国产MOCVD设备的特点、性能和发展趋势.pdf

提纲一、前言二、MOCVD设备的特点三、用第一代MOCVD设备生长的GaN材料、第二代MOCVD设备的设计要点五、发展趋势六、设备生产及相关问题一、前言Liscas4 MOCVD是GaAs、InP材料的核心生长技术，特别是GaN LED和LD的主流方法。随着国家半导体照明工程启动，研制国产化MOCVD设 备已迫在眉睫。我组在“863”和北京市科委的支持下，于2003年成功研制 出了一次生长3片2英寸衬底并具有自主知识产权的MOCVD 设备样机（第一代MOCVD设备），实现了衬底基座的公转/自转可独立调节、具有低成本的新型原料配送结构等功能。这是国内第一台生产型MOCVD设备，已经进行了400余次 生长实验，生产出性能优良的氮化钱材料。针对第一代MOCVD设备的不足，目前正在进行第二代 MOCVD设备（6片2英寸衬底）的设计和研制。afr i二、MOCVD设备的特点 睽1)用计算流体力学和可视化气流观测相结合，掌握了材料 生长室设计的关键技术，设计并加工了2英寸3片的生长 室,其特点如下：(a)生长室内无涡流，温度梯度大，无紊乱.(b)三通道的气源输入口(c)衬底旋转，包括公转和自转，提高均匀性.(d)均匀的加热装置，基座不旋转，温度偏差10。旋J 转则3。6fLUEHT。Fluent In；9.78e-019.39e-019.00e-018.61e-018.22e-017.82e-017.43e-017.04e-016.65e-016.26e-015.87e-015.48e-015.09e-014.70e-014.31e-013.91e-013.52e-013.13e-012.74e-012.35e-011.96e-011.57e-011.18e-017.86e-023.95e-023.53e-04反应室内流场模拟照FLUENT 0 Fluent IncTfiiTxi1.32e+031.28e+031.24e+031.20e+031.16e+031.12e+031.08e+031.04e+039.96e+029.55e+029.14e+028.73e+028.32e+027.91e+027.50e+027.09e+026.68e+026.27e+025.86e+025.46e+025.05e+024.64e+024.23e+023.82e+023.41 e+023.00e+02反应室内温场模拟2）柔性三通道的气源输入装置 M0源和氨气分别进入生长室，避免“气相预反应”上层气流夹在原料和“天棚”之间，减少原料在“天 棚”上的淀积，同时抑制原料气体热浮力A生长50次后，“天棚”肉眼看不出有明显的淀积.节省原料，提高外延片的成品率，减少由于清洗造成 的停机时间，提高了设备利用率41sCASd三层流喷气口结构示意图MO和氨分别进入反应室，避 免“预反应”。上层气体减少原 料在“天棚”上的淀积，抑制热 浮力，中间的导流器则可以起到 抑制反应室中产生涡流的作用。3）采用纯机械式公转和自转机座，提高均匀性 研制出3 X 2英寸（公转和自转）设备 机械式公转和自转，省原料，提高均匀性，可控性好,石墨基座成本低廉 此结构可以很方便地扩展到六片或更多片系统公转和自转机构示意图公转和自转可独立控制，石英支架传递动力同时将高温 区和齿轮部件隔开。用磁流体 轴承密封。本图只是示意图，实际与此有出入，并且没有画出升降机构。可以很方便地扩展到六片或更多片系统4）均匀加热装置Liscas加热器是MOCVD设备核心部件之一采用高频感应加热，但是需要解决“趋肤效应”和:温度不均匀的问题氮化硼作公转机座，石墨作自转机座机座不旋转，温度偏差10。（2。旋转则3笛MOCVD设备反应室加热测试1050度MOCVD设备反应室加热测试1如0度Qisdnsd5）新型原料配送结构，降低设备成本 该结构的基本思想是对同种原料在多处使用时，只要 将该原料“公用”对一台MOCVD设备，可节省成本20%；而对十台 MOCVD设备，可节省成本60%以上 MOCVD设备的主要成本来自于气路。