金属有机化学气相外延--MOCVD(2)_toby_新浪博客企业库|免费b2b网站

2.2.1　气体处理系统
　　气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂，并xx控制其浓度、送入的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延层. 气体处理系统由金属有机化合物(MO)供应系统、氢化物供应系统和特殊设计的“生长-排空多路阀门组”(Vent-run manifold)等组成^［10］.
　　送入反应室的气态源的摩尔流量，直接由高精度电子质量流量控制器来控制.生长-排空阀门组的基本单元是三通阀门，所有需xx控制剂量的反应剂都先进入多路阀门组，从这里再选择是进入生长管线还是排空管线.生长-排空多路阀门在几何结构上可以是直线型或排列成辐射形状，当要避免某些多路反应剂间严重的预反应时，可以采用双重多路阀门结构，将反应剂分成两组送入反应室.
2.2.2　MOCVD反应室
　　反应室是源材料在衬底上进行外延生长的地方，它对外延层厚度、组分的均匀性、异质结果而梯度、本底杂质浓度以及外延膜产量有极大的影响.一般对反应室的要求是：(1)不要形成气体湍流，而是层流状态；(2)基座本身不要有温度梯度；(3)尽可能减少残留效应.通常反应室由石英玻璃制成，近年也有部分或全部由不锈钢制成的工业型反应器.为了生长出优质外延片，各生产厂家和研究工作者在反应室结构的设计上下很多功夫，设计出不同结构的反应室.图3给出了最常见的反应室示意图^［1］.
　　图中水平式反应室和4.9～7.4cm立式反应室通常可容纳1至2片直径为4.9～7.4 cm的衬底，适于研究工作用.桶式反应室^［14］、高速旋转盘式反应室^［15］(转速为700～1 500 r/min)和扁平式气垫行星旋转式反应室^［16］适用于多片批量生产，容量可达每次生长20片7.4 cm直径的衬底或更多.

103.3.1.gif (6650 bytes) 103.3.2.gif (5052 bytes)

图3　MOCVD生长室类型

　　尽管这些大型反应器的控制厚度、组分和掺杂均匀性方面更为困难，但是目前已经取得了重大进展.例如行星式旋转的扁平式反应室和高速旋转盘式反应室一次生长7片直径为4.9 cm的外延片，在生长Ga₁-_xAl_xAs/GaAs时，其片内和片间厚度和掺杂浓度质化仅为±1%，在生长Ga₁-_xIn_xAs/InP时，片内三元固溶体中In含量(x值)变化仅为0.05%^{［17，18］}.
2.2.3　尾气处理
　　MOCVD使用的MO源大多数是易自燃及有毒的，许多氢化物有剧毒，很多副产物也有毒性或易自燃的，因此在反应室排出的尾气中含有大量有毒和危险物质 (气体和粉尘).不论是常压还是低压MOCVD装置，尾气在向大气排放前都要经过处理，用高效过滤器过滤掉粉尘，并使有毒物质浓度达到国家规定排放标准以下.
　　常用的去掉有毒气体方法，有利用物理吸附作用的活性碳过滤器^［19］，利用化学反应吸收毒气的干式或湿式过滤器^［20］，以及通过热分解或燃烧使毒气转化为粉尘再过滤的方法.以上方法也可组合起来使用.
　　为了保证MOCVD设备的安全运行，常常配备危险气体探测器监测尾气及工作室内的有害气体含量，并把监测器与控制系统相联，成为安全连锁装置的重要组成部分^{［21，22］}.
2.2.4　控制系统
　　由于电子流量、压力、温度控制器和电磁-气动阀门的采用，MOCVD装置的运行可通过人工控制集中安装在电控面板上的按钮来实现.控制系统中还包括安全速锁装置，以防止误操作可能产生的严重后果，并在事故发生时自动使系统进入保护状态，以减轻事故的危害，保护操作人员人身安全^{［20，21］}.
　　目前MOCVD大都配有微计算机控制系统.微机控制系统在生长超晶格、量子阱和组分或掺杂梯度层时尤为重要.微机控制系统提高了生长的重现性，也有助于xx人为误动作，增加了软件安全功能和处理与分析事故的能力.先进的系统还可提供数据分析功能，统计源的消耗功能等，配以装、卸片机械手和 Epiready衬底，xx可实现MOCVD的全自动生长.

