MOCVD技術在光電薄膜中的應用

導讀: MOCVD技術在半導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)展中的半導體超精細加工技術，MOCVD技術的進一步發(fā)展將會給微電子技術和光電子技術帶來更廣闊的前景。

一、引言

近年來，隨著半導體工業(yè)的發(fā)展以及高速光電信息時代的來臨，LPE、VPE等技術在半導體業(yè)生產(chǎn)中的作用越來越小;MBE與MOCVD技術相比，由于其設備復雜、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)。而金屬有機物化學氣相淀積(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;到80年代初得以實用化。經(jīng)過近20年的飛速發(fā)展，成為目前半導體化臺物材料制備的關鍵技術之一。廣泛應用于包括半導體器件、光學器件、氣敏元件、超導薄膜材料、鐵電/鐵磁薄膜、高介電材料等多種薄膜材料的制備。

二、MOCVD的主要技術特點

國內(nèi)外所制造的MOCVD設備，大多采用氣態(tài)源的輸送方式，進行薄膜的制備。氣態(tài)源MOCVD設備，將MO源以氣態(tài)的方式輸送到反應室，輸送管道里輸送的是氣體，對送入反應室的MO源流量也以控制氣體流量來進行控制。因此，它對MO源先體提出應具備蒸氣壓高、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物應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室，或者直接向反應室注入液態(tài)先體，在反應室內(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)構等。

三、MOCVD技術的優(yōu)缺點

MOCVD技術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，可靈活改變反應物的種類或比例，達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技術一起)。使化合物單晶薄膜的生長向結(jié)構區(qū)域選擇的微細化，組分多元化和膜厚的超薄化方向發(fā)展，推進著各種異質(zhì)結(jié)材料應運而生，實現(xiàn)了生長出的半導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、毫米波半導體器和先進的光電子器的要求，使微波、毫米波器件和先進的光電子器件的設計和制造由傳統(tǒng)的“摻雜工程”進人到“能帶工程”和“電子特性與光學特性裁剪”的新時代。人們已經(jīng)能夠在原子尺度上設計材料的結(jié)構參數(shù)，從而人為確定材料的能帶結(jié)構和波涵數(shù)，制備出量子微結(jié)構材料。

但MOCVD設備也有自身的缺點，它與MBE設備一樣價格不菲，而且由于采用了有機金屬做為源，使得在使用MOCVD設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源(例如PH3、AsH3、H2S以及一些MO源)都是有毒的物品，進行合理的尾氣循環(huán)處理是非常必要的。因此，在設計和使用時要考慮到這些因素，做好安全防護措。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技術的發(fā)展。

為了克服上述技術或設備存在的缺點，解決傳統(tǒng)MOCVD設備存在氣態(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技術的關鍵是合適的源材料，或者采用變通的先體輸運技術。

四、MOCVD技術在光電方面新的應用

MOCVD技術經(jīng)過近20多年的飛速發(fā)展，為滿足微電子、光電子技術發(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技術解決了高難的生長技術與量大面廣所要求的低廉價格之間的尖銳矛盾。

MOCVD技術的發(fā)展與化合物半導體材料研究和器件制造的需求緊密相關，反過來又促進了新型器件的研制，目前各種主要類型的化合物半導體器件制作中都用到了MOCVD技術。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、高溫半導體器特別是先進的光電子器件，都采用MOCVD和MBE為主流技術進行薄膜材料生長，這些高端器件直接影響著軍事裝備的功能、性能和先進性。為了國家的安全和營造經(jīng)濟建設的和平環(huán)境，不斷提高我國軍事力量，是關系到國家安危頭等大事。國防建設迫切需要發(fā)展MOCVD技術。

五、MOCVD技術在光電方面的發(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進軍的基地;

4、薄膜結(jié)構區(qū)域向微細化，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;