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【分享】ＬＥＤ结构生长原理以及ＭＯＣＶＤ外延系统的介绍

johnzhuang

2007/08/22

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ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ或是多层的量子井ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ，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ＭＯＧａｓ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ＭＯＧａｓ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－ｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 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。

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
（ＩＩＩ）电子回旋共振是电浆辅助
（Ⅳ）高周波ＭＯＣＶＤ
（Ⅴ）Ｐｈｏｔｏ－ＭＯＣＶＤ
（Ⅵ）ｏｔｈｅｒｓ
其中（ＩＩ）至（ＶＩ）皆为冷墙式

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。

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百年树人

第1楼2008/03/20

开眼了

0

zshzidane

第2楼2008/03/31

没讲什么啊！

0

redblack

第3楼2008/04/29

最近上課剛好有提到MOCVD說
謝謝版大囉~

0

dsn_tech

第4楼2008/11/03

支持一下。不知国产进展怎样(www.01dsn.com)?主要是设备技术还是工艺技术？

0

天字一号猪

第5楼2008/11/03

应助达人

蛮复杂的！

0

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