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MBE vs. MOCVD vs. HVPE: epitaktisches Wachstum im Vergleich nach Vakuum, Wachstumsrate, Quellen, Materialien und Einsatz

MBE, MOCVD und HVPE lassen Kristalle von Verbindungshalbleitern wachsen, die dem Substratkristall folgen (epitaktisches Wachstum), liefern die Ausgangsstoffe aber auf unterschiedliche Weise und wachsen sehr unterschiedlich schnell. Bei der MBE werden im Ultrahochvakuum verdampfte Ausgangsstoffe als Molekularstrahlen auf das Substrat gerichtet. Das Wachstum ist mit typischerweise etwa 1 µm pro Stunde langsam, die Schichtdicke lässt sich aber bis auf einzelne Atomlagen steuern. Bei der MOCVD werden metallorganische Verbindungen und Hydridgase in einer strömenden Atmosphäre bei Unterdruck bis Atmosphärendruck zu einem beheizten Substrat geleitet; das Wachstum erreicht typischerweise 1 bis einige µm pro Stunde. Sie kann viele Wafer gleichzeitig bearbeiten und ist das wichtigste Verfahren in der Produktion von LEDs und Lasern. Die HVPE nutzt Galliumchlorid, das aus Gallium und Chlorwasserstoff erzeugt wird, zusammen mit Ammoniak, um dickes GaN mit einigen zehn bis einigen hundert µm pro Stunde wachsen zu lassen, und dient zur Herstellung freistehender Substrate.

MerkmalMBEMOCVDHVPE
Wachstumsatmosphäre und DruckUltrahochvakuum (Enddruck in der Größenordnung von 10⁻⁸ Pa); Atome und Moleküle der Quellen fliegen nahezu ohne Gasstöße zum SubstratStrömendes Trägergas aus Wasserstoff oder Stickstoff, typischerweise von Unterdruck (einige kPa) bis AtmosphärendruckTypischerweise nahe Atmosphärendruck; oft ein Heißwandreaktor, dessen Wände ebenfalls beheizt werden
QuellenFeste Elemente (Ga, Al, In, As usw.), die in beheizten Effusionszellen verdampft werden; für Nitride wird plasmaaktivierter Stickstoff verwendetFür Gruppe III metallorganische Verbindungen wie Trimethylgallium, für Gruppe V Hydride wie Ammoniak, Arsin und PhosphinGalliumchlorid (GaCl), erzeugt durch Leiten von Chlorwasserstoff über heißes Galliummetall, sowie Ammoniak
Typische WachstumsrateTypischerweise etwa 1 µm pro Stunde (bei GaAs grob eine Atomlage pro Sekunde)Typischerweise 1 bis einige µm pro StundeTypischerweise einige zehn bis einige hundert µm pro Stunde, einige zehnmal schneller als MOCVD
Kontrolle von Schichtdicke und GrenzflächenAm präzisesten: Shutter schalten die Quellen sofort um und erzeugen abrupte Grenzflächen auf AtomlagenebeneDurch Umschalten der Gase lässt sich die Zusammensetzung im Bereich einiger Nanometer ändern, genug für Quantentöpfe und andere dünne MehrschichtstrukturenSchwach: eher geeignet, dicke Schichten schnell herzustellen, als dünne Schichten oder abrupte Grenzflächen
In-situ-BeobachtungRHEED (Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexion) zeigt den Oberflächenzustand und zählt gewachsene LagenFür RHEED ist der Druck zu hoch; gemessen werden optische Reflexion, Wafertemperatur und WaferdurchbiegungBegrenzt
DurchsatzGering: wenige Wafer pro Durchlauf; vor allem Forschung und Fertigung bestimmter BauelementeHoch: manche Reaktoren bearbeiten Dutzende Wafer pro DurchlaufWächst dicke Schichten schnell, aber nicht viele Wafer auf einmal
Wichtigste MaterialienIII-V-Verbindungen wie GaAs, AlGaAs und InGaAs sowie Nitride, Oxide und andereIII-V-Verbindungen wie GaN, InGaN, AlGaN, GaAs und InPGaN (dicke Schichten und Substrate), Ga2O3 und andere
Handhabung und ProblemeDas Ultrahochvakuum muss aufrechterhalten und die Anlage gewartet werden; feste Quellen wie Arsen sind giftigPyrophore Metallorganika und hochgiftige Hydride; Kohlenstoff aus den Metallorganika kann eingebaut werden, und Wasserstoff passiviert Mg in Mg-dotiertem GaNKorrosiver Chlorwasserstoff; beim dicken Wachstum sind Durchbiegung und Risse durch unterschiedliche Wärmeausdehnung von Schicht und Substrat zu beachten
Typischer EinsatzHF-Bauelemente wie HEMTs, Forschung an Quantentöpfen und Übergittern, QuantenbauelementeLEDs, Laserdioden, GaN-HEMTs und Leistungsbauelemente, MehrfachsolarzellenFreistehende GaN-Substrate, dicke Pufferschichten, Ga2O3-Epitaxieschichten

