液相外延

液相外延技術(Liquid Phase Epitaxy,簡稱LPE)1963年由Nelson等人提出,其原理是:以低熔點的金屬(如Ga、In等)為溶劑,以待生長材料(如Ga、As、Al等)和摻雜劑(如Zn、Te、Sn等)為溶質,使溶質在溶劑中呈飽和或過飽和狀態。通過降温冷卻使石墨舟中的溶質從溶劑中析出,在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數與單晶襯底足夠相似的晶體材料,使晶體結構得以延續,實現晶體的外延生長。這種技術可以生長Si、GaAs、GaAlAs、GaP等半導體材料以及石榴石等磁性材料的單晶層,用以做成各種光電子器件、微波器件、磁泡器件和半導體激光器等 ^[1]  。

液相外延由尼爾松於1963年發明，成為化合物半導體單晶薄層的主要生長方法，被廣泛的用於電子器件的生產上。薄層材料和襯底材料相同的稱為同質外延，反之稱為異質外延。液相外延可分為傾斜法、垂直法和滑舟法三種，其中傾斜法是在生長開始前，使石英管內的石英容器向某一方向傾斜，並將溶液和襯底分別放在容器內的兩端；垂直法是在生長開始前，將溶液放在石墨坩鍋中，而將襯底放在位於溶液上方的襯底架上；滑舟法是指外延生長過程在具有多個溶液槽的滑動石墨舟內進行。在外延生長過程中，可以通過四種方法進行溶液冷卻：平衡法、突冷法、過冷法和兩相法。

與其他外延方法相比；它具有如下的優點：1）生長設備比較簡單，；2）有較高的生長速率；3）摻雜劑選擇範圍廣；4）晶體完整性好，外延層位錯密度較襯底低；5）晶體純度高，生長系統中沒有劇毒和強腐蝕性的原料及產物，操作安全、簡便等。

LPE的不足在於，當外延層與襯底晶格常數差大於1%時，不能進行很好的生長。其次，由於分凝係數的不同，除生長很薄的外延層外，在生長方向上控制摻雜和多元化合物組合均勻性遇到困難。再者LPE的外延層表面一般不如氣相外延好。

硅LPE技術近年來一方面在向低温方向發展,另一方面在改善其組分分佈、表面形貌等方面都取得了不少成果 ^[1]  .

低温硅液相外延：低温外延是硅器件製造的總體趨勢.在硅LPE中,由於新的溶劑(主要是Ag,Au及其合金)不斷髮現,大大降低了硅LPE的温度.金對硅的溶解度就是在400℃也能達到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℃才達到影響光生載流子壽命的閾值,而當生長温度低於500℃時,Au在硅中的固溶度不到1012cm-3,這對器件幾乎沒有任何影響,因此可以用純金、純銀作為溶劑,分別在400℃ ,845℃左右進行低温外延生長.不過太高的溶解度會引起澱積速率不易控制和熔體內自發成核等問題 ^[1]  .

硅LPE系統：LPE技術發展到現在,其廣泛採用的系統是改進的浸漬系統和滑動舟系統,近期報道一種新穎的旋轉坩堝系統(離心繫統)也值得注意 ^[1]  .

LPE的硅外延層,以其良好的電學、光學及其生長特性,而在CVD無法勝任的領域應用前景誘人.目前,取得較為成功的方面有:(1)垂直溝道的場控制器件中的埋柵製造及溝道的外延再填;(2)太陽能電池;(3)超晶格器件;(4)三維集成技術 ^[1]  .

場控制器件：CVD在硅器件的埋結制造中,因自摻雜而出現埋層尺寸增加,密排柵極叉指製造也受到嚴重影響,而LPE因其可以消除自摻雜,而在這方面得到應用,尤其對硼擴散的埋柵區域的埋結制造,其優點更為明顯 ^[1]  .

太陽能電池(solar cells,SC)：在SC製造中,一個突出的既矛盾又相互制約的問題是:要求外延層不能太厚,以免光生載流子在到達表面之前複合太多,但又不能太薄,以保證足夠的光吸收.目前商業生產的SC發射極厚達250—400μm,是用硅體單晶或多晶硅製成,因而材料的成本就佔了很大的比重,為降低成本,在廉價的襯底如硅片、玻璃、陶瓷上液相外延一層10—50μm的高質量的硅薄膜,這已成為SC中的很有意義的研究方向 ^[1]  .

超晶格器件：在硅上外延Si/SixGe1-x多層結構,可以用來提高器件的工作性能,它可以應用於異質結雙極型晶體管、紅外光探測器、發光二極以及能帶調製工程.正是有如此優越的功用,Si/SixGe1-x超晶格的研究工作也就成為材料及器件工作者關心的一大熱點 ^[1]  。

三維集成技術(three dimensionalintegration,3DI)：3DI的開發是採用SOI(silicon on insulater)結構,使各電路元件的互連線的距離縮短,從而提高微電子的集成度.目前,3DI技術已經在無源器件製造中應用,而製造MOSFET和雙極型晶體管等有源器件,就需要高阻的單晶硅外延層.達到這一目標較為理想的方法是對CVD澱積的多晶硅用激光在很短的時間內加熱,然後重結晶.另外,用低能粒子濺射加熱生長的薄膜或對非晶硅薄膜在低温下退火也可在3DI中製作有源器件.可在上述所有的方法中,生長的外延層不能同熔體,環境温度達到平衡 ^[1]  .