自衬底直接接触的那一层原子的沉积电位出现在自身元素上沉积所需电位之前身元素上沉积所需电位之前理论上，在理论上，在UPDUPD电位下，在沉积了一层电位下，在沉积了一层①①   原子的原子的衬底上沉积一层衬底上沉积一层②②原子，如图原子，如图2(2(左左) )所示化学原子层外延化学原子层外延化学原子层外延化学原子层外延(ECALE)(ECALE)技术的基本原理原子层外延生长技术的基本原理原子层外延生长技术的基本原理原子层外延生长技术的基本原理原子层外延生长的原理是利用表面限制反应逐次地形成沉积物的原子层，的原理是利用表面限制反应逐次地形成沉积物的原子层，的原理是利用表面限制反应逐次地形成沉积物的原子层，的原理是利用表面限制反应逐次地形成沉积物的原子层，由一个个原子层相继交替沉积而形成的薄膜将成为外延的由一个个原子层相继交替沉积而形成的薄膜将成为外延的由一个个原子层相继交替沉积而形成的薄膜将成为外延的由一个个原子层相继交替沉积而形成的薄膜将成为外延的二维生长。

如果将表面限制反应推广到化合物中不同元素二维生长如果将表面限制反应推广到化合物中不同元素二维生长如果将表面限制反应推广到化合物中不同元素二维生长如果将表面限制反应推广到化合物中不同元素的单原子层沉积，并让各元素单原子层的相继交替沉积组的单原子层沉积，并让各元素单原子层的相继交替沉积组的单原子层沉积，并让各元素单原子层的相继交替沉积组的单原子层沉积，并让各元素单原子层的相继交替沉积组成一个循环，则每个循环的结果是生成一个化合物单层，成一个循环，则每个循环的结果是生成一个化合物单层，成一个循环，则每个循环的结果是生成一个化合物单层，成一个循环，则每个循环的结果是生成一个化合物单层，而沉积层的厚度由循环次数决定而沉积层的厚度由循环次数决定而沉积层的厚度由循环次数决定而沉积层的厚度由循环次数决定电化学原子层外延电化学原子层外延电化学原子层外延电化学原子层外延(DCALE)(DCALE)通过对欠电位沉积和原子层外延技术的结通过对欠电位沉积和原子层外延技术的结通过对欠电位沉积和原子层外延技术的结通过对欠电位沉积和原子层外延技术的结合，融合了二者的优点，具体如下：合，融合了二者的优点，具体如下：合，融合了二者的优点，具体如下：合，融合了二者的优点，具体如下：(1)(1)一般使用无机水溶液，避免了碳污染。

一般使用无机水溶液，避免了碳污染一般使用无机水溶液，避免了碳污染一般使用无机水溶液，避免了碳污染2)(2)工艺设备投资较小，降低了制备技术的成本工艺设备投资较小，降低了制备技术的成本工艺设备投资较小，降低了制备技术的成本工艺设备投资较小，降低了制备技术的成本3)(3)可以沉积在设定面积或形状复杂的衬底上可以沉积在设定面积或形状复杂的衬底上可以沉积在设定面积或形状复杂的衬底上可以沉积在设定面积或形状复杂的衬底上4) (4) 不需要使用有毒气源，对环境不造成污染不需要使用有毒气源，对环境不造成污染不需要使用有毒气源，对环境不造成污染不需要使用有毒气源，对环境不造成污染5)(5)它是一层接一层的生长，避免了三维沉积的发生，实现了原子水平它是一层接一层的生长，避免了三维沉积的发生，实现了原子水平它是一层接一层的生长，避免了三维沉积的发生，实现了原子水平它是一层接一层的生长，避免了三维沉积的发生，实现了原子水平上的控制上的控制上的控制上的控制6)(6)它将化合物的沉积拆分为各组分元素原子沉积的连续步骤，而各个它将化合物的沉积拆分为各组分元素原子沉积的连续步骤，而各个它将化合物的沉积拆分为各组分元素原子沉积的连续步骤，而各个它将化合物的沉积拆分为各组分元素原子沉积的连续步骤，而各个步骤可以独立地加以控制，因此膜的质量、重复性、均匀性、厚度和步骤可以独立地加以控制，因此膜的质量、重复性、均匀性、厚度和步骤可以独立地加以控制，因此膜的质量、重复性、均匀性、厚度和步骤可以独立地加以控制，因此膜的质量、重复性、均匀性、厚度和化学计量可精确控制，同时能够获得更多的机理信息。

化学计量可精确控制，同时能够获得更多的机理信息化学计量可精确控制，同时能够获得更多的机理信息化学计量可精确控制，同时能够获得更多的机理信息7)(7)室温沉积，使互扩散降至最小同时避免了由于热膨胀系数的不同室温沉积，使互扩散降至最小同时避免了由于热膨胀系数的不同室温沉积，使互扩散降至最小同时避免了由于热膨胀系数的不同室温沉积，使互扩散降至最小同时避免了由于热膨胀系数的不同而产生的内应力，保证了膜的质量而产生的内应力，保证了膜的质量而产生的内应力，保证了膜的质量而产生的内应力，保证了膜的质量8)(8)每种溶液可以分别地进行配方的优化，使得支持电解质、每种溶液可以分别地进行配方的优化，使得支持电解质、每种溶液可以分别地进行配方的优化，使得支持电解质、每种溶液可以分别地进行配方的优化，使得支持电解质、pHpH值、值、值、值、添加剂或络合剂的选择能够最大程度地满足需要添加剂或络合剂的选择能够最大程度地满足需要添加剂或络合剂的选择能够最大程度地满足需要添加剂或络合剂的选择能够最大程度地满足需要9)(9)反应物选择范围广，对反应物没有特殊要求，只要是含有该元素的反应物选择范围广，对反应物没有特殊要求，只要是含有该元素的反应物选择范围广，对反应物没有特殊要求，只要是含有该元素的反应物选择范围广，对反应物没有特殊要求，只要是含有该元素的可溶物都可以，且一般在较低浓度下就能够成功制备出超晶格。

可溶物都可以，且一般在较低浓度下就能够成功制备出超晶格可溶物都可以，且一般在较低浓度下就能够成功制备出超晶格可溶物都可以，且一般在较低浓度下就能够成功制备出超晶格ECALE技术由于在薄膜材料制备中有其独特的优势，已经引起国外很多材料制备专家的重视，然而国内这方面的研究还很少目前，已有很多采用ECALE方法制备半导体薄膜及超晶格的报道，主要集中在II-VI族III-V 族、和V一Ⅵ族VCR接头VCR接头是为要求高度纯净无垢环境的应用按照无渗漏而设计的VCR产品设计在正压真空空间内提供全金属封装的无渗漏服务   。