文章詳情

什麽是MOCVD?

日期:2021-01-14 02:57
瀏覽次數:1036
摘要:

  MOCVD是在氣相外延生長(VPE)的基礎上發展起來的一種新型氣相外延生長技術。

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

  MOCVD設備將Ⅱ或Ⅲ族金屬有機化合物與Ⅳ或Ⅴ族元素的氫化物相混合後通入反應腔,混合氣體流經加熱的襯底表麵時,在襯底表麵發生熱分解反應,並外延生長成化合物單晶薄膜。與其他外延生長技術相比,MOCVD技術有著如下優點:

  (1)用於生長化合物半導體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態的方式通入反應室,因此,可以通過**控製氣態源的流量和通斷時間來控製外延層的組分、摻雜濃度、厚度等。可以用於生長薄層和超薄層材料。

  (2)反應室中氣體流速較快。因此,在需要改變多元化合物的組分和摻雜濃度時,可以迅速進行改變,減小記憶效應發生的可能性。這有利於獲得陡峭的界麵,適於進行異質結構和超晶格、量子阱材料的生長。

  (3)LED外延生長是以熱解化學反應的方式進行的,是單溫區外延生長。隻要控製好反應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,適於多片和大片的外延生長,便於工業化大批量生產。

  (4)通常情況下,LED外延生長速率與Ⅲ族源的流量成正比,因此,生長速率調節範圍較廣。較快的生長速率適用於批量生長。

  (5)使用較靈活。原則上隻要能夠選擇合適的原材料就可以進行包含該元素的材料的MOCVD生長。而可供選擇作為反應源的金屬有機化合物種類較多,性質也有一定的差別。

  (6)由於對真空度的要求較低,反應室的結構較簡單。

  (7)隨著檢測技術的發展,可以對MOCVD的生長過程進行在位監測。

  實際上,對於MOCVD和MBE技術來說,采用它們所製備的外延結構和器件的性能沒有很大的差別。MOCVD技術*吸引入的地方在於它的通用性,隻要能夠選取到合適的金屬有機源就可以進行外延生長。而且隻要保證氣流和溫度的均勻分布就可以獲得大麵積的均勻材料,適合進行大規模工業化生產。

  MOCVD技術的主要缺點大部分均與其所采用的反應源有關。首先是所采用的金屬有機化合物和氫化物源價格較為昂貴,其次是由於部分源易燃易爆或者有毒,因此有一定的危險性,並且,反應後產物需要進行無害化處理,以避免造成環境汙染。另外,由於所采用的源中包含其他元素(如C,H等),需要對反應過程進行仔細控製以避免引入非故意摻雜的雜質。

  通常MOCVD生長的過程可以描述如下:被**控製流量的反應源材料在載氣(通常為H2,也有的係統采用N2)的攜帶下被通入石英或者不鏽鋼的反應室,在襯底上發生表麵反應後生長外延層,襯底是放置在被加熱的基座上的。在反應後殘留的尾氣被掃出反應室,通過去除微粒和毒性的尾氣處理裝置後被排出係統。MOCVD工作原理如圖所示。




  圖:MOCVD的工作流程圖

  一台MOCVD生長設備可以簡要地分為以下的4個部分。

  (1)氣體操作係統

  氣體操作係統包括控製Ⅲ族金屬有機源和V族氫化物源的氣流及其混合物所采用的所有的閥門、泵以及各種設備和管路。其中,*重要的是對通入反應室進行反應的原材料的量進行**控製的部分。主要包括對流量進行控製的質量流量控製計(MFC),對壓力進行控製的壓力控製器(PC)和對金屬有機源實現溫度控製的水浴恒溫槽(Thor·mal Bath)。

  (2)反應室

  反應室是MOCVD生長係統的核心組成部分,反應室的設計對生長的效果有至關重要的影響。不同的MOCVD設備的生產廠家對反應室的設計也有所不同。但是,*終的目的是相同的,即避免在反應室中出現離壁射流和湍流的存在,保證隻存在層流,從而實現在反應室內的氣流和溫度的均勻分布,有利於大麵積均勻生長。

  (3)加熱係統

  MOCVD係統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誘導耦合加熱。這種加熱形式在大型的反應室中經常采用,但是通常係統過於複雜。為了避免係統的複雜性,在稍小的反應室中,通常采用紅外輻射加熱方式。鹵鎢燈產生的熱能被轉化為紅外輻射能,石墨的基座吸收這種輻射能並將其轉化回熱能。在電阻加熱方式中,熱能是由通過金屬基座中的電流流動來提供的。

  (4)尾氣處理係統

  由於MOCVD係統中所采用的大多數源均易燃易爆,雨其中的氫化物源又有劇毒,因此,必須對反應過後的尾氣進行處理。通常采用的處理方式是將尾氣先通過微粒過濾器去除其中的微粒(如P等)後,再將其通入氣體洗滌器(Scrubber)采用**溶液進行**。另外一種**的方式是采用燃燒室。在燃燒室中包括一個高溫爐,可以在900~1 000℃下,將尾氣中的物質進行熱解和氧化,從而實現無害化。反應生成的產物被澱積在石英管的內壁上,可以很容易去除。(編輯:璿子)