要降低设备成本,首先应该降低气路的成本F2H“一带多”原料输送管路结构示意图:国家发明专利，申请号：02108158.1JO1UOOMOLZs a wBubblerQO1UOOnssd5-ocooJnssaldBubbler怎-OLUOOMO-U-SSEW-8=。=匚0。amss3dFBubblerJonuooMO_L SSEW.I3-O4UOOMO-U-saw包2)匚 0。amssgozFaoJW。amsssid2 HBubblerg-oJ】UOOMOlrssew材料生长室载气进入八“一带多”原料输送管 路结构的变化形式Qisd*6）采用微机为核心、单片机为执行机集散式自动控制系统自动控制电路包括：工业控制电脑、控制软件、485通讯总线、单片机为核心的功能模块、驱动电路优点：连线简单、模块化、通用性和扩展性好主要工作：（a）设计上位机控制软件和控制界面；（b）设计 各功能模块；设计各模块的隔离驱动电路提高了MOCVD设备安全性、设备使用效率、控制精度和控 制重复性口上位机（工业控制电脑）隔离 驱动隔离 驱动隔离 驱动隔离 驱动MOCVD设备中自动控制电路结构示意图MOCVD设备中的电脑界面未来窗775FT团显小.IISCAS骞禽运彩分 源三甲葬稼|三甲基乐|乙基二甲也|三甲基锢II 13.9|3.01|147LLG包为A1A1匆外电弹料系发L 1一进气、拄气和反应室氨气|素气|福象|2002.9.18泵|神|阿|放空：空|夕楮I过程、时间报警和提示包Jd清除指利|压强73充施氧气|烘熔石震工程息M303-18：57:03 SUflt 出 411显示记录|打印记录0o O三、用第一代MOCVD设备生长的GaN材料G(一)材料品质参数测定:(1)n-GaN和GaN/AlGaN二维电子气(2)p型材料(3)InGaN、InGaAlN材料(4)超晶格和量子阱材料三、用第一代MOCVD设备生长的GaN材料（二）材料均匀性测定（三）设备使用及综合评价设备1.基本配置的机械性能2.设备的设计特点3.材料生长性能4.设备使用和维护性能（一）材料品质参数测定(1)n-GaN和GaN/AlGaN二维 电子气未掺杂GaN的室温电子迁移率达到453cm2/Vs（电子浓度为：5X1016/cm3）二维电子气室温迁移率达到1300 cnP/Vs,77K下达到6500 cm2/Vso XI 357o o1K)t(50o o2o o3S h e e C d e n s ir-hy(c m2)o 1X 23o1X1oo o6o(SASSAQ二 eqw2 T-Io 1XI 8I 6I 4I 22u1000/T(k1)(2)P型材料:材料 电阻率(Qcm)p-GaN 2.0P-A10 8N 8.0P-no.iao,9 2.0p-GaN/AlGaN SLS 0.2p-GaN/InGaN SLS 0.2空穴浓度(10cm-3)3-101-22-810-4010-40(注：以上数据并非最好结果，而是一般情况下都能得到的结果)(3)InGaN、InGaAlN材料非掺杂InGaN有源层的光致发光峰值波长在366550nlli间 完全可调可以任意调节InGaAlN合金中各元素的组分，以达到与 GaN或InGaN正应变、无应变、负应变无应变的量子阱中由于无应变引起的压电极化效应，提 高了电子空穴复合效率1.4-InGaN室温E U N 8 S E u o o s E u s s b.8.6.I2 LD.O.JD.=?B、胧由黑奥;D-0.2 3DD350ISO50 5506DD650InGaN的光致发光光谱(,ne)aHxa&0。