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

MBE
Wenn Schichtdicke und Zusammensetzung auf Atomlagenebene festgelegt werden müssen: HEMTs und Quantenstrukturen, deren Leistung von abrupten Grenzflächen abhängt, sowie Forschung an neuen Materialien.
MOCVD
Wenn dünne Mehrschicht-Bauelementstrukturen auf vielen Wafern gefertigt werden müssen. Sie ist das wichtigste Fertigungsverfahren für GaN-LEDs, -Laser und -HEMTs.
HVPE
Wenn dickes GaN schnell wachsen muss. Eine dicke Schicht wird auf einem Fremdsubstrat gezüchtet und das Substrat anschließend entfernt, was ein freistehendes GaN-Substrat ergibt; die Bauelementschichten werden danach per MOCVD oder ähnlich darauf aufgewachsen.

Häufige Fragen

Warum wird MBE im Ultrahochvakuum durchgeführt?

Damit die Atome und Moleküle der Quellen als Strahl zum Substrat gelangen, ohne mit anderen Gasmolekülen zusammenzustoßen. Außerdem bleiben Verunreinigungen fern, und RHEED, das einen Elektronenstrahl nutzt, kann die Oberfläche während des Wachstums beobachten.

Warum wächst HVPE schneller als MOCVD?

Die Gruppe-III-Quelle lässt sich als Galliumchlorid in großen Mengen zuführen und reagiert auf dem heißen Substrat schnell. Die Wachstumsraten liegen typischerweise bei einigen zehn bis einigen hundert µm pro Stunde, einige zehnmal schneller als bei MOCVD, dafür ist es schwierig, Schichten von wenigen Nanometern genau herzustellen.

Warum wird MOCVD zur Herstellung von LEDs verwendet?

Sie kann nur wenige Nanometer dünne Schichten wie Quantentöpfe unter Wechsel der Zusammensetzung wachsen lassen und bearbeitet dabei viele Wafer pro Durchlauf. MBE bietet bessere Kontrolle, wächst aber langsam, und HVPE ist schnell, kontrolliert dünne Schichten aber schlecht.

Wie werden freistehende GaN-Substrate hergestellt?

Dickes GaN, einige hundert µm bis mm, wird per HVPE auf einem Fremdsubstrat wie Saphir gezüchtet, und das ursprüngliche Substrat wird entfernt. Mit zunehmender Schichtdicke treffen sich Durchstoßversetzungen und löschen sich aus, daher ist die Versetzungsdichte nahe der Oberfläche geringer.

Verständnis prüfen

Wofür wird MOCVD (metallorganische Gasphasenabscheidung) hauptsächlich eingesetzt?

  1. AThermische Oxidation von Silizium
  2. BGalvanik für Cu-Leitbahnen
  3. CEpitaktisches Wachstum von Verbindungshalbleitern wie GaN
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Antwort: C. Epitaktisches Wachstum von Verbindungshalbleitern wie GaN

MOCVD ist ein Verfahren, bei dem metallorganische Verbindungen wie Trimethylgallium und Hydridgase wie Ammoniak auf einem erhitzten Substrat reagieren und Kristalle von Verbindungshalbleitern wachsen. Die Zusammensetzung lässt sich durch Gaswechsel im nm-Bereich ändern, und mit der Verarbeitung von einigen zehn Wafern pro Durchgang ist sie für die Massenfertigung geeignet. Sie wird breit eingesetzt für blaue und weiße LEDs auf GaN-Basis, Halbleiterlaser, Hochfrequenz- und Leistungsbauelemente sowie die Herstellung von Solarzellen.

Welche Aussage zu den Merkmalen der MBE (Molekularstrahlepitaxie) ist richtig?

