金属有机化合物气相外延基础及应用
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金属化学气相外延
物的缺点是 价格昂贵。
③在图形衬底上或在聚焦 离子中 选择生长化合物半导体薄膜材 料。
选择外延是一种直接 控制横向尺寸的外延方法。
它可以在亚微米级 水平上从 实现典型的平面结构沉积至完成任意横向侧面沉积。
MOVPE 在本质上通常是平面结构生长 的。
但如果应用了卤化物为基的 MO 源，例如(CZHS) GaCI 和(CZHS)ZAICI ，则可以 进行广阔的生长条 件范围内的GaAs 和GaAIAs 的选择外延。
这样 形成的小面积、亚 微米的选择异质结构表明，它是选择外延在横向限定生长 结构中最早应用的。
③利 用 应变层在超出晶格匹配的体系中扩大外延材料的 生长和应用。
这方面原子层外延(ALE)是制备应 变层超晶格(SLS)结构的有力手段，因为 ALE 可 以被逐层生长 模型的自限制 机理控制为单原子层生 长。
④生长新的化合物材料体系，例如GalnAssb 和GaAIA 息 Sb , InAssb ，GalnP 和 AIGalnP ， GaN 和 AIN ，SIGe ，Znse 和 CdZnTe/ZnTe 以及 HgCdTe/CdTe 等。
此外，MOVPE 也用于试 制高温超导薄膜。
由于MOVPE 和LPE 一 样，需要 足够的相图，溶解度和要求与衬底的晶格匹配，因此MOVPE 的高温超导薄 膜生长过程比较复杂，使之只 获得部分的成功。
MOVPE 生长高温超导薄膜的 质量 较 高和生长速率较快。
今后在这方面尚需改进 MOVPE 技术，优化MO 源和了解MO 源的分解和表面反应等。
在MOVPE 材料制成的新器件中，主要有面发光激光器、短波 长(0.62 一 0.67召m)的GalnP/ GaAllnP 发光管和激光器、应变 量子阱激光器和量子 阱 红外探测器等。
(彰瑞伍)表l 几种主要 VPE 的比较 | --------------- 1 ------------------- —I --------------------- 1 I 方法 I 优点 丨缺点 丨I -------------- 1 ---------- ---------- 1 ---------------------- 1 I CLVPE I 简单I 不能制备含 AI 化合物， I I I 高纯度I 制备Sb 化物困难;)I I I I 20人的界面宽度源有毒性I I I I 如 AsC13 I I --------- 1 --------------------- 1 --------------------- 1 I HVPE I 已发展为生产规模I 不能制备Al 化物，制备I I I I sb 化物困难；源有 毒性，I I I I 如AsH3等;界面为梯I I I I 度;复杂的反应管和复杂 I II I 过程；控制困难’I I ---------- 1 ---------------------- 1 ---------------- ---- 1 I MOVPE I 操作灵活性和可变性 I 源的价格贵 I I I 界面突变，可制作 微结构I 源的毒性大、 I I I 材料，界面复合速率低I I I I 可以选择外延 II I I 外延层均匀，具生产规模I I I I 反应器较简单I I 1 ---------------------- 1 ----- ------------------------- 1 ---------------------------------- 1 MOCVD 设备的改进主要是为了获得 大面积和高均匀性的外延材料。
CVD沉积技术
④微波等离子体的参数变化范围较大，这为广泛应用 提供了可能性。
4. 等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 4.1 MPECVD 利用微波等离子体的上述特点，MPECVD技术已在集 成电路、光导纤维，保护膜及特殊功能材料的制备等领域 得到日益广泛的应用。 MPECVD装臵一般包括： 1. 微波源：频率2.45GHz 2. 反应室系统：样品台、加热系统、气体出口，等。 有的系统有若干个真空室。 3. 抽气系统：机械泵、分子泵、离子泵。 4. 气体导入系统：质量流量计。 5. 监控系统：温度监控、压力监控、流量监控、功率 监控，等。
