MOCVD精讲
MOCVD和LED基础知识的介绍
MOCVD和LED基础知识的介绍
一、MOCVD原理
MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）是金属有机化学气相沉积的缩写。
它是一种利用化学气相沉积技术在晶体衬底上制备复合材料（通常为硅、硅化物等复合材料）以形成多功能半导体晶体管结构的原子级技术。
MOCVD可以被用于制造有机-无机材料的复合层，也可以用于制造金属-金属、有机-金属等复合层，甚至可以用于制造复合层间的界面。
它通常采用微观结构技术或界面技术来优化层的性能，涉及材料有半导体、金属、有机化学、液体等，可以进行复合多层，还可以将金属作为金属电极接触层接入到电子器件中。
二、LED基础知识
LED（Light-Emitting Diode），又称发光二极体，是一种特殊的半导体发光体，由一种由n型半导体和p型半导体构成的电子管。
LED发光体的工作原理是当传入电流时，n-型半导体会有多余电子，p-型半导体会有多余的空穴，由于两种半导体的依附相互吸引，当多余的电子和空穴碰撞时，会发生热量和光产生，从而产生发光。
LED的发光效率非常高，大约比普通的白炽灯高20～30倍。
LED发光效率随着发光角度的变化而发生变化，平均发光角度约10°～150°，对于发光角度非常苛刻的场合，应选择合适的LED。
一文看懂MOCVD
一文看懂MOCVD据麦姆斯咨询报道，美国专利商标局（USPTO）本周二授予了苹果公司（Apple）一项有关压力传感器的专利，未来苹果可能使用Face ID的VCSEL（垂直腔面发射激光器）技术，改进未来iPhone的3D Touch功能。
两年前，苹果手机曾发布3D人脸识别功能，将VCSEL技术带入了公众视野。
这是继2017年后，第二次苹果将VCSEL技术推向台前。
MOCVD是VCSEL的关键过去，VCSEL主要作为一种低成本运动跟踪和数据传输的光源技术用于计算机鼠标、激光打印机和光纤通信。
1996年，VCSEL首次被应用了到光通信中,尤其在短距离光通信领域，850 nm VCSEL成为了理想的光源之一。
而后，3D人脸识别出现，为940 nm VCSEL的发展提供了契机。
至此，由以光通信为主的850 nm慢慢转向以应用于消费级设备为主的940 nm。
除此之外，人们还发现在AR、VR、汽车智能辅助驾驶和人工智能等应用场景下，VCSEL也有极其优越的表现。
其中，具有更高功率要求的激光雷达等汽车应用，需要使用更大的VCSEL阵列。
但是，VCSEL的制造工艺非常复杂，尤其依赖于MOCVD（金属有机物气相沉积）工艺。
Veeco产品营销总监Mark McKee认为：“发展VCSEL技术，需要采购更多的金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统，以保证制造产能加速跟上激光雷达系统的需求。
现在的问题是如何实现最高的性能和最高的产率以满足市场需求。
而这需要基于业界领先的MOCVD技术。
”可见，MOCVD技术对于VCSEL发展的重要性。
那么，MOCVD 是什么？什么是MOCVD？MOCVD是1968年由美国洛克威公司的manasevit等人提出制备化台物单晶薄膜的一项新技术，到80年代初得以实用化。
从定义上来看，MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
在金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术中，反应气体在升高的温度下在反应器中结合以引起化学相互作用，将材料沉积在基板上。
MOCVD学习一PPT演示课件
•4
GaN材料的特性(一) 与传统第一、二代半导体材料的性质差异
1. GaN基材料热导率接近于Si，相比GaAs材料高的多。 2. GaN基材料熔点相比传统半导体材料高很多，此外 GaN基材料具有十分良好的抗腐蚀性能和很高的硬度， 这使得它能适应在高温等恶劣环境下工作。 3. GaN具有很高的电子饱和漂移速度，因此可制作高 频、高速器件。 4. GaN击穿电场比其它半导体材料高，可在更高的偏 置电压下工作，能满足高功率的工作要求。 5. 含In的GaN基材料具有独特的发光特性。
6
究中，目前没
αc=3.17×10- αc=4.2×10-6 有高质量的材
6
料和较准确的
参数。
GaN和AlN有接近的晶格匹配和热膨胀系数，因此采用AlN衬底，
将得到更低缺陷密度的GaN外延。因目前大尺寸高质量的AlN材
料无法制备，因此在做GaN材料时会在衬底上先氮化一薄层类似
AlN的材料。
•13
GaN体材料的生长(一)
因此，在器件设计时要综合考虑掺杂和生长温度等对 电学性能、材料表面形貌和晶体质量的影响。
•16
InGaN/GaN多量子阱的生长
