摘要：为探明MOCVD 设备在半导体领域的应用，利用案例分析法，以鲁东大学氧化物MOCVD 采购项目为例，论述MOCVD 技术基本原理与优势，剖析MOCVD 设备在半导体领域的应用，提出MOCVD 技术工艺创新措施。得出：鲁东大学氧化物 MOCVD 采购项目的 MOCVD 技术优势是热缺陷少、原子级精度、反应物变化灵活等，MOCVD 设备在半导体领域的应用涉及第三代半导体材料生长、制备新型二维材料、光伏逆变器高效器件等，可以通过环保生产设计、多材料集成等措施实现MOCVD 技术工艺创新。

关键词：MOCVD 技术；半导体；光伏逆变器；环保

前言

在气相外延生长技术飞速推广应用背景下，以金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术为支撑的半导体材料类型不断丰富。MOCVD 设备在半导体领域的应用，不仅可以实现低温制备高纯度薄膜，减少热缺陷，而且可以满足人们对原子级精度控制薄膜厚度要求。当前国内外关于MOCVD 设备在半导体领域的应用研究成果不断增多。如陈建华 [1] 提出基于 MOCVD 技术在 MgO 基底上生长 YBCO 薄膜缓冲层 LaMnO ，为 YBCO 薄膜混合生长晶格失配问题的解决提供参考。Hogg R^[2] 介绍了MBE 和MOCVD 技术的区别，为相关研究提供理论支持。但是，当前关于MOCVD 设备在半导体领域的应用研究未涉及具体的应用创新。为给 MOCVD 设备在半导体领域的应用研究提供参考，本文提出根据MOCVD 技术基本原理与优势有针对性地论述当前应用领域、应用创新的论点。

本文先简单介绍MOCVD 技术基本原理与优势，再逐一分析MOCVD 设备在半导体领域的应用内容、创新。

1 MOCVD 技术基本原理与优势

MOCVD 是一种借助有机金属热分解反 展气相外延生长薄膜的技术 [3]。技术原理是气化金属有机物在载气的帮助下进入设备反应腔， 应物沉积到衬底，形成薄膜。在上述反应中，涉及的金属有机物是二乙基锌（DEZ）， 氢气（H ），反应温度是室温～ 3000℃，反应气体由水蒸气（H O）、乙硼烷 （B₂H₆） ），尾气主要有乙烷（C H ）、H 、Ar、（C H ） Zn、B H 、H O 等。

MOCVD 技术优势如图1 所示。

由图 1 所示，MOCVD 技术具有精度高、热缺陷少、效率高、控制精确、反应灵活等优势。其中，精度高表现为 MOCVD 技术可以达到原子级精 现为 OCVD 技术可以在低温下制备高纯度薄膜材料，从根本上减少材料热缺陷 化大批量生产环境，快速实现多片、大片的外延生长；控制精确表 化合物组分、掺杂量的精确控制，进而实现对薄膜成分的精确控制； 气源的帮助下，短时间、无死区切换，并便捷调整反应原材料类别、通入量，进而 导体材料的生长界面

2 MOCVD 设备在半导体领域的应用

鲁东大学氧化物MOCVD 采购项目聚焦半导体领域MOCVD 设备应用需求，涉及第三代半导体材料生长、制备新型二维材料、光伏逆变器高效器件等多种应用内容。

2.1 第三代半导体材料生长

MOCVD 设备在第三代材料生长领域具有大面积应用，第三代半导体材料主要是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。特别是在 GaN 生长领域，MOCVD 设备可实现大禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电压等材料生长要求，为Ⅲ族氮化物高电子迁移率晶体管（HEMT）的制备提供支持[4]。根据鲁东大学氧化物 MOCVD 采购项目关于 GaN 材料生长领域的 MOCVD 设备要求，从第三代半导体材料——GaN 外延生长着手，为衬底上Ⅲ族、Ⅴ族源原材料与载气热分解反应提供支持。整个反应方程式为：

