对于有机金属外延(MOCVD),很多人并不陌生,但还有不否认并不知道MOCVD究竟用来做什么,有什么具体应用,本文作出部分说明。同时,作者知识面有限,如有不足之处请帮忙指出。
生长固体薄膜材料的设备有很多,包括MBE,LPE,PECVD,PVD,MOCVD以及可控制在原子级别生长的ALD等,目前在晶圆上生长薄膜材料的最常用MOCVD,顺便一提,PECVD和PVD也常用,本文重点讨论MOCVD设备。从应用端(发光二极管、功率器件等)分类说明。
1,发光二极管(LED,LD)
得益于国内LED的蓬勃发展,MOCVD机台数量在国内急速增长,最早打入国内市场的是Veeco和Aixtron两家公司。在LED生长方面,Veeco机型比Aixtron机型占优势,特别是GaN蓝光LED方面,特点:重复性较高,产量高,程序书写简便,但缺点也明显,气体消耗大,源利用率不高。经过Veeco的几代发展,从经典的K465到K465i,再到C4,受市场需求的刺激,Veeco将14片(4寸wafer片)机型升级到31片的K700,K868机型,但某种程度上也将自己逼到了死路,加之国内中微机型的MOCVD的崛起,Veeco在GaN LED市场的竞争上压力倍增。中微在腔室设计等方面和Veeco相似,但售价却更便宜。
早期,Veeco和Aixtron均在GaN LED上应用,Aixtron的机型迭代速度无法比肩Veeco,受市场规律,各大外延厂商发现Veeco机型在GaN LED上更占优势,逐渐放弃Aixtron。基于以上事实,Aixtron已放弃在GaN LED的市场,Aixtron的至暗时刻到来,在2018年,竞争对手的打压+市场的不景气,Aixtron差点被收购。峰回路转,iphone使用人脸识别所需的VCSEL拯救了Aixtron,各手机商模仿iphone,对VCSEL器件需求增加,可以说iphone是撬动起Aixtron二次崛起的支点。在实际生产中发现,使用Aixtron机型生产的VCSEL器件在均匀性、性能等方面占优势,在2018年末、2019年初,需求市场开始回暖,Aixtron机型的订单增加。加之国外在芯片方向(美国贸易战,包括通讯激光FP,DFB,VCSEL等)的打压,国内大小研究院、公司等加大力度在此方面的研究,国内对Aixron机型的需求陡增。
Aixtron机型有CCS,G3,G4,G5+等,CCS采用的是花洒的设计,气流可均匀的流至wafer表面反应,G3/G4采用 nozzle设计,分为三层,G5为五层的设计。此外,载盘也有区别,G系列和CCS最大的差别在于wafer片除了绕轴公转外,也会自转(卫星式)。
G5的nozzle设计
G5载盘
其中CCS(花洒设计)和G3/G4(nozle设计)广泛的用在生长LD,红黄LED器件上,生长的V/III材料体系有二元(GaAs,InP,GaP,AlAs等)、三元(GaInAs、AlInAs、GaInP、AlInP、GaAsP等)、四元(AlGaInAs、AlGaInP,GaInAsP等),材料生长是一个比较复杂的过程,作者会在以后的文章中慢慢介绍。
生长红黄也有使用Veeco的,但红黄材料涉及As和P,易粘附在腔壁,对后期的保养带来不便,此外和Aixtron相比,均匀性等性能均不占优势。
和Aixtron相比,Veeco机型在清腔前后性能相差会较大,主要涉及Mg掺杂,但在Aixtron机型上清腔前后Mg的影响不大。Aixtron内涉及P型掺杂所用的C掺杂,使用源为CCl4、CBr4、CClBr3等,CCl4的腐蚀性较强,对机台损伤较大。Veeco和Aixtron都属于高精密型设备,需要花精力去探索研究,此种种种特性等不在此作累赘。
2,功率器件,射频
功率器件对均匀性等需求比较高,Veeco的设计在生长时存在圈位厚度偏差,所以生长GaN HEMT等功率器件时,Aixtron的G5+是首选。据悉,国内的英诺赛科就是采用G5+生产GaN器件。
3,UV(紫外)
生长UV的设备,一般使用改造的Veeco或者MBE,日本日亚使用卧式反应腔,一炉只生产一片,但所使用的载气可以处理循环使用,所以折算下来的成本并不高。除了国内早期研究机构使用卧式反应腔,后面已逐步被淘汰。
MOCVD的内容较多,不是短短一篇文章可以囊括,后续有时间慢慢再更新。
PS:veeco设备的一些简介
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