MOCVD技術(shù)的技術(shù)特點與優(yōu)勢介紹及在光電薄膜中的應(yīng)用

MOCVD技術(shù)在半導(dǎo)體材料和器件及薄膜制備方面取得了巨大的成功。盡管如此，MOCVD仍是一種發(fā)展中的半導(dǎo)體超精細(xì)加工技術(shù)，MOCVD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將會給微電子技術(shù)和光電子技術(shù)帶來更廣闊的前景。

一、引言

近年來，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展以及高速光電信息時代的來臨，LPE、VPE等技術(shù)在半導(dǎo)體業(yè)生產(chǎn)中的作用越來越小；MBE與MOCVD技術(shù)相比，由于其設(shè)備復(fù)雜、價格更昂貴，生長速度慢，且不適pC-長含有高蒸汽壓元素(如P)的化合物單晶，不宜于工業(yè)生產(chǎn)。而金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)，1968年由美國洛克威公司的Manasevit等人提出制備化臺物單晶薄膜的一項新技術(shù)；到80年代初得以實用化。經(jīng)過近20年的飛速發(fā)展，成為目前半導(dǎo)體化臺物材料制備的關(guān)鍵技術(shù)之一。廣泛應(yīng)用于包括半導(dǎo)體器件、光學(xué)器件、氣敏元件、超導(dǎo)薄膜材料、鐵電／鐵磁薄膜、高介電材料等多種薄膜材料的制備。

二、MOCVD的主要技術(shù)特點

國內(nèi)外所制造的MOCVD設(shè)備，大多采用氣態(tài)源的輸送方式，進(jìn)行薄膜的制備。氣態(tài)源MOCVD設(shè)備，將MO源以氣態(tài)的方式輸送到反應(yīng)室，輸送管道里輸送的是氣體，對送入反應(yīng)室的MO源流量也以控制氣體流量來進(jìn)行控制。因此，它對MO源先體提出應(yīng)具備蒸氣壓高、熱穩(wěn)定性佳的要求。用氣態(tài)源MOCVD法沉積一些功能金屬氧化物薄膜，要求所選用的金屬有機(jī)物應(yīng)在高的蒸氣壓下具有高的分子穩(wěn)定性，以避免輸送過程中的分解。然而，由于一些功能金屬氧化物的組分復(fù)雜，元素難以合成出氣態(tài)MO源和有較高蒸氣壓的液態(tài)MO源物質(zhì)，而蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性差的MO源先體，不可能通過鼓泡器(bubbler)由載氣氣體輸運到反應(yīng)室。

然而采用液態(tài)源輸送的方法，是目前國內(nèi)外研究的重要方向。采用將液態(tài)源送入汽化室得到氣態(tài)源物質(zhì)，再經(jīng)過流量控制送入反應(yīng)室，或者直接向反應(yīng)室注入液態(tài)先體，在反應(yīng)室內(nèi)汽化、沉積。這種方式的優(yōu)點是簡化了源輸送方式，對源材料的要求降低，便于實現(xiàn)多種薄膜的交替沉積以獲得超品格結(jié)構(gòu)等。

三、MOCVD技術(shù)的優(yōu)缺點

MOCVD技術(shù)在薄膜晶體生長中具有獨特優(yōu)勢：

1、能在較低的溫度下制備高純度的薄膜材料，減少了材料的熱缺陷和本征雜質(zhì)含量；

2、能達(dá)到原子級精度控制薄膜的厚度；

3、采用質(zhì)量流量計易于控制化合物的組分和摻雜量；

4、通過氣源的快速無死區(qū)切換，可靈活改變反應(yīng)物的種類或比例，達(dá)到薄膜生長界面成份突變。實現(xiàn)界面陡峭；

5、能大面積、均勻、高重復(fù)性地完成薄膜生長。適用于工業(yè)化生產(chǎn)；

正是MOCVD這些優(yōu)勢(與MBE技術(shù)一起)。使化合物單晶薄膜的生長向結(jié)構(gòu)區(qū)域選擇的微細(xì)化，組分多元化和膜厚的超薄化方向發(fā)展，推進(jìn)著各種異質(zhì)結(jié)材料應(yīng)運而生，實現(xiàn)了生長出的半導(dǎo)體化合物材料表面平滑、摻雜均勻、界面陡峭、晶格完整、尺寸精確，滿足了新型微波、毫米波半導(dǎo)體器和先進(jìn)的光電子器的要求，使微波、毫米波器件和先進(jìn)的光電子器件的設(shè)計和制造由傳統(tǒng)的“摻雜工程”進(jìn)人到“能帶工程”和“電子特性與光學(xué)特性裁剪”的新時代。人們已經(jīng)能夠在原子尺度上設(shè)計材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而人為確定材料的能帶結(jié)構(gòu)和波涵數(shù)，制備出量子微結(jié)構(gòu)材料。

