Металлоорганическая парофазная эпитаксия ( MOVPE ), также известная как металлоорганическая парофазная эпитаксия ( OMVPE ) или металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы ( MOCVD ), [1] представляет собой метод химического осаждения из паровой фазы, используемый для получения одно- или поликристаллических тонких пленок. Это процесс выращивания кристаллических слоев для создания сложных полупроводниковых многослойных структур. [2] В отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), рост кристаллов происходит путем химической реакции, а не физического осаждения. Это происходит не в вакууме , а из газовой фазы при умеренных давлениях (от 10 до 760 Торр ). Таким образом, этот метод предпочтителен для формирования устройств, включающих термодинамически метастабильные сплавы, [ требуется ссылка ] и он стал основным процессом в производстве оптоэлектроники , такой как светодиоды , его наиболее широко распространенное применение. [3] Впервые он был продемонстрирован в 1967 году в отделении Autonetics компании North American Aviation (позднее Rockwell International ) в Анахайме, Калифорния, Гарольдом М. Манасевитом .
В MOCVD сверхчистые газы-прекурсоры впрыскиваются в реактор, обычно с нереакционноспособным газом-носителем. Для полупроводника III-V в качестве прекурсора группы III может использоваться металлоорганическое соединение , а для прекурсора группы V — гидрид. Например, фосфид индия можно выращивать с прекурсорами триметилиндия ((CH 3 ) 3 In) и фосфина (PH 3 ).
По мере приближения прекурсоров к полупроводниковой пластине они подвергаются пиролизу , и подвиды абсорбируются на поверхности полупроводниковой пластины. Поверхностная реакция подвидов прекурсоров приводит к включению элементов в новый эпитаксиальный слой кристаллической решетки полупроводника. В режиме роста с ограниченным переносом массы, в котором обычно работают реакторы MOCVD, рост обусловлен пересыщением химических видов в паровой фазе. [4] MOCVD может выращивать пленки, содержащие комбинации группы III и группы V , группы II и группы VI , группы IV .
Требуемая температура пиролиза увеличивается с увеличением прочности химической связи прекурсора. Чем больше атомов углерода присоединено к центральному атому металла, тем слабее связь. [5] На диффузию атомов на поверхности подложки влияют атомные ступени на поверхности.
Давление паров органического источника металла III группы является важным параметром управления ростом MOCVD, поскольку оно определяет скорость роста в режиме, ограниченном массопереносом. [6]
В методе химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) реагирующие газы смешиваются при повышенных температурах в реакторе, вызывая химическое взаимодействие, в результате чего происходит осаждение материалов на подложке.
Реактор — это камера, изготовленная из материала, который не вступает в реакцию с используемыми химикатами. Он также должен выдерживать высокие температуры. Эта камера состоит из стенок реактора, футеровки, токоприемника , блоков впрыска газа и блоков контроля температуры. Обычно стенки реактора изготавливаются из нержавеющей стали или кварца. Керамические или специальные стекла , такие как кварц, часто используются в качестве футеровки в камере реактора между стенкой реактора и токоприемником. Для предотвращения перегрева охлаждающая вода должна протекать по каналам внутри стенок реактора. Подложка находится на токоприемнике, который находится при контролируемой температуре. Токоприемник изготовлен из материала, устойчивого к используемой температуре и металлоорганическим соединениям, часто он вытачивается из графита . Для выращивания нитридов и родственных материалов необходимо специальное покрытие, обычно из нитрида кремния или карбида тантала , на графитовом токоприемнике для предотвращения коррозии под воздействием аммиака (NH3 ) .
Одним из типов реакторов, используемых для проведения MOCVD, является реактор с холодной стенкой. В реакторе с холодной стенкой подложка поддерживается пьедесталом, который также действует как токоприемник. Пьедестал/токоприемник является основным источником тепловой энергии в реакционной камере. Нагревается только токоприемник, поэтому газы не реагируют, пока не достигнут поверхности горячей пластины. Пьедестал/токоприемник изготовлен из поглощающего излучение материала, такого как углерод. Напротив, стенки реакционной камеры в реакторе с холодной стенкой обычно изготовлены из кварца, который в значительной степени прозрачен для электромагнитного излучения . Однако стенки реакционной камеры в реакторе с холодной стенкой могут косвенно нагреваться теплом, излучаемым горячим пьедесталом/токоприемником, но будут оставаться холоднее, чем пьедестал/токоприемник и подложка, которую поддерживает пьедестал/токоприемник.
В CVD с горячей стенкой нагревается вся камера. Это может быть необходимо для того, чтобы некоторые газы были предварительно раздроблены перед достижением поверхности пластины, что позволит им прилипнуть к пластине.
Газ вводится через устройства, известные как «барботеры». В барботере газ-носитель (обычно водород при росте арсенидов и фосфидов или азот при росте нитридов) барботируется через металлоорганическую жидкость , которая подхватывает некоторое количество металлоорганических паров и переносит их в реактор. Количество транспортируемых металлоорганических паров зависит от скорости потока газа-носителя и температуры барботера и обычно контролируется автоматически и наиболее точно с помощью ультразвуковой системы управления газом с обратной связью, измеряющей концентрацию. Необходимо учитывать насыщенные пары .
Система выхлопа и очистки газа . Токсичные отходы должны быть преобразованы в жидкие или твердые отходы для переработки (предпочтительно) или утилизации. В идеале процессы будут разработаны для минимизации производства отходов.
Поскольку MOCVD стала общепризнанной производственной технологией, в равной степени растут опасения, связанные с ее влиянием на безопасность персонала и общества, воздействием на окружающую среду и максимальными количествами опасных материалов (таких как газы и металлоорганические соединения), допустимыми в операциях по изготовлению устройств. Безопасность, а также ответственная забота об окружающей среде стали основными факторами первостепенной важности при выращивании кристаллов сложных полупроводников на основе MOCVD. По мере того, как применение этой технологии в промышленности росло, ряд компаний также росли и развивались на протяжении многих лет, чтобы предоставлять вспомогательное оборудование, необходимое для снижения риска. Это оборудование включает, помимо прочего, автоматизированные компьютерные системы подачи газа и химикатов, датчики обнаружения токсичных и несущих газов, которые могут обнаруживать однозначные количества ppb газа, и, конечно, очистное оборудование для полного улавливания токсичных материалов, которые могут присутствовать при выращивании мышьяксодержащих сплавов, таких как GaAs и InGaAsP. [7]