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.
| Kenmerk | MBE | MOCVD | HVPE |
|---|---|---|---|
| Groeiomgeving en druk | Ultrahoog vacuüm (basisdruk in de orde van 10⁻⁸ Pa); bronatomen en -moleculen vliegen vrijwel zonder botsingen met gas naar het substraat | Een stromend draaggas van waterstof of stikstof, doorgaans van verlaagde druk (enkele kPa) tot atmosferische druk | Doorgaans bij bijna atmosferische druk; vaak een hot-wallreactor waarvan ook de wanden worden verwarmd |
| Bronnen | Vaste elementen (Ga, Al, In, As enz.) die in verwarmde effusiecellen worden verdampt; voor nitriden plasma-geactiveerde stikstof | Metaalorganische verbindingen van groep III zoals trimethylgallium; hydriden van groep V zoals ammoniak, arsine en fosfine | Galliumchloride (GaCl), gevormd door HCl over heet galliummetaal te leiden, plus ammoniak |
| Typische groeisnelheid | Doorgaans ongeveer 1 µm per uur (ruwweg één atoomlaag per seconde voor GaAs) | Doorgaans 1 tot enkele µm per uur | Doorgaans tientallen tot honderden µm per uur, tientallen keren sneller dan MOCVD |
| Beheersing van dikte en grensvlakken | Het nauwkeurigst: sluiters schakelen bronnen direct om, wat abrupte grensvlakken op atoomlaagniveau geeft | Het omschakelen van gassen verandert de samenstelling op een schaal van enkele nanometers, genoeg voor quantumwells en andere dunne multilagen | Zwak: geschikt om snel dikke lagen te groeien, niet voor dunne lagen of abrupte grensvlakken |
| In-situ monitoring | RHEED (reflection high-energy electron diffraction) toont de toestand van het oppervlak en telt de gegroeide lagen | De druk is te hoog voor RHEED; optische reflectie, wafertemperatuur en waferkromming worden gemeten | Beperkt |
| Doorvoer | Laag: weinig wafers per run; vooral onderzoek en productie van specifieke componenten | Hoog: sommige reactoren verwerken tientallen wafers per run | Groeit dikke lagen snel, maar niet veel wafers tegelijk |
| Belangrijkste materialen | III-V-verbindingen zoals GaAs, AlGaAs en InGaAs, plus nitriden, oxiden en andere | III-V-verbindingen zoals GaN, InGaN, AlGaN, GaAs en InP | GaN (dikke lagen en substraten), Ga2O3 en andere |
| Hantering en aandachtspunten | Het ultrahoge vacuüm moet worden gehandhaafd en het systeem onderhouden; vaste bronnen zoals arseen zijn giftig | Zelfontbrandende metaalorganische verbindingen en zeer giftige hydriden; koolstof uit de metaalorganische verbindingen kan worden ingebouwd, en waterstof passiveert Mg in Mg-gedoteerd GaN | Corrosief waterstofchloride; bij dikke groei zijn kromming en scheuren door het verschil in thermische uitzetting met het substraat een aandachtspunt |
| Typische toepassingen | RF-componenten zoals HEMT's, onderzoek naar quantumwells en superroosters, quantumcomponenten | Leds, laserdiodes, GaN-HEMT's en vermogenscomponenten, multijunctiezonnecellen | Vrijstaande GaN-substraten, dikke bufferlagen, epitaxiale lagen van Ga2O3 |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.