4. 等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 4.2 射频等离子体增强CVD 该系统由进样室、沉积室、气路及气路控制系统、电 源系统、真空系统等组成。 辉光放电等离子体由射频电源（ RF ， 13.56MHz ）或 甚高频电源（ VHF ， 13.56~100MHz ）激励产生。电子在 高频电场中被加速并与原子或分子碰撞，使原子或分子在 碰撞过程中裂解。当反应气体为 SiH4+H2 时， SiH4 与电子 碰撞离解为 SiH3 、 SiH2 、 SiH 等基团，这些基团在衬底表 面发生反应并沉积出Si膜。
2. CVD 的分类 CVD 的种类大致可分为： 1. 热化学气相沉积，简称热CVD（最简单）
以及在热CVD基础上发展起来的：
2. 等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 3. 激光化学气相沉积（LCVD） 4. 超声波化学气相沉积（UWCVD） 5. 电子回旋共振化学气相沉积（ECRCVD）
6. 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
5） 各种装臵还有许多不明确的固有影响因素。
4. 等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 4.1 MPECVD 微波等离子体增强化学气相沉积（Microwave PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition, MPECVD）是将微波 作为CVD 过程能量供给方式的一种 CVD技术。它利用微 波能量使反应气体等离子化，一般说来，凡直流或射频等 离子体能应用的领域，微波等离子体均能应用。 此外，微波等离子体还有其自身的一些特点，例如： ①在一定的条件下，它能使气体高度电离和离解，即 产生的活性粒子很多，人们称之为活性等离子体。
外延工艺简介
THANKS
感谢观看
物理气相沉积
利用物理方法使气态物质冷凝或蒸发沉积在基底 上。
3
外延生长速率与成核密度
外延生长速率与成核密度之间存在关联。
液相外延生长技术
溶液生长
01
将基底浸泡在含有源材料的溶液中，通过扩散控制反应过程。
热壁外延生长
02
将基底靠近加热的壁，使源材料蒸发并在基底上沉积。
外延层厚度和均匀性
03
液相外延生长过程中，需要控制外延层厚度和均匀性。
外延材料种类及特性
单晶硅外延片
单晶硅外延片是一种常见的外延材料，具有高导热、高绝缘、高 透光等特性，广泛应用于电力电子、微电子等领域。
氮化镓(GaN)外延片
GaN外延片具有高击穿电压、高热导率、高抗辐射能力等特性，在 高频大功率电子器件领域具有广泛应用。
氧化锌(ZnO)外延片
ZnO外延片具有高电子迁移率、高透明度、低介电常数等优点，在 光电器件和压电器件领域有重要应用。
这类设备采用水平管式结构，具有生长速度快、温度分布均匀、薄膜质量高等优点，适用 于生长高质量的外延层。
垂直管外延设备
采用垂直管式结构，具有生长环境稳定、操作简单、易于维护等特点，适合生长多种材料 的外延层。
金属有机物化学气相沉积(MOCVD)
MOCVD设备具有灵活的化学气相沉积能力，能够在较低温度下生长高质量的外延层，同 时具有高生产效率和低成本等优点。
随着科技的不断发展，外延工艺的应用领域越来越广 泛。例如，在新能源领域，外延工艺可以用于制备太 阳能电池、燃料电池等高效能源转换器件；在生物医 学领域，外延工艺可以用于制备生物芯片、生物传感 器等生物医学器件；在环保领域，外延工艺可以用于 制备光催化材料、空气净化器等环保器件。未来，随 着外延工艺的不断进步和完善，其应用领域将不断拓 展，为人类社会的发展带来更多的机遇和挑战。
金属化学气相外延
物的缺点是价格昂贵。
③在图形衬底上或在聚焦离子中选择生长化合物半导体薄膜材料。
选择外延是一种直接控制横向尺寸的外延方法。
它可以在亚微米级水平上从实现典型的平面结构沉积至完成任意横向侧面沉积。
MOVPE在本质上通常是平面结构生长的。
但如果应用了卤化物为基的MO源，例如(CZHS) GaCI和(CZHS)ZAICI，则可以进行广阔的生长条件范围内的GaAs和GaAIAs的选择外延。
这样形成的小面积、亚微米的选择异质结构表明，它是选择外延在横向限定生长结构中最早应用的。
③利用应变层在超出晶格匹配的体系中扩大外延材料的生长和应用。
这方面原子层外延(ALE)是制备应变层超晶格(SLS)结构的有力手段，因为ALE可以被逐层生长模型的自限制机理控制为单原子层生长。
