外延生長技術(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
外延生長技術(shù)的實例教程
【引言】
液相外延（liquid-phase epitaxy）生長法是合成金屬有機骨架材料（MOFs）最常見的方法之一。然而，由于MOFs具有各向異性生長性質(zhì)，目前只有有限的幾種MOFs能在晶格匹配的特定基質(zhì)上進行直接外延生長。此外，作為制備基質(zhì)支撐型MOFs或者核殼結(jié)構(gòu)MOFs的關(guān)鍵因素，金屬節(jié)點的選擇大多數(shù)情況下也僅限于風(fēng)扇輪（paddle-wheel）結(jié)構(gòu)金屬鏈接。因此，發(fā)展液相外延方法并擴大其適用MOF類型依然是MOFs材料發(fā)展的關(guān)鍵的需求。以CD-MOFs為例，這是一類由堿金屬鹽和環(huán)糊精構(gòu)成的多樣性網(wǎng)狀材料，其在分子識別、選擇性吸附分離等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。目前，CD-MOFs擴展結(jié)構(gòu)制備過程中金屬節(jié)點的使用已經(jīng)打破風(fēng)扇輪結(jié)構(gòu)的局限，但是如何在給定的基質(zhì)上外延生長這類MOFs依然是一項挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
近日，美國西北大學(xué)的諾貝爾獎獲得者J. Fraser Stoddart教授（通訊作者）團隊設(shè)計了一種新型表面異質(zhì)外延生長方法用于制備CD-MOFs。研究人員首先將化學(xué)改性的嵌二萘單元修飾到基質(zhì)表面，通過嵌二萘與γ-CD的主客體絡(luò)合反應(yīng)，γ-CD分子可被進一步固定在基質(zhì)上從而實現(xiàn)γ-CD自組裝單層（SAMs）在基質(zhì)上的沉積，最終促使CD-MOFs的成核生長。采用這種方法制備的CD-MOF薄膜具備面外結(jié)構(gòu)取向的連續(xù)多晶形態(tài)，覆蓋面積高達數(shù)個平方毫米，厚度在2微米左右。基于此制備的電子探測器件展現(xiàn)出對二氧化碳的快速響應(yīng)能力以及優(yōu)異的可逆檢測循環(huán)性能。
展開 Soft-Epi和Sundiode公司聯(lián)合開發(fā)的Micro-LED制作用紅綠藍三色堆疊型晶圓
根據(jù)外媒Compound Semiconductor報道，Soft-Epi公司總部位于韓國，擁有獨特的GaN外延技術(shù)，一直專注于可見光InGaN外延的制造，其中就包括基于氮化物材料制造的紅色LED。Sundiode是一家總部位于美國硅谷的公司，一直致力于顯示用Micro-LED技術(shù)的開發(fā)，具體來說其應(yīng)用涉及增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）以及平視顯示器（HUD）等。
目前，業(yè)界為制造一款具有超高分辨率（5000 PPI）的下一代全彩色Micro-LED顯示器，通常會涉及一系列非常復(fù)雜的工藝，比如晶圓鍵合，然后在每個上單獨外延生長R、G和B之后移除襯底。事實上，這些工藝正是目前業(yè)界制造全彩色Micro-LED顯示器的最大問題。
現(xiàn)在，這兩家公司制作出了世界上第一個在單個襯底上具有獨立pn結(jié)的RGB外延層，該外延層具有單外延生長，無需額外的晶圓鍵合工藝。據(jù)介紹，這一新的突破性成果用到了Soft-Epi的外延生長技術(shù)和Sundiode的設(shè)計。
這與先前的傳統(tǒng)方案：晶片鍵合技術(shù)或基于電流密度變化調(diào)整波長的顏色控制方法完全不同。新方案使用了一種單片堆疊式紅綠藍結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員可以獨立驅(qū)動芯片以發(fā)出紅、綠和藍三種顏色。這也被認為是制造高分辨率微型顯示器，最理想RGB像素結(jié)構(gòu)。
圖2. 紅綠藍三色堆疊型芯片極其發(fā)光狀態(tài)示意
圖2中展示了RGB堆疊式LED外延結(jié)構(gòu)（左）及其發(fā)光圖像（右）的示意圖，其中，RGB三層通過隧道結(jié)串聯(lián)連接。該結(jié)構(gòu)在最終用作實際微顯示器前，還會添加電流阻擋層，最終這三層可以被獨立驅(qū)動。
展開 03.SiC外延片制備技術(shù)
碳化硅外延兩大主要技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用在設(shè)備上。
1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發(fā)展、對外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用。它的出現(xiàn)首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現(xiàn)生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。
引入TCS，實現(xiàn)生長速率的提升
引入TCS可以實現(xiàn)生長速率達到傳統(tǒng)的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產(chǎn)速率得到提升，同時也是質(zhì)量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術(shù)率先由LPE在14年實現(xiàn)商業(yè)化，在17年左右Aixtron對設(shè)備進行了升級改造，將這個技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中。
碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。
展開 1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發(fā)展、對外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用。它的出現(xiàn)首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現(xiàn)生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。
引入TCS，實現(xiàn)生長速率的提升
引入TCS可以實現(xiàn)生長速率達到傳統(tǒng)的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產(chǎn)速率得到提升，同時也是質(zhì)量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術(shù)率先由LPE在14年實現(xiàn)商業(yè)化，在17年左右Aixtron對設(shè)備進行了升級改造，將這個技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中。
碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。
基本上很多缺陷都是從襯底中直接復(fù)制過來的，所以說襯底的質(zhì)量、加工的水平對于外延的生長來說，尤其是缺陷的控制是非常重要的。
碳化硅外延缺陷一般分
為致命性和非致命性：
致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，對所有的器件類型都有影響，包括二極管，MOSFET，雙極性器件，影響最大的就是擊穿電壓，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到百分之90。
