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MOCVD

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MOCVD
  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.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。掺杂源有两类,一类是金属有机化合物,另一类是氢化物,其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源的输运相同。   2)气体输运系统   气体的输运管都是不锈钢管道。为了防止存储效应,管内进行了电解抛光。管道的接头用氢弧焊或VCR及Swagelok方式连接,并进行正压检漏及Snoop液体或He泄漏检测,保证反应系统无泄漏是MOCVD设备组装的关键之一。流量是由不同量程、响应时间快、精度高的质量流量计和电磁阀、气动阀等来实现。在   真空系统与反应室之间设有过滤器,以防油污或其它颗粒倒吸到反应室中。为了迅速变化反应室内的反应气体,而且不引起反应室内压力的变化,设置“run”和“vent,,管道。   3)反应室和加热系统   反应室是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄层、异质结构的化合物半导体材料,各生产厂家和研究者在反应室结构的设计上下了很大功夫,设计出了不同结构的反应室。石墨基座是由高纯石墨制成,并包裹SIC层。加热多采用高频感应加热,少数是辐射加热。由热电偶和温度控制器来控制温度,一般温度控制精度可达到0.2℃或更低。   4)尾气处理系统   反应气体经反应室后大部分热分解,但还有部分尚未完全分解,因此尾气不能直接排放到大气中,必须先进行处理,处理方法主要有高温热解炉再一次热分解,再用硅油或高锰酸钾溶液处理;也可以把尾气直接通入装有H2SO4+H2O及装有NaOH溶液的吸滤瓶处理;也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理,以及用水淋洗尾气等。   5)安全保护及报警系统   为了安全,一般的MOCVD系统还备有高纯从旁路系统,在断电或其它原因引起的不能正常工作时,通入纯N2保护生长的片子或系统内的清洁。在停止生长期间也有常通高纯N2保护系统。   6)手动和自动控制系统   一般MOCVD设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。在控制系统面板上设有阀门开关、各个管路气体流量、温度的设定及数字显示,如有问题会自动报警,是操作者能及时了解设备运转的情况。此外,MOCVD设备一般都设在具有强排风的工作室内。
目前全球及国内的MOCVD系统
  随着化合物半导体器件(如 GaAs MMIC、 InP MMIC以及GaN蓝光LED)市场的不断扩大,MOCVD系统的需求量不断增长。目前国际上实力最为雄厚的MOCVD系统制造商有:德国Aixtron公司、美国的Emcore公司、英国的Thomass~(1999年被Aixtron兼并)等。因为MOCVD系统最关键的问题就是保证材料生长的均匀性和重复性,因此不同厂家的MOCVD系统最主要的区别在于反应室结构。Aixtron采用行星反应(Planetary Reactor),Emcore采用TurboDisc反应室(该业务己出售给Veeeo公司)、Thomas Swan(该公司于2003年2月份被Aixtron兼并)采用 Closed Coupled Showerhead(CCS)反应室。   目前国内拥有的进口MOCVD系统数十台,其中 Aixtron MOCVD系统和Emcore MOCVD系统占绝大多数,有少量的 Thomas Swan MOCVD系统、法国ASM MOCVD系统和日本RIPPON SANSO MOCVD系统,主要用于GaN LD/LED的研究和制造。


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LED    

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