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第3篇　化合物半导体器件1

第1章　概论1

1.1 化合物半导体材料1

目录1

1.1.1 发展简史2

1.1.2　主要特性3

1.2　化合物半导体器件6

1.2.1 微波器件6

1.2.2　光电器件8

1.3　化合物半导体器件工艺10

参考资料12

2.2 表面清洗13

2.2.1 化合物半导体表面及其沾污13

2.1 概述13

第2章 表面清洗与腐蚀13

2.2.2 表面净化技术18

2.2.3 质量控制30

2.3 湿法化学腐蚀33

2.3.1 湿法化学腐蚀的基本原理和特性33

2.3.2 常用的化学腐蚀液体系及其特性36

2.3.3 影响化学腐蚀的因素54

2.3.4 腐蚀技术的应用56

2.4 干法腐蚀58

2.4.1 干法腐蚀与湿法腐蚀58

2.4.2 干法腐蚀的分类59

2.4.3 干法腐蚀常用的气体60

2.4.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物的干法腐蚀63

2.5 清洗腐蚀后表面的检测及79

分析79

2.5.1 检测的目的及内容79

2.5.2 常用检测方法及典型实例81

参考资料88

第3章 外延89

3.1 概述89

3.2 汽相外延（VPE）90

3.2.1 GaAs MESFET材料的多层汽91

相外延技术91

3.2.2 GaAs参放变容管材料的薄层变浓度汽相外延技术98

3.2.3 GaAs IMPATT材料的多层汽相外延技术102

3.2.4 InP体效应管材料的汽相外延技术109

3.2.5 In1－xGaxAs/GaAs探测器材料的汽相外延技术113

3.3 液相外延（LPE）117

3.3.1 AlxGa1－xAs/GaAs发光管多层异质结液相外延117

3.3.2 In1－xGaxAsyP1－y/InP激光器多层异质结液相外延131

3.3.3 In0.53Ga0.47As/InP探测器多层异质结液相外延140

3.4 外延材料制备新工艺——143

MOCVD和MBE143

3.4.1 金属有机化学汽相淀积143

（MOCVD）143

3.4.2 分子束外延（MBE）148

3.4.3 MOCVD与MBE的比较154

3.5 外延工艺对材料性能的155

影响155

3.5.1 外延工艺对微波材料性能的影响155

3.5.2 LPE工艺对光电器件外延材料性能的影响193

3.6 外延材料参数对器件性能的205

影响205

3.6.1 外延材料参数对GaAs MESFET性能的影响205

3.6.2 外延材料参数对GaAs变容管性能的影响210

3.6.3 外延材料参数对GaAs IMPATT性能的影响211

3.6 外延材料参数对GaAs体效应管性能的影响214

3.6.5 外延层质量对LED和LD性能的影响216

3.7 外延层特性测试218

3.7.1 厚度218

3.7.2　载流子浓度及其分布221

3.7.3　方块电阻232

3.7.4　迁移率分布233

3.7.5　组份235

3.7.6　晶格失配239

3.7.7　位错和层错239

3.7.8　表面和界面缺陷243

3.7.9　禁带宽度247

3.7.10　峰值波长与发光强度248

3.7.11 外延层杂质成分251

参考资料253

第4章 离子注入255

4.1 概述255

4.2 离子射程的基本概念256

4.2.1 射程参数256

4.2.2 注入离子在靶内的分布257

4.3.1 衬底材料的筛选259

4.3 电活性杂质离子注入259

4.3.2 n型杂质离子注入260

4.3.3 p型杂质离子注入266

4.3.4 其他化合物半导体中的离子注入269

4.3.5 注入条件的选取272

4.3.6 n型和p型掺杂剂离子的产生及有关的工艺问题274

4.4 非电活性杂质离子注入276

4.4.1 1H+注入276

4.4.2 O+注入286

4.4.3 He+、B+注入290

4.5.1 化合物半导体中的基本缺陷293

4.5.2 离子注入产生的辐射损伤293

4.5 辐射损伤及退火293

4.4.4 各种离子注入隔离性能的比较293

4.5.3 管式炉热退火295

4.5.4 快速退火296

4.6 离子注入层的测量297

4.6.1 注入层辐射损伤的测量297

4.6.2 注入层电学性质的测量298

4.6.3 注入层杂质原子分布的测量299

4.7 工艺应用299

4.8 附表304

参考资料319

第5章 扩散321

5.1 概述321

5.2 扩散原理和方法321

5.2.1 扩散方程321

6.2.2 扩散系数及其影响因素322

