外延生長(zhǎng)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
外延生長(zhǎng)的實(shí)例教程
【引言】
液相外延（liquid-phase epitaxy）生長(zhǎng)法是合成金屬有機(jī)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(zhǎng)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(jìn)行直接外延生長(zhǎng)。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(diǎn)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(kuò)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(shí)別、選擇性吸附分離等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前，CD-MOFs擴(kuò)展結(jié)構(gòu)制備過程中金屬節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)這類MOFs依然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，美國(guó)西北大學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者J. Fraser Stoddart教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型表面異質(zhì)外延生長(zhǎng)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(jìn)一步固定在基質(zhì)上從而實(shí)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(zhǎng)。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(dá)數(shù)個(gè)平方毫米，厚度在2微米左右。基于此制備的電子探測(cè)器件展現(xiàn)出對(duì)二氧化碳的快速響應(yīng)能力以及優(yōu)異的可逆檢測(cè)循環(huán)性能。
展開 然而，鐵電氧化物極化表面對(duì)異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)的調(diào)控作用以及界面微結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)聯(lián)尚不清楚。因此,基于鐵電極化設(shè)計(jì)并構(gòu)建鈣鈦礦氧化物的異質(zhì)結(jié)、系統(tǒng)研究異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)與調(diào)控、界面屏蔽機(jī)制及其功能性，這將為新型光電、磁性、催化、傳感等方面的拓展應(yīng)用提供重要的理論支持。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，浙江大學(xué)韓高榮教授、任召輝副教授課題組與張澤院士、田鶴研究員課題組通力合作，設(shè)計(jì)并發(fā)展了一種以鐵電極化表面靜電力來(lái)驅(qū)動(dòng)氧化物外延生長(zhǎng)，從而制備高質(zhì)量鐵電氧化物異質(zhì)結(jié)的新方法。研究人員設(shè)計(jì)在PTO鐵電表面外延生長(zhǎng)不同組分、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)變的氧化物(Ti02/PTO、STO/PTO以及BFO/PTO)，利用水熱法成功制備出具有原子級(jí)平整界面的氧化物異質(zhì)結(jié),外延生長(zhǎng)均發(fā)生在單疇PTO的正極化面上。這說(shuō)明了鐵電極化調(diào)控外延生長(zhǎng)的這種方法是具有較好的普適性，其生長(zhǎng)的界面與傳統(tǒng)方法如PLD、MBE等所得界面基本無(wú)差別。相關(guān)的研究成果以題為“Electrostatic Force-Driven Oxide Heteroepitaxy for Interface Control”發(fā)表在Advanced Materials上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1：設(shè)計(jì)不同的氧化物異質(zhì)結(jié)界面
(a-c):TiO2/PTO,STO/PTO以及BFO/PTO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
(d-g):異質(zhì)結(jié)匹配模型中PTO、 Ti02、STO以及BFO外延生長(zhǎng)晶面的俯視圖。
展開 如果近表面的殘余損傷沒有被充分的去除，襯底上的外延生長(zhǎng)將導(dǎo)致宏觀缺陷的產(chǎn)生。所以襯底環(huán)節(jié)的質(zhì)量水平會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的外延生長(zhǎng)環(huán)節(jié)的質(zhì)量水平。
