MOCVD，也稱為金屬有機(jī)氣相外延 (MOVPE)，是 CVD 的一個(gè)子集。在 CVD 中，化學(xué)反應(yīng)在所提供的前體的氣相中發(fā)生，并導(dǎo)致沉積在基材上的固體材料的形成。金屬有機(jī)化合物用于提供III族元素，在本例中為Ga。需要外部能量（熱）來(lái)裂解前體。Manasevit 和他在羅克韋爾的同事在 20 世紀(jì) 60 年代末期進(jìn)行了初步開(kāi)發(fā)并獲得了1。在 MOCVD 之前，III/V 和 II/VI 化合物主要通過(guò)液相外延 (LPE) 或氣相外延 (VPE) 生長(zhǎng)。這些技術(shù)雖然具有沉積速率快的優(yōu)點(diǎn)，但不具有實(shí)現(xiàn)均勻性良好的薄層和產(chǎn)生突變界面所需的控制。分子束外延 (MBE) 是一種用于生產(chǎn)高質(zhì)量 III/V 族及其他復(fù)合材料的替代技術(shù)；然而，它需要超高真空系統(tǒng)，并且在擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)方面面臨挑戰(zhàn)。
　　MOCVD 在 GaN 上的廣泛應(yīng)用直到 20 世紀(jì) 90 年代才開(kāi)始，MOCVD 和 GaN p 摻雜方面取得了一些關(guān)鍵突破，促進(jìn)了高亮度藍(lán)綠光和白光 LED 的發(fā)展。藍(lán)寶石襯底上低溫緩沖層的開(kāi)發(fā)以及 Mg-H 鍵的斷裂以改善 p 摻雜是重要的進(jìn)步。GaN MOCVD 面臨三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
　　沒(méi)有可用的晶格匹配襯底，需要大量工作來(lái)創(chuàng)建可以生長(zhǎng)外延層的成核方案。
　　Ga 向表面的質(zhì)量傳輸受到氣相中發(fā)生的復(fù)雜反應(yīng)的抑制。
　　沒(méi)有好的p-摻雜劑可用。
　　這些挑戰(zhàn)現(xiàn)已在很大程度上得到緩解，MOCVD 是 GaN 功率器件制造中使用的主要生長(zhǎng)方法。
　　氮化鎵外延
　　三甲基鎵 (TMGa: Ga(CH 3 ) 3 ) 和氨 (NH 3 ) 作為 GaN 的化學(xué)原料，添加三甲基鋁 (TMAl: Al 2 (CH 3 ) 6 ) 生成 AlN 和HEMT 所需的 AlGaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)層。液態(tài)金屬有機(jī)物通常通過(guò)不銹鋼起泡器輸送，不銹鋼起泡器被加熱以提供合理的蒸氣壓。載氣（例如氮?dú)夂蜌錃獾幕旌衔铮┯糜趯⒉牧陷斔偷缴L(zhǎng)室?？梢允褂脙煞N基本類型的 MOCVD 腔室：
　　冷壁：這里的基板是熱表面，而腔室保持冷。這些更常見(jiàn)，并且具有設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單和溫度控制更好的優(yōu)點(diǎn)。石墨/碳化物涂層襯底支架（基座）通常采用電阻加熱。
　　熱壁：整個(gè)室和基板被加熱。這里的優(yōu)點(diǎn)是前體化學(xué)物質(zhì)的裂解更加有效，并且由于生長(zhǎng)區(qū)域中的熱梯度降低，在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)減少晶圓彎曲。這里石英室可以被感應(yīng)加熱。
　　沉積通常在50-100毫巴的壓力下進(jìn)行。生長(zhǎng)應(yīng)在層流氣流下進(jìn)行，以獲得高均勻性，較低的壓力可減少紊流的可能性。生長(zhǎng)溫度通常在 500 至 1,300 o C 之間變化。較低的溫度會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)受限，其中生長(zhǎng)速率對(duì)溫度更敏感。較高的溫度導(dǎo)致優(yōu)選的質(zhì)量傳輸限制區(qū)域，其中生長(zhǎng)受到反應(yīng)物通過(guò)邊界層的擴(kuò)散的限制。由于解吸和分解的影響，更高的溫度可能導(dǎo)致生長(zhǎng)速率降低。GaN 的 V/III 比率通常比砷化鎵 (GaAs) 等其他 III/V 材料所使用的比率高得多 (> 500)。
　　圖 1 是 MOCVD 工藝的簡(jiǎn)化表示。

　

