气相外延(vAPOur phase epitaxy)

一种半导体薄膜材料制备技术，工艺过程主要特点是：借助于单一的化学反应(如热分解)或一系列复杂的化学反应(如热分解、还原、歧化、化合)以制备单晶薄膜的生长工艺。

典型的化学气相外延工艺组成部分

(1)源物质的气化(包括(蒸发、升华等)与输运(包括扩散、载气输运)；

(2)源物质的化学反应；

(3)基于气-固反应的单晶薄膜生长。早期的半导体气相外延多采用闭管工艺，其装置示意图如图1，在一个密封并抽成真空的石英安瓿中，分别放置碘源、砷化镓多晶源及砷化镓衬底，整个安瓿置于三段温区的管式炉中。T1为碘源温度，T2为砷化镓源温度，T3为外延生长温度，在T1下碘蒸发，在浓度梯度作用下，碘蒸气进入砷化镓多晶源区，并发生下列反应：

2GaAs(s)+I2(g)→2GaI(g)+1/2As4(g)         (1)

GaI和As4借助扩散进入沉积区并到达衬底上方，在T3温度下发生歧化反应：

 3GaI(g)≒2Ga(l)+GaI3(g)         (2)

温度升高，反应向左进行；温度降低，反应向右进行。外延工艺的设计是T2>T3，因而在沉积区产生大量的镓原子。新生态镓与As4在衬底表面化合生成GaAs：

 Ga(l)+1/4As4(g)→GaAs(s)             (3)

在衬底表面附近发生的是一个气-固-液多相反应。这是一个由气相输运、表面吸附、解吸、原子迁移、成核及晶核长大等多个物理化学构成的复杂过程。影响外延效果的主要因素除温度外，还有衬底的晶格完整性、晶格常数、表面粗糙度及表面清洁度等。在进行异质外延(如在GaSb衬底上生长Ga0.73Al0.27As0.04Sb0.96)时，衬底与外延层的晶格常数匹配必须予以考虑；当二者的晶格常数差异超过0.3％时，外延层的晶格完整性就会受到影响。在上述列举的四元化合物中，所以有如此严格的分子组成，满足晶格匹配即是原因之一。现代气相外延多采用开管外延工艺，装置示意图见图2。开管外延是在流动气体中进行的，气流状态比较复杂。不仅有浓度梯度、温度梯度和重力梯度造成的传质过程，而且还有由载气流动造成的强制性气流，因而外延反应器的几何构型具有重要意义。

在图2的设计中，氢气不仅起载气作用，而且参与化学反应：

 2AsCl3(g)+3H2(g)→1/2As4(g)+6HCl(g)           (4)

 2GaAs(s)+2HCl(g)→2GaCl(g)+1/2As4+H2    (5)

式(5)反应实际是式(1)的变体。

开管外延有下列优点

(1)AsCl3和镓均可进行有效的提纯，因而可实现高纯砷化镓外延制备；

(2)可对气体流量进行调节与控制，提高了工艺的可控性；

(3)为了进行掺杂或生长三元、四元化合物，可以更换或增设气体管路；

(4)反应器易于打开、关闭，提高了工艺的灵活性。除图2的卧式外延反应器外，还可采用如图3的立式外延反应器。反应器的外形像一个钟罩，气体源从上方通入。由于硅外延是单温区生长，所以可采用高频感应加热或红外辐射加热。在立式反应器中，衬底托架可以一定速度旋转，这有利于改善外延层厚度均匀性及电学参数均匀性。经过30余年的发展，气相外延已成为材料科学中用于生长单晶薄膜的重要工艺技术。元素半导体、化合物半导体、超导材料、电介质及其他功能材料薄膜均可采用气相外延工艺生长。