MOCVD技術(shù)在光電薄膜中的應(yīng)用

導(dǎo)讀: 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(huì)給微電子技術(shù)和光電子技術(shù)帶來(lái)更廣闊的前景。

一、引言

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展以及高速光電信息時(shí)代的來(lái)臨，LPE、VPE等技術(shù)在半導(dǎo)體業(yè)生產(chǎn)中的作用越來(lái)越小;MBE與MOCVD技術(shù)相比，由于其設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格更昂貴，生長(zhǎng)速度慢，且不適pC-長(zhǎng)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(guó)洛克威公司的Manasevit等人提出制備化臺(tái)物單晶薄膜的一項(xiàng)新技術(shù);到80年代初得以實(shí)用化。經(jīng)過(guò)近20年的飛速發(fā)展，成為目前半導(dǎo)體化臺(tái)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(diǎn)

國(guó)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(duì)送入反應(yīng)室的MO源流量也以控制氣體流量來(lái)進(jìn)行控制。因此，它對(duì)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(guò)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(guò)鼓泡器(bubbler)由載氣氣體輸運(yùn)到反應(yīng)室。

然而采用液態(tài)源輸送的方法，是目前國(guó)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(guò)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(diǎn)是簡(jiǎn)化了源輸送方式，對(duì)源材料的要求降低，便于實(shí)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(diǎn)

MOCVD技術(shù)在薄膜晶體生長(zhǎng)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

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(jí)精度控制薄膜的厚度;

3、采用質(zhì)量流量計(jì)易于控制化合物的組分和摻雜量;

4、通過(guò)氣源的快速無(wú)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(zhǎng)界面成份突變。實(shí)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(zhǎng)。適用于工業(yè)化生產(chǎn);

正是MOCVD這些優(yōu)勢(shì)(與MBE技術(shù)一起)。使化合物單晶薄膜的生長(zhǎng)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(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)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(jì)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(shí)代。人們已經(jīng)能夠在原子尺度上設(shè)計(jì)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(diǎn)，它與MBE設(shè)備一樣價(jià)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(shí)不可避免地對(duì)人體及環(huán)境產(chǎn)生一定的危害。這些都無(wú)形中增加了制備成本。對(duì)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(zhǎng)壓力;但是所配置的泵要有較大的氣體流量承載量。MOCVD生長(zhǎng)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(jì)和使用時(shí)要考慮到這些因素，做好安全防護(hù)措。對(duì)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(shí)制備不同材料的薄膜。對(duì)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(diǎn)，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(wèn)題，對(duì)源材料要求降低，便于實(shí)現(xiàn)金屬氧化物薄膜中多種薄膜的交替沉積。國(guó)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(yùn)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(guò)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(gè)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(zhǎng)技術(shù)與量大面廣所要求的低廉價(jià)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(guò)來(lái)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(jí)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(yáng)能電池、激光器、光探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及發(fā)光二極管(LED)，極大地推動(dòng)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(zhǎng)，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(guó)家的安全和營(yíng)造經(jīng)濟(jì)建設(shè)的和平環(huán)境，不斷提高我國(guó)軍事力量，是關(guān)系到國(guó)家安危頭等大事。國(guó)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(shì)

目前的主要發(fā)展趨勢(shì)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(diǎn)材料和器件研究十分火熱。量子阱器件、量子點(diǎn)激光器已問(wèn)世，其發(fā)展?jié)摿o(wú)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;