MBE versus MOCVD versus HVPE: methoden voor epitaxiale groei vergeleken op vacuüm, groeisnelheid, bronnen, materialen en toepassingen

MBE, MOCVD en HVPE groeien allemaal kristallen van verbindingshalfgeleiders die het kristal van het substraat volgen (epitaxiale groei), maar ze voeren de bronnen verschillend aan en groeien met zeer verschillende snelheden. MBE richt bundels van verdampt bronmateriaal op het substraat in ultrahoog vacuüm. Het is traag, doorgaans ongeveer 1 µm per uur, maar beheerst de dikte tot op afzonderlijke atoomlagen. MOCVD voert metaalorganische en hydridegassen in een stromend gas bij verlaagde tot atmosferische druk naar een verwarmd substraat en groeit doorgaans met 1 tot enkele µm per uur. Het kan veel wafers tegelijk verwerken en is het werkpaard voor de productie van leds en lasers. HVPE gebruikt galliumchloride, gemaakt uit gallium en waterstofchloride, samen met ammoniak om dik GaN te groeien met tientallen tot honderden µm per uur, en wordt gebruikt om vrijstaande substraten te maken.

KenmerkMBEMOCVDHVPE
Groeiomgeving en drukUltrahoog vacuüm (basisdruk in de orde van 10⁻⁸ Pa); bronatomen en -moleculen vliegen vrijwel zonder botsingen met gas naar het substraatEen stromend draaggas van waterstof of stikstof, doorgaans van verlaagde druk (enkele kPa) tot atmosferische drukDoorgaans bij bijna atmosferische druk; vaak een hot-wallreactor waarvan ook de wanden worden verwarmd
BronnenVaste elementen (Ga, Al, In, As enz.) die in verwarmde effusiecellen worden verdampt; voor nitriden plasma-geactiveerde stikstofMetaalorganische verbindingen van groep III zoals trimethylgallium; hydriden van groep V zoals ammoniak, arsine en fosfineGalliumchloride (GaCl), gevormd door HCl over heet galliummetaal te leiden, plus ammoniak
Typische groeisnelheidDoorgaans ongeveer 1 µm per uur (ruwweg één atoomlaag per seconde voor GaAs)Doorgaans 1 tot enkele µm per uurDoorgaans tientallen tot honderden µm per uur, tientallen keren sneller dan MOCVD
Beheersing van dikte en grensvlakkenHet nauwkeurigst: sluiters schakelen bronnen direct om, wat abrupte grensvlakken op atoomlaagniveau geeftHet omschakelen van gassen verandert de samenstelling op een schaal van enkele nanometers, genoeg voor quantumwells en andere dunne multilagenZwak: geschikt om snel dikke lagen te groeien, niet voor dunne lagen of abrupte grensvlakken
In-situ monitoringRHEED (reflection high-energy electron diffraction) toont de toestand van het oppervlak en telt de gegroeide lagenDe druk is te hoog voor RHEED; optische reflectie, wafertemperatuur en waferkromming worden gemetenBeperkt
DoorvoerLaag: weinig wafers per run; vooral onderzoek en productie van specifieke componentenHoog: sommige reactoren verwerken tientallen wafers per runGroeit dikke lagen snel, maar niet veel wafers tegelijk
Belangrijkste materialenIII-V-verbindingen zoals GaAs, AlGaAs en InGaAs, plus nitriden, oxiden en andereIII-V-verbindingen zoals GaN, InGaN, AlGaN, GaAs en InPGaN (dikke lagen en substraten), Ga2O3 en andere
Hantering en aandachtspuntenHet ultrahoge vacuüm moet worden gehandhaafd en het systeem onderhouden; vaste bronnen zoals arseen zijn giftigZelfontbrandende metaalorganische verbindingen en zeer giftige hydriden; koolstof uit de metaalorganische verbindingen kan worden ingebouwd, en waterstof passiveert Mg in Mg-gedoteerd GaNCorrosief waterstofchloride; bij dikke groei zijn kromming en scheuren door het verschil in thermische uitzetting met het substraat een aandachtspunt
Typische toepassingenRF-componenten zoals HEMT's, onderzoek naar quantumwells en superroosters, quantumcomponentenLeds, laserdiodes, GaN-HEMT's en vermogenscomponenten, multijunctiezonnecellenVrijstaande GaN-substraten, dikke bufferlagen, epitaxiale lagen van Ga2O3