④生长新的化合物材料体系，例如GalnAssb 和GaAIA息Sb，InAssb，GalnP和AIGalnP，GaN和AIN，SIGe，Znse和CdZnTe/ZnTe以及HgCdTe/CdTe等。
此外，MOVPE也用于试制高温超导薄膜。
由于MOVPE和LPE一样，需要足够的相图，溶解度和要求与衬底的晶格匹配，因此MOVPE的高温超导薄膜生长过程比较复杂，使之只获得部分的成功。
MOVPE生长高温超导薄膜的质量较高和生长速率较快。
今后在这方面尚需改进MOVPE技术，优化MO源和了解MO源的分解和表面反应等。
在MOVPE材料制成的新器件中，主要有面发光激光器、短波长(0.62一0.67召m)的GalnP/ GaAllnP发光管和激光器、应变量子阱激光器和量子阱红外探测器等。
(彰瑞伍) 表l几种主要VPE的比较┌───┬───────────┬───────────┐│方法│优点│缺点│├───┼───────────┼───────────┤│CLVPE │简单│不能制备含AI化合物，│││高纯度│制备Sb化物困难;) ││││20人的界面宽度源有毒性││││如AsC13 │├───┼───────────┼───────────┤│HVPE │已发展为生产规模│不能制备Al化物，制备││││sb化物困难;源有毒性，││││如AsH3等;界面为梯││││度;复杂的反应管和复杂││││过程;控制困难’│├───┼───────────┼───────────┤│MOVPE │操作灵活性和可变性│源的价格贵│││界面突变，可制作微结构│源的毒性大、│││材料，界面复合速率低││││可以选择外延││││外延层均匀，具生产规模││││反应器较简单││└───┴───────────┴───────────┘MOCVD设备的改进主要是为了获得大面积和高均匀性的外延材料。
MOCVD
MOCVD概述一、MOCVD的基本概述金属有机化合物气相沉积技术(MOCVD):金属有机化学气相沉积(MOCVD)又叫金属有机化学气相外延(MOVPE)，是目前应用十分广泛的气相外延生长技术。
它是马纳斯维特(Manasevit)于1968年提出来的一种制备化合物半导体薄膜单晶的方法。
80年代以来得到了迅速的发展，日益显示出在制备薄层异质材料，特别是生长量子阱和超晶格方面的优越性。
MOCVD采用Ⅲ族，Ⅱ族元素的有机化合物和Ⅴ族，Ⅵ族元素的氢化物作为源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长Ⅲ－Ⅴ族，Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体及其多元固溶体的薄层单晶。
金属有机化合物大多是具有高蒸汽压的液体。
用氢气，氮气或惰性气体作载气，通过装有该液体的鼓泡器，将其携带与Ⅴ族，Ⅵ族的氢化物（PH3，AsH3，NH3等）混合，通入反应室。
当它们流经加热衬底表面时，就在上面发生热分解反应，并外延生成化合物晶体薄膜。
对于Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的生长，MOCVD扮演了极为重要的角色，可以说MOCVD技术推动了氮化物半导体的产业化发展。
早在1971年，Manasevit 报道了用MOCVD技术在蓝宝石衬底上外延GaN薄膜，由于GaN与蓝宝石衬底的晶格失配和热失配都很大，早期生长的样品表面形貌很差，外延薄膜存在裂纹，n型背底浓度通常在1018cm-3以上。
此后的十几年的时间里，对Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的研究进展不大。
直到1986年，Akasaki首先引入低温AIN作为缓冲层，用MOCVD生长得到了高质量的GaN薄膜单晶。
两步生长法即首先在较低的温度下(500～600℃)生长一层很薄的GaN或AIN作为缓冲层(buffer)，经高温退火后，再将温度升高到1000℃以上生长GaN外延层。
这种方法的实质是在外延薄膜层和大失配的衬底之间插入一层“软”的薄层，以降低界面自由能。
实验结果表明，引入低温缓冲层后，外延薄膜的表面形貌和晶体质量显著提高，材料的n型背底浓度下降两个数量级以上，并且材料的光学性能（PL）也有提高。
外延生长_精品文档
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MOCVD设备 Thomas Swan的设备外型
MBE