InGaN/GaN量子阱是LED材料的核心结构，在其生长过程 中，因低温生长有利于In的并入和减少In-N分解，而高温生长能获得 高质量的GaN材料，为此InGaN/GaN多量子阱生长采用高低温法。 InGaN/GaN多量子阱生长过程中生长温度、载气成分、上下气流比、 生长中断、生长速率等工艺条件对In组分的并入及材料特性有着重要 的影响。
纤锌矿结构中也存在非极性面，如m(1-100)、a(11-20)都是 GaN材料的非极性面。不过目前非极性GaN基材料的生长仍在研 究阶段，并未大规模应用于生产。
MOCVD——精选推荐
MOCVDMOCVD⽬录简介我国MOCVD发展介绍概况展开简介我国MOCVD发展介绍概况简介定义MOCVD是在⽓相外延⽣长(VPE)的基础上发展起来的⼀种新型⽓相外延⽣长技术。
缩写M etal-o rganic C hemical V apor D eposition （⾦属有机化合物化学⽓相沉淀)。
原理MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体⽣长源材料，以热分解反应⽅式在衬底上进⾏⽓相外延，⽣长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
通常MOCVD系统中的晶体⽣长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁⽯英(不锈钢)反应室中进⾏，衬底温度为500-1200℃,⽤射频感应加热⽯墨基座(衬底基⽚在⽯墨基座上⽅),H2通过温度可控的液体源⿎泡携带⾦属有机物到⽣长区。
我国MOCVD发展介绍12⽉12号，中国⾸台具有世界先进⽔平的⼤型国产MOCVD设备发运庆典在张江⾼新区核⼼园举⾏。
张江⾼新区管委会副主任侯劲及⼯信部、市经信委、浦东新区、常州等有关领导和5家客户出席了发运庆典仪式。
作为LED芯⽚⽣产过程中最为关键的设备，MOCVD的核⼼技术长期被欧美企业所垄断，严重制约了中国LED产业的健康发展。
中晟光电设备上海有限公司于今年初1⽉18⽇成功实现了拥有⾃主创新知识产权的具有世界先进⽔平的⼤型国产MOCVD 设备下线，仅⽤了10个⽉时间，⼜完成了⼯艺的开发和设备进⼀步的改进优化，完成了设备产业化⽣产必备条件与设施的建⽴；在此基础上⼜完成了4家客户的多次实地考察，亲临操作设备和验证各项⼯艺。
客户充分肯定了中晟设备的技术⽅向和设计上的世界先进性，也对设备⽤于⼤规模⽣产提出了进⼀步改进的建设性要求。
使该设备同时具有⽬前世界上最⾼的系统产能、最低的外延⽣产成本、良好的波长均匀性、⼤规模外延⽣产所需的各项关键性能等4项核⼼的差异竞争⼒。
这次我国⾸台具有世界先进⽔平的⼤型国产MOCVD设备成功发运，不仅标志着在实现中国⼤型MOCVD设备国产化战略⽬标的征途上，中晟迈开了具有⾥程碑意义的⼀步，⽽且充分体现了中国有能⼒在⾼端装备领域实现跨越式的发展。
MOCVD和LED基础知识的介绍
MOCVD设备和外延生长2007．01外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在。
气相外延（VPE）.液相外延（LPE）.分子束外延（MBE）和金属有机化合物气相外延30叫口）都是常用的外延技术。
当前.MOCVD工艺已成为制造绝大多数光电子材料的基本技术。
（气相外延-在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中.通过一定方法获取外延生长所需原子.使其按规定要求排列而生成外延层的外延生长过程。
（V apor P hase E pitaxy）液相外延-衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层的外延生长过程。
（Liquid P hase E pitaxy）分子束外延-在高真空中.外延生长所需原子（无中间化学反应过程）由源直接转移到待生长表面上.按规定要求排列生成外延层的外延生长过程。
（M olecular B eam E pitaxy）MOCVD （Metal Organic Chemical Vapor Deposition设备作为化合物半导体材料研究和生产的手段.特别是作为工业化生产的设备.它的高质量、稳定性、重复性及规模化是其它的半导体材料生长设备无法替代的。
它是当今世界上生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段.如激光器、探测器、发光二极管、高效太阳能电池、光电阴极等.是光电子等产业不可缺少的设备。
但我国至今没有生产该设备的专业厂家.各单位都是花费大量外汇从国外购买. 使用过程中的维护和零配件的采购都存在很多的不便.且价格昂贵。
全球最大的MOCVD 设备制造商AIXTRON, 美国Veeco 公司.MOCVD设备1. 发展史：国际上起源于80年代初.我国在80年代中（85年）。
国际上发展特点：专业化分工.我国发展特点：小而全.小作坊式。
技术条件：a.MO源：难合成.操作困难。
