MOCVD基础知识
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mocvd
MOCVD概述MOCVD（金属有机化学气相沉积）是一种用于薄膜生长的化学气相沉积方法。
该方法利用金属有机化合物在高温下分解，从而在衬底表面沉积出所需的薄膜。
MOCVD在半导体材料、光电子学和纳米科技等领域广泛应用。
工艺流程MOCVD的工艺流程一般包括下述几个步骤：1.准备衬底：选择合适的衬底材料，并进行表面清洗和处理，以确保良好的薄膜生长条件。
2.载气流入：将所需的载气引入反应室，常用的载气有氢气、氩气等。
3.前体供应：将金属有机化合物的气体前体供应到反应室，通常通过气体输送系统控制前体的流量和浓度。
4.反应：在适当的温度和压力条件下，金属有机化合物分解并与衬底表面反应，形成所需的薄膜。
5.生长控制：对反应条件进行控制，如温度、压力、前体浓度等，以控制薄膜的成分、结构和生长速率。
6.结束和冷却：停止前体供应，并冷却样品，以结束薄膜的生长过程。
应用领域半导体材料生长MOCVD广泛应用于半导体材料的生长。
通过控制衬底、前体和反应条件，可以生长多种半导体材料，如GaAs、InP、GaN等。
这些材料在电子器件中具有重要的应用，如光电二极管、激光器、太阳能电池等。
光电子学由于MOCVD可以生长高质量的半导体材料薄膜，它被广泛应用于光电子学领域。
MOCVD生长的薄膜可以用于制备LED（发光二极管）和LD（激光二极管），这些器件在照明和通信等领域有重要应用。
纳米科技随着纳米科技的发展，MOCVD也发展出了纳米级的应用。
通过控制MOCVD的反应条件，可以生长纳米尺寸的量子点和超晶格结构，这些纳米结构在纳米电子学、纳米光学和生物医学等领域具有潜在应用。
优点与挑战优点1.高质量薄膜：MOCVD可以生长高质量、均匀的薄膜，具有较低的缺陷密度和较好的结晶特性。
2.选择性生长：通过调节反应条件和前体选择，可以实现对特定晶面和材料的选择性生长。
3.可扩展性：MOCVD方法可扩展到大面积、高通量的薄膜生长，适用于工业化生产。
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。
MOCVD学习一PPT演示课件
综上所述，GaN基材料和器件已有广泛而重要的应 用。因此，GaN基材料和器件的研究对发展国民经济， 促进科技进步，具有重要的意义。
•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。
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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
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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（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。
MOCVD知识大全-44页精选文档
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。
A Eurotherm controller B Thermocouple in the center of the heater coils
三.TS机台气体运输系统
气体输运系统的作用为向反应室输送各种反应气体。该系统要能 够精确的控制反应气体的浓度、流量、流速以及不同气体送入的时 间和前后顺序，从而按设计好的工艺方案生长特定组分和结构的外 延层。气体输运系统包括源供给系统，Run/Vent 主管路，吹扫管 路，检漏管路和尾气处理系统。
Showerhead
Upper plenum:
Feeds the group III elements using metal organics
Lower plenum:
Feeds the group V elements using hydride gases such as NH3 or AsH3
4.双气流反应腔（日亚）
因为我们公司主要生产机台为AIXTRON TS机台和G5机台，所以针对TS和G5由我和王 明军作一个简单的反应腔介绍。
TS 近耦合喷淋反应腔
A Thermocouple B Tungsten heater C Gas inlet D Showerhead E Reactor lid F Optical probe G Showerhead water cooling H Double O-ring seal I Susceptor J Water cooled chamber K Quartz liner L Susceptor support M Exhaust
MOCVD 介绍
Logo
• 金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法不仅具有CVD
方法的全部特征，而且由于以金属有机物为蒸发 源，表现出许多独有的特点。
所用的先驱体为挥发性较高的金属有机化合物 活性较高，受热容易分解 金属有机源分解以及金属单质或其氧化物涂层形 MOCV 成均可在较低温度下完成 D优点 沉积组分可多元化 可在钢等热敏感基体上沉积，扩大基体材料选择 范围
-1
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MOCVD沉积铱膜装置示意图
Logo
４
CVD铂、铱的动力学研究
Pt沉积速率在基体温度为550℃时达到最大值, 小于550℃ 时随沉积温度升高而直线上升, 而大于550℃时随沉积温度升 高而直线下降。Pt的沉积速率随沉积源加热温度的升高直线增 加, 通入氩气流速增加会降低Pt的沉积速率。Ir薄膜沉积速率
金属、半导体元素、碳化物、氮化物、 硼化物等 可控制膜的组成及晶型; 能均匀涂覆几何 形状复杂的零件; 沉积膜层纯度高、致密、 与基体结合牢固
可沉积物质 化学气相沉 积(CVD) 优点
化学气相沉积法(CVD)是目前制备具有优异性能涂层的有效方法之一， 用CVD方法，通过控制沉积参数，不但可以沉积出致密、结合力良好的 以及厚度可控的金属涂层，而且可以不受基体形状的影响。
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5 MOCVD法制备多层Ir涂层的显微结构
沉积过程在竖式热壁MOCVD炉中进行。先 驱体挥发温度Tp 在170～220 ℃变动;沉积温 度即先驱体热解温度Td 在400 ～ 550 ℃变动; 真空度保持在1～10 Pa;每次使用先驱体2 g, 先驱体到温后保温0.5h;无H2、O2 等反应性气 氛。
Logo
与沉积温度之间的关系和Pt相似, 沉积温度在750℃时的沉积
• 金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法不仅具有CVD
方法的全部特征，而且由于以金属有机物为蒸发 源，表现出许多独有的特点。
所用的先驱体为挥发性较高的金属有机化合物 活性较高，受热容易分解 金属有机源分解以及金属单质或其氧化物涂层形 MOCV 成均可在较低温度下完成 D优点 沉积组分可多元化 可在钢等热敏感基体上沉积，扩大基体材料选择 范围
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MOCVD沉积铱膜装置示意图