  1. ABei Atmosphärendruck wachsen dicke Schichten schnell auf
  2. BIm Ultrahochvakuum werden die Ausgangsstoffe als Molekularstrahl auf das Substrat gebracht, und Schichtdicke und Zusammensetzung lassen sich auf Atomlagenebene präzise steuern
  3. CDer Wafer wird zum Wachstum in einen flüssigen Ausgangsstoff getaucht
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Antwort: B. Im Ultrahochvakuum werden die Ausgangsstoffe als Molekularstrahl auf das Substrat gebracht, und Schichtdicke und Zusammensetzung lassen sich auf Atomlagenebene präzise steuern

MBE ist ein Verfahren, bei dem in einer Ultrahochvakuumanlage von etwa 10⁻⁸ Pa die Ausgangsstoffe erhitzt und als Strahl von Molekülen (Atomen) auf das Substrat gerichtet werden, sodass ein Kristall wächst. Durch Öffnen und Schließen von Shuttern können die Ausgangsstoffe augenblicklich gewechselt werden, und mit In-situ-Beobachtung des Wachstums per RHEED lassen sich Schichtdicke und Zusammensetzung atomlagenweise steuern. Die Wachstumsrate ist mit etwa 1 µm pro Stunde gering und die Massenfertigungstauglichkeit schlechter als bei MOCVD; eingesetzt wird MBE in Forschung und Entwicklung sowie für Hochleistungs-HEMTs und Quantenbauelemente.

Welche Methode beobachtet bei MBE das Wachstum in situ, indem ein Elektronenstrahl unter flachem Winkel auf die wachsende Oberfläche gerichtet und das Beugungsbild ausgewertet wird?

  1. ASIMS
  2. BRHEED (Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexion)
  3. CXPS
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. RHEED (Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexion)

Bei RHEED wird ein Elektronenstrahl von 10 bis 30 keV unter einem streifenden Winkel von etwa 1 bis 3° auf die wachsende Oberfläche gerichtet und das Beugungsmuster auf einem Leuchtschirm beobachtet. Daraus erkennt man die Ebenheit der Oberfläche und Rekonstruktionen; bei lagenweisem Wachstum ändert sich die Rauheit der Oberfläche periodisch, und die Intensität oszilliert, sodass sich die Zahl der aufgewachsenen Lagen in situ zählen lässt. Es ist eine Beobachtungsmethode, die der MBE im Ultrahochvakuum eigen ist, wo Elektronenstrahlen nicht von Gasmolekülen gestreut werden.

  1. Welches Verfahren wird zum schnellen Wachstum dicker GaN-Schichten für freistehende GaN-Substrate verwendet?
  2. Was bedeutet das beim GaN-Wachstum mit MOCVD als Bedingung kontrollierte „V/III-Verhältnis“?
  3. Welche Kombination aus Hauptgrund und Gegenmaßnahme ist richtig, weshalb mit Magnesium dotiertes GaN aus dem MOCVD-Verfahren unmittelbar nach dem Wachstum hochohmig ist und nicht p-leitend wird?

Übungsfragen zu Epitaxie

Wichtige Begriffe erklärt

MBE (Molekularstrahlepitaxie)
Verfahren zum epitaktischen Wachstum, bei dem im Ultrahochvakuum die Ausgangsstoffe als Molekularstrahlen auf das Substrat gelangen. Schichtdicke und Zusammensetzung lassen sich auf atomarer Ebene steuern; für die Forschung an Verbindungshalbleitern und Quantenstrukturen.
MOCVD (metallorganische Gasphasenepitaxie)
Verfahren zum Kristallwachstum mit metallorganischen Verbindungen und Gasen wie Ammoniak. Weit verbreitet für Verbindungshalbleiter wie GaN und GaAs.
HVPE (Hydridgasphasenepitaxie)
Gasphasenwachstum mit Galliumchlorid aus der Reaktion von Chlorwasserstoff und Gallium sowie Ammoniak. Sehr hohe Wachstumsrate; für dicke Kristalle zur Herstellung freistehender GaN-Substrate.
Epitaktisches Wachstum (Epitaxie)
Technik, bei der auf einem einkristallinen Substrat eine einkristalline Dünnschicht mit gleicher Kristallorientierung wie das Substrat aufgewachsen wird.
GaN (Galliumnitrid)
III-V-Verbindungshalbleiter mit einer Bandlücke von etwa 3,4 eV. Wird für blaue LEDs sowie für Hochfrequenz- und Leistungsbauelemente verwendet.
Quantentopf (Quantum Well)
Struktur, in der eine wenige nm dünne Schicht mit kleiner Bandlücke zwischen Schichten mit großer Bandlücke eingebettet ist. Sie schließt Ladungsträger ein und begünstigt die Rekombination; daher dient sie als aktive Schicht in LEDs und Lasern.
HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit)
Transistor, dessen Kanal ein zweidimensionales Elektronengas hoher Beweglichkeit an der Heteroübergangsgrenzfläche bildet. Er wird für Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen eingesetzt.
Durchstoßversetzung (Threading Dislocation)
Versetzung, die sich durch die Wachstumsschicht bis zur Oberfläche erstreckt. Bei GaN auf Saphir oder Silizium ist die Dichte hoch (etwa 10⁸ bis 10⁹ cm⁻²) und verschlechtert Bauelementeigenschaften und Zuverlässigkeit.

Verwandte Vergleiche