第6章金属有机物化学气相沉积.ppt

第六章 金属有机物化学气相沉积;二、金属有机物化学气相沉积反应机理 MOCVD是利用金属有机化合物源（简称MO源）进行金属输运的一种气相外延生长技术，其原理是：利用载气（通常为反应惰性的H2、N2、Ar等）把MO源和其它反应气体源携带到反应室中，MO源和其它反应气体在加热衬底上方发生化学反应，经过在气相和气—固界面发生的一系列化学和物理变化，最终在衬底表面上生成外延层。 ; MOCVD之所以受到人们的重视是因为它具有下列特点： （1）用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都是以气态通入反应室的，因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的组分、导电类型、载流子浓度、厚度等特性，可以生长薄到几个埃的薄层和多层结构。 （2）反应室中的气体流速快，因此，在需要改变多元化合物的成分和杂质浓度时，反应室中的气体改变是迅速的，从而可以做到多层结构界面和杂质分布陡峭，这对于生长异质和多层结构无疑是个很大的优点。;（3）晶体生长是以热分解方式进行的，是单温区外延生长，只要将衬底温度控制到一定温度就行了，因此便于多片和大片外延生长，有利于批量生产。 （4）对于Ⅲ－V族晶体的生长，其速率与III族源（或V族源）的供给量成正比，因此改变输运量，就可以大幅度地改变外延生长速度（0.05~3m/min）。 （5）源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物，因而生长设备和衬底不容易被腐蚀。; MOCVD系统根据反应室的工作压力可分为常压MOCVD（AP－MOCVD）和低压MOCVD（LP－MOCVD）。相比于常压MOCVD，低压MOCVD还具有如下优点： （1）有助于消除反应室内热对流； （2）抑制有害的寄生反应和气相成核； （3）减弱来自衬底的自掺杂； （4）可以使用较低的生长温度； （5）可以使用较低蒸汽压的源材料。; MOCVD是利用热能来分解化合物的一种气相外延生长方法，因此作为含有化合物半导体元素的源材料化合物应满足以下条件： （1）在常温左右较稳定且容易处理； （2）反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层； （3）为适应气相生长，在室温左右应具有适当的蒸气压（≥1Torr）。; MOCVD生长过程是按下列步骤进行的： （1）反应物从其在反应室的出口到反应衬底的输运； （2）反应物通过扩散，穿过边界层到达衬底表面； （3）反应物分子吸附在高温衬底表面上； （4）吸附分子间或吸附物与气体分子间发生化学反应生成生长晶体的原子，同时生成气体副产物； （5）生成的生长晶体的原子沿衬底表面扩散，到达衬底表面上晶格的某些折角或台阶处结合进入晶体点阵中； （6）副产物从表面解吸扩散穿过边界层进入主气流中被排出系统。; 一般来说，对MO源有如下要求： （1）室温下为液体，具有适当且稳定的蒸气压，以确保精确并可重复的控制输入反应式的源的计量。 （2）适宜的热分解温度。由于外延生长温度受限于源的分解温度，在很多情况下要求MO源具有低的热分解温度，以便在外延生长温度下MO源基本能够完全分解，以提高源的利用率。 （3）易于合成和提纯。 （4）反应活性较低，不易与其它参与反应的其它源发生预反应。 （5）毒性低。;第二节 金属有机物化学气相沉积设备 一、金属有机物化学气相沉积设备组成 MOCVD系统一般包括源气体处理系统、反应室、尾气处理和控制系统。 1.气体处理系统 气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂，并精确控制其浓度、送入的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延层。;2．反应室 早期的反应室一般由石英管和反应基座组成，之后随着机械加工技术的进步逐渐开始使用不锈钢作为反应室腔体。反应基座由石墨或高纯钼等耐高温材料制作。石墨基座一般由高纯石墨制作，并包覆SiC层以保护石墨材料。为了获得组份均匀、生长平整度高、界面梯度好的外延材料，研究工作人员在反应室设计上下了很多功夫，可以说反应室是MOCVD系统的核心，整个MOCVD系统的质量如何与反应室的设计密切相关。 ;3．尾气处理系统 反应气体经反应室后，大部分被热分解，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，必须进行处理。目前处理的方法很多，主要有高温热解炉再一次分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处理；也可把尾气直接通入装有H2SO4＋H2O2及装有NaOH溶液的吸滤瓶进行处理；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。;4．控制系统 由于质量流量控制器、压力控制器、温度控制器和电磁阀－气动阀的使用，MOCVD系统的运行可以实现电脑程序控制，也可以通过集中安装在电控面板上的按钮进行人工手动控制。控制系统中还包括安全速锁装置，以防止误操作可能产生的严重后果，并在事故发生时自动使系统进入保护状态，以减轻事故的危害、保护操作人员人身安全等