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４
CVD铂、铱的动力学研究
Pt沉积速率在基体温度为550℃时达到最大值, 小于550℃ 时随沉积温度升高而直线上升, 而大于550℃时随沉积温度升 高而直线下降。Pt的沉积速率随沉积源加热温度的升高直线增 加, 通入氩气流速增加会降低Pt的沉积速率。Ir薄膜沉积速率
金属、半导体元素、碳化物、氮化物、 硼化物等 可控制膜的组成及晶型; 能均匀涂覆几何 形状复杂的零件; 沉积膜层纯度高、致密、 与基体结合牢固
可沉积物质 化学气相沉 积(CVD) 优点
化学气相沉积法(CVD)是目前制备具有优异性能涂层的有效方法之一， 用CVD方法，通过控制沉积参数，不但可以沉积出致密、结合力良好的 以及厚度可控的金属涂层，而且可以不受基体形状的影响。
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5 MOCVD法制备多层Ir涂层的显微结构
沉积过程在竖式热壁MOCVD炉中进行。先 驱体挥发温度Tp 在170～220 ℃变动;沉积温 度即先驱体热解温度Td 在400 ～ 550 ℃变动; 真空度保持在1～10 Pa;每次使用先驱体2 g, 先驱体到温后保温0.5h;无H2、O2 等反应性气 氛。
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与沉积温度之间的关系和Pt相似, 沉积温度在750℃时的沉积
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。
MOCVD和LED基础知识的介绍
MOCVD和LED基础知识的介绍MOCVD是一种气相沉积技术，通过液态的金属有机化合物前驱物和气态的反应气体，在高温下生成半导体材料的薄膜。
MOCVD技术具有高度的化学反应控制性和沉积均匀性，能够在高度控制的条件下制备多种复杂的半导体材料。
MOCVD被广泛应用于制备LED和其他半导体器件，如太阳能电池、半导体激光器等。
LED是一种半导体器件，具有电流通过时会发光的特性。
LED基于半导体材料的PN结，当正向电流通过PN结时，从该区域辐射出光子而形成发光。
LED具有高效能、长寿命、低能耗等优点，因此在照明、显示、信号传输等方面得到了广泛的应用。
在MOCVD中，LED的制备需要先选择合适的材料，一般使用砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)等材料。
这些材料具有不同的禁带宽度和能隙，因此可以在不同的波长范围内发光。
LED的制备过程主要包括以下几个步骤：1. 衬底准备：选择合适的衬底材料，例如蓝宝石 (sapphire) 或碳化硅 (SiC)。
衬底需要进行表面处理，以保证后续材料的均匀沉积。
2.MOCVD沉积：将衬底放入MOCVD反应室中，加热至高温。
金属有机化合物前驱物和反应气体被导入反应室，通过化学反应生成半导体材料的薄膜。
控制反应的温度、气体流量和时间可以调节薄膜的性质和厚度。
3.包埋层制备：为了保护PN结和提高光的输出效率，需要在LED结构周围沉积包埋层。
包埋层可以通过MOCVD或其他技术实现。
4.电极制备：在制备完成的LED结构上沉积金属电极，用于注入电流和收集光子。
5.芯片分离和封装：将大面积的LED结构切割成小的芯片，并将其封装在光学透明的外壳中，形成最终的LED器件。
LED的性能可以通过调节MOCVD过程中的各种参数来优化，如材料组分、沉积温度、沉积速率等。
此外，还可以通过多层结构的设计来优化波长、光强度和光散射等光学特性。
总结起来，MOCVD是一种用于制备半导体材料的气相沉积技术，而LED是一种基于半导体的发光器件。
外延MOCVD基本原理及LED各层结构ppt课件
Sapphire
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。
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。
外延MOCVD基本原理及LED各层结构
外延MOCVD基本原理及LED各层结构
1.MOCVD原理
MOCVD是一种用来生产多层半导体材料和晶体管的技术，即多原子层
化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）。
它的核
心思想是把气态的组分沉积在被加工物表面形成多层半导体结构，即一种
原子层技术。
MOCVD利用化学反应形成液滴、晶体管和器件衬底，通过加热和激发
这些液滴进行蒸馏，从而在器件衬底上形成多层半导体结构。
由于MOCVD
过程复杂，操作步骤多，需要大量的精密设备和测试仪器来确保生产效果。
LED结构典型由彩色柱、n型层、n导层和p导层（有时也包括反向
屏蔽层）、电极组成。
彩膜柱：由一层薄膜和一层金属膜形成，可以通过改变投影层的厚度
来改变LED发光色。
n型层：由载体介质(n材料)形成，其电子和洞的密度比是确定电子
和洞流的关键因素。
n导层：由n材料形成，n材料是用来将分子从n型层推向p型层来
产生电流的主要介质。
p导层：由p材料形成，p材料是用来将分子从p型层推向n型层来
收集电流的主要介质。
电极：金属电极有两个，其一为正极，另一个为负极。
而LED电极主
要由金属陶瓷或金属电镀制成，可以提高电极的导热性，降低电阻，控制
电流。
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• 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。
（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 。
• （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。
n、As、P比例使GaInAsP与GaAs
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,
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
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。
• （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
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。
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
• 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
• （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。
• （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。
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
PMo
PRea
Qs Qtot
PMo PC PMo
• 常压MOCVD（AP-MOCVD）
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。
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