　　圖 1：MOCVD 生長(zhǎng)的簡(jiǎn)化表示（Aixtron 手冊(cè)“MOCVD 工作原理”）
　　基材
　　藍(lán)寶石(Al 2 O 3 )襯底通常用于GaN LED制造，具有相對(duì)便宜和光學(xué)透明的優(yōu)點(diǎn)。碳化硅 (SiC) 具有比 Si 更好的晶格匹配和導(dǎo)熱性的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格更昂貴。Si (111) 是功率 HEMT 應(yīng)用中常用的襯底。
　　成核層 (NL)
　　NL 對(duì)于適應(yīng) GaN 和 Si 之間的大晶格失配 (~ 17%) 并為 GaN 生長(zhǎng)提供二維表面至關(guān)重要。NL生長(zhǎng)之前需要進(jìn)行表面處理，例如噴涂一些Al或NH 3以形成粗糙的SiN x表面。這有助于減輕晶格失配引起的應(yīng)力。NL 可以在 1,100 至 1,300 o C 的溫度下生長(zhǎng)，典型厚度約為 100 -200 nm。
　　緩沖層（BL）
　　GaN BL 需要具有高電阻，以防止直流泄漏和并聯(lián)傳導(dǎo)。未摻雜的 GaN 通常為 n 型，因此需要 p 型摻雜劑來(lái)解決這一問(wèn)題。鐵 (Fe) 和碳 (C) 是這種情況的候選者。通過(guò)調(diào)整沉積條件（例如流速、壓力和溫度），可以從 TMGa 源實(shí)現(xiàn)碳摻雜。并且具有不具有鐵所具有的強(qiáng)烈記憶效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。C 摻雜水平可以針對(duì)給定的擊穿電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，大約需要 1e19 cm 3才能實(shí)現(xiàn)超過(guò) 700 V 的擊穿電壓。該緩沖層通常可以在 980 o C – 1,080 o C左右生長(zhǎng)。
　　控制諸如螺紋缺陷 (TD) 等位錯(cuò)是 BL 的關(guān)鍵功能。已經(jīng)嘗試了多種方法，其中一些如圖 2 所示。在圖 2(a) 中，使用了階梯式 AlGaN 緩沖層，Al 含量朝頂面逐漸減少。C含量的逐步摻雜也可以并行進(jìn)行。AlN/(Al)GaN 的超晶格（SL）如圖 2（b）所示，而 AlN 的低溫中間層（IL）如圖 2（c）所示。作者2表明，SL 和 IL 方法可以降低滑移線和裂紋的密度，從而允許使用更厚的凈緩沖層來(lái)滿足擊穿電壓要求，同時(shí)限度地減少晶圓彎曲。垂直傳播的缺陷可以在 SL 或 IL 界面處終止。許多其他研究3已經(jīng)證明，置于緩沖層中的約 10 nm AlN 的低溫（LT：在約 600 o C 下生長(zhǎng)）IL 可以減少應(yīng)力并提高 GaN 溝道層的晶體質(zhì)量。通常需要幾微米的 BL 厚度。

　　圖 2：GaN HEMT 制造中使用的各種緩沖層方案（2）
　　阻隔層
　　AlGaN 勢(shì)壘層的成分和厚度決定了器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)，例如閾值電壓 (Vth) 和二維電子氣 (2 DEG) 溝道密度和遷移率。Al 的百分比范圍為 15 – 40%。在增強(qiáng)型 p-GaN HEMT 中，AlGaN 層通?？梢詾?10 -20 nm。高鋁成分會(huì)導(dǎo)致形成歐姆接觸變得困難，同時(shí)會(huì)提高溝道電荷密度。在溝道/勢(shì)壘界面處使用薄的（約1 nm）AlN層用于創(chuàng)建勢(shì)壘并防止2°G波函數(shù)穿透勢(shì)壘。這也允許高鋁成分勢(shì)壘。另一個(gè)需要考慮的權(quán)衡是其厚度。為了提高 Vth，通常需要在柵極上設(shè)置薄勢(shì)壘，以犧牲 2 DEG 電荷密度為代價(jià)。柵極區(qū)中的部分勢(shì)壘凹槽，
　　選擇性面積生長(zhǎng) (SAG)
　　MOCVD 的一個(gè)關(guān)鍵用途是在器件的選定區(qū)域中生長(zhǎng)薄膜。可以使用諸如二氧化硅(SiO 2 )之類的掩模層來(lái)防止其他區(qū)域的生長(zhǎng)。GaN HEMT 開(kāi)發(fā)中 SAG 的一些示例包括：
　　歐姆接觸區(qū)4的SAG ：這里在器件的源極/漏極區(qū)中再生長(zhǎng)n-GaN以降低源極電阻。
　　MISFET 和 MOSFET 等增強(qiáng)型 GaN 金屬絕緣體半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是柵極形成步驟中勢(shì)壘層干法蝕刻造成的等離子體損傷。這會(huì)產(chǎn)生柵極泄漏和可靠性問(wèn)題。[5] 中舉例說(shuō)明的一種解決方案是通過(guò)選擇性地屏蔽柵極區(qū)域并使用 SAG 重新生長(zhǎng)外延層來(lái)創(chuàng)建凹進(jìn)式柵極GaN MOSFET。由于避免了蝕刻損壞，氧化鋁 (Al 2 O 3 )/AlGaN/GaN MISFET 的性能得到了改善。
　　在 e 模式 p-GaN HEMT 中，沿著側(cè)壁和靠近柵極的溝道訪問(wèn)區(qū)域的該層的蝕刻損壞會(huì)嚴(yán)重降低器件性能。柵極中摻鎂 p-GaN 層的 SAG 是通過(guò)改進(jìn)的柵極控制完成的 [6]。
　　高性能、高生產(chǎn)率的 MOCVD 工具現(xiàn)已配備內(nèi)置工藝監(jiān)控/控制自動(dòng)晶圓處理和腔室清潔功能。Aixtron 的 G10-GaN Planetary Reactor?就是一個(gè)例子，它可以容納 8×150 毫米或 5×200 毫米的晶圓。圖 3 顯示了在五個(gè) 200 mm 晶圓上實(shí)現(xiàn)的 AlGaN 勢(shì)壘層的優(yōu)異 Al 成分均勻性。

　　

　　圖 3：G-10-GaN Planetary Reactor 中的 AlGaN 勢(shì)壘層 Al 成分均勻性（Aixtron）