5.2.3 扩散机理325

5.2.4 扩散方法326

5.3 杂质在GaAs中的扩散327

5.3.1 杂质扩散源327

5.3.2 典型扩散工艺327

5.3.3 扩散参数与工艺条件间的关系329

5.4 杂质在其它化合物半导体中337

的扩散337

5.4.1 杂质扩散源337

5.4.2 Cd在InP中扩散的典型实例339

5.4.3 扩散层参数与工艺条件的关系339

5.5 扩散工艺在器件制造中的348

应用348

5.5.1 在制作GaAs器件中的应用349

5.5.2 在其它化合物半导体器件制备中的应用350

5.5.3 扩散工艺对器件特性的影响351

5.6 扩散层质量的检测352

5.6.1 结深的测量352

5.6.2 薄层电阻的测量353

5.6.3 载流子浓度及其分布354

5.6.4 扩散层的均匀性和表面质量354

5.6.5 pn结特性355

5.7 附表356

参考资料357

第6章 金属-半导体接触及金属化359

6.1 概述359

6.2.2 肖特基势垒的势垒高度及其测量方法360

6.2.1 化合物半导体肖特基势垒的分类及其特点360

6.2 肖特基势垒工艺360

6.2.3 势垒高度的控制369

6.2.4 肖特基势垒的电学特性371

6.2.5 肖特基势垒的理想因子n及其测量374

6.2.6 制作肖特基势垒的一般方法377

6.2.7 肖特基势垒制作过程中常见的工艺问题382

6.2.8 GaAs肖特基势垒制作工艺383

6.2.9 其它化合物半导体肖特基391

势垒391

6.3 欧姆接触工艺393

6.3.1 对欧姆接触的要求393

6.3.2 化合物半导体欧姆接触的393

类型393

6.3.3 接触电阻率的测量394

6.3.4 n型GaAs欧姆接触399

6.3.5 p型GaAs欧姆接触408

6.3.6 其它Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体欧姆接触410

6.3.7 其它欧姆接触辅助工艺及激光合金化413

6.4 热沉工艺416

6.4.1 热沉的种类及对热沉的要求416

6.4.2 常用的热沉结构及热沉的扩展热阻417

6.4.3 电镀热沉工艺421

6.5 互连工艺425

6.5.1 对互连的一般要求及常用的互连结构425

6.5.2 互连金属化系统的选择426

6.5.3 二氧化硅隔离互连426

6.5.4 聚酰亚胺隔离互连428

6.5.5 空气桥互连430

6.5.6 穿孔互连431

参考资料434

第7章 微细光刻技术437

7.1 概述437

7.2 光致抗蚀剂439

7.3 曝光方法447

7.3.1 接触式或接近式紫外曝光447

技术447

7.3.2 紫外投影曝光技术449

7.3.3 红外对准曝光技术452

7.3.4 激光全息曝光技术453

7.3.5 远紫外线曝光技术456

7.3.6 电子束曝光技术459

7.3.7 X射线曝光技术463

7.3.8 离子束曝光技术467

7.3.9 各种曝光技术的性能比较470

7.4 特殊工艺技术471

7.4.1 金属剥离技术471

7.4.2 补偿光刻技术476

7.4.3 积聚掩蔽技术477

7.4.4 侧向钻蚀刻蚀法479

7.4.5 边缘电镀技术482

7.4.6 各种特殊工艺方法的性能483

比较483

7.5 刻蚀方法483

7.6 质量控制489

7.7.1 化合物半导体二端器件光刻工艺490

7.7 器件制作的光刻实例490

7.7.2 化合物半导体三端器件光刻工艺491

参考资料494

第8章 介质膜496

8.1 概述496

8.2 无机介质膜496

8.2.1 自体氧化膜497

8.2.2 SiO2膜508

8.2.3 Si3N4膜514

8.2.4 Al2O3膜519

8.3 有机介质膜522

8.4 新的介质膜及多层膜526

8.4.1 表面预处理526

8.4.2 非晶态膜527

8.4.3 单晶介质膜和多层膜528

8.5 介质膜的检测529

8.5.1 组分和结构的检测529

8.5.2 缺陷的检测533

8.5.3 膜厚535

8.5.4　应力539

8.5.5　电学性质540

8.6　介质膜的应用552

参考资料552

第9章　组装553

9.1 概述553

9.2 晶片分割553

9.2.2　晶片分割554

9.2.1　晶片特性测试554

9.2.4　外观检查555

9.3　芯片焊接555

9.2.3　绷片技术555

9.3.1　钎焊556

9.3.2　热压焊564

9.3.3　导电胶粘接565

9.3.4　焊接质量检验567

9.4 引线键合567

