Metalorganická epitaxe v plynné fázi - Metalorganic vapour-phase epitaxy

Ilustrace procesu

Metalorganická epitaxe v plynné fázi (MOVPE), také známý jako organokovový epitaxe v plynné fázi (OMVPE) nebo metalorganická chemická depozice z plynné fáze (MOCVD),[1] je chemická depozice par metoda použitá k výrobě jednoduchých nebo polykrystalických tenkých filmů. Jedná se o proces pěstování krystalických vrstev za účelem vytvoření složitých polovodičových vícevrstvých struktur.[2] Na rozdíl od epitaxe molekulárního paprsku (MBE), růst krystaly je chemická reakce a ne fyzikální depozice. To se odehrává ne v vakuum, ale z plyn fáze při střední tlaky (10 až 760Torr ). Proto je tato technika upřednostňována pro vytváření zařízení s termodynamickým začleněním metastabilní slitiny,[Citace je zapotřebí ] a stal se hlavním procesem při výrobě optoelektronika, jako Diody vyzařující světlo. Byl vynalezen v roce 1968 v Severoamerické letectví (později Rockwell International ) Vědecké centrum od Harold M. Manasevit.

Základní principy

V MOCVD se ultračisté prekurzorové plyny vstřikují do reaktoru, obvykle s nereaktivním nosným plynem. Pro polovodič III-V, a metalorganic lze použít jako prekurzor skupiny III a hydrid pro prekurzor skupiny V. Například, fosfid india lze pěstovat s trimethylindium ((CH3)3V) a fosfin (PH3) prekurzory.

Jak se prekurzory blíží k polovodičová destička, podstoupí pyrolýza a poddruh absorbuje na povrch polovodičové destičky. Povrchová reakce poddruhu prekurzoru má za následek zabudování prvků do nové epitaxní vrstvy polovodičové krystalové mřížky. V režimu růstu omezeném transportem hmoty, ve kterém typicky pracují reaktory MOCVD, je růst řízen přesycením chemických látek v plynné fázi.[3] MOCVD může pěstovat filmy obsahující kombinace skupina III a skupina V, skupina II a skupina VI, skupina IV.

Požadovaná teplota pyrolýzy se zvyšuje s rostoucí chemická vazba síla předchůdce. Čím více atomů uhlíku je připojeno k centrálnímu atomu kovu, tím je vazba slabší.[4] Difúze atomů na povrchu substrátu je ovlivněna atomovými kroky na povrchu.

The tlak páry organického zdroje kovu skupiny III je důležitým kontrolním parametrem pro růst MOCVD, protože určuje rychlost růstu v režimu omezeném hromadným transportem. [5]

Složky reaktoru

Přístroj MOCVD

V technice nanášení organických par chemickými parami (MOCVD) se reaktivní plyny kombinují při zvýšených teplotách v reaktoru a způsobují chemickou interakci, což vede k ukládání materiálů na substrátu.

Reaktor je komora vyrobená z materiálu, který nereaguje s použitými chemikáliemi. Musí také odolat vysokým teplotám. Tuto komoru tvoří stěny reaktoru, vložka, a susceptor, vstřikovací jednotky plynu a jednotky regulace teploty. Stěny reaktoru jsou obvykle vyrobeny z nerezové oceli nebo křemene. Keramické nebo speciální brýle, jako je křemen, se často používají jako vložka v reaktorové komoře mezi stěnou reaktoru a susceptorem. Aby se zabránilo přehřátí, musí chladicí voda protékat kanály uvnitř stěn reaktoru. Substrát sedí na a susceptor který má regulovanou teplotu. Susceptor je vyroben z materiálu odolného vůči použitým metalorganickým sloučeninám; grafit se někdy používá. Pro pěstování nitridů a souvisejících materiálů je nezbytný speciální povlak, obvykle nitrid křemíku, na grafitovém susceptoru, aby se zabránilo korozi amoniakem (NH3) plyn.