2.3　两种先进的MOCVD设备

　　在半导体研究和开发中，一代设备仪器推出一代技术，一代技术推出一代产品.MOCVD技术的实现主要依赖于先进、昂贵的设备和仪器.而MOCVD设备是高新技术密集型综合性产品，技术十分复杂，投资强度需求巨大.
　　我国的MOCVD设备的研制起步于80代初，从事MOCVD技术的研究也有十几年历史.少数单位，如中科院长春物理所、中科院西安光机所等，已经自行设计和制造了MOCVD设备.大多数单位则采取引进国外先进的MOCVD设备高起点地开展MOCVD技术的研究和高质量外延片的批量生产工作，象华南师范大学、上海华亿公司、北京半导体所、石家庄汇能公司等，分别从美国、德国、德国、瑞典引进设备.
　　目前国际上生产MOCVD设备的厂家以德国AIXTRON公司和美国EMCORE英国Thomas Swan三家公司最为xx.它们生产的AIX2400型、GS/3200型等系列MOCVD设备已成功地用于各类异质结、量子阱、超晶格等优质外延片的生产.在光电材料LED方面，高亮度红色、橙色、黄色、绿色、蓝色LED能进行大批量商业化生产，目前每炉的批量以4.9 cm计为15～17片.
　　一台精良的生产型MOCVD设备集气体动力学、流体力学、自动化控制、CAD于一体.目前先进的MOCVD设备有两大类，

一类是行星式旋转大面积均匀生长设备，该设备基本上是常压水平式生长结构，以德国AIXTRON公司的设备为代表.该设备衬底盘可以做得很大，且缓慢均匀旋转.衬底盘上装载的衬底在生长材料过程中，被自下向上流入的氢气流轻轻托起并匀速旋转，保证了衬底上的材料可大面积、均匀地生长.这就是xx的气体轴承式结构.{zx1}发展的 AIXTRON生长室还吸收了立式生长方式的优点；源材料气流从室顶部注入；再在衬底上方变成平流方式.这样就能及时补充因材料生长过程中源材料逐渐消耗引起的不均匀性，使得AIXTRON公司的设备成为优质外延片生长规模{zd0}的设备.
　　另一类是高速涡轮立式生长设备，该设备基本上是低压立式结构，以美国EMCORE公司的设备为代表^{［23～25］}. 该设备的衬底盘转速达1000r/min或更高，基座旋转不仅改善了温度均匀性，而且还由于固气界面粘性曳力，高速旋转的基座还起了泵的作用，改善了基座上方温度和反应剂浓度分布均匀性，有助于获得均匀的外延层和较高的生长速度.除了衬底随基座旋转外，衬底自身没有自转.这种设备还有如下一些显著的特点：(1)系统内气流系角速流动，记忆效应小，记忆时间短，因而源材料切换非常快捷，特别适用于突变异质结、量子阱和超晶格等结构的生长，(2)衬底基座旋转产生的抽吸作用，除生长的外延材料外的其他反应产物全部被甩掉、抽走，反应室上部总是保持很清洁的状态，从而大大减少了反复停机清洗反应室的次数，一般一年清洗一次就可以了.(3)衬底表面温度的均匀性好、梯度很大，反应仅在表面上进行.这不仅使得材料生长的均匀性很好，而且还可节省昂贵的源材料.(4)设备采用了平衡气压控制，任何一种气流的切换均不影响总体气流的均衡流动没有湍流、涡流等造成的不良影响.由于受衬盘尺寸的限制，涡轮MOCVD的生产规模有一定的局限性，目前其大型生产型机的衬底盘可装载4.9 cm.衬底片39片.
　　以上介绍了两类先进的MOCVD设备，以上面不难看出，MOCVD设备发展的趋势是通过改变源气体的供给方式或基片的悬浮与转动，实现大面积、大批量、高均匀性和陡峭的过渡界面层的计算机控制生长.