04碳化硅外延生長(zhǎng)及可靠性
外延是指在襯底的上表面生長(zhǎng)一層與襯底同質(zhì)的單晶材料4H-SiC。碳化硅有很多種同質(zhì)異構(gòu)體，為保證高品質(zhì)外延材料的制備，需要特殊技術(shù)來(lái)避免引入其他晶型，目前標(biāo)準(zhǔn)化工藝是使用4°斜切的4H-SiC單晶襯底，采用臺(tái)階控制生長(zhǎng)技術(shù)。目前常用工藝為CVD法：常用設(shè)備為熱壁式水平外延爐，常用反應(yīng)前驅(qū)氣體為硅烷
(SiH4)、
甲烷
(CH4)
、乙烯
(C2H4)
等，并以氮?dú)? (N2)
和三甲基鋁
(TMA)
作為雜質(zhì)源。典型生長(zhǎng)溫度范圍為1500~1650 ℃，生長(zhǎng)速率5~30μm/h。
外延層的生長(zhǎng)可以消除許多晶體生長(zhǎng)和晶片加工中所引入的表面或近表面的缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌較襯底大為改觀。厚的外延層、好的表面形貌和較低的摻雜濃度對(duì)提高擊穿電壓有重要意義。這樣的外延片用于制造功率器件，可以極大提高參數(shù)穩(wěn)定性和良率。
展開 Soft-Epi和Sundiode公司聯(lián)合開發(fā)的Micro-LED制作用紅綠藍(lán)三色堆疊型晶圓
根據(jù)外媒Compound Semiconductor報(bào)道，Soft-Epi公司總部位于韓國(guó)，擁有獨(dú)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(guó)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(lái)說(shuō)其應(yīng)用涉及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（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(huì)涉及一系列非常復(fù)雜的工藝，比如晶圓鍵合，然后在每個(gè)上單獨(dú)外延生長(zhǎng)R、G和B之后移除襯底。事實(shí)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(gè)在單個(gè)襯底上具有獨(dú)立pn結(jié)的RGB外延層，該外延層具有單外延生長(zhǎng)，無(wú)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(zhǎng)技術(shù)和Sundiode的設(shè)計(jì)。
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(zhǎng)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(lán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)芯片以發(fā)出紅、綠和藍(lán)三種顏色。這也被認(rèn)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(lán)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(shí)際微顯示器前，還會(huì)添加電流阻擋層，最終這三層可以被獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。
展開 襯底片在拋光工藝后獲得良好的表面質(zhì)量，可抑制外延生長(zhǎng)中缺陷的產(chǎn)生，從而獲得高質(zhì)量的外延片。其表面質(zhì)量包括平整度、近表面位錯(cuò)以及殘余應(yīng)力。為了在外延生長(zhǎng)的初始階段抑制缺陷的產(chǎn)生，襯底表面必須是無(wú)應(yīng)力和無(wú)近表面位錯(cuò)。如果近表面的殘余損傷沒有被充分的去除，襯底上的外延生長(zhǎng)將導(dǎo)致宏觀缺陷的產(chǎn)生。所以襯底環(huán)節(jié)的質(zhì)量水平會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的外延生長(zhǎng)環(huán)節(jié)的質(zhì)量水平。
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碳化硅外延生長(zhǎng)及可靠性
外延是指在襯底的上表面生長(zhǎng)一層與襯底同質(zhì)的單晶材料4H-SiC。碳化硅有很多種同質(zhì)異構(gòu)體，為保證高品質(zhì)外延材料的制備，需要特殊技術(shù)來(lái)避免引入其他晶型，目前標(biāo)準(zhǔn)化工藝是使用4°斜切的4H-SiC單晶襯底，采用臺(tái)階控制生長(zhǎng)技術(shù)。目前常用工藝為CVD法：常用設(shè)備為熱壁式水平外延爐，常用反應(yīng)前驅(qū)氣體為硅烷 (SiH4)、甲烷 (CH4)、乙烯 (C2H4)等，并以氮?dú)?(N2)和三甲基鋁 (TMA)作為雜質(zhì)源。典型生長(zhǎng)溫度范圍為1500~1650 ℃，生長(zhǎng)速率5~30μm/h。
