​MOCVD金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積

 

一、MOCVD簡(jiǎn)述：

MOCVD全稱(chēng)是Metal-Organic Chemical Vapour Deposition（金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備），是在氣相外延（VPE）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)，是利用金屬有機(jī)化合物作為源物質(zhì)的一種化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝。利用MOCVD技術(shù)，許多納米層可以以極高的精度沉積，每一層都具有可控的厚度，以形成具有特定光學(xué)和電學(xué)特性的材料。MOCVD是用于LED芯片和功率器件制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)，用于在藍(lán)寶石（Al2O3）襯底上外延生長(zhǎng)，制作外延片。

 

MOCVD（金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積）是用于在半導(dǎo)體晶圓上沉積超薄單晶體層。MOCVD對(duì)于半導(dǎo)體III-V化合物是最重要的制造工藝，尤其是這些基于氮化鎵的半導(dǎo)體。廣泛應(yīng)用于包括半導(dǎo)體器件、光學(xué)器件、氣敏元件、超導(dǎo)薄膜材料、鐵電/鐵磁薄膜、高介電材料等多種薄膜材料的制備。

 

MOCVD技術(shù)始于20世紀(jì)50年代中期，由于早期的HVPE控制技術(shù)不佳（HVPE英文全稱(chēng)為Hydride vapor-phase epitaxy，中文意思是氫化物氣相外延），不能制造量子阱，超晶格等結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，在80年代逐漸被MOCVD技術(shù)所取代。

 

目前主要有三種途徑生產(chǎn)外延片，HVPE，MBE和MOCVD。對(duì)比于前面提到的HVPE和MOCVD，MBE很難運(yùn)用到商業(yè)化生產(chǎn)中（MBE英文全稱(chēng)為Molecular-beam epitaxy，中文意思是分子束外延），首先MBE生長(zhǎng)速度緩慢導(dǎo)致外延片生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，產(chǎn)能低，其次MBE維護(hù)成本高。在這三種生產(chǎn)途徑中，MOCVD占主流技術(shù)路線。

 

二、MOCVD的工作原理：

 

MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(zhǎng)各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。

 

一般而言，載流氣體通常是氫氣 ，但是也有些特殊情況下采用氮?dú)猓ɡ�如：成長(zhǎng) 氮化銦鎵 （InGaN）薄膜時(shí)）。常用的基板為砷化鎵（GaAs）、磷化鎵 （GaP）、磷化銦（InP）、硅（Si）、 碳化硅（SiC）及藍(lán)寶石（Sapphire，Al2O3）等等。而通常所成長(zhǎng)的薄膜材料主要為三五族化合物半導(dǎo)體（例如：砷化鎵（GaAs）、砷化鎵鋁（AlGaAs）、磷化鋁銦鎵（AlGaInP）、氮化銦鎵（InGaN））或是二六族化合物半導(dǎo)體 ，這些半導(dǎo)體薄膜則是應(yīng)用在光電元件（例如： 發(fā)光二極體（LED）、雷射二極體（Laser diode）及太陽(yáng)能電池）及微電子元件（例如： 異質(zhì)接面雙載子電晶體（HBT）及 假晶式高電子遷移率電晶體（PHEMT））的制作。

 

通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長(zhǎng)都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應(yīng)室中進(jìn)行，襯底溫度為500-1200℃,用直流加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方),H2通過(guò)溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長(zhǎng)區(qū)。

 

三、MOCVD的優(yōu)劣勢(shì)：

（1）用于生長(zhǎng)化合物半導(dǎo)體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反應(yīng)室，因此，可以通過(guò)精確控制氣態(tài)源的流量和通斷時(shí)間來(lái)控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度等�？梢杂糜谏�長(zhǎng)薄層和超薄層材料。

（2）反應(yīng)室中氣體流速較快。因此，在需要改變多元化合物的組分和摻雜濃度時(shí)，可以迅速進(jìn)行改變，減小記憶效應(yīng)發(fā)生的可能性。這有利于獲得陡峭的界面，適于進(jìn)行異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格、量子阱材料的生長(zhǎng)。

（3）晶體生長(zhǎng)是以熱解化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行的，是單溫區(qū)外延生長(zhǎng)。只要控制好反應(yīng)源氣流和溫度分布的均勻性，就可以保證外延材料的均勻性。因此，適于多片和大片的外延生長(zhǎng)，便于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

（4）通常情況下，晶體生長(zhǎng)速率與Ⅲ族源的流量成正比，因此，生長(zhǎng)速率調(diào)節(jié)范圍較廣。較快的生長(zhǎng)速率適用于批量生長(zhǎng)。