非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED，對這個二極管可能就沒有影響，對MOS、雙極器件可能就有壽命的影響，或者有一些漏電的影響，最終會使器件的加工合格率受到影響。
展開 SiC外延片關(guān)鍵參數(shù)
碳化硅外延材料的最基本的參數(shù)，也是最關(guān)鍵的參數(shù)，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性。
我們所講外延的參數(shù)其實主要取決于器件的設(shè)計，比如說根據(jù)器件的電壓檔級的不同，外延的參數(shù)也不同。
一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質(zhì)量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領(lǐng)域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰(zhàn)。
03
SiC外延片制備技術(shù)
碳化硅外延兩大主要技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用在設(shè)備上。
1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發(fā)展、對外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用。
它的出現(xiàn)首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現(xiàn)生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。
引入TCS，實現(xiàn)生長速率的提升
引入TCS可以實現(xiàn)生長速率達到傳統(tǒng)的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產(chǎn)速率得到提升，同時也是質(zhì)量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術(shù)率先由LPE在14年實現(xiàn)商業(yè)化，在17年左右Aixtron對設(shè)備進行了升級改造，將這個技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中。
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外延生長技術(shù)的最新內(nèi)容
通常來說，受限于外延生長技術(shù)，在大面積外延基板上同時生長高質(zhì)量的三色RGB芯片極為困難，因此需要將生長在外延基板上數(shù)百萬甚至數(shù)千萬顆微米級的三色RGB芯片依次轉(zhuǎn)移到驅(qū)動電路基板上，實現(xiàn)RGB排布。
三色RGB芯片轉(zhuǎn)移示意圖
然而，由于Micro LED的特征尺寸小于100μm，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移技術(shù)在轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移精度上很難達到要求。
2.3.2 激光外延掃描單晶增材修復(fù)
美國喬治亞理工學(xué)院發(fā)展的激光掃描外延生長技術(shù)，能夠在CMSX-4[18, 82-84]、René N5[85-86]和René 142[87]等多種牌號的單晶基體上形成高度1.5 mm、寬度6 mm、長度35 mm的單晶外延生長區(qū)(見圖 13(a))。
與現(xiàn)有的結(jié)合單個紅色、綠色和藍色晶圓的傳統(tǒng)方法或通過使用選擇性生長技術(shù)重復(fù)多次外延生長來實現(xiàn)RGB的方法相比，這種單片式RGB堆疊型外延生長技術(shù)的優(yōu)點是，大大簡化了制造高分辨率全彩色微型顯示器的工藝制程。
另外，這種方案還有望大大優(yōu)化現(xiàn)有大尺寸（標(biāo)牌、電視等）顯示器用Micro-LED顯示器的制造工藝。
從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個發(fā)展方向：
1、IGBT縱向結(jié)構(gòu)：非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型；
2、IGBT柵極結(jié)構(gòu)：平面柵機構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；
3、硅片加工工藝：外延生長技術(shù)、區(qū)熔硅單晶；
按照封裝工藝來看，IGBT模塊主要可分為焊接式與壓接式兩類。
氮化鎵（GaN）
目前氮化鎵單晶生長尺寸在2英寸和4英寸，一般不作為襯底材料，而是采用異質(zhì)外延技術(shù)生長GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及藍寶石基氮化鎵外延器件等。在器件及應(yīng)用方面，首先，GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作為微波射頻器件，應(yīng)用于5G 通信、雷達預(yù)警、衛(wèi)星通訊等方面。
最后，他還是高效紅外發(fā)光二極管液相外延生長技術(shù)的開發(fā)先驅(qū)之一。正是在這個領(lǐng)域，Woodall博士做出了他迄今為止最重要的研究貢獻：第一個可工作的砷化鎵鋁/砷化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這是兩種不同半導(dǎo)體材料之間的界面，目前仍然是世界上最重要的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)之一。
器件縱向結(jié)構(gòu)（非穿通型(NPT)結(jié)構(gòu)→擁有緩沖層的穿通型(PT)結(jié)構(gòu)→場終止型、軟穿通型結(jié)構(gòu)）
柵極結(jié)構(gòu)（平面柵結(jié)構(gòu)→垂直于芯片表面的溝槽型結(jié)構(gòu)）
硅片的加工工藝（外延生長技術(shù)
1.金屬有機物氣相沉積法
MOCVD（
金屬有機物氣相沉積法
）是在氣相外延生長的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術(shù)。
▍從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個發(fā)展方向：
1）IGBT縱向結(jié)構(gòu)：非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型；2）IGBT柵極結(jié)構(gòu)：平面柵機構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；3）硅片加工工藝：外延生長技術(shù)、區(qū)熔硅單晶；
其發(fā)展趨勢是：①降低損耗 ②降低生產(chǎn)成本
總功耗＝ 通態(tài)損耗 (與飽和電壓 VCEsat有關(guān))+開關(guān)損耗 (Eoff Eon)。
從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個發(fā)展方向：
1）IGBT縱向結(jié)構(gòu)：非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型；2）IGBT柵極結(jié)構(gòu)：平面柵機構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；3）硅片加工工藝：外延生長技術(shù)、區(qū)熔硅單晶；
其發(fā)展趨勢是：①降低損耗 ②降低生產(chǎn)成本
總功耗＝ 通態(tài)損耗 (與飽和電壓 VCEsat有關(guān))+開關(guān)損耗 (Eoff
