MOCVD是在氣相外延生長(cháng)(VPE)的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(cháng)技術(shù)。

　　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(cháng)源材料，以熱分解反應方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(cháng)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。
 

 

　　目錄

　　1、MOCVD簡(jiǎn)介

　　2、MOCVD概述

　　3、MOCVD技術(shù)

　　4、MOCVD組成

　　5、優(yōu)點(diǎn)

　　6、國內外發(fā)展

　　7、應用

　　MOCVD簡(jiǎn)介

　　定義：MOCVD是在氣相外延生長(cháng)(VPE)的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(cháng)技術(shù)。

　　縮寫(xiě)：Metal-organic Chemical Vapor Deposition (金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀)。

　　原理：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(cháng)源材料，以熱分解反應方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(cháng)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。通常MOCVD系統中的晶體生長(cháng)都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應室中進(jìn)行，襯底溫度為500-1200℃,用射頻感應加熱石墨基座(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物到生長(cháng)區。

　　MOCVD概述

　　著(zhù)眼點(diǎn)：選擇特殊的反應，來(lái)降低反應溫度。

　　原料：金屬的烷基，芳基，氫基，乙酰丙酮基衍生物。

　　MOCVD廣泛被關(guān)注與LED的興起有關(guān)。在藍光LED芯片的生長(cháng)中，一般都是使用MOCVD作為生長(cháng)工具。這是由藍光LED芯片的制作工藝特性決定的。

　　以AIXTRON公司的MOCVD為例，主要是由反應室，傳送室，射頻源以及氣路部分構成。

　　它是利用金屬有機源和參與反應的進(jìn)程氣體在一個(gè)低壓高溫的反應室中進(jìn)行淀積，以生長(cháng)出具有復雜摻雜層的芯片。

　　MOCVD設備昂貴，配套設施以及所需原材料也昂貴無(wú)比。確實(shí)是燒錢(qián)的機器。

　　在出現MOCVD之前，MBE算是最厲害的燒錢(qián)機器，以前大家都叫MBE為Money Burn Equipment?，F在應該讓給MOCVD了。

　　世界上最大的兩家MOCVD生產(chǎn)商為德國的AIXTRON和美國的VEECO。AIXTRON收購了Thomas，VEECO收購了Emcore?，F在是這兩家獨大。日系的MOCVD一般只在日本本土占有市場(chǎng)。
 

 

　　MOCVD技術(shù)

　　國內外所制造的mocvd設備，大多采用氣態(tài)源的輸送方式，進(jìn)行薄膜的制備。氣態(tài)源mocvd設備，將mo源以氣態(tài)的方式輸送到反應室，輸送管道里輸送的是氣體，對送入反應室的mo源流量也以控制氣體流量來(lái)進(jìn)行控制。因此，它對mo源先體提出應具備蒸氣壓高、熱穩定性佳的要求。

　　用氣態(tài)源mocvd法沉積一些功能金屬氧化物薄膜，要求所選用的金屬有機物應在高的蒸氣壓下具有高的分子穩定性，以避免輸送過(guò)程中的分解。然而，由于一些功能金屬氧化物的組分復雜，元素難以合成出氣態(tài)mo源和有較高蒸氣壓的液態(tài)mo源物質(zhì)，而蒸氣壓低、熱穩定性差的mo源先體，不可能通過(guò)鼓泡器(bubbler)由載氣氣體輸運到反應室。

　　然而采用液態(tài)源輸送的方法，是目前國內外研究的重要方向。采用將液態(tài)源送入汽化室得到氣態(tài)源物質(zhì)，再經(jīng)過(guò)流量控制送入反應室，或者直接向反應室注入液態(tài)先體，在反應室內汽化、沉積。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了源輸送方式，對源材料的要求降低，便于實(shí)現多種薄膜的交替沉積以獲得超品格結構等。

　　MOCVD組成

　　因為MOCVD生長(cháng)使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物質(zhì)，并且要生長(cháng)多組分、大面積、薄層和超薄層異質(zhì)材料。因此在MOCVD系統的設計思想上，通常要考慮系統密封性，流量、溫度控制要精確，組分變換要迅速，系統要緊湊等。不同廠(chǎng)家和研究者所產(chǎn)生或組裝的MOCVD設備是不同的。 一般由 源供給系統 、氣體輸運和流量控制系統、反應室及溫度控制系統、尾氣處理及安全防護報警系統、自動(dòng)操作及電控系統。

