1. MOCVD技术概论
1.1 MOCVD 基本原理
金属有机化学气相沉积（MOCVD，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）是一种利用金属有机化合物作为前驱体，通过气相输运并在加热衬底表面发生热分解反应，从而外延生长化合物半导体薄膜的关键技术。其核心在于将气相质量输运与表面化学反应精确耦合。
核心反应路径： 前驱体蒸发 → 气相输运 → 边界层扩散 → 表面吸附 → 热分解/化学反应 → 原子成核与薄膜生长 → 副产物脱附与排出。
MOCVD 反应通常遵循 Langmuir-Hinshelwood 或 Eley-Rideal 模型。在典型的 III-V 族材料生长中，反应可简化为：
R3-M(g) + EH3(g) → ME(s) + 3 RH(g)
其中 M = Ga, In, Al；E = As, P, N；R = CH3, C2H5生长速率由质量输运控制或表面动力学控制决定。在常规工艺窗口（衬底温度 500–800°C，反应器压力 50–760 Torr）下，生长速率通常由 III 族前驱体流量主导。
1.2 MOCVD 设备构成
MOCVD 设备是集精密流体控制、高温加热、真空与尾气处理于一体的复杂系统。下图展示了典型 MOCVD 反应腔的核心架构：
设备主要由以下子系统构成：
| 子系统 | 关键组件 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 前驱体输运 | 鼓泡器（Bubbler）、质量流量控制器（MFC）、载气（H₂/N₂） | 精确控制金属有机源与氢化物气体的摩尔流量 |
| 反应腔 | 喷淋头、衬底托盘、石英腔壁 | 提供均匀的气流分布与温度场，促进表面反应 |
| 加热与温控 | 电阻加热器/射频加热、热电偶、红外测温 | 维持衬底温度在 ±1°C 精度内 |
| 真空与尾气 | 干泵/罗茨泵、节流阀、颗粒过滤器、尾气洗涤 | 维持反应压力，去除未反应前驱体与副产物 |
| 自动化控制 | PLC、EPI 软件、安全互锁 | 实现工艺配方全自动运行与实时监控 |
1.3 工艺参数概述
MOCVD 工艺参数之间存在强耦合关系，直接影响薄膜的组分、掺杂浓度、厚度均匀性与晶体质量。下表总结了关键参数及其典型影响：
| 参数 | 典型范围 | 对薄膜质量的影响 |
|---|---|---|
| 衬底温度 | 500–800°C（III-V） 900–1100°C（III-N） |
决定前驱体分解效率、表面迁移率、杂质并入 |
| 反应压力 | 50–760 Torr | 影响气相成核、边界层厚度、均匀性 |
| V/III 比 | 10–5000 | 控制化学计量比、点缺陷密度、表面形貌 |
| 总流量 | 5–50 slm | 决定气体滞留时间、反应物补充速率 |
| 衬底转速 | 100–1500 RPM | 改善径向均匀性、抑制热对流 |
工程经验： 在调试 InGaN 多量子阱（MQW）时，温度每偏差 5°C 会导致 In 组分变化约 2%，进而使发光波长偏移 10–15 nm。因此，温控均匀性（ΔT < 2°C）是保证薄膜一致性的前提。
1.4 在化合物半导体中的应用
MOCVD 是化合物半导体产业的核心制造技术，覆盖从光电子到微电子的广泛领域。下图展示了 MOCVD 技术的主要应用分支：
在具体应用中，MOCVD 的优势体现在：
- 组分精确可控： 通过调节前驱体流量比，可实现 InGaN、AlGaAs 等三元/四元合金的连续组分调控。
- 大面积均匀性： 量产型设备（如 Aixtron G5、Veeco Propel）可在 6–8 英寸衬底上实现厚度不均匀性 < 2%。
- 界面陡峭： 通过快速切换气体（如使用 Run/Vent 阀组），可生长原子级陡峭的异质结界面。
- 掺杂灵活性： 可原位实现 n 型（Si、Te）与 p 型（Mg、C）掺杂，掺杂浓度范围 1×10¹⁶–1×10²⁰ cm⁻³。
工艺挑战： 在生长 AlGaN/GaN HEMT 结构时，C 杂质背景浓度需控制在 < 1×10¹⁶ cm⁻³，否则会严重影响二维电子气（2DEG）的迁移率与阈值电压稳定性。这要求前驱体纯度 > 6N 且反应腔本底真空 < 1×10⁻⁶ Torr。