分子束外延（MBE）是70年代在真空蒸发的基础上迅速发展起来 的制备极薄单晶层和多层单晶层薄膜的新技术。其基本原理是在超高真 空系统中（真空度优于10-11Pa，分子平均自由程可达1m）将组成化合 物的元素材料分别装入喷射炉内，对面喷射炉相隔一定距离放置衬底 （加热到600-700℃）。从喷射炉喷出的热分子或热原子束射到衬底表 面并延表面移动，与表面发生反应生长成单晶薄膜。
瞬态法共有：平衡冷却法，分步冷却法，过冷法和两相溶液法四种
1）平衡冷却法 当温度达到T1时，溶液刚好饱和，使衬底与溶液接触，即在接触瞬间
两种处于平衡状态。然后以恒定的降温速率，一边冷却，一边生长（本方 法对应于过冷度ΔT=0，降温速率α≠0）。 2）分步冷却法
这种工艺首先使溶液在温度T1下饱和，将衬底与溶液接触，并迅速冷却 到Tg（不能出现自发结晶），此后保持Tg不变进行生长直至结束。 3）过冷法
LED制造系列之---外延生长
外延生长的定义与种类
定义：外延生长就是指在某种起始单晶（衬底）上生长 具有相同或接近的结晶学取向的薄层单晶的过程
1. 液相外延（LPE） 2. 金属有机化学汽相沉积（MOCVD） 3. 分子束外延（MBE） 4. 化学分子束外延（CBE）
液相外延（LPE）
液相外延是指在某种饱和或过饱和溶液中在单晶衬底 上定向生长单晶薄膜的方法。生长的单晶薄膜可以与衬底 的晶向相同，也可以相对于衬底表面的晶向具有另一种特 定的晶格取向。液相外延时，首先在较高温度下把加有溶 质的溶剂溶解成溶液，当冷却到较低温度时，溶液就变成 过饱和状态。当衬底与这种溶液接触并逐渐降温时，溶质 就将从溶剂里析出，在衬底上延伸出新的单晶层，生长层 的组分（包括掺杂）由相图来决定。
MOCVD汇总
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鼓泡器
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鼓泡器
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bubbler 利用压缩空气或蒸汽的搅拌器。
当将压缩空气或蒸汽通入液体时，就因鼓泡而发生搅拌作用。
当该液体需要加热时，通入蒸汽更为恰当。 置于液体中的起泡器，通常由水平的直管或环形管组成，管上有3-6 毫米的小孔，压缩空气或蒸汽由孔中逸出时即鼓泡搅拌液体。 设备简单，特别适用于化学腐蚀性强的液体。 但搅拌效率低，消耗动力多，且须注意液体不与空气或蒸汽发生作用， 以免引起损失。
反应源
反应源可以分成两种，第一种是有机金属反应源，第二种是 氢化物
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MOCVD系统概况
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（ Hydride ）气体反应源。 有机金属反应源储藏在一个具有两个联外管路 的密封不锈钢罐（cylinder bubbler）内，在使用此金属反应源时，则是将 这两个联外管路各与MOCVD机台的管路以 VCR接头 紧密接合，载流气体可以 从其中一端流入，并从另外一端流出时将反应源的饱和蒸气带出，进而能够 流至反应腔。 氢化物气体则是储存在气密钢瓶内，经由压力调节器 （Regulator）及流量控制器来控制流入反应腔体的气体流量。 不论是有机 金属反应源或是氢化物气体，都是属于具有毒性的物质，有机金属在接触空 气之后会发生自然氧化，所以毒性较低，而氢化物气体则是毒性相当高的物 质，所以在使用时务必要特别注意安全。 常用的有机金属反应源有：TMGa （Trimethylgallium ）、TMAl（ Trimethylaluminum ）、TMIn （ Trimethylindium ）、Cp2Mg（Bis(cyclopentadienyl)magnesium ）、 DIPTe（ Diisopropyltelluride ）等等。 常用的氢化物气体则有 砷化氢 （AsH 3 ）、 磷化氢 （PH 3 ）、 氮化氢 （NH 3 ）及 矽乙烷 ( Si2H6 ) 等等。
外延的定义
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SOI技术的挑战
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SOI技术的挑战
1、SOI材料是SOI技术的基础 SOI技术发展有赖于 SOI材料的不断进步，材料 是SOI技术发展的主要障碍之一 这个障碍目前正被逐渐清除 SOI 材 料 制 备 的 两 个 主 流 技 术 ——SIMOX 和 BOUNDED SOI最近都有了重大进展
