MOCVD基础知识

1、MOCVD 技术基础2MOCVD（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 + nRHA、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

2、, 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DMZnTMGaAsH3DMTeTBPTDMAAs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 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

3、中的声速和气体的浓度有线性的关系基本原理（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 。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

4、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MoCMototsaMototsahydPPPQQPPQQPPReRe 常压MOCVD（AP-MOCVD） 设备条件要求低。扩散边界层

5、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。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。 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、

6、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体系体系 AlAlx xGaGa1-x1-xAs/GaAsAs/GaAs体系是研究最多、最成熟的体系是研究最多、最成熟的-族化合物体系。族化合物体系。 其主要原因是其主要原因是AlGaAsAlGaAs在在全组份范围内晶格与全组份范围内晶格与GaAsGaAs匹配，具有很大的匹配，具有很大的EEg g，可以制成各种异质结、量子阱和超晶格，可以制成各种异质结、量子阱和超晶格结构。结构。 （2）GaxIn1-xAs/GaAs体系体系 GaInAs/GaAs应变量子阱材料，用于大于900nm激光器和发光

7、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。 （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体系体系 通过调节Ga、In、As、P比例使GaInAsP与GaAs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

8、，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1.3-1.5m的红外激光器。此类激光器是现代光通讯的主要光源。 （6）GaInN/GaN体系体系 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-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。 （7）含）含Sb化合物化合物 含Sb化合物半导体材料是能隙最小的-族材料。主要应用于2-4m波长的激光器、探测器制备。 （8）-族半导体材料族半导体材料 ZnSe、CdTe、HgCdTe、ZnTe、CdZnTe、CdSeTe、ZnS、MgSe、MgSSe等，等， 这些材料这些材料在发光器件和探测器方面有广泛应用，在发光器件和探测器方面有广泛应用， （9）氧化物材料体系）氧