外延生长的基础与应用

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-21 16:52:49 1025

在半导体和光电子产业的发展中，材料生长技术扮演了关键角色。无论是用于电脑芯片的晶体管，还是高亮度发光二极管（LED），这些现代电子设备都依赖于半导体材料的制备。而外延生长技术正是其中重要的一环，它帮助我们在晶体衬底上精确地构建新的材料层，提升了器件的性能和可靠性。

无论是化学气相沉积（CVD）还是分子束外延（MBE），每一种技术都有其独特的应用场景。外延生长技术的未来充满了机遇，它将继续为新材料和新器件的开发提供支持，引领半导体行业的持续创新。

1|什么是外延生长？

外延生长的概念最早由Royer于1928年提出，它源于希腊语，意思是“放在上面”。简单来说，外延生长指的是在一块晶体衬底上有序地生长另一层晶体材料。在这个过程中，新材料层会与衬底的晶格保持一定的对齐关系，这种对齐可以理解为就像在一块拼图板上拼接另一块相似的拼图。

外延生长的关键在于晶格失配，即新材料层与衬底晶体在晶格结构上的匹配度。如果新材料的晶格与衬底的晶格非常接近，那么外延层可以与衬底很好地对齐；而如果晶格失配较大，则会影响生长的质量和性能。在外延过程中，还要考虑到表面自由能，这就像水滴在不同表面上的表现一样：有时水滴会铺展开（如在玻璃上），有时则会形成球状（如在荷叶上）。外延生长的不同模式也和这种“铺展”现象类似。

2、三种主要的外延生长模式

外延生长可以大致分为三种模式：逐层生长、成核生长和S-K生长模式。它们的差异主要在于晶体层如何在衬底上铺展。

①逐层生长模式

逐层生长模式，也被称为“Frank-Van-Der-Merwe生长模式”，就像是我们在造房子时，一砖一瓦地往上搭建。在这种生长模式下，原子一层一层地排列在衬底表面上，形成一个完整的单原子层。之后，再开始生长下一层。虽然在实际操作中，很难做到每一层都完全覆盖，但整体上这种模式仍然是一种二维的生长方式。

这种模式通常适用于晶格匹配较好的材料系统，如硅在硅上的生长（Si/Si）或砷化镓在砷化镓上的生长（GaAs/GaAs）。为实现真正的逐层生长，科学家们发展了如迁移增强外延（MEE）和原子层外延（ALE）等技术。通过控制原子的扩散路径，使得原子能够找到合适的成核点，从而更好地控制生长过程，特别是在厚度要求达到原子级别时，这些技术尤为重要。

②成核生长模式

与逐层生长模式不同，成核生长模式（Volmer-Weber生长模式）更像是在不规则表面上“撒”一些种子，然后这些种子逐渐生长，形成独立的“小岛”。这些小岛随着时间的推移变大，最后合并成一个完整的外延层。

这种生长模式通常出现在晶格失配较大或化学不兼容的材料系统中，比如氮化镓（GaN）在蓝宝石或硅碳化物（SiC）衬底上的生长。科学家们通过开发各种技术，如顺应基板工程，来解决这些问题，使得异质外延成为可能。成核生长就像是将多个小块拼图逐渐组合起来，最终形成一幅完整的图画。

③S-K生长模式

S-K生长模式（Stranski-Krastanov生长模式）则结合了前两者的特点。它的初始阶段是逐层生长，但随着外延层厚度的增加，总体表面自由能增大，逐层生长模式会被打破，开始形成三维的小岛。

这种模式适用于晶格失配较低的系统，比如硅锗合金（SiGe）在硅上的生长（SiGe/Si），或者铟镓砷（GaInAs）在砷化镓上的生长（GaInAs/GaAs）。可以把这种模式理解为一开始我们像盖房子一样一砖一瓦地建造，但随着房子变高，我们需要在房顶上添加一些装饰小岛来增加美观。

3、外延生长的技术与设备

在半导体产业中，外延生长的主要技术包括化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）。这些技术可以帮助我们在衬底上生长出高质量的半导体层，并控制材料的厚度、成分和结构。

①化学气相沉积（CVD）

CVD是一种利用气态化学反应来在衬底上沉积材料的技术。简单来说，气态的化学物质会被引入反应室，然后在高温下分解并沉积在衬底上，形成外延层。CVD具有非常高的灵活性，可以用于各种不同的材料系统。

其中的一种变体，金属有机物化学气相沉积（MOCVD），被广泛应用于砷化物、磷化物和氮化物类半导体的生长，例如用于氮化镓（GaN）LED的生产。可以把CVD比作在平底锅里煎蛋，气态的材料像鸡蛋液一样覆盖在锅底，经过加热后，逐渐形成固态薄膜。

②分子束外延（MBE）

与CVD不同，MBE在超高真空环境下进行，利用原子或分子束直接撞击加热后的衬底表面，形成外延层。这就像用射箭的方式将原子*地“射”到衬底上。在MBE中，原子束具有弹道特性，它们之间几乎没有气态反应，能够非常精确地控制外延层的生长。MBE生长系统如下：

MBE的优势在于能够实现非常精确的厚度控制，适用于制作一些需要高度*控制的器件，例如量子点激光器或高迁移率晶体管（HEMT）。MBE可以理解为在极其精确的操作下“雕刻”出一层层的材料。MBE外延设备如下：

4、外延生长的应用

外延生长技术的应用范围非常广泛，尤其在现代半导体和光电子设备中起着至关重要的作用。例如，基于量子阱结构的激光二极管、光电探测器和高迁移率电子晶体管等器件都离不开外延生长技术。

在高亮度发光二极管（LED）的制造中，外延生长用于在蓝宝石或碳化硅衬底上生长氮化镓（GaN）层，从而实现高效发光。同样，基于砷化镓的高速电子器件和光电器件也依赖外延技术，提供了高速、高性能的解决方案。

此外，外延生长技术还用于制备量子点和纳米线等新型材料结构，这些材料在未来的量子计算和纳米电子学中具有广阔的应用前景。

5、总结

外延生长技术作为半导体行业的重要基石，推动了电子和光电子器件的发展。从逐层生长到成核生长，再到S-K生长模式，每一种外延生长方式都为解决不同的材料系统问题提供了有力的工具。通过不断优化外延生长技术，我们能够制造出更高效、更精密的器件，这不仅满足了现有的技术需求，也为未来的新兴科技提供了无限可能。

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