电容类型 栅 结与衬底 多晶硅与衬底 金属1与衬底 金属2与衬底 SOI(SIMOX) 体 1.3 0.05 0.04 0.027 0.018 1.3 0.2～0.35 0.1 0.05 0.021 硅 电容比(体硅/SOI) 1 4～7 2.5 1.85 1.16
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SOI技术的特点
功耗低： 静态功耗：Ps=ILVdd 2 动态功耗：PA=CfVdd 集成密度高：
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汽相外延方式常用来生长Si外延材料、GaAs外延材料等
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液相外延
将元素的饱和液相溶液与衬底晶体直接接触， 处于熔点温度下缓慢降温而析出固相，沿衬 底向上逐步转化为外延层。
液相外延主要用于生长制造光电器件所需的 化合物外延功能薄层材料
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广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料， 特别是微电子器件所需的各种异质结外延材料。
将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起 解决了键合 SOI 中硅膜减薄问题，可以获得 均匀性很好的顶层硅膜 硅膜质量接近体硅。 剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底，降 低成本
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SOI技术的挑战
SOI材料质量近几年有了惊人进步 生产能力和成本成为关键问题 Smart-Cut 技术和低剂量 SIMOX 技术是两个最 有竞争力的技术
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MOCVD
MOCVDMOCVDMOCVD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.它以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。
MOCVD技术具有下列优点:(l)适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体;(2)非常适合于生长各种异质结构材料;(3)可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡;(4)生长易于控制;(5)可以生长纯度很高的材料;(6)外延层大面积均匀性良好;(7)可以进行大规模生产。
MOCVD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。
不同厂家和研究者所产生或组装的MOCVD设备是不同的，但一般来说,MOCVD设备是由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理及安全防护报警系统、自动操作及电控系统等组成。
l)源供给系统包括Ⅲ族金属有机化合物、V族氢化物及掺杂源的供给。
金属有机化合物装在特制的不锈刚的鼓泡器中，由通入的高纯H2携带输运到反应室。
为了保证金属有机化合物有恒定的蒸汽压，源瓶置入电子恒温器中，温度控制精度可达0.2℃以下。
氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度5%一10%后，装入钢瓶中，使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后，输运到反应室。
最新金属有机化学气相沉积法
金属有机化学气相沉积一、原理：金属有机化学气相沉积（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。