3　MOCVD技术应用
　　能批量进行生产是MOCVD的一个突出的优点.MOCVD采用气相反应使得大面积均匀生长成为可能.气相反应也从根本上xx了容器带来的污染.目前直接检测晶片外延生长过程的技术---In Situ正在引入MOCVD系统，各有机源气流的xx计算机编程控制以及在线检测已经可以达到xx至原子层厚度和组分控制.xx控制不仅从根本上xx了MOCVD有剧毒有机源可能的危害，而且还使很贵重的有机源用量非常节省，大规模生产时其利润仍相当可观.
　 MOCVD技术解决了高难的生长技术与量大面广所要求的低廉价格之间的尖锐矛盾.MOCVD技术的发展与化合物半导体材料研究和器件制造的需求紧密相关，反过来又促进了新型器件的研制.目前各种主要类型的化合物半导体器件制作中都用到了MOCVD技术.异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT、MODFET和HFET)、太阳能电池、激光器、光探测器、场效应晶体管(FET)以及发光二极管(LED)等是当前正在用MOCVD技术进行研究、发展和生产几种器件.图4示出了InGaAlP DH LED的芯片及封装基本结构^［26］.
　　在发光器件生产中，用MOCVD技术达到大批量高亮度，红黄蓝色，已经是事实.MOCVD技术的优点之一就是可以选择多种金属有机化合物作为源材料，因而具有生长多种组分化合物半导体的灵活性.在可见光范围内，半导体发光二极管(LED)近几年在高亮度、

105.4.1.gif (3911 bytes) 105.4.2.gif (1635 bytes)

图4　InGaAlP LED芯片及封装基本结构
多色化方面已取得很大的进展.如5～10 cd GaAlAs红色LED已经投入生产，3～6 cd的InGaAlP橙色、黄色LED已有商品，2 cd的InGaAlP绿色LED已开发出来.1998年12月日本罗母公司已制成GaInN440 nm的绿色LED，且于1999年3月开始批量生产.蓝色LED的研制更是了取得了突破性的进展.继SiC蓝色LED实用化之后，高性能的GaN蓝色LED正向产业方向迈进，ZnSe蓝色LED和新型GaN蓝色LED将以研制实用化蓝色LED为目标继续发展.

4　MOCVD技术展望
　　最近几年，MOCVD技术得到了长足发展，取得了多项新进展，主要体现在下面几个方面：(1)设计了新的反应器结构，改善了大面积生产时外延层组分和厚度的均匀性；(2)将光了引入外延过程，开发了光诱导MOCVD技术；(3)利用掩膜技术或聚焦的激光束扫描，进行MOCVD的选择生长；(4)利用Ⅴ 族的烷基化合物代替AsH₃等剧毒气体，提高了外延系统的安全性.MOCVD技术的这些新进展已经或将会对微波器件和光电器件的研制产生巨大的影响.
　　MOCVD的重要缺陷是缺乏实时在位监测生长过程技术.最近提出用表面吸收谱来实现在位监测，虽然由于设备昂贵，还不能广泛应用，但它已为MOCVD的在位监测开辟了一条途径.
　　人们谈论较多的适宜应用MOCVD技术的一个问题是生长大面积器件.例如：超大面积太阳能电池和电致发光显示板，制造这些器件的材料可能是多晶，而且要与用相同技术制成的其它材料(介电和金属薄膜)联合.
　　另一个具有挑战性的领域要算是生长高温超导层，用原子层外延的逐层淀积办法达到控制原子位形的目的.考虑到这些多元化合物作为原材料的稳定性和蒸汽压并不总是彼此类似，xx基于目前的MOCVD技术进行生长，可能是不够的，可利用几种技术联合起来，便如MOCVD-MBE、MOCVD-通常的CVD等等，预料还会出现与MOCVD有关的新生长技术.
　　MOCVD技术在半导体材料和器件制备方面取得了巨大的成功.尽管如此，MOCVD仍是一种发展中的半导体超精细加工技术.MOCVD技术的进一步发展将会给微电子技术和光电子技术带来更广阔的前景.

