ＬＥＤ结构生长原理以及ＭＯＣＶＤ外延系统的介绍

ＬＥＤ结构生长原理以及ＭＯＣＶＤ外延系统的介绍

第一章 外延在光电产业角色

近十几年来为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管ＬＥＤ及激光二级管ＬＤ的应用无不说明了Ⅲ－Ⅴ族元素所蕴藏的潜能，表?１－１?为目前商品化ＬＥＤ之材料及其外延技术，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓?ＧａＡｓＰ?材料为主。ＭＯＣＶＤ机台是众多机台中最常被使用来制造ＬＥＤ之机台。而ＬＥＤ或是ＬＤ亮度及特性的好坏主要是在于其发光层品质及材料的好坏，发光层主要的组成不外乎是单层的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井?Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ?或是多层的量子井?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ?，而尽管制造ＬＥＤ的技术一直在进步但其发光层?ＭＱＷ?的品质并没有成正比成长，其原是发光层中铟?Ｉｎｄｉｕｍ?的高挥发性和氨?ＮＨ３?的热裂解效率低是ＭＯＣＶＤ机台所难于克服的难题，氨气ＮＨ３与铟Ｉｎｄｉｕｍ的裂解须要很高的裂解温度和极佳的方向性才能顺利的沉积在ＩｎＧａＮ的表面。但要如何来设计适当的ＭＯＣＶＤ机台为一首要的问题而解决此问题须要考虑下列因素：?１?要能克服ＧａＮ 成长所须的高温?２?要能避免ＭＯ Ｇａｓ?金属有机蒸发源?与ＮＨ３在预热区就先进行反应?３?进料流速与薄膜长成厚度均。一般来说ＧａＮ的成长须要很高的温度来打断ＮＨ３之Ｎ－Ｈ的键解，另外一方面由动力学仿真也得知ＮＨ３和ＭＯ Ｇａｓ会进行反应产生没有挥发性的副产物。了解这些问题之后要设计适当的ＭＯＣＶＤ外延机台的最主要前题是要先了解ＧａＮ的成长机构，且又能降低生产成本为一重要发展趋势。

第二章 MOCVD之原理

ＭＯＣＶＤ反应为一非平衡状态下成长机制，其原理为利用有机金属化学气相沉积法?ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ?ＭＯＣＶＤ?是一种利用气相反应物，或是前驱物?ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ?和Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的ＮＨ３，在基材?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?表面进行反应，传到基材?衬底?表面固态沉积物的制程。ＭＯＣＶＤ 利用气相反应物间之化学反应将所需产物沉积在基材?衬底?表面的过程，蒸镀层的成长速率和性质?成分、晶相?会受到温度、压力、反应物种类、反应物浓度、反应时间、基材?衬底?种类、基材?衬底?表面性质等巨观因素影响。温度、压力、反应物浓度、反应物种类等重要的制程参数需经由热力学分析计算，再经修正即可得知。

反应物扩散至基材?衬底?表面、表面化学反应、固态生成物沉积与气态产物的扩散脱离等微观的动力学过程对制程亦有不可忽视的影响。ＭＯＣＶＤ 化学反应机构有?反应气体在基材?衬底?表面膜的扩散传输、反应气体与基材?衬底?的吸附、表面扩散、化学反应、固态生成物之成核与成长、气态生成物的脱附过程等，其中速率最慢者即为反应速率控制步骤，亦是决定沉积膜组织型态与各种性质的关键所在。

ＭＯＣＶＤ对镀膜成分、晶相等品质容易控制，可在形状复杂的基材?衬底?上形成均匀镀膜，结构密致，附着力良好之优点，因此ＭＯＣＶＤ已经成为工业界主要的镀膜技术。ＭＯＣＶＤ制程依用途不同，制程设备也有相异的构造和型态。整套系统可分为?

1.进料区

进料区可控制反应物浓度。气体反应物可用高压气体钢瓶经ＭＦＣ 精密控制流量，而固态或液态原料则需使用蒸发器使进料蒸发或升华，再以Ｈ２、Ａｒ等惰性气体作为ｃａｒｒｉｅｒ而将原反应物带入反应室中。[Page]

2.反应室

反应室控制化学反应的温度与压力。在此反应物吸收系统供给的能量，突破反应活化能的障碍开始进行反应。依照操作压力不同，ＭＯＣＶＤ 制程可分为?Ｉ? 常压ＭＯＣＶＤ ?ＡＰＣＶＤ??ｉｉ?低压ＭＯＣＶＤ ?ＬＰＣＷＤ??ｉｉｉ?超低压ＭＯＣＶＤ ?ＳＬＣＶＤ?。

依能量来源区分为热墙式和冷墙式，如分如下?
（Ⅰ）热墙式?由反应室外围直接加热，以高温为能量来源
（ＩＩ）等离子辅助ＭＯＣＶＤ

3.废气处理系统

通常以淋洗塔、酸性、碱性、毒性气体收集装置、集尘装置和排气淡化装置组合成为废气处理系统，以吸收制程废气，排放工安要求，对人体无害的气体。

一般来说，一组理想的ＭＯＣＶＤ 反应系统必需符合下列条件?
ａ．提供洁净环境。
ｂ反应物于抵达基板?衬底?之前以充分混合，确保膜成分均匀。
ｃ．反应物气流需在基板?衬底?上方保持稳定流动，以确保膜厚均匀。
ｄ．反应物提供系统切换迅速能长出上下层接口分明之多层结构。
ＭＯＣＶＤ近来也有触媒制备及改质和其它方面的应用，如制造超细晶体和控制触媒得有效深度等。在可预见的未来里，ＭＯＣＶＤ制程的应用与前景是十分光明的。

