mocvd外延生长步骤
立方相AlxGa1—xN／GaAs(100)的MOCVD外延生长
目前 ， 多数蓝 、 发光二极 管 和激 光器都 是 以 大 绿
蓝 宝石 为衬底 的六 方结 构 ， 且 实现 了商品化 ． 并 而
的 ＮＨ 流量 和相 对 高 的生 长 温度 可 提 高 Ｍ Ｏ Ｎ 外 延层 的结 晶 质 量 ． ａ
关键词 ＭＯＣ ＶＤ；立方相 Ａ Ｇ Ｎ；光致发光 ｝扫描电镜 ｛低 值氧化物 Ｉａ
ＰＡ ＣＣ ： ７２８ Ｅ ； ７８ ０ ５５； ７ ５ ８６
中 围 分类 号 ：Ｔ ０ ． Ｎ３４ ２ ３
国家 自然 科 学 基 金 资 助项 目
层 上面生 长 厚约 ２ ０ ｍ 的 Ａ１ Ｎ 外延 层． ０ｎ Ｇａ 生长 Ａｌ — Ｇａ 外 延 屡 时 ， Ｎ ＮＨ。流 量 分 别 为 ５ 、 ０ 、 ０ 、 ０ １ ０ ２ ０ ５ ０ ｒｉ 其 中 生 长 温 度 为 ８ ０ ＮＨ ０ ｍ１ ａ ｎ， ／ ２ ℃． 流 量 为 ５ ０ ｒｉ 生长温 度 为 ８ ０ ， ０ ｍＩ ａ ｎ， ／ ６ ℃ 其它 条件 相 同． 光致 发 光 （ Ｌ） Ｐ 测试 在 室温 下进 行 ． 激发 光 源是 波 长为 ３ ５ ｍ 的 ＨｅＣ ２ｎ — ｄ激 光器 ． 扫描 电镜 照 片是在 型号 为 Ｊ Ｍ、 Ｓ 加速 电压 １ ｋ 的扫描 电镜上进 行 的， Ｖ ５
力． ａ ｇｅ ａ ．ａ 国际 上 首 次 实 现 立 方 Ｇ Ｎ Ｐ ｎ Ｙ ｎ ｔ １［ 在 ｊ ａ — 结 蓝 光 发 光 二 极 管 ， 实 现 了 Ｇａ ＩＧａ ：Ｚ ／ 又 Ｎ／ｎ Ｎ ｎ Ｇａ 双 异 质 结蓝 、 光 发光 二 极管 ． 目前 的亮 度 Ｎ 绿 但 还远 达不 到 以蓝 宝石 为村底 的六 方 Ｌ Ｄ． 了 实现 Ｅ 为 高亮 度 的发 光 二极 管 特别 是 激 光器 ， 须采 取 异质 必 结 结构 ． Ｎ／ Ｎ 异质 结 是 必 不 可 少 的． Ａ１ Ｇａ Ｇａ 可 是， 立方 Ａ１ Ｎ 的生 长 十分 困难 ， Ｇａ 晶体 质 量 相对 较
MOCVD
（3）质量的传递
如上所述，反应气体或生成物通过边界层，
是以扩散的方式来进行的，而使气体分子
进行扩散的驱动力，则是来自于气体分子 局部的浓度梯度。
CVD技术的分类
CVD技术根据反应类型或者压力可分为
低压CVD(LPCVD)
CVD技术
常压CVD(APCVD) 亚常压CVD(SACVD) 超高真空CVD(UHCVD) 等离子体增强CVD(PECVD) 高密度等离子体CVD(HDPCVD) 快热CVD(RTCVD) 金属有机物CVD(MOCVD)
MOCVD设备
Schematics of a MOCVD system
Carrier gas Material sources Gas handling system
In-situ diagnostics
NO electron beam probes!
Exhaust system
Safety system
x d v 0
2
1/ 2
以 “雷诺数”来表示，可改写为
x Re
2
1/2
式中，x为流体在固体表顺着流动方向移动得距离面。
也就是说，当流体流经一固体表面时，下图的主气流与固
体表面（或基片）之间将有一个流速从零增到ν0的过渡区
域存在，即边界层。
热传导是固体中热传递的主要方式，是将基片置于
经加热的晶座上面，借着能量在热导体间的传导，
来达到基片加热的目的，如图所示。以这种方式进 行的热能传递，可以下式表示。
单位面积的能量传递 T = Ecod kc X
其中：
kc为基片的热传导系数， △T为基片与加热器表面间的温度差， △X则近似于基片的厚度。
MOCVD的外延片技术研究报告和工艺流程!