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外延生長(zhǎng)的最新內(nèi)容
Ansys | 什么是MicroLED？1個(gè)月前
在理想的場(chǎng)景下，通過單片集成實(shí)現(xiàn)的外延生長(zhǎng)工藝（即直接在背板上實(shí)現(xiàn)LED生長(zhǎng)），是MicroLED的最佳制造路徑。不過，這個(gè)領(lǐng)域目前正處于發(fā)展階段。企業(yè)正在開發(fā)原型策略，但當(dāng)前執(zhí)行這些方法的成本太高，以至于不具備商業(yè)可行性。
如今，通常使用拾放式轉(zhuǎn)移方法制造MicroLED。在這種方法中，紅色、綠色和藍(lán)色的LED直接在晶圓上制造，然后單獨(dú)轉(zhuǎn)移到背板上，而背板包含了基板和控制光所需的電子部件。
這種方法需要復(fù)雜的襯底制備，例如，單晶Ge襯底必須在硅襯底上外延生長(zhǎng)，然后才能生長(zhǎng)石墨烯。最近，大單晶石墨烯的快速生長(zhǎng)得到了報(bào)道。
圖3.在鍺表面生長(zhǎng)的單晶單層石墨烯。
例如，Wu等在CuNi合金襯底上實(shí)現(xiàn)了英寸大小的單晶石墨烯的快速生長(zhǎng)，在單個(gè)成核位點(diǎn)局部引入碳前驅(qū)體，2.5h即可生長(zhǎng)出1.5英寸大小的石墨烯單層。
2.3 外延生長(zhǎng)法
外延生長(zhǎng)法（Epitaxial growth）是利用生長(zhǎng)基質(zhì)(常為稀有金屬)的原子結(jié)構(gòu)，結(jié)合高溫滲透和低溫表面析出的原理，在金屬襯底表面生長(zhǎng)出單層或少層的石墨烯晶膜。采用這種方法可制備單層（single-1ayer）和雙層（bilayer）的石墨烯。
外延環(huán)節(jié)主要是在碳化硅襯底上，經(jīng)過外延工藝生長(zhǎng)出的特定單晶薄膜，襯底晶片和外延薄膜合稱外延片。
通常來(lái)說(shuō)，受限于外延生長(zhǎng)技術(shù)，在大面積外延基板上同時(shí)生長(zhǎng)高質(zhì)量的三色RGB芯片極為困難，因此需要將生長(zhǎng)在外延基板上數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)千萬(wàn)顆微米級(jí)的三色RGB芯片依次轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)電路基板上，實(shí)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(dá)到要求。
Yang等[79]采用PBF-L技術(shù)在SRR99單晶基板上形成高度約2 mm的單晶外延生長(zhǎng)區(qū)，但隨著成形高度的增加，外延生長(zhǎng)區(qū)晶向偏離角度逐漸增大并產(chǎn)生裂紋。德國(guó)SLM Solutions公司以In718鎳基合金為粉料，通過改變激光熱源的能量密度分布，實(shí)現(xiàn)大面積單晶組織的PBF-L成形。
與現(xiàn)有的結(jié)合單個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色晶圓的傳統(tǒng)方法或通過使用選擇性生長(zhǎng)技術(shù)重復(fù)多次外延生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)RGB的方法相比，這種單片式RGB堆疊型外延生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，大大簡(jiǎn)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。
西安電子科技大學(xué)在第三代半導(dǎo)體氮化鎵外延生長(zhǎng)、器件結(jié)構(gòu)以及制造工藝的理論與技術(shù)方面取得了系列突破，實(shí)現(xiàn)了從核心設(shè)備、材料到器件的創(chuàng)新，使中國(guó)氮化物第三代半導(dǎo)體電子器件研究步入國(guó)際前沿行列。
此外，從更系統(tǒng)的角度來(lái)看，Micro-LED芯片的制造對(duì)更多領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)有了新的要求，包括晶圓制造、外延生長(zhǎng)、巨量轉(zhuǎn)移和背板制造等。實(shí)際上，這些階段目前都還沒有一個(gè)明確統(tǒng)一的技術(shù)方向。另外，這些過程之間也形成了一種互鎖的關(guān)系，開發(fā)人員甚至需要考慮最終的應(yīng)用是什么，以據(jù)此決定在不同的環(huán)節(jié)中采用哪些解決方案。
工業(yè)上采用MOCVD和HVPE設(shè)備來(lái)外延生長(zhǎng)。
GaN半導(dǎo)體材料有二種基本結(jié)構(gòu):纖鋅礦(Wurtzite, WZ)和閃鋅礦(Zinc blende, ZB)。常溫常壓下惟有纖鋅礦結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定相。纖鋅礦結(jié)構(gòu)由兩套六角密堆積子格子沿c軸方向平移3c/8套構(gòu)而形成，所屬空間群為或P63mc。
