MOCVD精讲.ppt

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1、MetalOrganicChemicalVaporDeposition(MOCVD)外延层的构造(c)松弛的异质外延层衬底层外延层未形变的(b)形变的衬底层外延层形变的(a)晶格匹配的外延层衬底层晶格匹配同质外延的结构和晶格匹配的异质外延层相同外延的基本物理过程1.表面成核——对外延材料结构有最大影响的阶段是生长的最初阶段，这个阶段叫成核。当衬底表面只吸附少量生长物原子时，这些原子是不稳定的，很容易挣脱衬底原子的吸引，离开衬底表面。所以，要想在衬底表面实现外延材料的生长，首先由欲生长材料的原子（或分子）形成原子团，然后这些原子团不断吸收新的原子加入而逐渐长大成晶核。它们再进一步相互结

2、合形成连续的单晶薄层。成核与生长过程示意图2.表面动力学反应物到衬底后,通常发生下列过程:①反应物扩散到衬底表面;②反应物吸附到衬底表面;③表面过程（化学反应、迁移及并入晶格等；④反应附加产物从表面脱附；⑤附加产物扩散离开表面。每个步骤都有特定的激活能，因此，在不同外延温度下对生长速率的影响不同。表面过程如果不考虑生长速率，仅从外延质量来看上述过程③表面过程非常重要。沉积到衬底表面上的原子通常去寻找合适的位置落入，使得系统的总能量降至最低。对于实际表面，像表面台阶之类的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位置。（见下图）生长机制对于表面上存在许多淀积原子的情况，它们除了在表面处键合外，还相互

3、结合以进一步减少自由键的数目。外来的淀积原子不断加入小的原子群并形成大的聚集体。显然，当这些原子团继续生长时，它们自己就被看作是提供高结合能位置的表面缺陷，在淀积过程中进一步聚集原子生长。岛状生长模式（Volmer-Weber模式）层状生长模式（Frank-VanderMerwe模式）层状-岛状生长模式（Stranski-Krastanov模式）1、岛状生长(Volmer-Weber)模式：被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉

4、积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。2、层状生长（Frank-vanderMerwe)模式：当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式：在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。三种不同薄膜生长模式的示意图：导致生

5、长模式转变的三种物理机制1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。2、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式向岛状模式转变。注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候层状生长的自由能较低；但其后，岛状生长的自由能变低了，岛状生长反而变得更有利了。化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内

6、使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。从气相中析出的固体的形态主要有下列几种：在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒，在气体中生成粒子。化学气相沉积法(CVD)CVD技术的基本要求为适应CVD技术的需要，选择原料、产物及反应类型等通常应满足以下几点基本要求：(1)反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而易于挥发成蒸汽的液态或固态物质，且有很高的纯度；(2)通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物，而其他副产物均易挥

7、发而留在气相排出或易于分离；(3)反应易于控制。气体入口气体出口感应加热线圈衬底倾斜角CVD装置(卧式)硅片气体入口气体出口CVD装置(立式)2.CVD技术的热动力学原理化学气相沉积的五个主要的机构(a)反应物已扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附在基片的表面；(c)化学沉积反应发生；(d)部分生成物已扩散通过界面边界层；(e)生成物与反应物进入主气流里，并离开系统所谓边界层，就是流体及物体表面因流速、浓度、温度差距所形成的中间过渡范围。上图显示一个典型的