mocvd外延生长原理
mocvd外延生长步骤
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。
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外延系统的介绍
ＭＯＣＶＤ外延系统的介绍MOCVD之原理ＭＯＣＶＤ(ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)反应为一非平衡状态下成长机制，其原理为利用有机金属化学气相沉积法. MOCVD技术起源于Manaservil 等早期(1968)[2]研究。
他们在水冷却的反应室里用三乙基镓(TEGa)和砷化氢生长单晶GaAs。
随后，在1969年Manaservil 和Simpson[3]，1970年Manaservil 和Hess[4]把这种技术应用到GaAsPy、GaAsSb以及含Al化合物的生长上。
组分和生长速率均由精确控制的源流量和各种不同的成分气流所控制。
III族有机源可以是液体如三甲基镓 (TMGa)，也可以是固体如TMIn。
通过调节源瓶的温度，精确控制源的压力。
通过载气把它们携带到反应室。
V族源一般是气态氢化物（如GaN生长用的NH）。
通常MOVPE3使用高频或其它加热方式使反应管壁的温度大大低于内部加热的衬底的温度，这时在管壁上不成核，使管壁反应消耗降低。
但是由于当时技术条件所限，它的发展比较缓慢，直到80年代初期才成为比较成熟的外延技术，并得到了广泛应用，日益成为介观物理、半导体材料和器件研究以及生产领域最重要的外延技术之一。
MOVPE技术易实现低压外延生长，能减少自掺杂；有希望在重掺的衬底上进行窄过渡层的外延生长；能减少外延生长过程的存储效应和过渡效应，从而获得衬底—外延层界面杂质分布更陡的外延层。
MOCVD之系统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:1.自动控制部分自动控制部分为系统的核心组成.可控制参加反应原物料浓度、压力、及气流大小；同时，控制材料生长的速率及模式等。
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、N2气体作为ｃａｒｒｉｅｒ而将原反应物带入反应室中。
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MOCVD基本原理及LED各层结构ppt课件
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。
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
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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
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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外延生长原理
MOCVD（金属有机化学气相沉积）是一种常用的外延生长技术，它被广泛应用于半导体材料制备中。
MOCVD外延生长原理是基于气相反应，通过将金属有机化合物和气相反应物输送到晶体表面，使晶体在表面逐层生长。
在MOCVD过程中，首先需要准备金属有机化合物和气相反应物。
金属有机化合物通常是金属元素与有机基团结合形成的化合物，如三甲基镓（TMGa）和三乙基铝（TEAl）。
气相反应物则是提供晶体生长所需的原子或分子，如氨气（NH3）和磷化氢（PH3）。
MOCVD外延生长的关键步骤是将金属有机化合物和气相反应物输送到晶体表面，并在表面发生化学反应。
这一过程需要在特定的反应条件下进行，如温度、压力和反应时间等。
通过控制这些条件，可以实现对外延生长过程的精确控制。
在MOCVD外延生长过程中，金属有机化合物首先被蒸发或气化，形成气态的金属有机分子。
然后，这些气态分子通过惰性气体（如氩气）被输送到反应室中。
同时，气相反应物也被输送到反应室中。
当金属有机分子和气相反应物达到晶体表面时，它们会发生化学反应，生成新的化合物。
这些新的化合物沉积在晶体表面，逐渐形成新的晶体层。
这一过程是一个层层生长的过程，通过控制反应条件和物质输送速率，可以实现对外延生长过程的控制。
MOCVD外延生长技术具有许多优点。
首先，它可以在较低的温度下进行，从而有效降低了能耗和设备成本。
其次，通过调整反应条件和物质输送速率，可以实现对晶体生长过程的精确控制，从而获得高质量的晶体材料。
此外，MOCVD技术还可以实现对晶体结构、组分和形貌的调控，从而满足不同应用的需求。
然而，MOCVD外延生长技术也存在一些挑战。
首先，金属有机化合物和气相反应物的选择对外延生长过程至关重要，需要根据具体材料的要求进行合理选择。
其次，控制反应条件和物质输送速率需要精确的仪器和设备，以确保外延生长过程的稳定性和可重复性。
此外，MOCVD外延生长过程中产生的废气和副产物对环境有一定的影响，需要采取相应的措施进行处理和排放。
MOCVD外延生长原理基于气相反应，通过控制金属有机化合物和气相反应物的输送和反应条件，实现了晶体在表面的逐层生长。
它是一种重要的半导体材料制备技术，具有广泛的应用前景。
随着对新材料和新器件的需求不断增加，MOCVD外延生长技术将继续发展和完善，为材料科学和电子学领域的研究和应用提供更多可能性。