MOCVD基础知识

• （2）GaxIn1-xAs/GaAs体系 GaInAs/GaAs应变量子阱材料，用于大于
900nm激光器和发光管器件。另外，应用 GaInAs/GaAs多量子材料与AlGaAs/GaAs、 GaInP/GaAs材料配合制成多结太阳能电池，可 极大地提高红外光谱的吸收，提高太阳能电池 的转换效率。
（1）使用的原材料 （2）组分控制 （3）热力学分析
热力学分析
1. 低温下生长速率 由MO源分子的热 分解速率控制 ，生 长速度强烈依赖温 度 ，温度的微小变 化可较大程度地影 响晶体生长的均匀 性和重复性 。
热力学分析
2.在较高温度范围内， 由于所有的MO源分子在 晶体表面全部分解或分 解速率不受温度的影响， 此时，晶体生长速度主 要受质量传输控制 ，温 度对其影响较小。虽然 晶体生长速率不随温度 变化，但材料的性质、 掺杂特性等参数受温度 影响较大 。
DMZn, DEZn. 常用的B组分通常采用其氢化物，例如AsH3, PH3, NH3, SiH4,
SeH2等。
一些常用源的分子结构示意图
DMZn AsH3
TMGa DMTe
TBP
TDMAAs
基本原理
（1）使用的原材料 （2）组分控制 （3）热力学分析
组分控制
• 精确控制材料组份的关键--MO源的蒸汽压和输入量 • MO源瓶中的压力是两种分压的总和，即PH2和PMO
• （7）含Sb化合物 • 含Sb化合物半导体材料是能隙最小的Ⅲ-Ⅴ族
• 另外，影响材料生长速度、均匀性和光 电性能的参数还有：反应室的形状、加 热方式、衬底转速、载气流量等因素源 材料的种类和质量。
生长过程
2. 生长的材料体系
• （1）AlxGa1-xAs/GaAs体系 AlxGa1-xAs/GaAs体系是研究最多、最成熟的
Ⅲ-Ⅴ族化合物体系。 其主要原因是AlGaAs在 全组份范围内晶格与GaAs匹配，具有很大的 ΔEg，可以制成各种异质结、量子阱和超晶格 结构。
晶体熔点低，生长温度低。
V/III
• 850℃时 PH3只有50%能够分解 • 600℃时 AsH3只有50%能够分解
• 低的V/III下，III族原子容易形成小的金属液滴， 不利于材料均匀生长。
• 砷化物的V/III一般为几十，磷化物的V/III一般 为几百。
V/III的计算
Phyd
PRea
Qs Qtot
2.反应副产品短时间内会离开生长区，提 高了材料质量。
3.压力太低的情况下，生长室中分子浓度 过低，分子间相互作用减小，使生长速 度下降，降低了材料利用率。
4. 同时由于表面吸收基元与H自由基相互 作用变小，形成的气体副产品无法与氢 自由基结合形成稳定的气态分子离开表 面，使材料的碳掺杂过高，影响材料质 量。
• （3）AlGaInP/GaAs • AlGaInP材料具有宽的能带，发光范围可覆盖红、
橙、黄、黄绿波段，因而在可见发光二极管、 红光激光器方面有着广泛的应用价值。调节In、 Al和Ga的组份，可与高质量、低价格的GaAs晶 格匹配。
• 4）GaInAsP/GaAs体系 • 通过调节Ga、In、As、P比例使GaInAsP与GaAs
MOCVD基础知识
MOCVD基础知识
MOCVD（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）
• MOCVD是一个将特定的源材料通过一系 列严格控制,传输到加热生长区，在此生 长区，源材料热分解后的元素化合形成 具有一定光、电性能的晶体材料。
主要内容
1.基本原理 2.生长的材料体系
热力学分析
3.在更高的温度范围内， 晶体的生长速度随温度 的升高而降低，这是由 于在此温度下，热力学 控制起主导作用。例如， 生长基元的挥发、均相 反应等。
生长温度的其他要求
• 高温能增加表面迁移率，低温降低表面迁移率。 • 低温能降低Si Ge的掺杂，高温能降低O S的掺
杂。 • 要求生长温度小于或等于晶体的熔点的一半。 • 带隙大的晶体熔点高，生长温度高；带隙小的
基本原理
（1）使用的原材料 （2）组分控制 （3）热力学分析
使用的原材料
ARn + BHn → AB + nRH
A、B是组成外延材料的元素， R是有机基团。 常用的A组分有Ga, In, Al, Mg, Zn,一般为： TMGa, TEGa, TMIn, TEIn, TMAl, TEAl, Cp2Mg (C2H5)2Mg,
• （6）GaInN/GaN体系 • GaInN/GaN体系的发展和在蓝、绿光方面的广泛应用，
是MOCVD的又一大奇迹。GaN基材料是带隙最宽的ⅢⅤ化合物半导体材料。蓝、绿光发光二极管的出现， 使全色显示成为现实。基于蓝光LED的白光LED为下一 代照明开创了新的途径。而蓝光LD可将光存储密度提 高二十倍。 另外，GaN基材料属于高温半导体，制成 的高温器件有光明的应用前景。
衬底匹配，用于制备无Al激光器。通常 AlGaAs/GaAs激光器由于有源区含Al，特别是大 功率器件中，Al的氧化会降低器件的寿命和稳 定性。因此，近几年有源区无Al和全无Al激光 器倍受关注。
• 5）GaInAsP/InP体系 • 调节Ga、In、As、P比例同样可使GaInAsP与InP
匹配。用于制备1.3-1.5μm的红外激光器。此 类激光器是现代光通讯的主要光源。
• P= PMO+PH2
TMIn 的问题
液态的金属有机源 （TMGa, TEGa, DMZn, TMAl）
TMIn 常温下是固体（熔点88.4度）
降低源瓶的压力， 设定TMIn的压力为 200mbar。
使用Epison系统保证其 稳定。
原理：混合气体中的 声速和气体的浓度有 线性的关系
基本原理
PMo
PRea
Qs Qtot
PMo PC PMo
• 常压MOCVD（AP-MOCቤተ መጻሕፍቲ ባይዱD）
设备条件要求低。扩散边界层和温度边界层 较厚增加了前反应和均相反应的几率，降低 了材料质量和均匀性 。
低压MOCVD（LP-MOCVD）
要求设备密封性要高。
1.由于气体流速快，使表面的扩散边界层 和温度边界层厚度减小，降低了前反应 和均相反应几率。