MOCVD

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主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。

基本介紹

• 中文名：MOCVD
• 定義：氣相外延生長(VPE)的基礎上發展
• 全稱：金屬有機化合物化學氣相沉澱
• 性質：易燃、易爆、毒性很大

系統簡介

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澱)。

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(不鏽鋼)反應室中進行，襯底溫度為500-1200℃,用直流加熱石墨基座(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。

系統概況

組成

因為MOCVD生長使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物質，並且要生長多組分、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。

【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製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恆定的蒸汽壓，源瓶置入電子恆溫器中，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%後，裝入鋼瓶中，使用時再用高純H2稀釋到所需濃度後，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。

【氣體輸運系統】

氣體的輸運管都是不鏽鋼管道。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方式連線，並進行正壓檢漏及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、回響時間快、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，設定“run”和“vent”，管道。

【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製成，並包裹SIC層。加熱多採用高頻感應加熱，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。

【尾氣處理系統】

反應氣體經反應室後大部分熱分解，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，再用矽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。

【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。

【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。

優點

1 適用範圍廣泛，幾乎可以生長所有化合物及合金半導體;

2 非常適合於生長各種異質結構材料;

3 可以生長超薄外延層，並能獲得很陡的界面過渡;

4 生長易於控制;

5 可以生長純度很高的材料;

6 外延層大面積均勻性良好;

7 可以進行大規模生產。

國內外發展

中國MOCVD系統發展

2012年12月12號，中國首台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晶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，嚴重製約了中國LED產業的健康發展。中晟光電設備上海有限公司於2012年1月18日成功實現了擁有自主創新智慧財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最佳化，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，也對設備用於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。這次我國首台具有世界先進水平的大型國產MOCVD設備成功發運，不僅標誌著在實現中國大型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。

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系統製造商有:德國Aixtron公司、美國的Emcore公司（其MOCVD已被Veeco兼併）、英國的Thomass~(1999年被Aixtron兼併)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複性，因此不同廠家的MOCVD系統最主要的區別在於反應室結構。Aixtron採用行星反應(Planetary Reactor)，Emcore採用TurboDisc反應室(該業務己出售給Veeco公司)、Thomas Swan(該公司於2003年2月份被Aixtron兼併)採用 Closed Coupled Showerhead(CCS)反應室。

國內擁有的進口MOCVD系統700台左右，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，主要用於GaN LD/LED的研究和製造。