MBE・MOCVD・HVPEの違い：エピタキシャル成長法の真空度・成長速度・原料・材料・用途を比較
MBE・MOCVD・HVPEは、どれも基板の結晶にならって化合物半導体の結晶を成長させるエピタキシャル成長の方法ですが、原料の運び方と成長の速さが大きく違います。MBEは超高真空の中で、加熱して蒸発させた原料を分子線として基板に当てます。成長は一般に毎時約1 µmと遅いものの、原子層の単位で膜厚を制御できます。MOCVDは、有機金属と水素化物のガスを、減圧から大気圧の流れる雰囲気で加熱した基板に送り、毎時1〜数µm程度で成長させます。多数のウエハを同時に処理でき、LEDやレーザーの量産の主力です。HVPEは、ガリウムと塩化水素からつくる塩化ガリウムとアンモニアを使い、毎時数十〜数百µmの速さで厚いGaNを成長させ、自立基板づくりに使われます。
| 項目 | MBE | MOCVD | HVPE |
|---|---|---|---|
| 成長の雰囲気と圧力 | 超高真空(到達圧力の目安 10⁻⁸ Pa程度)。原料の原子や分子は、ほかの気体分子とほぼ衝突せずに基板まで飛ぶ | 水素や窒素のキャリアガスが流れる雰囲気。一般に減圧(数kPa程度)から大気圧 | 一般に大気圧付近。反応炉の壁も加熱するホットウォール型が多い |
| 原料 | 固体の元素(Ga、Al、In、Asなど)を分子線セルで加熱して蒸発させる。窒化物では、プラズマで活性化した窒素を使う | III族はトリメチルガリウムなどの有機金属、V族はアンモニア、アルシン、ホスフィンなどの水素化物 | 加熱した金属ガリウムに塩化水素を流してつくる塩化ガリウム(GaCl)と、アンモニア |
| 成長速度の目安 | 一般に毎時約1 µm(GaAsでおよそ毎秒1原子層) | 一般に毎時1〜数µm | 一般に毎時数十〜数百µmで、MOCVDの数十倍 |
| 膜厚と界面の制御 | 最も精密。シャッターで原料を瞬時に切り替え、原子層の単位で急峻な界面をつくれる | ガスの切り替えで、組成を数nm単位で変えられる。量子井戸などの薄い多層構造をつくれる | 苦手。薄い層や急峻な界面より、厚い膜を速くつくるのに向く |
| その場観察 | RHEED(反射高速電子回折)で、表面の状態や成長した層の数を観察できる | 圧力が高いのでRHEEDは使えない。光の反射率や基板の温度・反りを測る | 限られる |
| 量産性 | 低い。1回に処理するウエハは少なく、研究開発や特定のデバイスの生産が中心 | 高い。1回に数十枚のウエハを処理できる装置もある | 厚膜を速くつくれるが、処理できる枚数は多くない |
| 主な材料 | GaAs、AlGaAs、InGaAsなどのIII-V族、窒化物、酸化物など | GaN、InGaN、AlGaN、GaAs、InPなどのIII-V族 | GaN(厚膜・基板)、Ga2O3など |
| 取り扱いと課題 | 超高真空の維持と装置の保守が必要。固体のヒ素なども毒性がある | 自然発火性の有機金属や毒性の高い水素化物を扱う。有機金属に由来する炭素の混入や、Mgを添加したGaNの水素による不活性化がある | 腐食性の塩化水素を扱う。厚く成長させるので、基板との熱膨張の差による反りや割れに注意する |
| 主な用途 | HEMTなどの高周波デバイス、量子井戸や超格子の研究、量子デバイス | LED、半導体レーザー、GaNのHEMTやパワーデバイス、多接合太陽電池 | GaNの自立基板、厚いバッファ層、Ga2O3のエピタキシャル層 |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。