（5）使用較靈活。原則上只要能夠選擇合適的原材料就可以進(jìn)行包含該元素的材料的MOCVD生長(zhǎng)。而可供選擇作為反應(yīng)源的金屬有機(jī)化合物種類(lèi)較多，性質(zhì)也有一定的差別。

 

MOCVD技術(shù)的主要缺點(diǎn)大部分均與其所采用的反應(yīng)源有關(guān)。首先是所采用的金屬有機(jī)化合物和氫化物源價(jià)格較為昂貴，其次是由于部分源易燃易爆或者有毒，因此有一定的危險(xiǎn)性，并且，反應(yīng)后產(chǎn)物需要進(jìn)行無(wú)害化處理，以避免造成環(huán)境污染。另外，由于所采用的源中包含其他元素（如C，H等），需要對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行仔細(xì)控制以避免引入非故意摻雜的雜質(zhì)。

 

四、MOCVD設(shè)備的構(gòu)造：

 

 

一臺(tái)MOCVD生長(zhǎng)設(shè)備可以簡(jiǎn)要地分為以下的4個(gè)部分

 

（1）氣體操作系統(tǒng)：

氣體操作系統(tǒng)包括控制Ⅲ族金屬有機(jī)源和V族氫化物源的氣流及其混合物所采用的所有的閥門(mén)、泵以及各種設(shè)備和管路。其中，最重要的是對(duì)通入反應(yīng)室進(jìn)行反應(yīng)的原材料的量進(jìn)行精確控制的部分。主要包括對(duì)流量進(jìn)行控制的質(zhì)量流量控制計(jì)（MFC），對(duì)壓力進(jìn)行控制的壓力控制器（PC）和對(duì)金屬有機(jī)源實(shí)現(xiàn)溫度控制的水浴恒溫槽（Thor·mal Bath）。

（2）反應(yīng)室：

反應(yīng)室是MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)的核心組成部分，反應(yīng)室的設(shè)計(jì)對(duì)生長(zhǎng)的效果有至關(guān)重要的影響。不同的MOCVD設(shè)備的生產(chǎn)廠家對(duì)反應(yīng)室的設(shè)計(jì)也有所不同。但是，最終的目的是相同的，即避免在反應(yīng)室中出現(xiàn)離壁射流和湍流的存在，保證只存在層流，從而實(shí)現(xiàn)在反應(yīng)室內(nèi)的氣流和溫度的均勻分布，有利于大面積均勻生長(zhǎng)。

（3）加熱系統(tǒng)：

MOCVD系統(tǒng)中襯底的加熱方式主要有三種：射頻加熱，紅外輻射加熱和電阻加熱。在射頻加熱方式中，石墨的基座被射頻線圈通過(guò)誘導(dǎo)耦合加熱。這種加熱形式在大型的反應(yīng)室中經(jīng)常采用，但是通常系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。為了避免系統(tǒng)的復(fù)雜性，在稍小的反應(yīng)室中，通常采用紅外輻射加熱方式。鹵鎢燈產(chǎn)生的熱能被轉(zhuǎn)化為紅外輻射能，石墨的基座吸收這種輻射能并將其轉(zhuǎn)化回?zé)崮�。在電阻加熱方式中，熱能是由通過(guò)金屬基座中的電流流動(dòng)來(lái)提供的。

（4）尾氣處理系統(tǒng)：

由于MOCVD系統(tǒng)中所采用的大多數(shù)源均易燃易爆，其中的氫化物源又有劇毒，因此，必須對(duì)反應(yīng)過(guò)后的尾氣進(jìn)行處理。通常采用的處理方式是將尾氣先通過(guò)微粒過(guò)濾器去除其中的微粒（如P等）后，再將其通入氣體洗滌器（Scrubber）采用解毒溶液進(jìn)行解毒。另外一種解毒的方式是采用燃燒室。在燃燒室中包括一個(gè)高溫爐，可以在900～1 000℃下，將尾氣中的物質(zhì)進(jìn)行熱解和氧化，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)害化。反應(yīng)生成的產(chǎn)物被淀積在石英管的內(nèi)壁上，可以很容易去除。

 

 

五、MOCVD常見(jiàn)應(yīng)用：

1、Green LED’s (GaN, InGaN, AlGaN, ...)

2、III到V族半導(dǎo)體層

3、藍(lán)色發(fā)光二極管

4、激光二極管

5、紫外-可見(jiàn)光譜光電中的氮化銦納米棒

6、3D或2D材料中的二硫化鉬、氮化硼、石墨烯