金属有机化学气相沉积系统（MOCVD)是利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积（CVD)工艺，其原理为利用有机金属化学气相沉积法 metal-organic chemical vapor deposition.MOCVD 是一利用气相反应物，或是前驱物 precursor 和Ⅲ族的有机金属和 V 族的 NH3，在基材substrate 表面进行反应，传到基材衬底表面固态沉积物的工艺。
二、MOCVD 的应用范围MOCVD 主要功能在於沉积高介电常数薄膜,可随著precursor 的更换,而沉积出不同种类的薄膜.对於LED 来说,LED 晶片由不同半导体材料的多层次架构构成,这些材料放在一个装入金属有机化学气相沉积系统的圆形晶片上.这个过程叫做晶体取向附生,对於决定LED 的性能特徵并因此影响白光LED 的装仓至关重要. MOCVD 应用的范围有: 1, 钙钛矿氧化物如PZT,SBT,CeMnO2 等; 2, 铁电薄膜; 3, ZnO 透明导电薄膜,用於蓝光LED 的n-ZnO 和p-ZnO,用於TFT 的ZnO,ZnO 纳米线; 4, 表面声波器件SAW(如LiNbO3 等,; 5, 三五族化合物如GaN,GaAs 基发光二极体(LED),雷射器(LD)和探测器; 6, MEMS 薄膜; 7, 太阳能电池薄膜; 8, 锑化物薄膜; 9, YBCO 高温超导带; 10, 用於探测器的SiC,Si3N4 等宽频隙光电器件MOCVD 对镀膜成分,晶相等品质容易控制,可在形状复杂的基材,衬底,上形成均匀镀膜,结构密致, 附著力良好之优点,因此MOCVD 已经成为工业界主要的镀膜技术.MOCVD 制程依用途不同,制程设备也有相异的构造和型态.MOCVD 近来也有触媒制备及改质和其他方面的应用,如制造超细晶体和控制触媒得有效深度等.在可预见的未来裏,MOCVD 制程的应用与前景是十分光明的.三、MOCVD组件介绍MOCVD系统的组件可大致分为：反应腔、气体控制及混合系统、反应源及废气处理系统。
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制备技术
液相外延（LPE）
• 定义：是指在一定取向的单晶衬底上，利用溶质从过饱和 溶液中析出生长外延层的技术。 • 优点：生长设备比较简单、生长速度快、纯度比较高、外 延层的位错密度通常低于所用的衬底、操作安全。 • 缺点：表面形貌比较差、对外延层与衬底的晶格匹配要求 较高、当溶液中含有固-液分凝系数与1相差较大的组分时， 很难在生长方向获得均匀的固溶体组分或掺杂，在生长多 种材料和薄层、超薄层与复杂结构方面有局限性。 • LPE技术层广泛用于生长GaAs、GaAlAs、GaP、InP、 GaInAsP等半导体材料单晶层，制作发光二极管、双异质 结激光器、太阳能电池、微波器件等。时至今日LPE仍用 于某些期间的生产，如GaAs发光二极管。
气相外延（VPE）
• 定义：是将含有组成外延层元素的气态化合物输运至衬底 上，进行化学反应而获得单晶层的放法。 • 氯化物气相外延中金属与非金属都以氯化物形式输运。其 特点：设备比较简单、外延层纯度高。易于批量生产；但 Cl-VPE和所有的VPE方法一样使用的气体源或是易挥发的液 体源，具有毒性和腐蚀性，因而不仅要求生长系统密封性 好并且耐腐蚀，还需要有防毒、防暴、防火的安全措施。 • 氢化物气相外延与氯化物气相外延的区别在于采用非金属 的氢化物（如AsH3）取代其氯化物（AsCl3）。HVPE已用 于大规模商业生产同质GaAsP发光二极管（LED）。 • 氢化物与氯化物气相外延的共同的缺点是必须在反应室内 建立两个温区，以完成各自的反应。HVPE的原材料中的非 金属砷和磷的氢化物毒性比Cl-VPE使用的砷和磷的氯化物 更大。
MOVPE
• 氢气作为载气运载气体携带MO源 和氢化物等反应剂进入反应室，随 着气体流向加热衬底，其温度逐渐 升高，在气相中可能发生如下反应： 金属有机化合物[路易斯（Lewis） 酸]与非金属氢化物或有机化合物 （路易斯碱）之间形成加合物，当 温度进一步升高时，MO源和氢化 物及加合物的逐步热分解甚至气相 成核。气相中的反应品种扩散至衬 底表面后首先吸附到表面，然后吸 附的品种会在表面迁移并继续发生 反应，最终并入晶格形成外延层。 表面反应的副产物从生长表面脱附， 通过扩散，再回到主气流，被载气 带出反应室。此外也有部分气相反 应产物被气流直接带出反应室。
预处理分系统
2014-11-1
MOVPE生长反应室分系统
•放置衬底的基座 •加热器
•温度传感器（热电偶、 红外测温仪） •自动装卸机械手
K465 Heating control
Shan Dong Huaguang Optoelectronics Co.,Ltd.
