中科院苏州纳米所研究员、光达光电设备科技有限公司创始人、CTO 梁秉文

促成材料生长技术飞跃

MOCVD的技术特点是可以精确控制和生长多种不同的原子层材料，实现了半导体异质结构单晶薄膜材料生长技术的飞跃。

MOCVD技术之所以这么重要并受到如此广泛的关注是因为在MOCVD问世以前，化合物半导体晶体薄膜生长主要依靠LPE(liquid phase epitaxy)和VPE(vapor phase epitaxy)这两项技术。在1966年和1967年，这两项技术分别研发成功，并被成熟地用于生长GaAs和AlGaAs等材料，制备出具有一定质量的半导体器件。但是，由于这两项技术存在着生长温度高、生长速度过快、生长厚度和均匀性很难控制以及生长样品尺寸小等缺点，很难生长出亚微米，甚至纳米尺寸的多层结构。VPE和LPE的技术难点阻碍了化合物半导体材料和器件的进步，所以当时化合物半导体单晶薄膜生长技术亟待突破。正是在这种情况下，MOCVD和MBE(molecular beam epitaxy，分子束外延)应运而生。它们的技术特点是可以精确控制和生长多种不同的原子层材料，从而实现了半导体异质结构单晶薄膜材料生长技术的飞跃，使得原来无法实现的超晶格和量子阱结构以及渐变组分的生长成为可能。人们通过新的材料结构和器件看到了过去想看但看不到的物理现象，并大大提高了器件的光电性能。MOCVD早期的研发工作主要集中在原材料的选取、提纯，生长工艺条件的试验，本底掺杂浓度的降低，P型、N型掺杂源的开发，流量和压力的控制，尾气处理与安保和MOCVD设备结构的完善等。

如果按反应气体的进气流向与衬底表面的取向关系，MOCVD可分为水平式与垂直式两种。水平式是**传统的MOCVD类型，早期的MOCVD以水平式为主。目前商用的垂直式MOCVD反应器依照厂家本身的定位可分为高速旋转型(turbo- disc)、衬底面朝下型(face-down)和近耦合喷淋型(close-coupled showerhead)。其中高速旋转型的技术主要来自美国的贝尔实验室(Bell Labs)，当年的Emcore公司正是基于这项技术而成立(1982年)，并发展成为今天Veeco公司的一项主要业务。水平式MOCVD的主要问题是生长均匀性，德国的RWTH Aachen University通过气体驱动技术使得MOCVD生长过程中衬底既可以公转也可以自转，达到了生长均匀性的目的。基于此项技术，1983年德国 Aixtron公司成立。该公司通过十几年的努力，发展壮大起来，并在1999年兼并了英国的Thomas Swan和瑞典的Epigress，一举成为在全球范围内MOCVD设备的主导公司。目前，Veeco和Aixtron公司主导着整个MOCVD市场，他们的市场占有率高达90%以上。

设备国产化道路崎岖

MOCVD国产化不是简单的研发项目，而是商业项目。项目结束时，不只是要拿出一台样机，而是要拿出客户肯花钱买的产品。

中国MOCVD的技术开发始于20世纪80年代。在时任中科院学部委员、中科院上海冶金所所长、**的材料学家邹元曦的倡导和推动下，1984年中科院上海冶金所自主研发出了生长GaAs的水平式MOCVD设备，并在当时的嘉定分部开展了GaAs基材料生长动力学、生长工艺及其材料性能的研究。同时在尾气处理、TMGa合成和提纯及设备控制改善等方面做了大量的工作。这些研究成果获得了中科院1986年科技进步三等奖。当然，当时的MOCVD是采用手动控制的。由于巴黎统筹委员会的限制，在1994年以前MOCVD及其相关关键零部件是无法正常进入中国的。1986年中科院上海冶金所又成功组装了国内**台微机控制全自动MOCVD设备。其后，曾有中科院长春物理所、中科大和中科院北京半导体所、西安光机所等单位相继进行了MOCVD设备研发与组装方面的工作。由于中国国内科研对于MOCVD设备迫切的需求，在1987年～1994年期间，中科院半导体所、山东大学、吉林大学和武汉邮电公司等陆续从瑞典的Epiquip公司(VP-50-SP)、法国的ASM公司(OMR-12LP)、英国的Thomas Swan和德国的Aixtron公司(200型)等进口了全套MOCVD设备。这些设备基本上都是水平式的。尽管1994年后，巴黎统筹委员会放松了对中国的出口限制，但是美国商务部对中国的出口限制还是特别紧，因此美国MOCVD设备进入中国的时间比较晚。Emcore**台MOCVD设备是1996年左右进入中国的。早期的MO源，除了少量从Alfa公司和Morton公司进口外，其他均由南京大学化学系和大连光明化工研究所提供。

中国每两年一次的MOCVD学术研讨会是在1988年开始筹备，并在1989年举办的。从此每两年一次的研讨会一直延续至今。**近的一次研讨会是第十二届，在2012年4月由厦门大学承办。这个研讨会为推动中国MOCVD的学术研究、技术发展与交流作出了巨大贡献。

自从1984年到现在，中国MOCVD国产化的工作一直都没有停止过。“九五”计划期间，科技部的“863”计划就有对MOCVD的研发项目给予支持，此后的“十五”、“十一五”、“十二五”期间都有对于MOCVD研发的支持。但是为什么中国MOCVD国产化道路这么崎岖呢?原因说起来也很简单，是因为思路上出了问题。MOCVD国产化不是一个简单的研发项目，而是一个商业项目。这个项目结束时，不只是要拿出一台样机，而是要拿出客户肯花钱购买的产品，还要配上工艺技术和保证设备在生产线上运行的服务。在2012年以前的中国，人们没有看到能完成这些工作的项目和公司，所以也就没有MOCVD的产业化。但现在不同了，有几家以MOCVD国产化为主要目的的公司已经开始做这方面的工作，并初见成效。