参考文献

1　Manasevit H M. Single Crystal Galluim Aresenide on Insulating Substrates［J］. Appl phys Lett, 1968(12):156
2　Manasevit H M. The Use of Metalorganils in the preparation of Semicondutor Materials［J］. J Cryst Growth, 1972, 13/14:306---------MOCVD发明
3　Morton International. Ltd Vapor pressure Date Reference［J］. CVD Technical Bulletin, 90(7)
4　R M Lum, et al. Alternative Group V precursors for CVD applications［J］. J Crystal Growth, 1991 (107):290
5　A Brauers. Alternative prewrsors for Ⅲ-Ⅴ MOVPE cRITERIA FOR EVALUATION［J］. J Crystal Grouth, 1991(107):281
6　G B Stringfellow. Non-hydride group Ⅴ sources for MOVPE［J］. J Electro, Mater, 1988 (17):327
7　C M Chen, et al. Use of TBP for the growth of InP and GaAs₁-xPx ［J］. J Electron Mater, 1988(17):67
8　J Knauf, et al. Comparison of EDMIn and TMIn for GaInAs and InP Growth by LP-MOCVD［J］. J Crgyst Growth, 1988 (93):34
9　R G wators, et al. Influewe of Ⅴ/Ⅲ variation on AlxGa₁xAs Quantum well lasers grown by MOCVD［J］. J Election Mater, 1988(17):239
10　J S Roberts, et al. Factors influenling doping control and abrupt metalurgical transitions during atmospheric pressure MOVPE growth of AlGaAs and GaAs［J］. J Cryst Growth, 1984 (68):422
11　J Knauf, et al. in “Thin Film processes Ⅱ” ed by J. L. VOSSEN AND W. Rern, Acaclic press. Boston, 1991, 390
12　S J Bass. Device quality epitaxial Gallium Arsenide grown by the Metal Alkgle-hgdride technique［J］. J Cryustal Grouth, 1975 (31):172
13　H M Manasevit et al. J Electrochem. soc. 1971(118):6291.
14　J Komeno, et al. Recent progress in MOVPE for HEMT LsIs［J］. J Crystal Growth, 1990(105):30
15　M A, Mckec et al. Growth of highly uniform, reprodulible InGaAs films in a multiwafer rotating disk reactor by MOCVD［J］. J Crystal Growth, 1991,(107):445
16　Masaya Ichimura, et al. Bond statistils and their influence on Materals properties of Ⅲ-Ⅴ quaternary alloys of type (AB)Ⅲ(CD)［J］. V J Electron Mater, 1988 (17):30
17　P M Frijink et al. Lager uniformity in a multiwafer MOVPE reactor for Ⅲ-Ⅴ compounds［J］. J Crystal Growth, 1991 (107):166
18　 D Schmitz, et al. Growth of extremely uniform Ⅲ-Ⅴ compound semicondutor lagers by LP-MOWD by application of the gas foil technique for substrate rotation［J］. J Crystal Growth, 1991(107):188
19　K L Hess, et al. Integrated safety system for MOCVD laboratory［J］. J Crystal Growth, 1986(77):95
20　L M F Kaufmann, et al. Safety aspects of MOCVD in research and development: an example［J］. J Crystal Growth, 1988 (93):279
21　R M Lum, et al. An integrated laboratory-reactor MOWD safety system［J］. J Crystal Growth, 1986 (75):421
22　E Johson, et al. A MOWD reactor safety system for a production environment［J］. J Crystal Growth, 1984 (68):497.
23　A I Gurary, et al. Thermal and flow issues in the design of MOWD reactors［J］. J Crystal Growth, 1994 (145):642
24　T Motoda, et al Multi-wafer growth of highly uniform and high-quality AlGaInP/GaInP struture using high-speed rotating disk MOCVD［J］. J Crystal Growth, 1994 (145):650
25　G S Tompa, et al. Design and operating charaltoristios of a Metalorganic vapor phase epitaxy production scale, Vertical, high speed, rotating disk reactor［J］. J Crytal Growth, 1994 (145):655