对比分子束外延（MBE）与金属有机化学气相外延（MOCVD）技术

来源：III-V EPi

编译：化合物半导体杂志

分子束外延(MBE)和金属有机化学气相外延 (MOCVD) 是用于针对III-V族半导体合成的不同类型的外延生长技术。这两种技术均将原子逐层沉积到衬底或半导体晶圆上。它们生产具有精确成分和厚度的薄晶体层和半导体异质结构，以提供所需的特定光电特性和设备性能。在本文中，III-V Epi 首席技术官兼英国阿斯顿光子技术研究所(AIPT)光子学教授 Richard Hogg 教授和 III-V Epi 外延总监Neil Gerrard 博士对比两种技术并探索了它们最适合的应用范围。

工作原理

MBE 和 MOCVD 反应器均在专业的洁净室环境中运行，并使用同一套计量工具进行晶圆特性分析。固体源 MBE 使用在喷射室中加热的高纯度元素前驱体来产生分子束以实现沉积，并使用液氮进行冷却。MOCVD 是一种化学气相工艺，使用超纯气源进行沉积，需要处理和消除有毒气体。两种技术都可以在某些材料系统（如砷化物）中产生相同的外延。本文探讨了针对特定材料、工艺和市场，应该选择应用哪种技术。

分子束外延 (MBE)

MBE反应器通常包括一个样品传送室和一个生长室，样品传送室与空气相通，用于装载和卸载晶圆衬底，生长室用于传送衬底进行外延生长。第二个生长室通常是密封的，仅在维护时才与空气相通。MBE反应器在超高真空 (UHV) 条件下运行，以防止空气分子污染。如果反应器与空气接触，可以通过加热反应器来加速排出这些污染物。

通常，MBE反应器中的外延源材料是固体半导体或金属。这些材料在喷射室中被加热到超过其熔点，这一过程称为源材料蒸发。在这里，原子或分子通过小孔径被驱入 MBE 真空室，从而产生高度定向的分子束。分子束撞击加热的衬底；衬底通常由单晶材料制成，如硅、砷化镓或其他半导体。如果分子不解吸，它们将扩散到衬底表面，促进外延生长。然后逐层构建外延，每层的成分和厚度都经过精心控制，以实现所需的光学和电学特性。

将衬底安装在生长室内部中央，置于一个加热支架上，支架四周环绕着低温屏蔽板，面向扩散室和挡板系统。旋转支架以提供均匀的沉积和外延厚度。低温屏蔽板是液氮冷却板，可捕获腔内之前未捕获到的衬底表面污染物和原子。污染物可能来自高温下衬底的解吸或分子束的“过量填充”。

超高真空MBE反应室可使用原位监测设备来控制沉积过程。反射高能电子衍射 (RHEED) 用于监测生长表面。激光反射、热成像和化学分析（质谱法、俄歇光谱法）可分析蒸发材料的成分。其他传感器用于测量温度、压力和生长率，以实时调整工艺参数。

生长速率与调整

外延生长速度通常约为每秒 1/3 个单层（0.1nm，1 Å），受通量速率和衬底温度的影响。这些参数在MBE反应器内独立调整和监控，以优化外延工艺：

• 通量率是到达衬底表面的原子数量，由源温度控制。
• 衬底温度影响衬底表面原子的扩散特性及其解吸特性，受衬底热量控制。

通过使用机械快门系统控制生长速率和不同材料的供应，可以可靠且反复生长三元和四元合金和多层结构。沉积后，缓慢冷却衬底材料以避免热应力，并进行测试以表征其晶体结构和特性。

MBE的材料特性

MBE所采用的III-V族材料体系的特点是：

• 硅：在硅衬底上生长需要极高的温度以确保氧化物解吸（>1000C），这意味着需要专门的加热器和晶圆支架。晶格常数和膨胀系数不匹配的问题使硅上的 III-V 族生长成为一个活跃的研发课题。
• 锑：对于III-Sb族半导体，必须使用低衬底温度以避免从表面解吸。高温下也可能出现“非同余”，其中一种原子可能优先蒸发，留下非化学计量材料。
• 磷：对于 III-P族合金，磷会沉积在腔室内部，清理过程十分耗时，这可能会导致短时间生产无法进行。
• 应变层通常需要较低的衬底温度来减少原子的表面扩散，从而降低层松弛的可能性。这可能会导致缺陷，因为沉积原子的流动性会降低，从而在外延中留下间隙，这些间隙可能会被封进内部并导致故障。

金属有机化学气相外延 (MOCVD)

MOCVD 反应器具有高温水冷反应室。将衬底放置在石墨基座上，该基座通过射频、电阻或红外加热进行加热。反应气体垂直注入衬底上方的工艺室中。通过优化温度、气体注入、总气体流量、基座旋转和压力来实现层均匀性。载气为氢气或氮气。

