Металлоорганическая парофазная эпитаксия
Металлоорганическая парофазная эпитаксия ( MOVPE ), также известная как металлоорганическая парофазная эпитаксия ( OMVPE ) или металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы ( MOCVD ), [1] — метод химического осаждения из паровой фазы , используемый для получения тонких моно- или поликристаллических пленок. Это процесс выращивания кристаллических слоев для создания сложных полупроводниковых многослойных структур. [2] В отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), рост кристаллов осуществляется путем химической реакции, а не физического осаждения. Это происходит не в вакууме , а из газовой фазы при умеренных давлениях (от 10 до 760 Торр ). По существу, этот метод предпочтителен для создания устройств, включающих термодинамически метастабильные сплавы. [ нужна ссылка ] и это стало основным процессом в производстве оптоэлектроники , такой как светоизлучающие диоды , ее наиболее распространенном применении. [3] Впервые он был продемонстрирован в 1967 году в подразделении Autonetics North American Aviation (позже Rockwell International ) в Анахайме, Калифорния, Гарольдом М. Манасевитом .
Основные принципы
[ редактировать ]При MOCVD сверхчистые газы-прекурсоры впрыскиваются в реактор, обычно с нереакционноспособным газом-носителем. Для полупроводника III-V в качестве предшественника группы III можно использовать металлорганический элемент , а в качестве предшественника группы V - гидрид. Например, фосфид индия можно выращивать с использованием предшественников триметилиндия ((CH 3 ) 3 In) и фосфина (PH 3 ).
Когда предшественники приближаются к полупроводниковой пластине , они подвергаются пиролизу , и подвиды абсорбируются поверхностью полупроводниковой пластины. Поверхностная реакция подвида-предшественника приводит к включению элементов в новый эпитаксиальный слой кристаллической решетки полупроводника. В режиме роста с ограничением массопереноса, в котором обычно работают реакторы MOCVD, рост обусловлен перенасыщением химических веществ в паровой фазе. [4] MOCVD позволяет 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 по поверхности подложки влияют ступеньки атомов на поверхности.
Давление пара металлоорганического источника группы III является важным параметром управления MOCVD-ростом, поскольку оно определяет скорость роста в режиме, ограниченном массопереносом. [6]
Компоненты реактора
[ редактировать ]
В методе химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) газы-реагенты объединяются при повышенных температурах в реакторе, вызывая химическое взаимодействие, приводящее к осаждению материалов на подложку.
Реактор представляет собой камеру, изготовленную из материала, который не вступает в реакцию с используемыми химическими веществами. 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. В качестве прокладки в камере реактора между стенкой реактора и токоприемником часто используют керамику или специальные стекла , например кварцевые. Чтобы предотвратить перегрев, охлаждающая вода должна течь по каналам внутри стенок реактора. Подложка располагается на токоприемнике , температура которого контролируется. Токоприемник изготавливается из материала, устойчивого к температуре и используемым металлорганическим соединениям, часто его изготавливают 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 действием газообразного аммиака (NH 3 ).
Одним из типов реакторов, используемых для проведения MOCVD, является реактор с холодной стенкой. В реакторе с холодными стенками подложка поддерживается пьедесталом, который также действует как токоприемник. Пьедестал/токоприемник является основным источником тепловой энергии в реакционной камере. Нагревается только токоприемник, поэтому газы не вступают в реакцию до того, как достигнут горячей поверхности пластины. Подставка/токоприемник изготовлен из поглощающего излучение материала, такого как углерод. Напротив, стенки реакционной камеры в реакторе с холодными стенками обычно изготавливаются из кварца, который в значительной степени прозрачен для электромагнитного излучения . Однако стенки реакционной камеры в реакторе с холодными стенками могут косвенно нагреваться за счет тепла, излучаемого от горячего пьедестала/токоприемника, но будут оставаться холоднее, чем пьедестал/токоприемник и подложка, которую поддерживает пьедестал/токоприемник.
При CVD с горячими стенками вся камера нагревается. Это может быть необходимо для предварительного крекинга некоторых газов перед достижением поверхности пластины, чтобы они могли прилипнуть к пластине.
Система подвода и переключения газа
[ редактировать ]Газ подается через устройства, известные как «барботеры». В барботере газ-носитель (обычно водород при росте арсенида и фосфида или азот при росте нитридов) барботируется через металлоорганическую жидкость , которая улавливает некоторое количество паров металлоорганических соединений и транспортирует их в реактор. Количество транспортируемых паров металлоорганических соединений 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 для измерения концентрации. Необходимо учитывать насыщенные пары .
Система поддержания давления
[ редактировать ]Система удаления и очистки газов . Токсичные отходы должны быть преобразованы в жидкие или твердые отходы для переработки (предпочтительно) или утилизации. В идеале процессы должны быть разработаны так, чтобы свести к минимуму производство отходов.