　　4.1、源供給系統

　　包括Ⅲ族金屬有機化合物、V族氫化物及摻雜源的供給。金屬有機化合物裝在特制的不銹剛的鼓泡器中，由通入的高純H2攜帶輸運到反應室。為了保證金屬有機化合物有恒定的蒸汽壓，源瓶置入電子恒溫器中，溫度控制精度可達0.2℃以下。氫化物一般是經(jīng)高純H2稀釋到濃度5%一10%后，裝入鋼瓶中，使用時(shí)再用高純H2稀釋到所需濃度后，輸運到反應室。摻雜源有兩類(lèi)，一類(lèi)是金屬有機化合物，另一類(lèi)是氫化物，其輸運方法分別與金屬有機化合物源和氫化物源的輸運相同。

　　4.2、氣體輸運系統

　　氣體的輸運管都是不銹鋼管道。為了防止存儲效應，管內進(jìn)行了電解拋光。管道的接頭用氫弧焊或VCR及Swagelok方式連接，并進(jìn)行正壓檢漏及Snoop液體或He泄漏檢測，保證反應系統無(wú)泄漏是MOCVD設備組裝的關(guān)鍵之一。流量是由不同量程、響應時(shí)間快、精度高的質(zhì)量流量計和電磁閥、氣動(dòng)閥等來(lái)實(shí)現。在真空系統與反應室之間設有過(guò)濾器，以防油污或其它顆粒倒吸到反應室中。為了迅速變化反應室內的反應氣體，而且不引起反應室內壓力的變化，設置“run”和“vent，，管道。

　　4.3、反應室和加熱系統

　　反應室是由石英管和石墨基座組成。為了生長(cháng)組分均勻、超薄層、異質(zhì)結構的化合物半導體材料，各生產(chǎn)廠(chǎng)家和研究者在反應室結構的設計上下了很大功夫，設計出了不同結構的反應室。石墨基座是由高純石墨制成，并包裹SIC層。加熱多采用高頻感應加熱，少數是輻射加熱。由熱電偶和溫度控制器來(lái)控制溫度，一般溫度控制精度可達到0.2℃或更低。

　　4.4、尾氣處理系統

　　反應氣體經(jīng)反應室后大部分熱分解，但還有部分尚未完全分解，因此尾氣不能直接排放到大氣中，必須先進(jìn)行處理，處理方法主要有高溫熱解爐再一次熱分解，再用硅油或高錳酸鉀溶液處理;也可以把尾氣直接通入裝有H2SO4+H2O及裝有NaOH溶液的吸濾瓶處理;也有的把尾氣通入固體吸附劑中吸附處理，以及用水淋洗尾氣等。

　　4.5、安全保護及報警系統

　　為了安全，一般的MOCVD系統還備有高純從旁路系統，在斷電或其它原因引起的不能正常工作時(shí)，通入純N2保護生長(cháng)的片子或系統內的清潔。在停止生長(cháng)期間也有常通高純N2保護系統。

　　4.6、手動(dòng)和自動(dòng)控制系統

　　一般MOCVD設備都具有手動(dòng)和微機自動(dòng)控制操作兩種功能。在控制系統面板上設有閥門(mén)開(kāi)關(guān)、各個(gè)管路氣體流量、溫度的設定及數字顯示，如有問(wèn)題會(huì )自動(dòng)報警，是操作者能及時(shí)了解設備運轉的情況。此外，MOCVD設備一般都設在具有強排風(fēng)的工作室內。
　　優(yōu)點(diǎn)

　　5.1、適用范圍廣泛，幾乎可以生長(cháng)所有化合物及合金半導體;

　　5.2、非常適合于生長(cháng)各種異質(zhì)結構材料;

　　5.3、可以生長(cháng)超薄外延層，并能獲得很陡的界面過(guò)渡;

　　5.4、生長(cháng)易于控制;

　　5.5、可以生長(cháng)純度很高的材料;

　　5.6、外延層大面積均勻性良好;

　　5.7、可以進(jìn)行大規模生產(chǎn)。

　　國內外發(fā)展

　　6.1、中國MOCVD系統發(fā)展

　　2012年12月12號，中國首臺具有世界先進(jìn)水平的大型國產(chǎn)MOCVD設備發(fā)運慶典在張江高新區核心園舉行。

　　作為L(cháng)ED芯片生產(chǎn)過(guò)程中最為關(guān)鍵的設備，MOCVD的核心技術(shù)長(cháng)期被歐美企業(yè)所壟斷，嚴重制約了中國LED產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。中晟光電設備上海有限公司于2012年1月18日成功實(shí)現了擁有自主創(chuàng )新知識產(chǎn)權的具有世界先進(jìn)水平的大型國產(chǎn)MOCVD設備下線(xiàn)，僅用了10個(gè)月時(shí)間，又完成了工藝的開(kāi)發(fā)和設備進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化，完成了設備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)必備條件與設施的建立;在此基礎上又完成了4家客戶(hù)的多次實(shí)地考察，親臨操作設備和驗證各項工藝。