b.设备控制精度：流量及压力控制c.反应室设计：Vecco:高速旋转2. MOCVD 组成Aixtron:气浮式旋转Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点）Nichia:双流式特气衬底Substrate: GaAs(100), H, g lass/Cr/Mo-TOOOrpm分第八库形貌检测9s 1生产工艺流程方根图MO源即高纯金属有机化合物是先进的金属有机化学气相沉积（简称MOCVD）、金属有机分子束外延（简称MOMBE）等技术生长半导体微结构材料的支撑材料。
MOCVD-培训总结课件
MOCVD-培训总结
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THANK YOU ！
MOCVD-培训总结
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MOCVD-培训总结
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K465I设备程序分析部分
MOCVD-培训总结
8
K465I “Dynamic Shutdown”程序举例分析
1.0 程序开始。
1.1 除了反应室维护程序，终止其他所有程序。
1.2 设定所有的MFC和PC的流量斜率为“1”。
1.3 关闭电源。
A）设定温度斜率为“0”（内，中，外）
6
K465I过热联锁系统
K465I设备过热硬件联锁系统。包括： ① PLC通过监控程序软件，来处理更改电源使能状态，来禁用电源。其优先级最低。 ② PID 控制器硬连线至电源的使能位，如果控制器测量到过热情况，则可取代来自 Nexus/PLC的使能输入。PID控制器持续监视两个PV（直接连接到PID控制器的T/C， 以及通过Ethernet连接接入的 Pyro）。如果两个PV都显示过热，则PID控制器将通 过硬连线的使能位禁用电源。同时，过热状态将通过数字输入传送至PLC，收到信号 后PLC将调整电源状态。 ③ 高温计（Pyro）也硬连线至电源使能位。如果高温计测量到过热状态，电源将被 禁用。同时，过热状态将通过数字输入传送至PLC，收到信号后PLC将调整电源状态。
LL和HUB
发现适当的微粒
从不
开盖，擦拭
MOCVD-培训总结
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K465I 日常维护项目
维护项（蓝光）
状况
频率
动作
冷水机滤芯更换
出水流量不够
约120±20炉/次 （从不更换）
更换滤芯
冷水机循环水更换
约半年 （从不更换）
2桶纯净水更换
外延MOCVD基本原理及LED各层结构ppt课件
H化
H化温度：1080℃左右 6分钟H化作用：在开始生长之前，将蓝宝石衬底在高温的氢气气氛中清洁衬底表面，去除杂质、水分等，如去除表面的氧化物薄膜。
BUFFER
Buffer温度：550℃左右Buffer作用：在蓝宝石衬底上生长GaN为异质结生长，两种材料之间晶格失配大，所以先在较低的温度下，生长很薄的一层GaN缓冲过渡层。减小异质结生长所产生的缺陷。Buffer层的厚度薄厚对后面GaN生长温度、片子表面的粗糙度均有一定影响，快测功率有差异，但包灯后功率相近。
目前我司采用的方法基本上是基于Nakamura的外延方式。先以低温(约530c)GaN作为缓冲层，再高温(1060c)成长晶格质量较佳的GaN。P型GaN的制作也是采用Nakamura用热活化(退火)的方式，再约530c(700c)将外延片放入退火炉活化p型GaN。外延生长时有2个十分重要的量测参数，基板温度与基板的反射率。尤其是透过基板的反射率，可以让我们理解，薄膜成长过程的变化。以下我们透过反射率曲线，来解释GaN的成长方式。
LED各层结构
I.1
I.2
如何在Sapphire上成长GaN
各种GaN材料 nGaN / InGaN / pGaN / AlGaN
I.1
如何在Sapphire上成长GaN LED
GaN材料LED早期发展的瓶颈，除了材料本身制作不易外、整个LED也有其他难以克服的挑战。首先，GaN没有适当的基板，晶格差异太大难以成长出质量良好的GaN材料。GaN= Al2O3= Si= SiC= .其次，即使制作出堪用的GaN，却不易制作P型GaN。导致LED整体结构难以实现。这2个困难点先后被日本几位科学家解决GaN成长问题:1983日本田贞史等人以高温AlN作为缓冲层，再成长GaN。1985日本名古屋教授Isamu Akasaki 以低温AlN作为缓冲层，成长GaN。 1991日亚研究员Nakamura 以低温GaN作为缓冲层，成长GaN。至此已经大致解决GaN在sapphire上因为晶格差异过大而无法成长的问题。 P型GaN的制作问题:1989日本名古屋教授Isamu Akasaki利用分子束照射GaN参杂Mg的材料得到明显的p型GaN。1991日亚研究员Nakamura用热退火的方式得到p型GaN。至此GaN LED制作的2大难题先后被 Akasaki与Nakamura教授解决。 1993第一颗GaN LED(蓝光LED)问世，发明人Nakamura。
