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MBE 143
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IDSS 768
12.5.3 夹断电压-Vp 769
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 JFET 776
12.7.2 GaAs MISFET 777
12.7.3 InP MESFET 778
12.7.4 InP MISFET 780
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/InPLED 861
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——TTSM 943
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