0)34.0 34.2 34.4 34.6 34.820()72.0 72.3 72.6 72.9 73226()I nGaA 1 N/GaN材料的双晶X射线衍射 左图为（0002）衍射，右图为（0004）衍射(4)超晶格和量子阱材料10000-1000-(4)srnooTheta(Degree)InGaN/GaN量子阱（5个阱）的2仇3扫描曲线(4)超晶格和量子阱材料a)g=1010lOOnmInGaN/GaN量子阱(5个阱)的TEM明场像（二）材料均匀性测定nm.455.64543453.0451.7450.3U 449.0447.7446.4445.1443.8442.5InGaN/GaN单量子阱的PL谱峰值波长分布图(-)材料均匀性测定3.2472.9342.6202.3061.9921.6781.3641.0500.736Volt3.5610.422InGaN/GaN单量子阱的PL谱峰值信号强度分布图（二）材料均匀性测定LlSCASa.u.145.8129.9114.098.0782.1666.2550.3534.4418.53InGaN/GaN单量子阱的PL谱积分信号强度分布图(三)设备使用及综合评价 步然TLisj6asj31.设备基本配置的机械性能：1)三片2英寸，公转和自转，转速在20-200转/分钟连续可调2)衬底温度：1001200,稳定性1,均匀性v3升温速率10/S(两分钟即可从室温升至1200)3)低压控制，20-900 Torr连续可调，控制精度为1 Torr200Torr,0.2 Torr20Torr 200Torr4)系统气密性：管路漏气率lX10-9paL/S；反应室3 X 109PaL/S5)系统配置：两路TMGa,两路TMIn,两路TMAL 一路 氨气，一路浓硅烷(150ppm),一路稀硅烷(20ppm),一路二茂镁，及氢气、氮气等气路(三)设备使用及综合评价HK Q就节2.设备的设计特点：1)纯机械式公转和自转转速一致性好2)“三层流”喷气口预反应少，天棚淀积少，省原料，天棚清洗间隔长.3)均匀的高频加热系统温度高，升温快，温度均匀性v3度，温度稳定性vl度4)“一带多”的原料输送结构适合多个反应室公用原材料，同时生产5)集散式控制系统，完全的自动化控制(三)设备使用及综合评价3.材料生长性能：1)未掺杂GaN：生长速率142m/h,膜厚均匀性W5%；电子浓度vlxKPcmq室温迁移率,400cm2/V.s,最高453cm2/V.s2)n型GaN：电子浓度1x10SxlO%!；电子迁移率：50300 cm2/Vs；电子浓度均匀性5%3)p型GaN：室温电阻率：13Q.cm；空穴浓度：1 5xl017cm-3；空穴迁移率：520 cm2/V.s；电阻率均匀 性 10%（三）设备使用及综合评价3.材料生长性能：，SCAS4）AGai.xN材料,Al组分x值从0至06之间连续可调；一铝组分均匀性3%；5）InGaN材料，光致发光谱峰值从366nm至520nm之间连续 可调；峰值波长均匀性3%；6）能生长InGaN/GaN、InGaN/AlGaN、InGaN/InGaAlN量子阱，GaN/AlGaN超晶格材料。（注：1 以上所有“均匀性”包含“片内均匀性”，“片间均匀性”，但不含 边沿3毫米；2以上所有材料指标并非最好结果，而是一般情况下都能得到的 结果。）（三）设备使用及综合评价4.设备使用和维护性能：1）生长GaN（3片2英寸），一小时2微米，TMGa使用量-为04克；氨气一般为每分钟4升；氢气为每分钟8升；2）使用电功率50KW,其中专为控制电脑和控制器的UPS 不间断电源10KW,冷却水3ton/h；3）大约生长120小时，设备需要清洗一次（清洗天棚）；4）装片、取片、拆装还不太方便，有待改进，石英反应 室不太安全。1、第二代MOCVD设备的设计要点i.改变反应室结构:由石英反应室改为不锈钢结构的反应室，一次生长6片2英寸衬底，直接放在手套箱内;2.改变取片方式：由于反应室在手套箱中，通过提升反 应室盖可以直接取片；3.公转/自转和升降独立运行：将公转/自转结构仍然设 计在反应室下部，而把升降设计在反应室上部。4.我们已经完成第二代MOCVD设备的设计，以及70%以上的加工工作，预计2004年10月开始设备调试。