MOCVD基礎(chǔ)知識(shí)

1、MOCVD 技術(shù)基礎(chǔ)2,MOCVD（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）,MOCVD是一個(gè)將特定的源材料通過一系列嚴(yán)格控制,傳輸?shù)郊訜嵘L(zhǎng)區(qū)，在此生長(zhǎng)區(qū)，源材料熱分解后的元素化合形成具有一定光、電性能的晶體材料。,主要內(nèi)容,1.基本原理 2.生長(zhǎng)的材料體系,基本原理,（1）使用的原材料 （2）組分控制 （3）熱力學(xué)分析,使用的原材料,ARn + BHn AB + nRH A、B是組成外延材料的元素， R是有機(jī)基團(tuán)。 常用的A組分有Ga, In, Al, Mg, Zn,一般為： TMGa, TEGa, TMIn, TEIn, TMAl, TEAl, Cp

2、2Mg (C2H5)2Mg, DMZn, DEZn. 常用的B組分通常采用其氫化物，例如AsH3, PH3, NH3, SiH4, SeH2等。,一些常用源的分子結(jié)構(gòu)示意圖,基本原理,（1）使用的原材料 （2）組分控制 （3）熱力學(xué)分析,組分控制,精確控制材料組份的關(guān)鍵-MO源的蒸汽壓和輸入量 MO源瓶中的壓力是兩種分壓的總和，即PH2和PMO P= PMO+PH2,TMIn 的問題,液態(tài)的金屬有機(jī)源 （TMGa, TEGa, DMZn, TMAl）,TMIn 常溫下是固體（熔點(diǎn)88.4度）,降低源瓶的壓力，設(shè)定TMIn的壓力為200mbar。,使用Epison系統(tǒng)保證其穩(wěn)定。 原理：混合氣體

3、中的聲速和氣體的濃度有線性的關(guān)系,基本原理,（1）使用的原材料 （2）組分控制 （3）熱力學(xué)分析,熱力學(xué)分析,1. 低溫下生長(zhǎng)速率由MO源分子的熱分解速率控制 ，生長(zhǎng)速度強(qiáng)烈依賴溫度 ，溫度的微小變化可較大程度地影響晶體生長(zhǎng)的均勻性和重復(fù)性 。,熱力學(xué)分析,2.在較高溫度范圍內(nèi)，由于所有的MO源分子在晶體表面全部分解或分解速率不受溫度的影響，此時(shí)，晶體生長(zhǎng)速度主要受質(zhì)量傳輸控制 ，溫度對(duì)其影響較小。雖然晶體生長(zhǎng)速率不隨溫度變化，但材料的性質(zhì)、摻雜特性等參數(shù)受溫度影響較大 。,熱力學(xué)分析,3.在更高的溫度范圍內(nèi)，晶體的生長(zhǎng)速度隨溫度的升高而降低，這是由于在此溫度下，熱力學(xué)控制起主導(dǎo)作用。例如，生

4、長(zhǎng)基元的揮發(fā)、均相反應(yīng)等。,生長(zhǎng)溫度的其他要求,高溫能增加表面遷移率，低溫降低表面遷移率。 低溫能降低Si Ge的摻雜，高溫能降低O S的摻雜。 要求生長(zhǎng)溫度小于或等于晶體的熔點(diǎn)的一半。 帶隙大的晶體熔點(diǎn)高，生長(zhǎng)溫度高；帶隙小的晶體熔點(diǎn)低，生長(zhǎng)溫度低。,V/III,850時(shí) PH3只有50%能夠分解 600時(shí) AsH3只有50%能夠分解 低的V/III下，III族原子容易形成小的金屬液滴，不利于材料均勻生長(zhǎng)。 砷化物的V/III一般為幾十，磷化物的V/III一般為幾百。,V/III的計(jì)算,常壓MOCVD（AP-MOCVD） 設(shè)備條件要求低。擴(kuò)散邊界層和溫度邊界層較厚增加了前反應(yīng)和均相反應(yīng)的幾率