　　客戶(hù)充分肯定了中晟設備的技術(shù)方向和設計上的世界先進(jìn)性，也對設備用于大規模生產(chǎn)提出了進(jìn)一步改進(jìn)的建設性要求。使該設備同時(shí)具有目前世界上最高的系統產(chǎn)能、最低的外延生產(chǎn)成本、良好的波長(cháng)均勻性、大規模外延生產(chǎn)所需的各項關(guān)鍵性能等4項核心的差異競爭力。這次我國首臺具有世界先進(jìn)水平的大型國產(chǎn)MOCVD設備成功發(fā)運，不僅標志著(zhù)在實(shí)現中國大型MOCVD設備國產(chǎn)化戰略目標的征途上，中晟邁開(kāi)了具有里程碑意義的一步，而且充分體現了中國有能力在高端裝備領(lǐng)域實(shí)現跨越式的發(fā)展。

　　6.2、國外MOCVD系統發(fā)展

　　隨著(zhù)化合物半導體器件(如 GaAs MMIC、 InP MMIC以及GaN藍光LED)市場(chǎng)的不斷擴大，MOCVD系統的需求量不斷增長(cháng)。國際上實(shí)力最為雄厚的MOCVD系統制造商有:德國Aixtron公司、美國的Emcore公司(其MOCVD已被Veeco兼并)、英國的Thomass~(1999年被Aixtron兼并)等。因為MOCVD系統最關(guān)鍵的問(wèn)題就是保證材料生長(cháng)的均勻性和重復性，因此不同廠(chǎng)家的MOCVD系統最主要的區別在于反應室結構。Aixtron采用行星反應(Planetary Reactor)，Emcore采用TurboDisc反應室(該業(yè)務(wù)己出售給Veeco公司)、Thomas Swan(該公司于2003年2月份被Aixtron兼并)采用 Closed Coupled Showerhead(CCS)反應室。

　　國內擁有的進(jìn)口MOCVD系統700臺左右，其中 Aixtron MOCVD系統和Emcore MOCVD系統占絕大多數，有少量的 Thomas Swan MOCVD系統、法國ASM MOCVD系統和日本RIPPON SANSO MOCVD系統，主要用于GaN LD/LED的研究和制造。

　　應用

　　mocvd技術(shù)經(jīng)過(guò)近20多年的飛速發(fā)展，為滿(mǎn)足微電子、光電子技術(shù)發(fā)展兩個(gè)方面的需求，制備了gaalas/gaas、ingaasdgaas/gaas、gainp/gaas、gainas/alinas、gmnas/gainp、inas/insb、ingan/gan、a1gan/gan、sige、hgcdte、gainasp/inp、a1gainp/gaas、a1gainas/gaas等多種薄膜晶體材料系列。mocvd技術(shù)解決了高難的生長(cháng)技術(shù)與量大面廣所要求的低廉價(jià)格之間的尖銳矛盾。 　mocvd技術(shù)的發(fā)展與化合物半導體材料研究和器件制造的需求緊密相關(guān)，反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了新型器件的研制，目前各種主要類(lèi)型的化合物半導體器件制作中都用到了mocvd技術(shù)。用于制作系列高端器件：hemt、phemt、hfet、hbt、量子阱激光器，垂直腔面激光器、seed、紅外級聯(lián)激光器、微腔、量子阱光折變器、異質(zhì)結雙極晶體管、高電子遷移率晶體管、太陽(yáng)能電池、激光器、光探測器、場(chǎng)效應晶體管以及發(fā)光二極管(led)，極大地推動(dòng)了微電子、光電子技術(shù)的發(fā)展，取得了舉世矚目、驚人的成就。 　目前用于軍事電裝備的微波毫米器件、高溫半導體器特別是先進(jìn)的光電子器件，都采用mocvd和mbe為主流技術(shù)進(jìn)行薄膜材料生長(cháng)，這些高端器件直接影響著(zhù)軍事裝備的功能、性能和先進(jìn)性。為了國家的安全和營(yíng)造經(jīng)濟建設的和平環(huán)境，不斷提高我國軍事力量，是關(guān)系到國家安危頭等大事。國防建設迫切需要發(fā)展mocvd技術(shù)。