可在形状复杂的基材 衬底 上形成均匀镀膜,结构密致,附着力良好之优点,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。整套系统可分为：
a.进料区
进料区可控制反应物浓度。气体反应物可用高压气体钢瓶经MFC精密控制流量,而固态或液态原料则需使用蒸发器使进料蒸发或升华,再以H2、Ar等惰性气体作为carrier而将原反应物带入反应室中。
金属有机物化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD），
如:MOCVD外延图示
1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
b.反应室
反应室控制化学反应的温度与压力。在此反应物吸收系统供给的能量,突破反应活化能的障碍开始进行反应。
7.依照操作压力不同,MOCVD制程可分为:
I常压MOCVDAPCVD
II低压MOCVDLPCWD
III超低压MOCVDSLCVD。
依能量来源区分为热墙式和冷墙式,如分如下:
(I)热墙式 由反应室外围直接加热,以高温为能量来源
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
第二节
一、
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
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外延生长技术简介
MOCVD外延生长技术简介摘要：MOCVD外延技术是国内目前刚起步的技术，本文主要介绍外延的基本原理以及目前世界上主要外延生产系统的设计原理及基本构造。
外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有红宝石和SiC两种）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。
目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
MOCVD金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD），1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。
该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
第一章外延在光电产业角色近十几年来为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。
而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管ＬＥＤ及激光二级管ＬＤ的应用无不说明了Ⅲ－Ⅴ族元素所蕴藏的潜能，表１－１为目前商品化ＬＥＤ之材料及其外延技术，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓ＧａＡｓＰ材料为主。
ＭＯＣＶＤ机台是众多机台中最常被使用来制造ＬＥＤ之机台。
而ＬＥＤ或是ＬＤ亮度及特性的好坏主要是在于其发光层品质及材料的好坏，发光层主要的组成不外乎是单层的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ或是多层的量子井ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ，而尽管制造ＬＥＤ的技术一直在进步但其发光层ＭＱＷ的品质并没有成正比成长，其原是发光层中铟Ｉｎｄｉｕｍ的高挥发性和氨ＮＨ３的热裂解效率低是ＭＯＣＶＤ机台所难于克服的难题，氨气ＮＨ３与铟Ｉｎｄｉｕｍ的裂解须要很高的裂解温度和极佳的方向性才能顺利的沉积在ＩｎＧａＮ的表面。
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。
LED芯片MOCVD外延生长
LED芯片具有高效、节能、环保 、寿命长等优点，广泛应用于照 明、显示、背光等领域。
MOCVD外延生长在LED芯片制造中的重要性
01
02
03
实现高效发光
通过MOCVD外延生长技 术，可以在合适的衬底上 生长出高质量的发光层， 实现高效发光。
提高芯片性能
MOCVD外延生长技术可 以精确控制材料组分和厚 度，从而优化LED芯片的 性能。
MOCVD技术具有较低的成本和较高的经济 效益，使得LED芯片更具市场竞争力。
缺点
设备成本高
MOCVD设备成本较高，增加 了LED芯片的生产成本。
外延层质量不稳定
由于各种因素的影响，外延层 的质量有时会出现不稳定的情 况，影响LED芯片的性能和可靠 性。
操作难度大
MOCVD技术的操作难度较大 ，需要专业技术人员进行操作 和维护。
LED芯片MOCVD外延生 长
• MOCVD外延生长技术简介 • LED芯片与MOCVD外延生长的关系 • LED芯片MOCVD外延生长的过程 • LED芯片MOCVD外延生长的优缺点 • LED芯片MOCVD外延生长的未来发展
01
MOCVD外延生长技术简介
MOCVD技术的定义
MOCVD（Metallorganic Chemical Vapor Deposition）即金属有机化合物化学 气相沉积技术，是一种在半导体材料表面上进行外延生长的技术。
MOCVD技术可用于制备高效太阳能电池，如异质结太阳能电池、多结太阳能电池等，提 高光电转换效率。
光电子器件
MOCVD技术还可用于制备光电子器件，如激光器、探测器等，广泛应用于光通信、光传 感等领域。
02
LED芯片与MOCVD外延生长的关系
LED芯片MOCVD外延生长
2021/10/10
23
MOCVD及相关设备技术发展现状