MOCVD 定义
一是MOCVD 定义：MOCVD 是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英
文缩写。
MOCVD 是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
MOCVD 设备将Ⅱ或Ⅲ族
金属有机化合物与Ⅳ或Ⅴ族元素的氢化物相混合后通入反应腔，混合气体流经加热的衬底表面时，在衬底表面发
生热分解反应，并外延生长成化合物单晶薄膜。
二是系统结构和工艺流程：整套系统包括进料区、反应室、加热系统、尾气处理系统。
以最简单的GaN 蓝光LED
单量子阱结构为例，其生长工艺包括：高烘烤、缓冲层、重结晶、n-GaN、阱层、叠层及p-GaN等，工艺步骤达几十步，
每一步需调整的工艺参数共有20 多个，各参数之间存在比较微妙的关系，工艺编辑人员需根据工艺要求，对各个参数
进行逐一调整，必要时还要进行计算，如升速度、升压速度、生长速率控制、载气与气源配比等。
三是MOCVD 的重要性：LED良品率主要取决于波长(颜色) 、亮度和前置电压的正态分布。
外延片的生产决定了这
三个关键参数的正态分布，即外延片各层厚度与材料组成的均匀性和参杂均匀性;外延片与外延片之间的各层厚度与材
料组成的均匀性和参杂均匀性。
而单片外延片温度的均匀。
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）是一种重要的半导体材料制备技术，它是利用金属有机物在高温下分解产生的金属原子和有机物分子反应生成半导体材料的一种方法。
该技术具有高效、高质量、高纯度等优点，被广泛应用于半导体器件制备领域。
MOCVD技术的基本原理是将金属有机物和气体反应在高温下，使金属原子和有机物分子分解并反应生成半导体材料。
在MOCVD反应过程中，金属有机物和气体通过进入反应室中的热源，被加热至高温，使其分解产生金属原子和有机物分子。
这些金属原子和有机物分子在反应室中与半导体衬底表面上的原子结合，形成半导体材料的晶体结构。
MOCVD技术的优点在于可以制备高质量、高纯度的半导体材料。
由于金属有机物和气体在高温下反应，反应速度快，反应产物的纯度高，可以制备出高质量的半导体材料。
此外，MOCVD技术还可以制备出复杂的半导体结构，如量子阱、量子点等，这些结构对于半导体器件的性能有着重要的影响。
MOCVD技术的应用非常广泛，主要应用于半导体器件制备领域。
例如，MOCVD技术可以制备出高质量的GaN材料，用于制备高亮度LED器件；可以制备出高质量的InP材料，用于制备高速光电器件；可以制备出高质量的SiGe材料，用于制备高频器件等。
金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）是一种重要的半导体材料制备技术，具有高效、高质量、高纯度等优点，被广泛应用于半导体器件制备领域。
随着半导体器件的不断发展，MOCVD技术也将不断发展和完善，为半导体器件的制备提供更加高效、高质量的解决方案。
大功率LED关键技术MOCVD介绍
大功率LED关键技术MOCVD介绍大功率LED关键技术MOCVD介绍高亮度LED的关键制造技术之一是 MOCVD 技术。
由于整个竖式LED结构采用MOCVD技术生长，这种技术不仅仅决定LED的质量和性能，而且在很大程度上决定LED制造的产量和成本。
因此，MOCVD生产率的优化和营运成本的减少是MOCVD系统制造商的一个关键目标。
影响MOCVD工艺的生产率和成本的精确参数分析是任何改善努力的前提。
通过这种分析，我们发现产率(每单位时间生产的晶圆面积)和产量是关键特性。
由于新应用范围激发的驱动，LED 技术快速地进步。
用于笔记本电脑、桌上型电脑显示器和大屏幕电视的背光装置是当今高亮度LED 的关键应用，为将要制造的大量LED创造需求。
除了数量方面之外，这种LED也必须满足关于性能和成本的严格要求。
因此，生产技术对LED制造商的成功而言很重要，超出了以往任何时候。
高亮度LED的关键制造技术之一是 MOCVD 技术。
由于整个竖式LED结构采用MOCVD技术生长，这种技术不仅仅决定LED的质量和性能，而且在很大程度上决定LED制造的产量和成本。
因此，MOCVD生产率的优化和营运成本的减少是MOCVD系统制造商的一个关键目标。
影响MOCVD工艺的生产率和成本的精确参数分析是任何改善努力的前提。
通过这种分析，我们发现产率(每单位时间生产的晶圆面积)和产量是关键特性。
通过采用更大的晶圆尺寸改善产率(4英寸和6英寸)所有LED(蓝、绿或白光的LED)的主要部分是以GaN/InGaN/AlGaN材料为基矗到目前为止，大部分LED都是在2英寸蓝宝石衬底上制造的。
因此，近年以来，MOCVD产率的任何进展都是通过增加MOCVD反应炉的载荷量而获得。