为了沉积外延层，MOCVD 使用非常高纯度的金属有机前驱体，例如，对于 III 族元素，使用三甲基镓作为镓的前驱体或三甲基铝作为铝的前驱体，对于 V 族元素，使用氢化物气体（砷化氢和磷化氢）。金属有机物包含在气流鼓泡器中。注入工艺室的浓度由流经鼓泡器的金属有机物和载气流的温度和压力决定。

试剂在生长温度下在衬底表面充分分解，释放出金属原子和有机副产物。通过调整试剂浓度来产生不同的 III-V 合金结构，并配有运行/排气切换系统来调整蒸汽混合物。

衬底通常是半导体材料的单晶圆，例如砷化镓、磷化铟或蓝宝石。衬底被装载到反应室内的基座上，前驱体气体被注入基座上。大部分蒸发的金属有机物和其他气体未经改变地穿过加热的生长室，但一小部分会发生热解（通常称为“裂解”），形成亚种材料，这些材料会吸附在热基底的表面上。然后，表面反应导致 III-V 元素融入外延层。或者，可能会发生表面解吸，将未使用的试剂和反应产物从腔室中抽出。此外，一些前驱体可能会引起表面的“负生长”蚀刻，例如在 GaAs/AlGaAs 的碳掺杂中，以及使用专用蚀刻剂源。通过旋转基座，确保外延的成分和厚度一致。

MOCVD反应器所需的生长温度主要由前驱体所需的热解决定，然后根据表面迁移率进行优化。生长速率由起泡器中 III 族金属有机源的蒸气压决定。表面扩散受表面原子台阶的影响，因此经常使用取向错误的衬底。硅衬底上的生长需要非常高的温度阶段来确保氧化物解吸（>1000C），需要专业的加热器和晶圆衬底支架。

反应器的真空压力和几何形状意味着现场监测技术与 MBE 不同，MBE 通常具有更多选项和可配置性。对于MOCVD，发射率校正高温计用于原位晶圆表面温度测量（而不是远程热电偶测量）；反射率可以分析表面粗糙度和外延生长速率；晶圆弯曲通过激光反射测量；并且可以通过超声波气体监测测量所提供的有机金属浓度，以提高生长过程的准确性和复现性。

通常，含铝合金在较高温度下生长（>650C），而含磷层则在较低温度下生长（<650C），但 AlInP可能存在例外。对于用于通信的 AlInGaAs 和 InGaAsP 合金，砷化氢的裂解温度差异使工艺控制比磷化氢更简单。然而，对于外延再生长，即蚀刻活性层时，磷化氢是首选。对于锑化物材料，由于缺乏合适的前驱体源，碳会意外（通常是不想要的）混入 AlSb，这限制了合金的选择，从而限制了 MOCVD 对锑化物生长的吸收。

对于高应变层，由于能够常规利用砷化物和磷化物材料，因此可以实现应变平衡和补偿，例如 GaAsP 势垒和 InGaAs 量子阱。

材料选择——MBE 和 MOCVD

[1] 利用 MBE 制造的量子点激光器将波长选项从~1100nm 扩展到~1300nm。

[2] InP 衬底上的 MBE 生长是常规做法，但磷材料的沉积要求在安全打开腔室之前进行腔室“清理”过程。

[3] 通过 MOCVD 进行外延再生长是常规做法，可以实现多个步骤。

[4] AlSb 中含有大量的碳，限制了通过 MOCVD 进行 Sb 外延的选择，而 MBE 则占主导地位。

[5] 需要特殊的高温加热元件来解吸硅上的天然氧化物，因此这对于 MBE 或 MOCVD 来说是不可行的。

小结

MBE 通常比 MOCVD 具有更多的原位监测选择。外延生长通过分别控制的通量率和衬底温度进行调整，配合相关的原位监测，可以更清晰、更直接地了解生长过程。

MOCVD 是一种用途广泛的技术，通过改变前驱体化学性质，可用于沉积多种材料，包括化合物半导体、氮化物和氧化物。精确控制生长过程可制造复杂的半导体器件，并具有适合电子、光子和光电子应用的定制特性。MOCVD腔体清理时间比MBE更快。

MOCVD 非常适合DFB、埋入式异质结构器件和对接波导的再生长。这可能包括半导体的原位蚀刻。因此，MOCVD 是单片InP集成的理想选择。尽管GaAs中的单片集成尚处于起步阶段，但 MOCVD 可以实现选择区域生长，其中介电掩模区域有助于间隔发射/吸收波长。而这一点很难通过MBE实现，因为介电掩模上会形成多晶沉积物。

一般而言，MBE是Sb材料的首选生长方法，而 MOCVD是P材料的首选。两种生长技术对As基材料具有类似的能力。传统的MBE专用市场（例如电子产品）现在也可以通过MOCVD生长获得同样的良好用途。然而，对于更先进的结构，例如量子点和量子级联激光器，MBE通常更适合用于标准外延。如果需要外延再生长，则通常首选MOCVD，因为它具有蚀刻和掩膜灵活性。

来源：雅时化合物半导体

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