根据式（1），可以总结基于MOCVD 设备的第三代半导体材料GaN 生长过程见图2。

由图 2 可知，基于 MOCVD 设备的第三代半导体材料 GaN 生长过程包括载气输送原材料、原材料吸附衬底、高温分解、分解物外延、副产物处理等几个环节。各环节要点为：①通入 H2，依据蓝宝石衬底表面除污去氧化物要求，调高温度并通入 N2 完成氮化；②停止输送 H2，继续输送 N2、TMGa、NH3，调低温度，稳定反应空间压强，促使原材料稳定在衬底上；③扩散原材料，通过边界层，进入蓝宝石衬底表面，并开始迁移、扩散，生长GaN 薄膜缓冲层；④将N2 切换为H2，调高温度到1000℃、压力为30kPa，促使TMGa、NH 在高温下分解生成的反应前驱体、反应物继续在衬底迁移、扩散，逐步反应成核，最终形成外延层；⑤副产物穿越边界层进入尾气处理端，包括单甲基镓（MMGa）、二甲基镓（DMGa）、NH- 等，同时，部分未参与反应H 进入尾气处理端。

2.2 制备新型二维材料

在半导体领域，新型二维材料主要有碳纳米管（CNTs）、一氧化锡（SnO）

米开朗琪罗物质硫化钼（MoS2）等，具有优异的电磁免疫性、极低的能量损耗和其他新奇物性，可以为半导体领域各种电子器件制备提供支持。基于生长工艺操作便捷、禁带宽度可调、厚度可控、质量优异等要求，可以选择 MOCVD 设备制备半导体领域新型二维材料 [5]。以 MOCVD 设备在 MoS2 制备中的应用为例，为实现 MoS 薄膜材料生长，需要准备连续工艺次数超过 150 炉次、压力范围 4.0kPa＼～100kPa、控压与控温精度均小于等于 ±1% 的优质 MOCVD 设备。设备准备完毕后，根据新型二维材料的外延厚度 （⩾20μmm） ）、载流子浓度 （⩽2×10¹⁵cm^-3） ）、同质外延生长速率（100nm/h＼～6μm/h）、霍尔迁移率 L⩾ 80cm2/Vs）、X 射线衍射半高度（≤80arcsecs）、膜厚片内厚度均匀值 （⩽2%） 等要求，设置应用程序如下：

在反应腔内，输送以 Al₂0₃ 单晶为主要成分的 Sapphire 衬底，确保衬底光学性能卓越、透明度高、机械化学性能稳定；

通入载气；

以MoS 恒定生长需求为基准，升温、调压；

以H2S 为硫来源，以MO（CO）6 为钼来源，反应物在Sapphire 衬底迁移扩散并反应成核；

根据成核晶体颗粒横向生长需求，以腔内压强为主要调节对象，分布下调，获得二维成品。

2.3 光伏逆变器高效器件

在鲁东大学氧化物 MOCVD 采购项目中，光伏逆变器高效器件主要指 MOCVD 生长的碳化硅材料，有助于提升光伏发电转换效率。制备光伏逆变器高效器件 SiC的 MOCVD 设备需要具备反应腔、加热电源、旋转系统、真空系统气体混合柜、水浴槽、真空泵、逻辑控制器以及冷水机、水洗式SCRUBBER 等辅助模块。局部参数见表1。

根据式（2）反应需求，将有效尺寸为 500mm 的石墨衬底悬挂到 MOCVD 设备反应腔（距离底端进口150mm～250mm） ，通入载气与原材料的流量比为 3.0，调整反应腔温度为 1000℃ ＼～1200℃，压力为 200Pa。有序反应，促使MOCVD 设备反应腔内衬底表面生成表面细腻、颗粒少、厚度大、涂层均匀的SiC。

3 MOCVD 技术工艺创新

在鲁东大学氧化物MOCVD 采购项目中，对MOCVD 技术工艺创新高度关注，涉及基于尾气综合利用的环保生产设计、多材料集成等。

3.1 环保生产设计

在技术创新的驱动下，越来越多半导体从业者初步实施材料生产废气处理方案，在提高资源综合利用率的同时取得了良好的环保效益，环保生产也成为 MOCVD 技术工艺创新的重要方向之一。尾气处理是 MOCVD 环保生长的重点，也是难点。根据尾气成分与处理要求的差异，MOCVD 环保生产设计也具有一些差异。