当前GaN/InGaN/AlGaN生长的最流行MOCVD系统是行星反应炉和近耦合喷淋头式反应炉，分别供给42片2英寸和31片2英寸两种晶圆。
这些转化成令人难忘的高产率和低拥有成本。
MOCVD精讲
Reactor
Gas handling system
气体处理系统的功能是混合与测量进入反应室的 气体。调节进入反应室气体的速率与成分将决定 外延层的结构。 气路的密封性至关重要，因为氧气的污染会降低 所生长薄膜的性能。 阀门的快速转换对薄膜和突变界面结构的生长很 重要。 流速，压强和温度的精确控制能保证生长薄膜的 稳定性和可重复性。
Re
d v
其中 d 微流体流经的管径， ρ 为流体的密度， ν 为流体的
流速，而μ则为流体的粘度。
两种常见的流体流动形式
基本上，CVD工艺并不希望反应气体以湍流的形式 流动，因为湍流会扬起反应室内的微粒或微尘，使 沉积薄膜的品质受到影响。
假设流体在晶座及基片表面的流速为零，则流体及基片 （或晶座）表面将有一个流速梯度存在在，这个区域便 是边界层。边界层的厚度δ，与反应器的设计及流体的 流速有关，而可以写为：
所谓边界层，就是流体及物体表面因流速、浓度、温度差 距所形成的中间过渡范围。 上图显示一个典型的CVD反应的反应结构分解。首先，参 与反应的反应气体，将从反应器的主气流里，借着反应气 体在主气流及基片表面间的浓度差，以扩散的方式，经过 边界层传递到基片的表面，这些达到基片的表面的反应气 体分子，有一部分将被吸附在基片的表面图（b）。当参与 反应的反应物在表面相会后，借着基片表面所提供的能量， 沉积反应的动作将发生，这包括前面所提及的化学反应， 及产生的生成物在基片表面的运动（及表面迁移），将从 基片的表面上吸解，并进入边界层，最后流入主体气流里， 如图 (d)。这些参与反应的反应物及生成物，将一起被CVD 设备里的抽气装置或真空系统所抽离，如图（e）。
Some about the name of MOCVD
MOCVD和LED基础知识介绍
MOCVD和LED基础知识介绍
1、MOCVD（Metal–Organic Chemical Vapor Deposition）：金属-有机化学气相沉积，又称金属有机化学气相沉积，是一种一般用于结晶化学物质层的技术，常被用于制造半导体材料。
它通过金属有机芳香化合物源的沉积来形成结晶层，被广泛地应用于高效率半导体激光器的生产，如GaN、InGaN、GaAsP、GaInAs等。
MOCVD技术可以在一个成本友好的方式来覆盖大面积片，并可以在较短的时间内得到好的层晶性。
MOCVD有许多有着可靠性的有机发生器，有效的对控制各种有机源的温度，混合和搅拌以达到最佳的质量。
2、LED（Light-Emitting Diode）：发光二极管（LED）是一种半导体照明技术，它可以发出不同波长的可见光，例如紅色、绿色和蓝色。
LED采用的半导体结构，只有电子和空穴激发的光有可能释放出去，电子在电压加速过程中，和电子空穴自由地随机结合，并发出光子。
LED的发光效率、发光色彩可以通过加入不同的金属元素来调节，这些金属元素常被用于制造LED晶体管的晶体结构。
LED必须在严格控制的条件下进行制造，因此MOCVD技术是目前用于LED制造的最受欢迎的技术，因为它在制造晶体管晶体结构时具有很强的控制力以及有效的对控制各种有机源的温度，混合和搅拌。
MOCVD
• ②MOCVD由于不采用卤化物原料，因而在沉积过程中 不存在刻蚀反应，以及可通过稀释载气来控制沉积速 率等，有利于沉积沿膜厚度方向成分变化极大的膜层 和多次沉积不同成分的极薄膜层(几纳米厚)。因而可 用来制备超晶格材料和外延生长各种异质结构。 • ③MOCVD的适用范围广，几乎可以生长所有化合物和 合金半导体，而且能沉积卤族CVD和液相外延(LPE)不 能制取的混合晶体。 • ④仅单一的生长温度范围是生长的必要条件，反应装 置容易设计。生长温度范围较宽，生长易于控制，适 宜于大批量生产。 • ⑤可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长。
• 通常可选用金属的烷基或芳基衍生物、烃基衍生 物、乙酞丙酮基化合物、羰基化合物等为源材料。
• 上表给出了III-V族，II-VI族化合物的构成元素。粗 线左侧元素具有强金属性，不能构成满足要求的 无机化合物原料，但其有机化合物特别是烷基化 合物大多能满足作为原料的要求；右侧元素具有 强非金属性，其氢化物能满足作为原料的要求。 此外，不仅金属烷基化合物，而且非金属烷基化 合物都能作为MOCVD原料，因此可用作原料化合 物的物质相当多。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ MOCVD-特点
优点 • ① MOCVD最主要的特点是沉积温度低。例如ZnSe 薄膜，采用普通CVD技术沉积温度在850℃左右， 而MOCVD仅为350℃左右。由于沉积温度低，因 而减少了自污染(舟、衬底、反应器等的污染)，提 高了薄膜的纯度；许多宽禁带材料有易挥发组分， 高温生长易产生空位，形成无辐射跃迁中心，且 空位与杂质存在是造成自补偿的原因，所以低温 沉积有利于降低空位密度和解决自补偿问题；对 衬底取向要求低。