流场计算d=20cm,b=2cm,p=760torr,T=1323-300K,(NH3,H2,N2)=(l,l,3)slm A 45 degree nozzle for inner tube is used.Flow field is improved!印LUEHT 0 Fluent Inc8.98e-01 8.68e-01 8.38e-018.08e-01 7.78e-017.48e-01 7.18e-016.89e-016.59e-01 6.29e-015.99e-015.69e-01 5.39e-015.09e-01 4.79e-01 4.49e-014.19e-01 3.89e-013.59e-01 3.29e-012.99e-012.70e-01 2.40e-012.10e-01 1.80e-011.50e-01 1.20e-01 9.00e-02 6.01 e-02 3.02e-02 2.36e-04温场计算d=20cm,b=2cm,p=760torr,T=1323-300K,(NH3,H2,N2)=(l,l,3)slm A 45 degree nozzle for inner tube is used.Temp field is improved!1.32e+03 1.29e+031.25e+03 1.22e+031.19e+03 1.15e+031.12e+03 1.08e+031.05e+031.02e+03 9.82e+02 9.48e+02 9.14e+02 8.80e+02 8.46e+02 8.11e+02 7.77e+02 7.43e+02 7.09e+02 6.75e+02 6.41 e+02 6.07e+02 5.73e+02 5.39e+025.05e+024.70e+02 4.36e+02 4.02e+02 3.68e+02 3.34e+02 3.00e+02五、发展趋势?军1.研制大型化的MOCVD生产设备。目前正在设计和实 验一次生长15片2英寸外延片设备，以后将会生产更 大规模的设备2.研制有特色的研究型设备。这些设备一般只能一次生 产1片2英寸外延片，但有一定的特色3.其他材料设备包括生长ZnO的MOCVD设备，以：后还会考虑研制生产GaAs、InP等相关材料的 MOCVD设备六、设备生产及相关问题MOCVD设备主要用途光电子材料，特别是GaN材料和器件A高档太阳能电池材料A微电子材料和器件(HEMT)A薄膜陶瓷、超导材料和器件六、设备生产及相关问题QISCAS国产MOCVD产品的特色和优势新颖的衬底旋转技术独特的多层流喷气口结构均匀的衬底加热“一带多”式气体输送技术自动化的电路控制系统国产化程度高A标准化生产（II代）六、设备生产及相关问题QISCAS市场前景需求国内光电子企业，特别是GaN LED生产企业国内从事光电子及薄膜材料的研发单位目前国内引进和自产设备10台，预计3年后每年国内需求30台预计3年后国内市场占有率1/3 1/2,争取少量 出口六、设备生产及相关问题TLiscAsjBMOCVD设备和“国家半导体照明工程”用“半导体灯”作照明，设备市场巨大 MOCVD设备是生产“半导体灯”最关键的装备 是目前GaN LED主要成本来源A MOCVD能否国产化，能否生产出高质量、低价 格的国产MOCVD设备关系到“国家半导体照明 工程”的成败！六、设备生产及相关问题QISCAS投资可行性及相关问题在北京建研发基地，年投入研发经费300万元在北京或外地建生产基地，3050人规模，总 投资预计5000万元，其中厂方需投资2000万元，装备2000万元，流动资金1000万元A 2年后平均年销售12台，每台毛利150万元，毛 收入1800万元投资回报期约4年六、设备生产及相关问题Qis6As.投资风险与其他半导体产业相比，该项目投资有以下特点:1,前期投资少2,先有订单（预付款）后加工3.产品价格短期内不会急剧下降4.国产化程度高，已掌握关键技术，有降价空间5.随着国家照明工程的实施，国内需求会增加6.有国家支持谢谢