但MOCVD設(shè)備也有自身的缺點，它與MBE設(shè)備一樣價格不菲，而且由于采用了有機(jī)金屬做為源，使得在使用MOCVD設(shè)備時不可避免地對人體及環(huán)境產(chǎn)生一定的危害。這些都無形中增加了制備成本。對于低壓生氏，系統(tǒng)只需要配置機(jī)械泵和壓力控制器就可控制生長壓力；但是所配置的泵要有較大的氣體流量承載量。MOCVD生長中，我們所用的許多反應(yīng)源(例如PH3、AsH3、H2S以及一些MO源)都是有毒的物品，進(jìn)行合理的尾氣循環(huán)處理是非常必要的。因此，在設(shè)計和使用時要考慮到這些因素，做好安全防護(hù)措。對于一些功能金屬氧化物薄膜而言，尋找高蒸氣壓、熱穩(wěn)定性佳的MO源先體是比較困難的事。這就使得傳統(tǒng)的MOCVD技術(shù)不能夠制備上述的金屬氧化物薄膜，更不能同時制備不同材料的薄膜。對源材料要求苛刻，這在很大程度上制約了金屬氧化物的MOCVD技術(shù)的發(fā)展。

為了克服上述技術(shù)或設(shè)備存在的缺點，解決傳統(tǒng)MOCVD設(shè)備存在氣態(tài)源MOCVD不同材料之間蒸氣壓差大難以控制及輸送的障礙的問題，對源材料要求降低，便于實現(xiàn)金屬氧化物薄膜中多種薄膜的交替沉積。國內(nèi)外發(fā)展MOCVD技術(shù)的關(guān)鍵是合適的源材料，或者采用變通的先體輸運技術(shù)。

四、MOCVD技術(shù)在光電方面新的應(yīng)用

MOCVD技術(shù)經(jīng)過近20多年的飛速發(fā)展，為滿足微電子、光電子技術(shù)發(fā)展兩個方面的需求，制備了GaAlAs／GaAs、InGaAsdGaAs／GaAs、GaInp／GaAs、GaInAs／AlInAs、GMnAs／GaInp、InAs／InSb、InGaN／GaN、A1GaN／GaN、SiGe、HgcdTe、GaInAsp／Inp、A1GaInp／GaAs、A1GaInAs／GaAs等多種薄膜晶體材料系列。MOCVD技術(shù)解決了高難的生長技術(shù)與量大面廣所要求的低廉價格之間的尖銳矛盾。

MOCVD技術(shù)的發(fā)展與化合物半導(dǎo)體材料研究和器件制造的需求緊密相關(guān)，反過來又促進(jìn)了新型器件的研制，目前各種主要類型的化合物半導(dǎo)體器件制作中都用到了MOCVD技術(shù)。用于制作系列高端器件：HEMT、PHEMT、HFET、HBT、量子阱激光器，垂直腔面激光器、SEED、紅外級聯(lián)激光器、微腔、量子阱光折變器、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、高電子遷移率晶體管、太陽能電池、激光器、光探測器、場效應(yīng)晶體管以及發(fā)光二極管(LED)，極大地推動了微電子、光電子技術(shù)的發(fā)展，取得了舉世矚目、驚人的成就。

目前用于軍事電裝備的微波毫米器件、高溫半導(dǎo)體器特別是先進(jìn)的光電子器件，都采用MOCVD和MBE為主流技術(shù)進(jìn)行薄膜材料生長，這些高端器件直接影響著軍事裝備的功能、性能和先進(jìn)性。為了國家的安全和營造經(jīng)濟(jì)建設(shè)的和平環(huán)境，不斷提高我國軍事力量，是關(guān)系到國家安危頭等大事。國防建設(shè)迫切需要發(fā)展MOCVD技術(shù)。

五、MOCVD技術(shù)在光電方面的發(fā)展趨勢

目前的主要發(fā)展趨勢是：

1、向高投片量、向高產(chǎn)量方向發(fā)展；

2、基片向大尺寸方向發(fā)展；

3、薄膜厚度向薄層、超薄層方向發(fā)展，超晶格、量子阱、量子線、量子點材料和器件研究十分火熱。量子阱器件、量子點激光器已問世，其發(fā)展?jié)摿o可估量，成為向納米電子技術(shù)進(jìn)軍的基地；

4、薄膜結(jié)構(gòu)區(qū)域向微細(xì)化，組分向多元化方向發(fā)展。滿足器件多功能、小尺寸、低功耗、高功率密度、便于集成的發(fā)展要求；

5、多種襯底上異質(zhì)材料的生長同時并進(jìn)開發(fā)，GaAs技術(shù)目前最為成熟，充分發(fā)揮InP襯底的優(yōu)異性能，挖掘lnP襯底的潛力的研究正在廣泛進(jìn)行；

6、寬帶隙的材料研究受到高度重視，特別是以CaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料的研究，已成為各國業(yè)內(nèi)科學(xué)家研發(fā)的熱點；SiC材料已研制成功許多性能優(yōu)異的器件，如MOSFET、MESFET、JFET等。

MOCVD技術(shù)在半導(dǎo)體材料和器件及薄膜制備方面取得了巨大的成功。盡管如此，MOCVD仍是一種發(fā)展中的半導(dǎo)體超精細(xì)加工技術(shù)，MOCVD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將會給微電子技術(shù)和光電子技術(shù)帶來更廣闊的前景。