MOCVD和LED基础知识介绍

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（MOCVD）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。(L iquid 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.

一，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

Aixtron:气浮式旋转

Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点）

Nichia:双流式

2.MOCVD组成

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。由于MO源产品要求纯度极高，而绝大多数

MO源化合物对氧气、水汽极其敏感，遇空气可发生自燃，遇水可发生爆炸，且毒性大，所以MO源的研制是集极端条件下的合成制备、超纯纯化、超纯分析、超纯灌装等于一体的高新技术。

纯度在99.999－99.9999

常用MO源：TMGa(三甲基镓，液态)

TMAl（三甲基铝，液态）

TMIn（三甲基铟，固态，现已有液态）

TEGa（三乙基镓，液态）

Cp2Mg（二茂基镁，固态，现已有液态）

载气为纯度很高（99.999999%）的氢气和氮气。

特气：高纯度（99.9999%）的AsH3(砷烷，液态)PH3（磷烷，液态）Si2H6（乙硅烷，气态）（前三种为红

黄光生产使用）NH3（氨气，液态）SiH4（硅烷，气态）（后两种为蓝绿光生产使用）

气控单元：主要由MFC（流量计）、PC（压力计）和一些管道组成，用于气体的控制和输送。

气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂，并精确控制其浓度、送入的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延层.

控制单元：根据PC机输入的生长程序，对工艺进行控制。

反应室：a.按压力分可分为常压反应室（如Nichia公司的设备）和低压反应室（如Veeco和Aixtron公司的设备）。两者区别：气体流速。低压反应室优点：气体切换快，停滞层薄，预反应小，界面转换快。B.按形状分：水平式（Aixtron）、立式（Vecco和Tomax Swan）、桶式（常用于Si外延）和双流式（Nichia）。

衬底：红黄光生长用GaAs(砷化镓)，蓝绿光生长用Al2O3(蓝宝石)（最通用）、SiC（Cree）和GaAs(砷化镓)、Si(硅)（后两种仍处于实验室阶段）等。

尾气处理器：主要用于生长后的废气处理，使其达到无污染排放。红黄光生长产生尾气用化学尾气处理器处理，蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处理。

二，LED的MOCVD外延生长

概念：外延-在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上；在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度。晶格完美的新单晶层的过程。

外延片生长工艺

LED GaN外延片是一个由多个区域组成的复杂结构。为使该结构具有很高的电光转换效率，首先应该获得性能优良的单层外延材料，然后再实现完美的结构组合。高质量外延片生长技术的最终掌握必然立足于在自己设备上大量反复的单项实验，真正掌握并理解各外延层组分、掺杂和厚度的特性参数，以及由这些参数表征的外延层质量。

外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的蓝宝石（Al2O3）衬底基片上，气态物质Ga, N, In,Al, Mg有控制地输送到蓝宝石（Al2O3）衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、Cp2Mg、NH3与N2。通过掺Si或掺Mg，Al生长N型与P型薄膜材料。为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和生长温度的优化与匹配至关重要。细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。同时针对不同的界面要求，在工艺中分别采用了生长中止或连续的工艺条件取得了良好的效果。

* 市场上的蓝光及紫光LED都是采用GaN基材料生产出来的。GaN是极稳定的化合物和坚硬的高熔点材料。

1.基本反应：

红黄光：TMGa+AsH3 GaAs+CH4

TMGa+PH3 GaP+CH4