缺点 • ①虽然采用有机金属化合物取代普通CVD中常用 的卤化物，排除了卤素的污染和腐蚀性带来的危 害，但许多有机金属化合物蒸气有毒和易燃，给 有机金属化合物的制备、贮存、运输和使用带来 了困难，必须采取严格的防护措施。 • ②由于反应温度低，有些金属有机化合物在气相 中就发生反应，生成固态微粒再沉积到衬底表面， 形成薄膜中的杂质颗粒，破坏了膜的完整性。
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）是一种先进的薄膜沉积技术，该技术广泛应用于半导体、光电子学、微纳电子器件等领域。
本文将介绍MOCVD的基本概念、装置和工作
原理。
一、基本概念
MOCVD是一种基于化学气相沉积（CVD）的薄膜制备技术。
它是通过将金属有机化合物和一种载气（通常是气相环氧化物）一起运输到衬底表面，然后通过化学反应在衬底表面
形成薄膜的过程，被称为外延生长。
在MOCVD中，金属有机化合物用作先驱体，其中含有
金属元素和有机基团，这些先驱体通过热解分解，所得的金属原子将与合适量的载气反应，最终在衬底表面上沉积形成薄膜。
二、装置
MOCVD主要由以下三个部分组成：气体输送系统、反应器和衬底加热器。
气体输送系统：由先驱体和载气组成，在输送过程中需要确保混合气体的流量、浓度
和稳定性。
常用的金属有机先驱体包括三甲基金属、铝烷、氮化铝丙酮酸盐等。
反应器：主要分为扩散式和流通式两种。
扩散式反应器是将反应室分成上下两部分，
通过对反应室内载气的控制来控制底部料层温度。
流通式反应器是将气体流动通过反应器
中的周期性反应层，实现对材料均匀性的控制。
衬底加热器：这是MOCVD反应器的核心部件，其主要作用是将衬底表面升温，并保持
一个固定的温度控制，控制薄膜的生长过程。
三、工作原理
在MOCVD的过程中，衬底通过加热反应室来升温，在反应室中，混合气体流经衬底表面，这些气体中的金属元素和气相载气反应产生微观的沉积反应，这些微观沉积过程最终
组成高质量的单晶膜。
MOCVD解析及剖面原理图
MOCVD介绍MOCVD设备将Ⅱ或Ⅲ族金属有机化合物与Ⅳ或Ⅴ族元素的氢化物相混合后通入反应腔，混合气体流经加热的衬底表面时，在衬底表面发生热分解反应，并外延生长成化合物单晶薄膜。
与其他外延生长技术相比，MOCVD技术有着如下优点：（1）用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等。
可以用于生长薄层和超薄层材料。
（2）反应室中气体流速较快。
因此，在需要改变多元化合物的组分和掺杂浓度时，可以迅速进行改变，减小记忆效应发生的可能性。
这有利于获得陡峭的界面，适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长。
（3）LED外延生长是以热解化学反应的方式进行的，是单温区外延生长。
只要控制好反应源气流和温度分布的均匀性，就可以保证外延材料的均匀性。
因此，适于多片和大片的外延生长，便于工业化大批量生产。
（4）通常情况下，LED外延生长速率与Ⅲ族源的流量成正比，因此，生长速率调节范围较广。
较快的生长速率适用于批量生长。
（5）使用较灵活。
原则上只要能够选择合适的原材料就可以进行包含该元素的材料的MOCVD生长。
而可供选择作为反应源的金属有机化合物种类较多，性质也有一定的差别。
（6）由于对真空度的要求较低，反应室的结构较简单。
（7）随着检测技术的发展，可以对MOCVD的生长过程进行在位监测。
实际上，对于MOCVD和MBE技术来说，采用它们所制备的外延结构和器件的性能没有很大的差别。
MOCVD技术最吸引入的地方在于它的通用性，只要能够选取到合适的金属有机源就可以进行外延生长。
而且只要保证气流和温度的均匀分布就可以获得大面积的均匀材料，适合进行大规模工业化生产。
MOCVD技术的主要缺点大部分均与其所采用的反应源有关。
首先是所采用的金属有机化合物和氢化物源价格较为昂贵，其次是由于部分源易燃易爆或者有毒，因此有一定的危险性，并且，反应后产物需要进行无害化处理，以避免造成环境污染。
MOCVD知识大全
二.反应腔介绍 由于反应腔对外延生长非常重要，所以目 前市面上主要的反应腔设计为以下四种： 1.近耦合喷淋设计（AIXTRON TS系列）
2.三层式气体喷嘴设计（ AIXTRON G系列）
3.旋转式反应腔（Veeco）
注： 旋转式反应腔,是一种带有旋转盘的立式反应腔。衬底 片放置在高速旋转的盘上并被加热到合适的生长温度，反 应物在初始阶段因高速旋转盘的牵引力被竖直向下地泵入 ,然后偏斜形成一个与衬底片托盘平行的流动区域，可以 使反应物获得最佳的反应条件。
系统组成
因为MOCVD生长使用的源是易燃、易爆、毒性 很大的物质，并且要生长多组分、大面积、薄层和 超薄层异质材料。因此在MOCVD系统的设计思想上， 通常要考虑系统密封性，流量、温度控制要精确， 组分变换要迅速，系统要紧凑等。 一般系统组成： 加热系统，冷却系统，气体运输系统及尾气处理系 统，控制系统。
