MOCVD设备与现代MOCVD技术研究

许坚强

摘 要：MOCVD，即金属有机物化学气相沉积法、金属有机物气相外延生长，是一种制备化合物半导体薄层的方法，应用于多个领域，如太阳能电池、半导体激光器、LED等。现有的MOCVD设备主要依赖进口，成本较高，因此MOCVD设备的研究对国防高端技术、新能源领域都很有必要。文章简单分析了MOCVD设备以及MOCVD技术。

关键词：MOCVD设备；MOCVD技术；反应腔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.110

1 MOCVD设备构成

MOCVD设备包括了5个分系统，加热系统、反应室、气体输运及尾气处理系统、冷却系统、控制系统等。

（1）反应腔结构。MOCVD设备中，反应腔是生长材料的部分，其设计会影响到材料生长好坏。反应腔可以分为垂直式、水平式两种。垂直式反应腔的衬底表面和反应源的进气方向是相互垂直的，整个衬底表面被反应源全部覆盖，避免出现水平式反应腔中出现的消耗不均等问题。水平式反应腔的衬底设置在基座的水平方向，小直径的进气口向大直径的进气口过渡，气体从衬底上流过，避免出现湍流，以保证层流。水平式反应腔实现均匀薄膜厚度的难度较大，因此水平式反应腔不能大规模生产，只适合用于研究。

（2）加热系统、冷却系统。MOCVD设备薄层的生长温度在400-2000℃范围内。加热系统加热的是发生反应的基底，向反应提供所需温度，并且能够满足升温降温速度快、加热均匀和温度稳定时间短的要求。在反应腔中反应物均匀分布的情况下，基座表面熱场保持均匀就是提高薄层厚度均匀性的一种方式。

冷却系统包括了气体流道冷却、喷淋腔壁冷却、腔体中心管冷却、加热器电极冷却、尾气冷却等，见图1。

（3）气体运输系统。气体输运系统是 MOCVD设备成本的集中部位。因为所使用的载气属于超高纯气体，在输运中要避免出现气体被污染的情况，对调压阀、输运管道、切换组合阀、弯管连接头、气动隔膜阀等的光洁度、质量的要求非常高。同时，还有较多的高精度集成控制装置，包括质量流量控制器、压力控制器等。整个气路设置了多个检漏点，以防泄漏和为了定期维护设备。因此，气体输运系统的成本较高。

（4）整体控制系统。MOCVD设备有较多的控制参数，包括温度控制、机片座旋转控制、压力控制、安全防护、气流控制、故障报警分级处理和可靠性设计。温度的升温速率、跟随性、稳定性、均匀性和控制精度等对结晶表面形貌、质量、量子阱结构的都有很大影响。在外延生长中，机片座的转速通常为5-20r/分钟，转速采用的是全自动闭环控制。气体流量采用的是质量流量计，利用D/A和A/D构成闭环控制。流量控制有较高的精度要求，快速响应气流通断要求，满足多量子阱以及超晶格结构芯片生长的需要。MOCVD技术中，安全性一直是研究重点。MOCVD设备中使用了SiH4、H2等危险气体，若气体发生泄漏会威胁人员设备安全。在电气设计中需要对手套箱、气源柜进行气体检测。故障警报分级处理是将不同故障归纳为不同等级。如一级警报信息是指可能发生中毒、爆炸、火灾等，会造成严重人员伤亡的事故，比如反应室过压、氢气泄漏、氢气管道压力过低等。二级警报是指有可能损坏设备或者造成工艺失败的事故，如流量、旋转、压力、温度参数偏差等，给出关键信息，提示故障状况，并由操作人员进行处理。可靠性设计的重要部分可以使用高一级的元件，关键部分采取冗余设计或者降额设计，提升MOCVD设备的可靠性。

2 现代MOCVD技术研究

国内外的MOCVD设备通常运用的是气态源输运方式，然后进行薄层制备。气态源MOCVD设备是以气态方式把MO源输运到反应室，通过气体流量来控制反应室中的MO源流量，用气态源MOCVD技术沉积一些功能性金属氧化薄层，但为了避免输运过程中出现分解的情况，要求选择的金属有机物应该具有较高的分子稳定性。部分功能性金属氧化物有非常复杂的组分，元素合成具有较高蒸气压的液态MO源物质或者气态MO源物质的难度较大，而蒸气压稳定性差的气体不能利用鼓泡器输送到反应室。

在薄层晶体生长过程中，MOCVD技术具有独特优势。第一，能够在低温中制备出较高纯度的薄膜材料，降低材料的本征杂质含量，减少了热缺陷。第二，薄膜材料能够达到原子级精度。第三，使用质量流量计可以控制化合物的掺杂量与组分情况。第四，能够高重复性、大面积及均匀的完成薄膜生长，可以用于工业化生产。第五，通过切换气源，可以改变反应物的比例与种类，薄膜生长的界面成分发生突变，以实现界面陡峭。MOCVD技术能够使化合物单晶薄膜在结构区域更加细微化，逐渐向膜厚超薄化、组分多元化方向发展。各种异质结材料逐渐增多，使得生长出来的半导体化物材料能够满足毫米波半导体器、新型微波、光电子器的要求。人们可以在原子尺度上设置材料结构参数，确定材料波函数与能带结构，以此制备出量子微结构材料。

3 MOCVD技术的应用

MOCVD技术经过长期发展，可以满足光电子技术和微电子技术的发展需要，也制备了inAs/inSb、GaInp/GaAs、GaInAsp/inp等多种类型的薄膜晶体材料系列。MOCVD技术解决了量大面广的低廉价格与高难度的生长技术之间的矛盾。MOCVD技术的发展和化合物半导体器件的制造、材料研究的需求密切相关，也促进了新型器件的研究制造。当前，多种化合物半导体器件的制备均运用到了MOCVD技术，如量子阱激光器、SEED、HFET、HEMT、垂直腔面激光器、微腔、高电子迁移率晶体管、激光器、场效应晶体管等，促进了光电子技术、微电子的发展。目前军事电装备中的高温半导体器、微波毫米器件以及光电子器件等也应用MOCVD与MBE技术，进行薄层材料生长。

4 结束语

MOCVD设备由五个部分组成，控制系统、气体输运及尾气处理系统、加热和冷却系统、反应腔结构等。现代MOCVD技术也广泛应用多个领域，如军事、微电子等，也可以用于光学器件、超导薄膜材料、半导体器件、高介电材料等薄膜薄膜材料的制备中。但 MOCVD技术

的重要缺陷是还未研制出实时在位监测生长过程技术。近几年来，提出的表面吸收谱方式可以实现在位监测，但不能广泛推广。总之，MOCVD技术是一种持续发展中的半导体超精细加工技术，其发展会在很大程度上促进光电子技术与微电子技术的发展，其应用前景也会更为广泛。

参考文献：

[1]文尚胜，廖常俊，范广涵，刘颂豪，邓云龙，张国东.现代MOCVD技术的发展与展望[J].华南师范大学学报（自然科学版），1999（03）：99-107.

[2]王卫星.MOCVD设备气体输运关键技术的研究[D].导师：刘胜，甘志银.华中科技大学，2008.