9.4.1　金属引线567

9.4.2　热压键合569

9.4.3　超声键合572

9.4.4　其它焊接方法574

9.4.5　劈刀设计576

9.4.7　键合质量检验581

9.4.6　常见工艺问题581

9.5　微波器件的组装583

9.5.1　大功率微波二极管的组装583

9.5.2　毫米波二极管的组装583

9.5.3　功率场效应晶体管的组装586

9.6　光电器件的组装587

9.6.1　发光管（LED）的封装588

9.6.2　激光器的封装589

9.7 集成电路的组装590

9.7.1　倒装焊接法590

9.7.2　梁式引线法591

9.7.3　凸点载带组焊591

9.8.2　内涂敷方法592

9.8 内涂敷592

9.8.1　内涂敷的作用和意义592

9.9 密封工艺593

9.9.1　器件对密封的要求593

9.9.2　密封方法594

9.9.3　密封工艺质量分析598

9.10　检漏599

9.10.1　检漏原理599

9.10.2　管壳和器件的检漏标准599

9.10.3　检漏方法600

参考资料601

第10章　管壳及封装602

10.1 概述602

10.2.1　分立器件典型结构607

10.2　化合物半导体器件管壳的607

典型结构607

10.2.2　集成电路管壳的典型结构608

10.2.3　光电子器件管壳的典型结构613

10.3　化合物半导体管壳设计616

10.3.1　管壳电参数的分析和计算616

10.3.2　管壳热参数的分析和计算628

10.3.3　光电器件封装的耦合设计633

10.3.4　管壳结构设计636

10.4　管壳制造工艺641

10.4.1　多层陶瓷工艺641

10.4.2　丝网印刷工艺645

10.4.3　微型同轴管壳工艺650

10.4.4　可见光LED封装工艺651

10.4.5　耦合工艺652

10.4.6　钎焊工艺654

10.4.7　电镀工艺655

10.5　半导体封装材料658

10.5.1　陶瓷材料658

10.5.2　玻璃材料661

10.5.3　引线框材料663

10.5.4　热沉材料664

10.6　半导体封装新技术665

10.6.1　热传导组件665

10.6.2　半导体封装的计算机辅助设计666

参考资料669

第11章　微波及毫米波二端器件670

11.1 概述670

11.2　变容管工艺672

11.2.1　器件设计672

11.2.2　工艺过程680

11.2.3　参数测量685

11.3 混频管工艺688

11.3.1　器件设计688

11.3.2　工艺过程697

11.3.3　参数测量702

11.4 雪崩二极管工艺704

11.4.1 器件设计705

11.4.2 工艺过程713

11.4.3 参数测量719

11.5 耿二极管工艺720

11.5.1 器件设计和参数分析721

11.5.2 工艺过程731

11.5.3 参数测量734

参考资料735

第12章 微波场效应晶体管737

12.1 概述737

12.2 GaAs MESFET器件结构739

设计739

12.2.1 直流参数设计公式、图表、数据739

12.2.2 微波参数设计公式、图表、数据743

12.2.3 微波低噪声GaAs MESFET设计公式、图表、数据746

12.2.4 微波双栅GaAs MESFET设计公式、图表、数据749

12.2.5 微波功率GaAs MESFET设计公式、图表、数据752

12.3 GaAs MESFET工艺流程756

12.3.1 各种工艺流程简述756

12.3.2 “先源漏后栅”工艺流程、框图及示意图758

12.3.3 “先栅后源漏”工艺流程、框图及示意图759

12.3.4 主要工艺简要说明759

12.3.5 两种工艺流程的优缺点763

12.4 GaAs MESFET工艺质量764

检验764

12.4.1 光刻质量检验764

12.4.2 势垒特性检测764

12.4.3 欧姆接触电阻测量765

12.5 GaAs MESFET参数检测766

12.5.1 伏-安特性研究766

12.5.2 饱和漏电流IDSS768

12.5.3 夹断电压-Vp769

12.5.4 沟道电阻及外部串联电阻的测量769

12.5.5 微波参数测量770

12.6 GaAs MESFET的电参数771

与材料及工艺质量的关系771

12.7 其它场效应晶体管776

12.7.1 GaAs JFET776

12.7.2 GaAs MISFET777

12.7.3 InP MESFET778

12.7.4 InP MISFET780

参考资料781

13.1 概述782

第13章 短波长光电器件782

