有機金属気相エピタキシー

有機金属気相エピタキシー（MOVPE）は、有機金属気相エピタキシー（OMVPE）または有機金属化学気相成長法（MOCVD）としても知られ、^[1]単結晶または多結晶の薄膜を製造するために使用される化学気相成長法です。複雑な半導体多層構造を作成するために結晶層を成長させるプロセスです。 ^[2]分子線エピタキシー（MBE）とは対照的に、結晶の成長は物理的な堆積ではなく化学反応によって行われます。これは真空中ではなく、中程度の圧力（10〜760 Torr ）の気相から起こります。そのため、この技術は熱力学的に準安定な合金を組み込んだデバイスの形成に好まれ、^[^要出典^{] 、最も広範囲に応用されている}発光ダイオードなどのオプトエレクトロニクスの製造における主要なプロセスになっています。^[3] 1967年にカリフォルニア州アナハイムのノースアメリカンアビエーション（後のロックウェルインターナショナル）オートネティクス部門でハロルド・M・マナセビットによって初めて実演されました。

基本原則

MOCVD では、超高純度の前駆体ガスが、通常は非反応性のキャリアガスとともに反応器に注入されます。III-V 半導体の場合、 III 族前駆体として有機金属が使用され、V 族前駆体として水素化物が使用されることがあります。たとえば、インジウムリンは、トリメチルインジウム((CH ₃ ) ₃ In) とホスフィン(PH ₃ ) の前駆体を使用して成長できます。

前駆体が半導体ウェハに近づくと、熱分解を起こし、その亜種が半導体ウェハの表面に吸着する。前駆体亜種の表面反応により、半導体結晶格子の新しいエピタキシャル層に元素が組み込まれる。MOCVD反応器が通常作動する質量輸送制限成長モードでは、成長は気相中の化学種の過飽和によって促進される。^{[4] MOCVDは、}グループIIIとグループV、グループIIとグループVI、グループIVの組み合わせを含む膜を成長させることができる。

必要な熱分解温度は、前駆体の化学結合強度が増すにつれて上昇する。中心金属原子に結合する炭素原子が多いほど、結合は弱くなる。 ^[5]基板表面上の原子の拡散は、表面上の原子ステップの影響を受ける。

III族金属有機原料の蒸気圧は、質量輸送制限領域での成長速度を決定するため、MOCVD成長における重要な制御パラメータである。^[6]

原子炉部品

金属有機化学気相成長法 (MOCVD) 技術では、反応ガスがリアクター内で高温で混合され、化学反応が起こり、基板上に材料が堆積されます。

リアクターは、使用する化学物質と反応しない材料で作られたチャンバーです。また、高温にも耐えなければなりません。このチャンバーは、リアクターの壁、ライナー、サセプター、ガス注入ユニット、および温度制御ユニットで構成されています。通常、リアクターの壁はステンレス鋼または石英で作られています。セラミックまたは石英などの特殊ガラスは、リアクターの壁とサセプターの間のリアクターチャンバーのライナーとしてよく使用されます。過熱を防ぐため、リアクターの壁内のチャネルに冷却水を流す必要があります。基板は、温度が制御されたサセプター上に置かれます。サセプターは、使用される温度および金属有機化合物に耐える材料で作られており、多くの場合、グラファイトから機械加工されています。窒化物および関連材料を成長させるには、アンモニア (NH ₃ ) ガスによる腐食を防ぐために、グラファイトサセプターに通常は窒化ケイ素または炭化タンタルの特殊コーティングを施す必要があります。

MOCVD を実行するために使用されるリアクタの 1 つのタイプは、コールドウォールリアクタです。コールドウォールリアクタでは、基板は台座によって支えられており、台座はサセプタとしても機能します。台座/サセプタは、反応チャンバ内の熱エネルギーの主な発生源です。サセプタのみが加熱されるため、ガスは高温のウェハ表面に到達する前に反応しません。台座/サセプタは、炭素などの放射線吸収材料で作られています。対照的に、コールドウォールリアクタの反応チャンバの壁は通常、電磁放射線をほぼ透過する石英で作られています。ただし、コールドウォールリアクタの反応チャンバの壁は、高温の台座/サセプタからの放射熱によって間接的に加熱される場合がありますが、台座/サセプタおよび台座/サセプタが支える基板よりも低温のままです。

ホットウォール CVD では、チャンバー全体が加熱されます。一部のガスをウェーハ表面に到達する前に事前に分解してウェーハに付着させる必要がある場合があります。

ガス入口および切替システム

ガスは、「バブラー」と呼ばれる装置を介して導入されます。バブラーでは、キャリアガス（通常、ヒ化物およびリン化物の成長では水素、窒化物の成長では窒素）が有機金属液体に泡立てられ、有機金属蒸気を吸収して反応器に輸送されます。輸送される有機金属蒸気の量は、キャリアガスの流量とバブラー温度によって決まり、通常は超音波濃度測定フィードバックガス制御システムを使用して自動的に、最も正確に制御されます。飽和蒸気を考慮する必要があります。

圧力維持システム

ガス排出および洗浄システム。有毒廃棄物は、リサイクル（望ましい）または廃棄のために液体または固体廃棄物に変換する必要があります。理想的には、廃棄物の生成を最小限に抑えるようにプロセスを設計します。