对于 MOCVD 设备生产中产生的液氨、氢气等尾气，本研究拟研制一种综合利用液氨、氢气的装置，装置内部管道一端接入液氨、氢气等尾气进口， 端接入低压缓冲罐， 冲处理后，压缩液氨、氢气等尾气，进入高压缓冲罐内。高压缓冲罐一 换器，预冷交换机负责对液氨、氢气等尾气进行预先冷却处理。冷却处理 进入低温冷凝工序，冷凝后分离气体（N2、H2）、液体（H2O），经分子筛吸附柱、变压吸附柱进行吸附处 。吸附的N2、H2 进入对应类别的储罐内，吸附的液体则进入储槽内，有效利用MOCVD 设备生产过程中产生的液氨、氢气、氮气

在集中吸附液氨、氢气、氮气过程中，为实现氢气、氮气混合尾气的分离提纯再利用（见图 3），先将尾气预处理为常压（或低压）常温（20℃ ＼～120℃）气体，再经纯化器 进行脱氨、脱水处理，完成精制除杂，获得氨气含量小于 0.1ppm 且所含水分露点小于 -75℃的混合气。 随后进入 缩机加压到 1.0MPa＼～4.0MPa，并调整温度为-190℃＼～-100℃，开展低温精馏。紧接着，进入1 级纯化系统进一步回收氢气、氮气，并利用分析仪-3进行分析。确认混合气内无氨气后，进入二级纯化系统，进一步回收其他杂质组分，实现氢气、氮气的分离提纯再利用。

由图3 可知，1 级纯化系统包括冷凝器、节流阀、低温液体泵、精馏塔等几个部分；2 级纯化系统是填充活性炭、硅胶、分子筛等多种吸附剂的吸附塔。

3.2 多材料集成

集成多材料，是最大限度整合G 族化合 导体材料 ）、InP、Si（或其他元素半导体材料）卓越之处的必要途径。立足不 进行基于 MOCVD 技术的集成，有望进一步突破 MOCVD 技术在半 。在传统 GaAs-AlGaAs、InP-InGaAsP 材料集成的基础上， 导体材料与元素半导体材料集成过程中存在的晶格失配问题，改善 P/Si 低温键合创新为例，优化工艺见图4。

由图4 可知，基于MOCVD 技术的InP/Si 低温键合创新是在预处理晶片的基础上，将Si 晶片与InP 晶片（衬底）对贴，放入 MOCVD 设备反应腔，通入 N2 保护器，在 280℃温度内保持 2h，生成一定厚度的 In_0，53Ga_0，07As/ InP 多量子阱结构。

结束语

综上所述，本研究结果说明了 MOCVD 技术基本原理与优势，得出了当下 MOCVD 设备在半导体领域的应用，探明了MOCVD 技术工艺创新措施，解决了第三代半导体材料生长难点，确保项目采购目标的顺利达成。观点新颖，架构明确，现实参考优势较为突出。同时，本文对前人有关 MOCVD 技术研究成果做了检验，补充制备新型二维材料、环保生产设计等内容。但是，本研究仍然存在不足之处，难以系统论述 MOCVD 技术在新能源发电、轨道交通、智能电网等领域的应用，后期将进一步补充。

参考文献

[1] 陈建华 ， 王其琛 ， 夏钰东 ， 等 .MOCVD 技术在 MgO 基底沉积 YBCO 薄膜缓冲层 LaMnO3 研究 [J]. 低温与超导 ，2024，52（02）：22-31.

[2]Hogg R ，Gerrard N .What is the difference between MBE and MOCVD technologies？[J]. Electronics Weekly，2024，（2859）：26-28.

[3] 郁鑫鑫 ， 沈睿 ， 于含 ， 等 .MOCVD 生长的外延层掺杂氧化镓场效应晶体管 [J]. 人工晶体学报 ，2025，54（02）：312-318.

[4] 李嘉豪 ， 韩军 ， 邢艳辉 ， 等 . 不同 Mo 层厚度的 AlN/Mo/Sc0.2Al0.8N 复合结构上 MOCVD 外延 GaN[J].发光学报 ，2023，44（06）：1077-1084.

[5] 柳鸣 ， 郭伟玲 ， 孙捷 .MOCVD 法生长二维范德华材料的研究进展 [J]. 半导体技术 ，2021，46（07）：497-503.

作者简介：

王东兴：1983.10，本科，吉林大学，机械电子工程专业。