13.2 发光二极管的结构选择和786

参数设计786

13.2.1 AlGaAs/GaAs正面发光二极管787

13.2.2 AlGaAs/GaAs侧面发光二极管804

13.2.3 工艺流程813

13.2.4 可见光发光二极管816

13.3 半导体激光器的结构选择和参数设计820

13.3.1 激光器的结构选择820

13.3.2 AlGaAs/GaAs平面条形激823

光器823

13.3.3 AlGaAs/GaAs平面条形激光器工艺流程838

13.3.4 激光器的退化及其防止措施839

13.4.1　电学参数测试841

13.4 光发射器件参数测试841

13.4.2　光学参数测试844

13.4.3　热学参数测试852

13.5　硅光电探测器简介853

参考资料857

第14章　长波长光电器件860

14.1　概述860

14.2 InGaAsP/InPLED861

14.2.1　InGaAsP/InP发光二极管的特点和结构861

14.2.2　InGaAsP/InP发光二极管的结构及工艺设计864

14.3 InGaAsP/InP激光器876

（LD）876

14.3.1 低阈值电流激光器的结构和特性876

14.3.2　台面BH激光器878

14.3.3　BC结构激光器887

14.3.4　器件典型参数和特性890

14.4 InGaAsP/InP结型光电探892

测器（PD）892

14.4.1 InGaAsP/InP结型探测器的结构和特点892

14.4.2 pin光电二极管的结构和工艺设计892

14.4.3 APD的结构和工艺设计902

14.5 InGaAsP/InP系光电器件的920

参数测量920

14.5.1 LED和LD参数测量920

14.5.2 pin,APD参数测量920

参考资料923

15.1 概述925

第15章 可靠性与质量控制925

15.2 GaAs微波半导体器件的可926

靠性与质量控制926

15.2.1 小信号GaAs MESFET的可靠性与质量控制926

15.2.2 功率GaAs MESFET的可靠性与质量控制931

15.2.3 GaAs耿二极管的可靠性与质量控制935

15.2.4 GaAs雪崩二极管的可靠性与质量控制937

15.2.5 GaAs肖特基势垒混频二极管的可靠性与质量控制939

5.2.6 GaAs变容二极管的可靠性与质量控制941

15.2.7 半导体器件筛选应力和时间的数理统计选择方法——TTSM943

控制944

15.3.1 发光二极管和激光器的失效模式944

15.3 光电器件的可靠性与质量944

15.3.2 寿命和加速寿命试验946

15.3.3 光电器件的失效机理分析949

15.3.4 光电器件筛选和质量控制951

15.4 辐照效应及加固技术953

15.4.1 辐照对化合物材料的影响953

15.4.2 GaAs雪崩器件的辐照效应及加固957

15.4.3 GaAs耿二极管辐照效应及加固958

15.4.4 GaAs MESFET的辐照效应及加固960

15.4.5 其它器件的辐照效应及加固961

15.5 附录962

15.5.1 化合物微波半导体器件考核试验项目与条件962

15.5.2 化合物光电器件质量考核项目及条件964

参考资料964

16.1 概述965

第16章 新型器件和单片集成电路965

16.2 新型器件966

16.2.1 AlGaAs/GaAs高电子迁移率晶体管（HEMT）967

16.2.2 AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管（HBT）970

16.2.3 多量子阱（MQW）激光器和动态单模（DSM）激光器975

16.3 GaAs单片超高速数字集成979

电路（VHSIC）979

16.3.1 单片数字电路的基本逻辑器件、元件及逻辑电路979

16.3.2 GaAs MESFET数字电路的集成技术982

16.4 GaAs单片微波集成电路989

（MMIC）989

16.4.1 GaAs单片微波集成电路的结构和工艺设计989

16.4.2 GaAs单片微波电路的集成技术996

16.5.1 单片光接收电路999

16.5 GaAs光电单片集成电路999

（OEIC）999

16.5.2 单片光发射电路1001

16.5.3 激光器和监控探测器的单片电路1004

参考资料1006

附录1007

1．能带结构1007

2．价带和导带的能态密度1008

3．晶格常数和能隙1009

4．迁移率、载流子浓度和电阻率1011

5．击穿电压与耗尽层1016

6．一些光学和热学性质1017

7．常数表1021

8．新旧计量单位换算1021