Металлоорганические прекурсоры
[ редактировать ]- Алюминий
- Триметилалюминий (ТМА или ТМАл), жидкость
- Триэтилалюминий (TEA или TEAl), жидкость
- Галлий
- Триметилгаллий (TMG или TMGa), жидкость
- Триэтилгаллий (TEG или TEGa) , жидкость
- Индий
- Триметилиндий (TMI или TMIn), твердый
- Триэтилиндий (TEI или TEIn), жидкость
- Диизопропилметилиндий (DIPMeIn) , жидкость
- Этилдиметилиндий (ЭДМИн) , жидкость
- германий
- Изобутилгерман (IBGe) , жидкость
- Диметиламиногерманий трихлорид (DiMAGeC), жидкость
- Тетраметилгерман (TMGe) , жидкость
- Тетраэтилгерманий (TEGe), жидкость
- Немецкий GeH 4 , Газ
- Азот
- Фенилгидразин , Жидкость
- Диметилгидразин (DMHy), жидкость
- Третичныйбутиламин (ТБАм), жидкость
- Аммиак NH 3 , Газ
- Фосфор
- Фосфин PH 3 , Газ
- Трет-бутилфосфин (TBP) , жидкость
- Бисфосфиноэтан (БПЭ), жидкость
- Мышьяк
- Арсин AsH 3 , Газ
- Трет-бутиларсин (ТБА), жидкость
- Моноэтиларсин (МЭА), жидкость
- Триметиларсин (ТМА), жидкость
- Сурьма
- Триметилсурьма (TMSb), Жидкость
- Триэтилсурьма (ТЭСб), Жидкость
- Триизопропиловая сурьма (TIPSb), жидкость
- Стибин SbH 3 , Газ
- Кадмий
- Диметилкадмий (DMCd) , жидкость
- Диэтилкадмий (DECd), жидкость
- Метилаллилкадмий (MACd), жидкость
- Теллур
- Диметилтеллурид (DMTe), жидкость
- Диэтилтеллурид (DETe), жидкость
- Диизопропилтеллурид (DIPTe) , жидкость
- Титан
- Алкоксиды , такие как изопропоксид титана или этоксид титана.
- Селен
- Диметилселенид (DMSe) , жидкость
- Диэтилселенид (DESe), жидкость
- Диизопропилселенид (DIPSe), жидкость
- Ди-трет-бутилселенид (DTBSe), жидкость
- Цинк
- Диметилцинк (ДМЗ), жидкость
- Диэтилцинк (ДЭЗ), жидкость
Полупроводники, выращенные методом MOCVD
[ редактировать ]Полупроводники III-V
[ редактировать ]- АлН
- АлП
- АлГаН
- АлГаП
- AlGaAs
- АлГаСб
- АлГаИнП
- АлИнСб
- GaSb
- GaAsP
- GaAsSb
- GaAs
- ГаН
- Зазор
- ИнАлАс
- ИнАлП
- InSb
- GaSb
- ИнГаН
- Выше
- GaInAlN
- GaInAsN
- GaInAsP
- GaInAs
- GaInP
- Гостиница
- ИнП
- InAs
- ИнАсСб
- АлИнН
Полупроводники II-VI
[ редактировать ]IV Полупроводники
[ редактировать ]Полупроводники IV-V-VI
[ редактировать ]Окружающая среда, здоровье и безопасность
[ редактировать ]Поскольку MOCVD стала хорошо зарекомендовавшей себя технологией производства, в равной степени растут опасения, связанные с ее влиянием на безопасность персонала и общества, воздействие на окружающую среду и максимальное количество опасных материалов (таких как газы и металлорганические соединения), допустимых при производстве 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 этого метода в промышленности расширялось, ряд компаний также росли и развивались с годами, предоставляя вспомогательное оборудование, необходимое для снижения риска. Это оборудование включает, помимо прочего, компьютерные автоматизированные системы подачи газа и химикатов, датчики обнаружения токсичных газов и газов-носителей, которые могут обнаруживать однозначные количества газа в миллиардах, и, конечно же, оборудование для снижения выбросов для полного улавливания токсичных материалов, которые могут присутствовать в росте газов. мышьяксодержащие сплавы, такие как GaAs и InGaAsP. [7]
См. также
[ редактировать ]- Нанесение атомного слоя
- Очиститель водорода
- Список полупроводниковых материалов
- Металлоорганика
- Молекулярно-лучевая эпитаксия
- Тонкопленочное осаждение
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эпитаксия MOCVD , Джонсон Матти, GPT.
- ^ Как работает MOCVD. Технология осаждения для начинающих, Aixtron, май 2011 г.
- ^ Касап, Сафа; Кэппер, Питер (август 2007 г.). Справочник Springer по электронным и фотонным материалам . Спрингер. ISBN 978-0-387-29185-7 .
- ^ Джеральд Б. Стрингфеллоу (2 декабря 2012 г.). Металлоорганическая парофазная эпитаксия: теория и практика . Эльзевир Наука. стр. 3–. ISBN 978-0-323-13917-5 .
- ^ Основы и приложения MOCVD, Samsung , 2004. Передовой технологический институт
- ^ Химическое осаждение из паровой фазы металлорганических соединений (MOCVD) . Архивировано 27 сентября 2010 г. в Wayback Machine.
- ^ Примеры см. на веб-сайтах Matheson Tri Gas, Honeywell, Applied Energy, DOD Systems.