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MOCVD
來源:深圳市賽億科技開發有限公司作者:日期:2019-07-10 11:12:50點擊:646次

  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行氣相外延,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
 

  目錄

  1、MOCVD簡介

  2、MOCVD概述

  3、MOCVD技術

  4、MOCVD組成

  5、優點

  6、國內外發展

  7、應用

  MOCVD簡介

  定義: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。

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

  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源材料,以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延,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。通常MOCVD系統中的晶體生長都是在常壓或低壓(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通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區。

  MOCVD概述

  著眼點:選擇特殊的反應,來降低反應溫度。

  原料:金屬的烷基,芳基,氫基,乙酰丙酮基衍生物。

  MOCVD廣泛被關注與LED的興起有關。在藍光LED芯片的生長中,一般都是使用MOCVD作為生長工具。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程氣體在一個低壓高溫的反應室中進行淀積,以生長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比。確實是燒錢的機器。

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

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

MOCVD
 

  MOCVD技術

  國內外所制造的mocvd設備,大多采用氣態源的輸送方式,進行薄膜的制備。氣態源mocvd設備,將mo源以氣態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進行控制。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mo源和有較高蒸氣壓的液態mo源物質,而蒸氣壓低、熱穩定性差的mo源先體,不可能通過鼓泡器(bubbler)由載氣氣體輸運到反應室。

  然而采用液態源輸送的方法,是目前國內外研究的重要方向。采用將液態源送入汽化室得到氣態源物質,再經過流量控制送入反應室,或者直接向反應室注入液態先體,在反應室內汽化、沉積。這種方式的優點是簡化了源輸送方式,對源材料的要求降低,便于實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生長使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物質,并且要生長多組分、大面積、薄層和超薄層異質材料。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。不同廠家和研究者所產生或組裝的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。氫化物一般是經高純H2稀釋到濃度5%一10%后,裝入鋼瓶中,使用時再用高純H2稀釋到所需濃度后,輸運到反應室。摻雜源有兩類,一類是金屬有機化合物,另一類是氫化物,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,并進行正壓檢漏及Snoop液體或He泄漏檢測,保證反應系統無泄漏是MOCVD設備組裝的關鍵之一。流量是由不同量程、響應時間快、精度高的質量流量計和電磁閥、氣動閥等來實現。在真空系統與反應室之間設有過濾器,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。為了生長組分均勻、超薄層、異質結構的化合物半導體材料,各生產廠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,通入純N2保護生長的片子或系統內的清潔。在停止生長期間也有常通高純N2保護系統。

  4.6、手動和自動控制系統

  一般MOCVD設備都具有手動和微機自動控制操作兩種功能。在控制系統面板上設有閥門開關、各個管路氣體流量、溫度的設定及數字顯示,如有問題會自動報警,是操作者能及時了解設備運轉的情況。此外,MOCVD設備一般都設在具有強排風的工作室內。
 

MOCVD
 

  優點

  5.1、適用范圍廣泛,幾乎可以生長所有化合物及合金半導體;

  5.2、非常適合于生長各種異質結構材料;

  5.3、可以生長超薄外延層,并能獲得很陡的界面過渡;

  5.4、生長易于控制;

  5.5、可以生長純度很高的材料;

  5.6、外延層大面積均勻性良好;

  5.7、可以進行大規模生產。

  國內外發展

  6.1、中國MOCVD系統發展

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

  作為LED芯片生產過程中最為關鍵的設備,MOCVD的核心技術長期被歐美企業所壟斷,嚴重制約了中國LED產業的健康發展。中晟光電設備上海有限公司于2012年1月18日成功實現了擁有自主創新知識產權的具有世界先進水平的大型國產MOCVD設備下線,僅用了10個月時間,又完成了工藝的開發和設備進一步的改進優化,完成了設備產業化生產必備條件與設施的建立;在此基礎上又完成了4家客戶的多次實地考察,親臨操作設備和驗證各項工藝。

  客戶充分肯定了中晟設備的技術方向和設計上的世界先進性,也對設備用于大規模生產提出了進一步改進的建設性要求。使該設備同時具有目前世界上最高的系統產能、最低的外延生產成本、良好的波長均勻性、大規模外延生產所需的各項關鍵性能等4項核心的差異競爭力。這次我國首臺具有世界先進水平的大型國產MOCVD設備成功發運,不僅標志著在實現中國大型MOCVD設備國產化戰略目標的征途上,中晟邁開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域實現跨越式的發展。

  6.2、國外MOCVD系統發展

  隨著化合物半導體器件(如 GaAs MMIC、 InP MMIC以及GaN藍光LED)市場的不斷擴大,MOCVD系統的需求量不斷增長。國際上實力最為雄厚的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系統最關鍵的問題就是保證材料生長的均勻性和重復性,因此不同廠家的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(該業務己出售給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技術經過近20多年的飛速發展,為滿足微電子、光電子技術發展兩個方面的需求,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技術解決了高難的生長技術與量大面廣所要求的低廉價格之間的尖銳矛盾。  mocvd技術的發展與化合物半導體材料研究和器件制造的需求緊密相關,反過來又促進了新型器件的研制,目前各種主要類型的化合物半導體器件制作中都用到了mocvd技術。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、紅外級聯激光器、微腔、量子阱光折變器、異質結雙極晶體管、高電子遷移率晶體管、太陽能電池、激光器、光探測器、場效應晶體管以及發光二極管(led),極大地推動了微電子、光電子技術的發展,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的光電子器件,都采用mocvd和mbe為主流技術進行薄膜材料生長,這些高端器件直接影響著軍事裝備的功能、性能和先進性。為了國家的安全和營造經濟建設的和平環境,不斷提高我國軍事力量,是關系到國家安危頭等大事。國防建設迫切需要發展mocvd技術。