四、LED产业在国内有良好的发展前景 1、就技术而言，LED具有技术成长瓶颈高， 学习门坎低特性，国内在半导体领域长 期积累的研究资源都可以用得上，具备 较好的研究基础。 2、LED的投资额比较小，初始投资1亿就 可建厂，国内企业进入门槛低，容易实 现滚动发展，这与集成电路制造及液晶 面板制造动辄几十亿到上百亿人民币的 投资而言显得“微不足道”，国内企业 容易进入形成产业集群 。
2. 2008北京奥运，带动LED产业亮起来 • LED扮靓北京奥运会的同时，也显示了巨大的节能、 环保功效。据水立方业主和设计单位计算，仅水立方5万 平方米的景观照明工程全部采用LED，与使用传统荧光灯 相比，全年预计可节电74.5万度，节能达70%以上。 • 据联盟估测，目前国内已使用的LED照明产品年节电量已 超过5亿度。仅以交通信号灯（替代白炽灯）为例，每年 可节电2亿度。国内封装的1W功率型LED已经在次干道路 灯上开始示范应用，每盏路灯可节电30%以上，国产外延 片制作的功率型芯片有望在今年进入道路照明这一重要的 功能性照明领域。另外，半导体照明在农业、医疗、航空、 军用特种照明、超大功率照明等其它领域的应用也在不断 拓展。
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(3)反应易于控制CVD装置(卧式)
气体出口 倾斜角
硅片
气体出口 气体入口
CVD装置(立式)
2. CVD技术的热动力学原理
化学气相沉积的五个主要的机构 (a)反应物已扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附在基片的表面； (c)化学沉积反应发生； (d) 部分生成物已扩散通过界面边界层；
个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转 化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机 制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为 薄膜生长过程中各种能量的相互消长。
三种不同薄膜生长模式的示意图：
导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄 膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层 的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分 能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为 岛状模式。
化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加 热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器 内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界 面上经化学反应形成固态沉积物的技术。
简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导 入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反 应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。
从气相中析出的固体的形态主要有下列几种：在 固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒，在气体中生 成粒子。
CVD技术的基本要求
为适应CVD技术的需要，选择原料、产物及反 应类型等通常应满足以下几点基本要求：
(1)反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态 或有较高的蒸气压而易于挥发成蒸汽的液态或 固态物质，且有很高的纯度；
2、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了 降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面， 因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状 模式向岛状模式转变。
注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候 层状生长的自由能较低； 但其后，岛状生长 的自由能变低了，岛状生长反而变得更有利 了。
化学气相沉积法 (CVD)