第三章 MOCVD 机台之系列介绍

现在用来生产ＧａＮ ＬＥＤ的ＭＯＣＶＤ外延机台大至可分为几类如下列：?１?双向流系统Ｔｗｏ－Ｆｌｏｗ ＭＯＣＶＤ Ａｐｐｒｏａｃｈ ?２?高速垂直流向系统Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｔｙｐｅ ?３?封闭式旋转盘外延系统Ｃｌｏｓｅｄ ｓｐａｃｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｄｉｓｃ ｔｙｐｅ ?４?放射状横向流系统Ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒａｄｉａｌ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｌｏｗ?５?日本酸素横向三向流系统Ｎｉｐｐｏｎ Ｓａｎｓｏ?Ｔｈｒｅｅ－Ｆｌｏｗ ＭＯＣＶＤ Ａｐｐｒｏａｃｈ?等等。

１? Ｔｗｏ－Ｆｌｏｗ ＭＯＣＶＤ Ａｐｐｒｏａｃｈ

其水平进料气体为Ｎ２、ＮＨ３、ＴＭＧ等气体，垂直方向进料气体为Ｈ２和Ｎ２。其优点为让外延所成长出的膜均匀且厚度均一，其主要原理是利用垂直方向的Ｈ２和Ｎ２气体将其水平方向的进料气体Ｎ２、ＮＨ３、ＴＭＧ等气体往下压使其反应均匀减少反应不均匀而导致影响ＬＥＤ特性。

２?Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｔｙｐｅ

此类反应器为Ｃｏｌｄ－ｗａｌｌ，其反应之原理为将进料气体Ｇｒｏｕｐ－Ⅲ及Ｇｒｏｕｐ－Ⅴ气体由上而下进入反应器内高温下高速转动的基板?衬底?上进行反应，而外延片在Ｌｏａｄ Ｌｏｃｋ部份先进抽真空之步骤，可使外延效果均匀及均一，另外的优点为机台且在高转速?１５００ｒｐｍ?下可使边界层之ｃｏａｔｉｎｇ变薄，反应器空间较大可以一次生产六片以上之外延片可做为量产型之机台。

３?Ｃｌｏｓｅｄ ｓｐａｃｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｄｉｓｃ ｔｙｐｅ

此类反应器为密闭空间之反应器，其反应之原理为将进料气体Ｇｒｏｕｐ－Ⅲ由上而下进入反应器，Ｇｒｏｕｐ－Ⅴ气体由水平方向进入反应器内。气体在高温下、高速转动的基板?衬底?上进行反应，而外延片与反应器之顶端距离约１ｃｍ，这代表可供气体反应的空间只有这么小；可使磊晶效果更加的均匀及均一。其原因为因外延片与反应气体进口之距离不大，其气体的反应空间不大，远比别种反应器小了许多，外延的效果比其它的ＭＯＣＶＤ机台来的不错。[Page]

４?Ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒａｄｉａｌ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｌｏｗ

而各式各样的ＭＯＣＶＤ机台随着所须求的ＬＥＤ特色不同而有不同之设计。而所要考虑的原因有基材衬底的材质、反应温度、进料气体的影响及一些未知的变因。

５?Ｎｉｐｐｏｎ Ｓａｎｓｏ?Ｔｈｒｅｅ－Ｆｌｏｗ ＭＯＣＶＤ Ａｐｐｒｏａｃｈ?

为日本酸素所生产之ＭＯＣＶＤ机台，也是目前日本公司大部分所使用之机台。日本酸素之机台非量产型之机台，一次只能生产一片但其性能良好可生产高品质激光二级管都没问题。机台之操作条件：在常压及低压都可操作、控温精准，在进料气体方面其主要是将ＮＨ３、ＭＯ Ｇａｓ、Ｎ２平行入反应器，其利用Ｎ２来稳定ＮＨ３、ＭＯ Ｇａｓ之均匀混合来达到最佳之磊晶状晶效果。

第四章 回顾与前瞻

ＭＯＣＶＤ技术引入中国不过是最近几年的事，但到目前为止也仅止于一些小小的突破，技术上离欧美日甚至台湾都还有一段相当大的距离，笔者从事外延与芯片制造及研发已有相当的时间，深知外延技术的成功需要具备下列几个条件方能成熟，第一?对设备的精确掌握，不论是何种机台掌握其硬件是生产顺利的不二法门，ＭＯＣＶＤ更是如此，由于各项成本很高，保养周期以及配件的准备充分都很重要。第二?外延原理的掌握，材料的成长需要具备物理、材料学和分析技术三项基本功夫，能掌握这些，材料的生长就可具备一定的能力。第三?持之以恒的实验精神，外延结果需要恒心的等待，因为除了基本的分析外，结果的观察与纪录，作成芯片结果的分析，都需要耐心与恒心。此次将外延系统作一个简单的介绍希望可以对刚入门的工程师有一些帮助。

来源：中国半导体照明网