Abstract
鑑於可量產之潛力及異質磊晶成長之易於達成, 有機金屬化學氣相沉積法生長化合物半導體磊晶層, 已成為近年來電子元件製造上的一項重要技術。本研究旨在探討MOC-VD中所涉及的輸送現象, 分析系統流場以及有機原料分解動力學對於磊晶成長速率與成品組成間之關係, 並與實驗數據互相比較。同時希望能進一步探討磊晶品質與操作條件之相關性, 俾能尋得控制磊晶品質之關鍵。本研究中, 吾人將以二甲基鎘、二乙基碲及汞蒸氣為反應物, 氫氣為載動氣體以分別生長cdTe/(100)GaAs及HgCdTe/(111)CdTe之磊晶薄膜。在理論模擬方面, 吾人引入傳統化工知識----流體力學, 熱傳及質傳學, 可據以預測反應器中渦流的形成、溫度的分佈、反應物濃度分佈, 若再加入反應動力學之考慮,則可以預估各種條件下之沿軸向磊晶成長速度與組成之均勻度。計算結果顯示, 較高的生長壓力及較低的氣體流速下, 軸向漩渦(transverse vortex) 將十分劇烈, 同時其氣相溫度分佈顯然稍高, 有發生氣相反應的顧慮, 不利愉磊晶之成長; 但較高的流速固可減緩軸向渦流, 卻導致了徑向漩渦(longitudinal vortex) 的發生。其中前者以Gr/Re2無因次參數作為指標, 而後者則宜用Ra數作為指標。在碲化鎘的模擬方面, 較高的壓力及較高的生長溫度下, 系統之生長將為質傳控制,沿軸向的均勻度將較差。反之, 在低生長壓力及低生長溫度下, 系統將屬於反應動力控制, 可得到均勻性良好的結果, 與吾人之數據相符。至於在碲化汞鎘的系統中, 由於大量汞蒸氣之加入, 及其分子量較大的緣故, 將使反應器內之流場更為紊亂, 軸向漩渦益形嚴重, 並造成汞蒸氣分佈不平均之現象, 故所得薄膜之組成沿軸向也不均勻之結果. 而另根據一維模式之模擬可知, 在較低的Cd/Te 進料比、較高的汞蒸氣壓及高的生長溫度將有利於較低成份值X(Hg1-xCdxTe) 磊晶的生長.在生長實驗方面, 首先對於CdTe/(100)GaAs系統而言, 吾人認為:(111)CdTe晶面的形成除了與GaAs基板的表面狀態有關外 (如是否有原生氧化層、是否Ga或Asstabilized狀態等),在生長過程中, 基板表面有機金屬的濃度或許也是一項重要因素. 由實驗觀察得知: 較高的生長溫度、較高的壓力、較低的進料濃度、愈往基座後端將有利於 (111) CdTe 的生成, 反之則生成(100) 晶面. 另外在光激光譜中, 我們則除了看到在1.59ev附近與bound exciton 有關的波峰外, 也觀察到8400A(1.47ev) 的缺陷峰 (以100 晶面樣品為主),以及主要屬於(111)CdTe 磊晶之8990A(1.39ev) 的波峰。其次,在HgCdTe/(111)CdTe的系統中: 沿軸向, 由於汞蒸氣壓之不足, Cd的成份值將逐次升高; 其次隨生長溫度 (即基板溫度) 的上升, x 值將先降後升, 與理論分析結果吻合; 而提高汞蒸氣壓 (即提高拱槽溫度),成份值x 將隨之降低。綜言之, 由於DETe與D-MCd 分解溫度的差異及汞蒸氣傳送之不易控制 (分子量大且濃度高),水平式MOCVD 或許並不適合生長HgCdTe磊晶, 改用垂直式反應器、或改變有機進料種類將是值得努力之方向。