Metal Organic Chemical Vapor Deposition
(MOCVD)
外延层的构造
晶格匹配
形变的
未形变的
外延层
外延层
外延层
衬底层
衬底层
衬底层
(a) 晶格匹配的
(b) 形变的 (c) 松弛的异质外延层
同质外延的结构和晶格匹配的异质外延层相同
外延的基本物理过程
1. 表面成核——对外延材料结构有最大影 响的阶段是生长的最初阶段，这个阶段叫 成核。当衬底表面只吸附少量生长物原子 时，这些原子是不稳定的，很容易挣脱衬 底原子的吸引，离开衬底表面。所以，要 想在衬底表面实现外延材料的生长，首先 由欲生长材料的原子（或分子）形成原子 团，然后这些原子团不断吸收新的原子加 入而逐渐长大成晶核。它们再进一步相互 结合形成连续的单晶薄层。
输送现象
以化学工程的角度来看，任何流体的传递或输送现象， 都会涉及到热能的传递、动量的传递及质量的传递等 三大传递现象。
（1）热量传递 热能的传递主要有三种方式：传导、 对流及辐射。因为CVD的沉积反应通常需要较高的温 度，因此能量传递的情形，也会影响CVD反应的表现， 尤其是沉积薄膜的均匀性
表面过程
如果不考虑生长速率，仅从外延质量来 看上述过程③表面过程非常重要。
沉积到衬底表面上的原子通常去寻找合 适的位置落入，使得系统的总能量降至 最低。对于实际表面，像表面台阶之类 的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位置。 （见下图）
生长机制
对于表面上存在许多淀积原子的情况，它 们除了在表面处键合外，还相互结合以进 一步减少自由键的数目。外来的淀积原子 不断加入小的原子群并形成大的聚集体。 显然，当这些原子团继续生长时，它们自 己就被看作是提供高结合能位置的表面缺 陷，在淀积过程中进一步聚集原子生长。
➢ 岛状生长模式（Volmer-Weber模式）
➢ 层状生长模式（Frank-Van der Merwe模式）
➢ 层状-岛状生长模式（StranskiKrastanov模式）
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ： 被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键
合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物 质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬 底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与衬 底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的 原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现 为岛状生长模式。
(e)生成物与反应物进入主气流里，并离开系统
➢ 所谓边界层，就是流体及物体表面因流速、浓度、温度差 距所形成的中间过渡范围。
➢ 上图显示一个典型的CVD反应的反应结构分解。首先，参 与反应的反应气体，将从反应器的主气流里，借着反应气 体在主气流及基片表面间的浓度差，以扩散的方式，经过 边界层传递到基片的表面，这些达到基片的表面的反应气 体分子，有一部分将被吸附在基片的表面图（b）。当参与 反应的反应物在表面相会后，借着基片表面所提供的能量， 沉积反应的动作将发生，这包括前面所提及的化学反应， 及产生的生成物在基片表面的运动（及表面迁移），将从 基片的表面上吸解，并进入边界层，最后流入主体气流里， 如图 (d)。这些参与反应的反应物及生成物，将一起被CVD 设备里的抽气装置或真空系统所抽离，如图（e）。
2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式： 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉
积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此， 薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，沿 衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一 直保持这种层状生长模式。
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两
成核与生长过程示意图
2.表面动力学
反应物到衬底后,通常发生下列过程: ① 反应物扩散到衬底表面; ② 反应物吸附到衬底表面; ③ 表面过程（化学反应、迁移及并入晶格等； ④ 反应附加产物从表面脱附； ⑤ 附加产物扩散离开表面。每个步骤都 有特
定的激活能，因此，在不同外延温度下对生 长速率的影响不同。