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

MBE
Wanneer dikte en samenstelling op atoomlaagniveau moeten worden ingesteld: HEMT's en quantumstructuren waarvan de prestaties van abrupte grensvlakken afhangen, en onderzoek naar nieuwe materialen.
MOCVD
Wanneer dunne meerlaagse componentstructuren op veel wafers moeten worden geproduceerd. Het is de belangrijkste productiemethode voor GaN-leds, -lasers en -HEMT's.
HVPE
Wanneer dik GaN snel moet worden gegroeid. Een dikke laag op een vreemd substraat groeien en het substraat verwijderen geeft een vrijstaand GaN-substraat; de componentlagen worden daarop vervolgens met MOCVD of een vergelijkbare methode gegroeid.

Veelgestelde vragen

Waarom gebeurt MBE in ultrahoog vacuüm?

Zodat bronatomen en -moleculen als bundel naar het substraat reizen zonder met andere gasmoleculen te botsen. Het houdt ook onzuiverheden buiten en maakt RHEED mogelijk, dat met een elektronenbundel het oppervlak tijdens de groei volgt.

Waarom groeit HVPE sneller dan MOCVD?

De bron voor groep III kan in grote hoeveelheden als galliumchloride worden aangevoerd en reageert snel op het hete substraat. De groeisnelheden zijn doorgaans tientallen tot honderden µm per uur, tientallen keren sneller dan bij MOCVD, maar nauwkeurige lagen van enkele nanometers dik maken is moeilijk.

Waarom wordt MOCVD gebruikt om leds te maken?

Het kan lagen van slechts enkele nanometers dik groeien, zoals quantumwells, terwijl de samenstelling wordt omgeschakeld, en het verwerkt veel wafers per run. MBE biedt betere beheersing maar groeit traag, en HVPE is snel maar beheerst dunne lagen slecht.

Hoe worden vrijstaande GaN-substraten gemaakt?

Dik GaN, honderden micrometers tot millimeters, wordt met HVPE op een vreemd substraat zoals saffier gegroeid, waarna het oorspronkelijke substraat wordt verwijderd. Naarmate de laag dikker wordt, ontmoeten threading-dislocaties elkaar en annihileren ze, dus de dislocatiedichtheid is lager dichter bij het oppervlak.

Test uw begrip

Waarvoor wordt MOCVD (metaalorganische chemische dampafzetting) vooral gebruikt?

  1. AThermische oxidatie van silicium
  2. BPlateren van Cu-bedrading
  3. CEpitaxiale groei van samengestelde halfgeleiders zoals GaN
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Epitaxiale groei van samengestelde halfgeleiders zoals GaN

Bij MOCVD reageren metaalorganische verbindingen zoals trimethylgallium en hydridegassen zoals ammoniak op een verhit substraat, waarbij het kristal van een samengestelde halfgeleider groeit. Door het omschakelen van gassen kan de samenstelling met een resolutie van enkele nm worden veranderd, en er kunnen per run tientallen wafers worden verwerkt, wat massaproductie mogelijk maakt. MOCVD wordt breed toegepast voor blauwe en witte leds op GaN-basis, halfgeleiderlasers, hoogfrequent- en vermogenscomponenten en ook voor de productie van zonnecellen.

Welke uitspraak over de kenmerken van MBE (moleculaire bundelepitaxie) is juist?

  1. ADikke films groeien snel bij atmosferische druk
  2. BIn ultrahoogvacuüm worden de grondstoffen als moleculaire bundels aan het substraat toegevoerd, waardoor laagdikte en samenstelling op atoomlaagniveau nauwkeurig te regelen zijn
  3. CDe wafer wordt in een vloeibare grondstof gedompeld om te laten groeien
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. In ultrahoogvacuüm worden de grondstoffen als moleculaire bundels aan het substraat toegevoerd, waardoor laagdikte en samenstelling op atoomlaagniveau nauwkeurig te regelen zijn

Bij MBE worden in een ultrahoogvacuümapparaat van circa 10⁻⁸ Pa de grondstoffen verhit en als bundel van moleculen (atomen) op het substraat gericht, waarbij het kristal groeit. Met sluiters kunnen de grondstoffen onmiddellijk worden omgeschakeld, en met in-situ waarneming van de groei met RHEED zijn laagdikte en samenstelling per atoomlaag te regelen. De groeisnelheid is met circa 1 µm per uur laag en de massaproductiviteit blijft achter bij MOCVD, maar MBE wordt gebruikt voor onderzoek en ontwikkeling, hoogwaardige HEMT's en kwantumcomponenten.

