外延生長的基礎與應用

在半導體和光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，材料生長技術(shù)扮演了關(guān)鍵角色。無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)代電子設備都依賴于半導體材料的制備。而外延生長技術(shù)正是其中重要的一環(huán)，它幫助我們在晶體襯底上精確地構(gòu)建新的材料層，提升了器件的性能和可靠性。

無論是化學氣相沉積（CVD）還是分子束外延（MBE），每一種技術(shù)都有其獨特的應用場景。外延生長技術(shù)的未來充滿了機遇，它將繼續(xù)為新材料和新器件的開發(fā)提供支持，引領(lǐng)半導體行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新。

1、什么是外延生長？

外延生長的概念最早由Royer于1928年提出，它源于希臘語，意思是“放在上面”。簡單來說，外延生長指的是在一塊晶體襯底上有序地生長另一層晶體材料。在這個過程中，新材料層會與襯底的晶格保持一定的對齊關(guān)系，這種對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齊；而如果晶格失配較大，則會影響生長的質(zhì)量和性能。在外延過程中，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：有時水滴會鋪展開（如在玻璃上），有時則會形成球狀（如在荷葉上）。外延生長的不同模式也和這種“鋪展”現(xiàn)象類似。

2、三種主要的外延生長模式

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

①逐層生長模式逐層生長模式，也被稱為“Frank-Van-Der-Merwe生長模式”，就像是我們在造房子時，一磚一瓦地往上搭建。在這種生長模式下，原子一層一層地排列在襯底表面上，形成一個完整的單原子層。

之后，再開始生長下一層。雖然在實際操作中，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（Si/Si）或砷化鎵在砷化鎵上的生長（GaAs/GaAs）。

為實現(xiàn)真正的逐層生長，科學家們發(fā)展了如遷移增強外延（MEE）和原子層外延（ALE）等技術(shù)。通過控制原子的擴散路徑，使得原子能夠找到合適的成核點，從而更好地控制生長過程，特別是在厚度要求達到原子級別時，這些技術(shù)尤為重要。

②成核生長模式與逐層生長模式不同，成核生長模式（Volmer-Weber生長模式）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，形成獨立的“小島”。這些小島隨著時間的推移變大，最后合并成一個完整的外延層。這種生長模式通常出現(xiàn)在晶格失配較大或化學不兼容的材料系統(tǒng)中，比如氮化鎵（GaN）在藍寶石或硅碳化物（SiC）襯底上的生長?？茖W家們通過開發(fā)各種技術(shù)，如順應基板工程，來解決這些問題，使得異質(zhì)外延成為可能。成核生長就像是將多個小塊拼圖逐漸組合起來，最終形成一幅完整的圖畫。

③S-K生長模式S-K生長模式（Stranski-Krastanov生長模式）則結(jié)合了前兩者的特點。它的初始階段是逐層生長，但隨著外延層厚度的增加，總體表面自由能增大，逐層生長模式會被打破，開始形成三維的小島。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（SiGe/Si），或者銦鎵砷（GaInAs）在砷化鎵上的生長（GaInAs/GaAs）?？梢园堰@種模式理解為一開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增加美觀。

3、外延生長的技術(shù)與設備

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

①化學氣相沉積（CVD）CVD是一種利用氣態(tài)化學反應來在襯底上沉積材料的技術(shù)。簡單來說，氣態(tài)的化學物質(zhì)會被引入反應室，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，金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD），被廣泛應用于砷化物、磷化物和氮化物類半導體的生長，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精準地“射”到襯底上。在MBE中，原子束具有彈道特性，它們之間幾乎沒有氣態(tài)反應，能夠非常精確地控制外延層的生長。

MBE的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的厚度控制，適用于制作一些需要高度精準控制的器件，例如量子點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外延設備如下：

4、外延生長的應用

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

在高亮度發(fā)光二極管（LED）的制造中，外延生長用于在藍寶石或碳化硅襯底上生長氮化鎵（GaN）層，從而實現(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外延技術(shù)，提供了高速、高性能的解決方案。

此外，外延生長技術(shù)還用于制備量子點和納米線等新型材料結(jié)構(gòu)，這些材料在未來的量子計算和納米電子學中具有廣闊的應用前景。

5、總結(jié)

外延生長技術(shù)作為半導體行業(yè)的重要基石，推動了電子和光電子器件的發(fā)展。從逐層生長到成核生長，再到S-K生長模式，每一種外延生長方式都為解決不同的材料系統(tǒng)問題提供了有力的工具。

通過不斷優(yōu)化外延生長技術(shù)，我們能夠制造出更高效、更精密的器件，這不僅滿足了現(xiàn)有的技術(shù)需求，也為未來的新興科技提供了無限可能。購買芯片課、加入VIP交流群，跟業(yè)內(nèi)人士一起學習：通俗理解半導體行業(yè)基礎知識（入門或轉(zhuǎn)行必備）

作者：胡工，北京大學微電子本碩，北京大學半導體校友會成員，在半導體行業(yè)工作多年，常駐深圳。歡迎交流，備注姓名+公司+崗位。