Jedním typem reaktoru používaného k provádění MOCVD je reaktor se studenou stěnou. V reaktoru se studenou stěnou je substrát nesen podstavcem, který také působí jako susceptor. Podstavec / susceptor je primárním zdrojem tepelné energie v reakční komoře. Zahřívá se pouze susceptor, takže plyny nereagují dříve, než se dostanou na horký povrch destičky. Podstavec / susceptor je vyroben z materiálu absorbujícího záření, jako je uhlík. Naproti tomu stěny reakční komory v reaktoru se studenými stěnami jsou obvykle vyrobeny z křemene, který je do značné míry průhledný pro elektromagnetická radiace. Stěny reakční komory v reaktoru se studenou stěnou však mohou být nepřímo ohřívány teplem vyzařujícím z horkého podstavce / susceptoru, ale zůstanou chladnější než podstavec / susceptor a podklad, který podstavec / susceptor podporuje.

U CVD s horkou stěnou se ohřívá celá komora. To může být nutné, aby některé plyny byly před popraskáním před dosažením povrchu destičky umožněny, aby se nalepily na destičku.

Systém přívodu a přepínání plynu

Plyn se přivádí prostřednictvím zařízení známých jako „probublávače“. V bublině je nosný plyn (obvykle vodík v růstu arsenidu a fosfidu nebo dusík pro růst nitridů) probublává metalorganikem kapalný, který zachytí určitou metalorganickou páru a dopraví ji do reaktoru. Množství přepravované metalorganické páry závisí na rychlosti toku nosného plynu a na bublině teplota, a je obvykle řízen automaticky a nejpřesněji pomocí systému zpětné vazby plynu pro měření koncentrace ultrazvuku. Je třeba počítat s povolením nasycené páry.

Systém udržování tlaku

Systém odvodu a čištění plynu. Toxické odpadní produkty musí být přeměněny na kapalné nebo pevné odpady pro recyklaci (nejlépe) nebo likvidaci. V ideálním případě budou procesy navrženy tak, aby se minimalizovala produkce odpadních produktů.

Organokovové prekurzory

Polovodiče pěstované MOCVD

Polovodiče III-V

Polovodiče II-VI

IV Polovodiče

Polovodiče IV-V-VI

Životní prostředí, zdraví a bezpečnost

Jelikož se MOCVD stala zavedenou výrobní technologií, rostou stejně velké obavy ohledně jejího vlivu na bezpečnost personálu a komunity, dopadu na životní prostředí a maximálního množství nebezpečných materiálů (jako jsou plyny a metalorgany) přípustných při výrobě zařízení. Bezpečnost a zodpovědná péče o životní prostředí se staly hlavními faktory prvořadého významu v růstu krystalů složených polovodičů na bázi MOCVD. Jak se aplikace této techniky v průmyslu rozrostla, v průběhu let se rozrostla a vyvinula také řada společností, které poskytují doplňkové vybavení potřebné ke snížení rizika. Toto zařízení zahrnuje, ale není omezeno na počítačové automatizované systémy dodávky plynu a chemikálií, senzory čichání toxického a nosného plynu, které dokážou detekovat jednociferné množství ppb plynu, a samozřejmě redukční zařízení k úplnému zachycení toxických materiálů, které mohou být přítomny v růstu slitiny obsahující arsen, jako jsou GaAs a InGaAsP.[6]

Viz také

Reference

  1. ^ Epitaxe MOCVD, Johnson Matthey, GPT.
  2. ^ Jak funguje MOCVD. Technologie depozice pro začátečníky, Aixtron, květen 2011.
  3. ^ Gerald B. Stringfellow (2. prosince 2012). Organokovová epitaxe v plynné fázi: teorie a praxe. Elsevierova věda. str. 3–. ISBN  978-0-323-13917-5.
  4. ^ Základy a aplikace MOCVD, Samsung Advanced Institute of Technology, 2004.
  5. ^ Metalorganická chemická depozice z plynné fáze (MOCVD). Archivováno 27. září 2010, v Wayback Machine
  6. ^ Příklady najdete na webových stránkách společností Matheson Tri Gas, Honeywell, Applied Energy, DOD Systems