有機金属前駆体

アルミニウム
- トリメチルアルミニウム（TMAまたはTMAl）、液体
- トリエチルアルミニウム（TEA または TEAl）、液体
ガリウム
- トリメチルガリウム（TMG または TMGa）、液体
- トリエチルガリウム (TEG または TEGa)、液体
インジウム
- トリメチルインジウム（TMI または TMIn）、固体
- トリエチルインジウム（TEI または TEIn）、液体
- ジイソプロピルメチルインジウム (DIPMeIn)、液体
- エチルジメチルインジウム（EDMIn）、液体
ゲルマニウム
- イソブチルゲルマン（IBGe）、液体
- ジメチルアミノゲルマニウム三塩化物（DiMAGeC）、液体
- テトラメチルゲルマン (TMGe)、液体
- テトラエチルゲルマニウム(TEGe)、液体
- ゲルマンGeH ₄、ガス
窒素
- フェニルヒドラジン、液体
- ジメチルヒドラジン（DMHy）、液体
- 第三ブチルアミン（TBAm）、液体
- アンモニアNH ₃、ガス
リン
- ホスフィンPH ₃、ガス
- 第三ブチルホスフィン（TBP）、液体
- ビスホスフィノエタン（BPE）、液体
砒素
- アルシンAsH ₃、ガス
- 第三ブチルアルシン（TBAs）、液体
- モノエチルアルシン（MEA）、液体
- トリメチルアルシン（TMA）、液体
アンチモン
- トリメチルアンチモン（TMSb）、液体
- トリエチルアンチモン（TESb）、液体
- トリイソプロピルアンチモン（TIPSb）、液体
- スチビンSbH ₃、ガス
カドミウム
- ジメチルカドミウム（DMCd）、液体
- ジエチルカドミウム（DECd）、液体
- メチルアリルカドミウム（MACd）、液体
テルル
- ジメチルテルリド（DMTe）、液体
- ジエチルテルル化物（DETe）、液体
- ジイソプロピルテルル化物 (DIPTe)、液体
チタン
- チタンイソプロポキシドやチタンエトキシドなどのアルコキシド
セレン
- ジメチルセレン化物（DMSe）、液体
- ジエチルセレン化物（DESe）、液体
- ジイソプロピルセレン化物 (DIPSe)、液体
- ジ-tert-ブチルセレン化物（DTBSe）、液体
亜鉛
- ジメチル亜鉛（DMZ）、液体
- ジエチル亜鉛（DEZ）、液体

MOCVD法で成長した半導体

III-V半導体

II-VI半導体

IV半導体

IV-V-VI半導体

ゲルマニウムSbテルル

環境、健康、安全

MOCVD が確立された生産技術になるにつれ、人や地域社会の安全、環境への影響、デバイス製造工程で許容される危険物質 (ガスや有機金属など) の最大量に関する懸念も高まっています。安全性と責任ある環境保護は、化合物半導体の MOCVD ベースの結晶成長において最も重要な要素となっています。この技術の産業界での応用が拡大するにつれ、多くの企業も成長し、リスクを軽減するために必要な補助装置を提供するようになりました。この装置には、コンピューター自動化ガスおよび化学物質供給システム、1 桁の ppb 量のガスを検出できる有毒ガスおよびキャリアガススニッフィングセンサー、そしてもちろん GaAs や InGaAsP などのヒ素含有合金の成長中に存在する可能性のある有毒物質を完全に捕捉する除去装置が含まれますが、これらに限定されません。^[7]

参照

参考文献

^ MOCVDエピタキシー、ジョンソン・マッセイ、GPT。
^ MOCVD の仕組み。初心者のための堆積技術、Aixtron、2011 年 5 月。
^ Kasap, Safa ; Capper, Peter (2007年8月)。Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials。Springer。ISBN 978-0-387-29185-7。
^ ジェラルド・B・ストリングフェロー（2012年12月2日）。有機金属気相エピタキシー：理論と実践。エルゼビアサイエンス。pp.3– 。ISBN 978-0-323-13917-5。
^ MOCVDの基礎と応用、Samsung Advanced Institute of Technology、2004年。
^ 有機金属化学気相成長法（MOCVD）。2010年9月27日アーカイブ、Wayback Machineにて
^ 例については、Matheson Tri Gas、Honeywell、Applied Energy、DOD SystemsのWebサイトを参照してください。

[1] MOCVDエピタキシー、ジョンソン・マッセイ、GPT。

[2] MOCVD の仕組み。初心者のための堆積技術、Aixtron、2011 年 5 月。

[3] ^ Kasap, Safa ; Capper, Peter (2007年8月)。Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials。Springer。ISBN 978-0-387-29185-7。

[Stringfellow2012-4] ジェラルド・B・ストリングフェロー（2012年12月2日）。有機金属気相エピタキシー：理論と実践。エルゼビアサイエンス。pp.3– 。ISBN 978-0-323-13917-5。

[5] MOCVDの基礎と応用、Samsung Advanced Institute of Technology、2004年。

[6] 有機金属化学気相成長法（MOCVD）。2010年9月27日アーカイブ、Wayback Machineにて

[7] 例については、Matheson Tri Gas、Honeywell、Applied Energy、DOD SystemsのWebサイトを参照してください。