LED照明等市场需求潜力巨大

LED照明是一个超万亿元的巨大产业，目前才刚刚起步，MOCVD的明天就在于为像LED照明这样的产业提供好用的外延设备。

在中国，LED产业的发展给MOCVD带来的需求是巨大的。中国国内MOCVD的进口数量在2007年年底前总共约有50台，2008年一年进口数量在 40台左右，2009年进口将近60台，2010年是“疯狂的一年”，由于一些地方政府出台了巨额补贴政策，有些LED外延芯片厂疯狂采购MOCVD，当年进口MOCVD将近200台，2011年更是达到了350台左右。当时中国的采购量占了世界市场的60%以上。2012年尽管LED市场不景气，但由于历史的原因，中国还是进口了将近200台MOCVD，从而造成了中国LED外延芯片产能过剩，特别是中低端的产品出现了供远远大于求的惨烈境况，严重地损伤了LED外延芯片厂的利益。这使得LED芯片厂个个自危，若不靠政府的补贴几乎无法正常赢利。今天中国的LED照明产业到了一个历史的转折点。

中国LED外延芯片厂处于这样一种情况有其客观原因。仔细分析前几年中国LED照明产业热闹的背后，可以看到很多深层次的问题。其他问题与本文无关，这里只讨论与MOCVD相关的问题。大家都知道，MOCVD是LED外延芯片的关键设备和工艺技术载体。它不仅主导了LED的性能，更决定着LED的成本。 MOCVD设备完全依靠进口，MOCVD的核心工艺技术和专利大部分掌握在欧美和日本人手里，我们依靠的核心工程技术人员主要来自海外。看到这样一些现实，就清楚地知道中国LED照明产业是建造在沙滩上的大厦。那么中国LED照明产业的出路在哪里呢?在于MOCVD的国产化。当然，这里所说的MOCVD 国产化，并不是为了国产化而国产化。国产的MOCVD必须做到以下几点：一是设备价格要合理(是进口设备价格的70%～80%);二是LED外延的命中率和均匀性(主要是波长和亮度)要大幅度提升;三是设备维护和耗损件的成本要大大降低;四是LED的产能要明显提高(主要不在于设备有多大，而是要增加良品率和降低生长时间);五是降低原材料的浪费;六是自带LED工艺，并降低工艺技术开发难度，改变只有博士才能维护工艺正常运转的局面等。当国产MOCVD 做到这些的时候，中国的LED照明产业才有希望，全球的LED照明才有前途。LED照明是个超万亿元的巨大产业，目前才刚刚起步，MOCVD的明天就在于为像LED照明这样的产业提供好用的外延设备。当然，除了LED，MOCVD还在电力电子、高频高功率电子器件、高效太阳能和IGZO(氧化铟镓锌)显示等市场拥有巨大的潜在需求。我们相信MOCVD在未来的10年里必将大有作为，为人类的美好健康生活作出它应有的贡献。

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MOCVD技术与专利简史

MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition，金属有机化学气相沉积)又称为OMVPE(organometallic vapor phase epitaxy，有机金属气相外延)或者MOVPE(metal-organic vapor phase epitaxy，金属有机气相外延)的技术开发可以追溯到20世纪60年代。早在1961年10月，工作在美国Monsanto(孟山都)公司的 Robert A. Ruehrwein(1916年～1995年)在美国申请了与MOCVD相关的专利(3218203)，并于1965年11月获得了授权。这个专利主要针对的是II-VI族化合物半导体异质结和组分渐变晶体薄膜的生长，包括了在同质和异质衬底上的外延等，它被认为是与MOCVD相关的**早的专利。可是真正使MOCVD技术逐渐成熟并使MOCVD成为各种化合物半导体，特别是III-V族器件材料生长重要工具的是美国的Rockwell International公司。20世纪60年代，工作在Rockwell International公司的工程技术及研发人员围绕III-V族MOCVD材料生长设备及工艺做了大量的技术开发工作。 H.M.Manasevit(1927年～2008年)是其中的主要研究人员，并于1968年在美国申请了与MOCVD相关的专利(705213)。可是，当时的专利申请并没有被美国专利局接受，而是遭到了拒绝。1978年，Rockwell重新申请(专利号4368098)，1983年才得到授权。具有戏剧性的是，1997年，Rockwell的专利被宣布无效，但后来申诉成功，又成为有效。就是这样一个阴差阳错的专利后来给Rockwell带来了巨大的财富。因为如果Rockwell在1968年申请时就获得了这项专利，那么这项专利在1990年以前也就到期了。可是MOCVD的市场需求是到了 1993年后才呈现出稳定的增长。所以，Rockwell在这项专利上是因祸得福，甚至到了2000年还有与MOCVD相关的专利诉讼发生。在这项专利有效期间，在这项专利保护的区域，不论是哪家MOCVD设备制造厂商，每卖出一台设备就要交给Rockwell一笔可观的专利费用。

在过去50多年的MOCVD科研、技术开发和工业化过程中，有很多人作出了重要的贡献。留下深刻印象的人和研究单位有：

1. Dr.Norman E.Schumaker，Emcore公司创始人

2. Dr.Holger Jürgensen，Aixtron公司创始人;

3.LED之父Dr.Nick Holonyak的学生George Craford，Russell Dupuis和Dan Dapkus，进行了LED、半导体激光器等开拓性研发工作;

4. Dr.G.Stringfellow，早期在HP Labs，后在犹他大学进行MOCVD材料生长热力学的研究和教学;

5. Dr. Shuji Nakamura，在GaN MOCVD生长方面做了很多开创性的工作。