▪ MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十 至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光 电子材料外延片制备的核心生长技术。目前已经在砷化镓、 磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。日本科学家 Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备，利用他自己研 制 的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构)，于1994年 首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998年实现了室 温下连续激射10,000小时，取得了划时代的进展。到目前为 止，MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主 流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本 等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。
2021/10/10
5
Al2O3衬底
▪ 目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优 点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制 造技术相对成熟；不足方面虽然很多，但均一一被 克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服， 导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差 不易切割通过激光划片所克服，很大的热失配对外 延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性 在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功 率型器件大电流工作下问题十分突出。
[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强； [3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀； [4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小； [5]导电性好，能制成上下结构； [6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小； [7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等； [8]价格低廉； [9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。
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MOCVD外延生长步骤
简介
MOCVD（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）是一种常用的半导体外延生长技术，广泛应用于半导体器件制造中。
本文将详细介绍MOCVD外延生长的步骤和相关原理。
基本原理
MOCVD是一种化学气相沉积技术，通过在高温下将金属有机化合物和载气反应，从
而在衬底上沉积出所需的材料。
整个过程可以分为以下几个步骤：
1.衬底预处理：在进行外延生长之前，需要对衬底进行预处理，以去除表面
的杂质和氧化物，并提供一个干净平整的基础。
2.加载衬底：将经过预处理的衬底放置在反应室中，并通过真空系统排除其
中的空气和水分。
3.加热：使用加热装置将反应室升温至所需温度。
温度通常在500°C到
1200°C之间，具体取决于要生长的材料。
4.载气流入：引入适当的载气（如氢气或氮气）到反应室中，以稀释金属有
机化合物的浓度，并提供反应所需的气氛。
5.金属有机化合物进入：将金属有机化合物（如三甲基镓、三乙基铝等）通
过气体进料系统引入反应室。
这些化合物会在高温下分解，释放出所需的金
属元素。
6.生长反应：金属元素与载气中的氢原子发生反应，形成所需材料的沉积物。
反应过程中需要控制温度、压力和流量等参数，以获得理想的生长速率和材
料质量。
7.冷却：在完成生长后，将反应室冷却至室温，停止外延生长过程。
8.取出衬底：将外延生长后的衬底从反应室中取出，并进行后续处理和测试。
过程优化
为了获得高质量的外延薄膜，需要对MOCVD过程进行优化。
以下是一些常用的优化方法：
1.材料选择：选择适当的金属有机化合物和载气组合，以获得所需材料的最
佳生长条件。
2.温度控制：通过精确控制反应室的温度，可以调节外延生长速率和材料品
质。
温度过高可能导致材料熔化或不稳定，而温度过低则可能影响生长速率
和结晶质量。
3.气氛控制：合理选择和调节载气的流量和压力，以提供适当的反应气氛。
过高的压力可能导致材料堆积过厚或形成颗粒，而过低的压力则可能影响生
长速率和均匀性。
4.反应时间：根据所需薄膜厚度和生长速率，确定合适的反应时间。
过短的
反应时间可能导致薄膜较薄或不完整，而过长的反应时间则可能导致堆积过
厚或杂质掺入。
5.后处理：在完成外延生长后，可以进行一些后处理步骤，如退火、退磁等，
以进一步改善材料的性能和结构。
应用领域
MOCVD外延生长技术广泛应用于半导体器件制造中。
以下是一些常见的应用领域：1.LED制造：LED（Light Emitting Diode）是一种重要的光电器件，MOCVD
外延生长可以用于制备LED的发光层和其他关键部件。
2.激光器制造：MOCVD外延生长也可以用于制备激光器的活性层和波导结构，
为激光器提供必要的材料基础。
3.太阳能电池：MOCVD外延生长可用于太阳能电池中的薄膜材料的制备，提高
太阳能转换效率。
4.功率器件：MOCVD外延生长还可用于制备功率器件中的材料，如功率
MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等。
结论
MOCVD外延生长是一种重要的半导体材料制备技术，通过控制温度、压力和流量等
参数，可以实现高质量、均匀性好的外延薄膜。
该技术在LED、激光器、太阳能电
池等领域有广泛应用，并不断得到改进和优化。
随着半导体行业的发展，MOCVD外
延生长技术将继续发挥重要作用，并为新型器件和应用提供支持。