Welke techniek in MBE laat een elektronenbundel onder een ondiepe hoek op het groeiende oppervlak vallen en neemt de groei in situ waar aan de hand van het diffractiebeeld?

  1. ASIMS
  2. BRHEED (reflectie-hoogenergetische elektronendiffractie)
  3. CXPS
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. RHEED (reflectie-hoogenergetische elektronendiffractie)

RHEED is een techniek waarbij een elektronenbundel van 10 tot 30 keV onder een scherpe hoek van circa 1 tot 3° op het groeiende oppervlak valt en het diffractiepatroon op een fluorescentiescherm wordt waargenomen. Hieruit zijn de vlakheid en de reconstructiestructuur van het oppervlak af te lezen. Bij laag-voor-laag-groei van één atoomlaag verandert de ruwheid van het oppervlak periodiek en oscilleert de intensiteit, zodat het aantal gegroeide lagen in situ kan worden geteld. Deze waarneming is alleen mogelijk in ultrahoogvacuüm-MBE, waar de elektronenbundel niet door gasmoleculen wordt verstrooid.

  1. Welke methode wordt gebruikt om een dikke GaN-laag snel te laten groeien om een vrijstaand GaN-substraat te maken?
  2. Wat betekent de 'V/III-verhouding' die bij de groei van GaN met MOCVD als voorwaarde wordt beheerst?
  3. Wat is de belangrijkste reden dat met Mg gedoteerd GaN dat met MOCVD is gegroeid direct na de groei hoogohmig is en niet p-type wordt, en welke tegenmaatregel hoort daarbij?

Oefenvragen over Epitaxiale groei

Belangrijke termen uitgelegd

MBE (molecular beam epitaxy)
Methode waarbij in ultrahoogvacuüm grondstoffen als moleculaire bundels aan het substraat worden toegevoerd voor epitaxiale groei. Laagdikte en samenstelling zijn op atomair niveau nauwkeurig te regelen; wordt gebruikt voor onderzoek aan verbindingshalfgeleiders en het maken van kwantumstructuren.
MOCVD (metaalorganische dampafzetting)
Methode om kristallen te laten groeien met metaalorganische verbindingen en brongassen zoals ammoniak. Wordt veel gebruikt voor de groei van verbindingshalfgeleiders zoals GaN en GaAs.
HVPE (hydride-dampfase-epitaxie)
Dampfasegroeimethode met galliumchloride, ontstaan uit de reactie van waterstofchloride met gallium, en ammoniak. De groeisnelheid is zeer hoog; wordt gebruikt om dikke kristallen te laten groeien voor zelfdragende GaN-substraten.
Epitaxiale groei
Techniek om op een monokristallijn substraat een monokristallijne dunne laag te laten groeien, met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat.
GaN (galliumnitride)
III-V-verbindingshalfgeleider met een bandgap van ongeveer 3,4 eV. Wordt gebruikt voor blauwe leds en voor hoogfrequente en vermogensapparaten.
Quantum well
Structuur waarbij een dunne laag van enkele nm met een kleine bandgap tussen lagen met een grote bandgap ligt. Sluit ladingdragers op en bevordert recombinatie, dus wordt gebruikt als lichtemitterende laag in leds en lasers.
HEMT (high electron mobility transistor)
Transistor die als kanaal een tweedimensionaal elektronengas met hoge mobiliteit gebruikt dat ontstaat aan het grensvlak van een heterojunctie. Wordt gebruikt voor hoge frequenties en hoog vermogen.
Threading-dislocatie
Dislocatie die door de gegroeide laag heen tot aan het oppervlak doorloopt. Bij GaN op saffier of silicium is de dichtheid hoog (ongeveer 10⁸ tot 10⁹ cm⁻²) en verslechtert ze de eigenschappen en betrouwbaarheid van componenten.

Verwante vergelijkingen