5、，降低了材料質(zhì)量和均勻性 。,低壓MOCVD（LP-MOCVD） 要求設(shè)備密封性要高。 1.由于氣體流速快，使表面的擴(kuò)散邊界層和溫度邊界層厚度減小，降低了前反應(yīng)和均相反應(yīng)幾率。 2.反應(yīng)副產(chǎn)品短時(shí)間內(nèi)會(huì)離開生長(zhǎng)區(qū)，提高了材料質(zhì)量。,3.壓力太低的情況下，生長(zhǎng)室中分子濃度過低，分子間相互作用減小，使生長(zhǎng)速度下降，降低了材料利用率。 4. 同時(shí)由于表面吸收基元與H自由基相互作用變小，形成的氣體副產(chǎn)品無法與氫自由基結(jié)合形成穩(wěn)定的氣態(tài)分子離開表面，使材料的碳摻雜過高，影響材料質(zhì)量。,另外，影響材料生長(zhǎng)速度、均勻性和光電性能的參數(shù)還有：反應(yīng)室的形狀、加熱方式、襯底轉(zhuǎn)速、載氣流量等因素源材料的種類和質(zhì)量。

6、,生長(zhǎng)過程,2. 生長(zhǎng)的材料體系,（1）AlxGa1-xAs/GaAs體系 AlxGa1-xAs/GaAs體系是研究最多、最成熟的-族化合物體系。 其主要原因是AlGaAs在全組份范圍內(nèi)晶格與GaAs匹配，具有很大的Eg，可以制成各種異質(zhì)結(jié)、量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)。,（2）GaxIn1-xAs/GaAs體系 GaInAs/GaAs應(yīng)變量子阱材料，用于大于900nm激光器和發(fā)光管器件。另外，應(yīng)用GaInAs/GaAs多量子材料與AlGaAs/GaAs、GaInP/GaAs材料配合制成多結(jié)太陽能電池，可極大地提高紅外光譜的吸收，提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。,（3）AlGaInP/GaAs AlGaInP

7、材料具有寬的能帶，發(fā)光范圍可覆蓋紅、橙、黃、黃綠波段，因而在可見發(fā)光二極管、紅光激光器方面有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。調(diào)節(jié)In、Al和Ga的組份，可與高質(zhì)量、低價(jià)格的GaAs晶格匹配。,4）GaInAsP/GaAs體系 通過調(diào)節(jié)Ga、In、As、P比例使GaInAsP與GaAs襯底匹配，用于制備無Al激光器。通常AlGaAs/GaAs激光器由于有源區(qū)含Al，特別是大功率器件中，Al的氧化會(huì)降低器件的壽命和穩(wěn)定性。因此，近幾年有源區(qū)無Al和全無Al激光器倍受關(guān)注。,5）GaInAsP/InP體系 調(diào)節(jié)Ga、In、As、P比例同樣可使GaInAsP與InP匹配。用于制備1.3-1.5m的紅外激光器。此類激

8、光器是現(xiàn)代光通訊的主要光源。,（6）GaInN/GaN體系 GaInN/GaN體系的發(fā)展和在藍(lán)、綠光方面的廣泛應(yīng)用，是MOCVD的又一大奇跡。GaN基材料是帶隙最寬的-化合物半導(dǎo)體材料。藍(lán)、綠光發(fā)光二極管的出現(xiàn)， 使全色顯示成為現(xiàn)實(shí)?；谒{(lán)光LED的白光LED為下一代照明開創(chuàng)了新的途徑。而藍(lán)光LD可將光存儲(chǔ)密度提高二十倍。 另外，GaN基材料屬于高溫半導(dǎo)體，制成的高溫器件有光明的應(yīng)用前景。,（7）含Sb化合物 含Sb化合物半導(dǎo)體材料是能隙最小的-族材料。主要應(yīng)用于2-4m波長(zhǎng)的激光器、探測(cè)器制備。,（8）-族半導(dǎo)體材料 ZnSe、CdTe、HgCdTe、ZnTe、CdZnTe、CdSeTe、ZnS、MgSe、MgSSe等， 這些材料在發(fā)光器件和探測(cè)器方面有廣泛應(yīng)用，,（9）氧化物材料體系 MOCVD氧化