翘曲、反射率、温度检测
Inner Eurotherm
MOVPE-生长系统
• • • • • • 材料输运系统 反应室分系统 控制分系统 水循环系统 原位监测 尾气处理分系统
载气供应子系统
• 载气的作用是把反应剂输运到 反应室。载气供应子系统包括 氢气和氮气钢瓶、压力调节阀、 氢气和氮气的提纯器等。N2的 作用除了和H2一样作为载气外， 还利用它的惰性，在装卸衬底、 更换源瓶、或维修设备打开系 统前，用氮气置换系统中的氢 气。 • MOVPE生长系统使用的载气需 要很高的纯度。氢气提纯普遍 使用钯合金扩散纯化器，利用 在300-400℃只有氢气能扩散通 过钯合金的特点，将氢气中的 杂质，诸如O2、H2O、CO、 CO2、N2和所有碳氢化合物， 都降到<1ppb。纯化氮气（和惰 性气体）则采用化学和物理吸 附型纯化器，诸如锆基或镍基 化学吸收型纯化器。
水循环--生长室法兰盘恒温水控制器
原位监测系统
• 红外测温仪
---测定高温 • 热电偶
---测定低温
• 反射率计
---原位控制生长速度和厚度
2014-11-1
尾气处理分系统
• 尾气除了含有有毒气体（未反 应完的氢化物、MO源和某些反 应副产物），还有很多颗粒， 所以尾气在进入节流阀之前要 用颗粒过滤器滤掉直径小于0.1 微米的粉尘，以保证节流阀和 真空泵都能够正常工作。
•
•
2014-11-1
生长/放空多路组合阀
• 所有反应剂都先进入该组合阀， 在这里选择进入生长管线或是 放空管线。进入生长管线的反 应剂被高速流动的载气带入反 应室，而进入放空管线的则被 另外的载气携带到尾气系统中。 • 在反应剂之间有严重预反应时， 如TMAl和NH3或TMIn和TBP，需 采用双生长/放空多路组合阀， 将反应剂分成两组分别送入反 应室的两个喷口。以免进入反 应室后在到达衬底前就在气相 中形成颗粒，或者在阀门内部 形成加合物沉淀堵塞阀门。
Temp Set Middle
Temp Set Outer
I PYRO
I RT
O RT
Inner Eurotherm
Middle Eurotherm
Outer Eurotherm
Inner Power Sup.
Middle Power Sup.
Outer Power Sup.
Inner Filament
Middle Filament
Outer Filament
K465 Heater control Shan Dong Huaguang Optoelectronics Co.,Ltd.
基座加热控制器
2014-11-1
控制分系统
• 主要由上位的工业计算机和下 位的多个可编程控制器（PLC） 等组成。上位计算机负责材料 的生长过程监控。控制系统的 监控界面运行、数据记录、报 警记录、数据趋势图以及操作 人员的人工控制功能等。下位 PLC负责整个控制系统运行，包 括各种信号采集。数据处理以 及各种输出信号控制。输入信 号包括各类以表传感器的流量、 压力、温度、报警信号等。输 出信号涉及电磁阀、接触器、 电机、压力控制器、流量控制 器、加热器等控制量。
2014-11-1
去除有毒气体--湿式过滤器
2014-11-1
Middle Eurotherm
Outer Eurotherm
Centerl Pyro
Heating Contol Logic
I RT D R T O RT
Inner Power Supplier
Middle Power Supplier
Outer Power Supplier
I PYRO
Temp Set Inner Center Pyro
化学束外延（CBE）
• 综合了MBE和MOVPE的特点，由于反应室处于高真空状态， 将原来的MOVPE技术使用的MO源的输运从黏滞流变成分 子流，III族元素的原子是通过金属有机化合物在热衬底上 热解获得的，因而保证了材料的均匀性。此外，在高生长 速率下也不产生卵形缺陷。 • 由于引入了气体源和MO源，CBE生长系统需要在MBE装置 的基础上增加气体引入控制和尾气处理装置。同时外延系 统由于大的气体负载，真空装置需使用特殊的扩散泵和分 子泵。另外，由于MO源的纯度以及带来的碳污染，CBE外 延层的纯度要比固体源MBE差。 • 虽然CBE技术已经提出了20多年，目前CBE仍仅作为研究手 段，很难用于生产。
氢化物供应子系统
• 氢化物管路还与真空管路、氮 气管路相连，它们平时都用阀 门隔离。在置换钢瓶前后需要 进行多次“抽空-回抽氮气”操 作，防止剧毒氢化物外泄及管 路被空气沾污。真空管路附有 连接氦质谱检漏仪的捡漏口， 用于监测系统的气密性。
MO源供应子系统
• • MO源多为液态储存在不锈钢鼓泡 瓶（恒温浴：精确控制鼓泡瓶输出 的MO源）中，需用载气将其蒸气 携带到反应室。 载气流量有MFC（质量流量控制器） 控制，鼓泡瓶内的气体压力由EPC （电子压力控制器）调节。 当MO源恒温浴的温度高于室温时， 则需要加热源瓶出口至生长/放空 多路组合阀入口间的管线，以避免 源在管线中凝聚。 固态源（如TMIn）需用专门设计的 固态源瓶，以避免普通源瓶经常出 现的气体流过固态床路径缩短的 “沟流现象”造成固态源输出剂量 不稳定，还可以利用超声波浓度计 测量固态源输出的浓度，再通过计 算调整MFC的流量值达到控制MO源 计量的目的。
常用的外延生长技术：液相外延（liquid phase epitaxy，LPE） 气相外延（apor phase epitaxy，VPE) 金属有机化合物气相外延（MOVPE） 分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE） 化学束外延（chemical beam epitaxy，CBE)
金属有机化合物气相外延基础 及应用
2013.09.04• 外延及相关制备 Nhomakorabea法的介绍
• MOVPE系统的组成
晶体生长中的“外延”一词适用于1928年。基于矿物学覆盖 生长（overgrowth）现象和X射线衍射结构数据，Royer提出 了外延（epitaxy）一词——它是指在具有一定结晶取向的原 有晶体（一般称为衬底）上延伸出并按一定晶体学方向生长 薄膜的方法，这个单晶层被称为外延层。
分子束外延（MBE）
• 定义：是在高真空（UHV）条件下，将构成外延层各组元 的原子或分子束流，以一定的速率喷射到被加热的衬底表 面，在其上进行化学反应，并沉积成单晶薄膜的方法。 • 优点：生长温度低、生长速率低、纯度高、均匀性和重复 性好，生长界面陡峭。、 • 缺点：超高真空装置费用和运转费用昂贵。每次添加原材 料都需要打开反应室，再次生长前，必须经过长时间烘烤 以恢复超高真空条件，降低了设备利用率。此外，相当低 的生长速度限制了MBE在某些还有后层结构的器件方面的 应用，表面卵形缺陷也很难克服。
金属有机化合物气相外延（MOVPE/MOCVD）
• MOVPE与Cl-VPE和HVPE不同的是它是利用金属有机化合物 进行金属输运的气相外延。 • MOVPE适于生长薄层、超薄层，乃至超晶格、量子阱材料 等低维结构，而且可以进行多片和大片的外延生长，易实 现产业化。 • MOVPE技术除使用具有毒性的氢化物外，还是用了在空气 中易自燃，并有一定毒性的MO源，安全问题更加重要； 使用原材料价格昂贵；为了得到需要的均匀和重复的外延 层，在生长过程中必须严格控制大量参数，这些都是 MOVPE技术的不足之处。