Wat is het verschil tussen MBE en MOCVD?

Ⅰ. ‌Gemeenschappelijke kenmerken van MBE en MOCVD

Werkomgeving: Beide bedrijven werken in een cleanroomomgeving.

Toepassingsgebied: Beide technieken kunnen identieke epitaxiale structuren produceren in specifieke materiaalsystemen, zoals arseniden.

Ⅱ. De verschillen tussen MBE en MOCVD

MBE (Moleculaire Bundesepitaxie)

Werkingsprincipe: Maakt gebruik van zeer zuivere elementaire precursors, die in verdampingscellen worden verhit om moleculaire bundels te vormen voor depositie. Werkt doorgaans onder ultrahoog vacuüm (UHV) om verontreiniging door luchtmoleculen te voorkomen.

‌Opbouw van de apparatuur‌: Bestaat uit een monsteroverdrachtskamer en een groeikamer. De groeikamer is afgesloten en wordt alleen geopend tijdens onderhoud. De substraten zijn gemonteerd op een verwarmde houder, omgeven door een met vloeibare stikstof gekoelde cryomantel om onzuiverheden en atomen die niet op het substraatoppervlak terechtkomen, op te vangen.

Monitoringtools: Maakt gebruik van in-situ monitoringtools zoals reflectie-hoogenergetische-elektronendiffractie (RHEED) voor het observeren van het groeioppervlak, laserreflectometrie, thermische beeldvorming en chemische analyse (massaspectrometrie, Auger-spectroscopie) om de samenstelling van verdampt materiaal te analyseren. Extra sensoren meten temperatuur, druk en groeisnelheid voor realtime aanpassingen.

Groeisnelheid: Doorgaans ongeveer een derde van een monolaag per seconde (~0.1 nm, 1 Å). Gecontroleerd door fluxsnelheden (atomaire aankomstsnelheid bij het substraat, bepaald door de brontemperatuur) en substraattemperatuur (die de oppervlaktediffusie en -desorptie beïnvloedt). Mechanische sluitersystemen maken nauwkeurige controle over de groeisnelheid en materiaaltoevoer mogelijk, wat een betrouwbare en reproduceerbare groei van ternaire/quaternaire legeringen en meerlaagse structuren mogelijk maakt.

Materiaaleigenschappen

‌Silicium‌: Groei op siliciumsubstraten vereist extreem hoge temperaturen (>1000°C) om oxidedesorptie te garanderen, waarvoor speciale verwarmingselementen en substraathouders nodig zijn.34 De roosterconstante en de discrepantie tussen de thermische uitzettingscoëfficiënt en de III-V-materiaalgroei op silicium vormen een actief onderzoeksgebied.

Antimoon (Sb): Voor III-Sb-halfgeleiders zijn lage substraattemperaturen essentieel om desorptie vanaf het oppervlak te voorkomen.6 Bij verhoogde temperaturen kan 'disproportionering' optreden, waarbij één atoomsoort bij voorkeur verdampt, waardoor niet-stoichiometrisch materiaal achterblijft.

‌Fosfor (P): Bij III-P-legeringen vereist de fosforafzetting in de kamer tijdrovende reinigingsprocessen, waardoor korte productieruns onpraktisch zijn.

‌Gespannen lagen‌: Lagere substraattemperaturen zijn doorgaans vereist om atomaire oppervlaktediffusie te verminderen en zo de risico's op laagrelaxatie te minimaliseren.6 Dit kan echter leiden tot defecten vanwege de verminderde mobiliteit van afgezette atomen, waardoor er holtes in de epitaxiale laag ontstaan ​​die kunnen worden ingekapseld en tot storingen kunnen leiden.

MOCVD (Metaal-Organische Chemische Vapour Deposition)

Werkingsprincipe: Een chemisch dampdepositieproces dat gebruikmaakt van ultrazuivere gasvormige precursors, waarbij giftige gassen moeten worden behandeld. Hoogzuivere metaalorganische precursors (bijv. trimethylgallium [TMGa] of trimethylaluminium [TMAl] voor elementen uit groep III, en hydridegassen zoals arsine [AsH3] en fosfine [PH3] voor elementen uit groep V) worden gebruikt voor epitaxiale laagdepositie.

Systeemstructuur: Beschikt over een watergekoelde reactiekamer met hoge temperatuur. Substraten worden op een grafiet susceptor geplaatst die wordt verwarmd via RF-, resistieve of infraroodmethoden. Reactieve gassen worden verticaal in de proceskamer boven de susceptor geïnjecteerd. Laaguniformiteit wordt bereikt door optimalisatie van temperatuur, gasinjectie, totale stroomsnelheid, susceptorrotatie en druk.

Monitoringtools:

· Emissiviteitsgecorrigeerde thermische beeldvorming voor in-situ meting van de oppervlaktetemperatuur van het substraat.

· Reflectometrie om oppervlakteruwheid en epitaxiale groeisnelheden te analyseren.

· Lasergebaseerde krommingsmeting voor het bewaken van substraatbuiging.

· Ultrasone gassensoren om concentraties van metaalorganische precursoren te volgen en zo de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van het proces te verbeteren.

Groeiomstandigheden:

· De groeitemperatuur wordt hoofdzakelijk bepaald door de vereisten van de pyrolyse van de precursor en vervolgens geoptimaliseerd voor oppervlaktemigratie.

· De groeisnelheid wordt bepaald door de dampspanning van de metaalorganische bronnen van groep III in de bubbler.

· Legeringen die aluminium bevatten (bijv. AlGaAs) worden doorgaans bij hogere temperaturen (>650°C) gevormd, terwijl lagen die fosfor bevatten (bijv. GaInP) bij lagere temperaturen (<650°C) worden afgezet, met uitzonderingen zoals AlInP.

Materiaaleigenschappen:

· Voor ‌lagen met een hoge rekgrens‌ kunnen spanningsbalans en -compensatie worden bereikt door routinematig gebruik van arsenide- en fosfidematerialen (bijvoorbeeld GaAsP-barrières en InGaAs-kwantumputten [QW's]).

· Bij ‌antimonidematerialen‌ leidt het gebrek aan geschikte voorlopers tot onbedoelde (en vaak ongewenste) koolstofopname in AlSb, waardoor de legeringsopties worden beperkt en de acceptatie van antimonidegroei in MOCVD.

Ⅲ. Samenvatting

Monitoringopties:

MBE biedt doorgaans meer mogelijkheden voor in-situ monitoring dan MOCVD. Bij MBE wordt de epitaxiale groei aangepast via fluxsnelheden en substraattemperatuur – parameters die onafhankelijk worden gecontroleerd – wat zorgt voor een duidelijker en directer inzicht in het groeiproces door gecorreleerde in-situ monitoring.

‌Geschiktheid van het materiaal‌:

MOCVD is een zeer veelzijdige techniek die diverse materialen (bijv. samengestelde halfgeleiders, nitriden en oxiden) kan afzetten door de chemische samenstelling van de precursors te wijzigen. MOCVD-kamers vereisen bovendien kortere reinigingstijden dan MBE-systemen.

Toepassingsvoordelen:

· ‌Sb-gebaseerde materialen‌: MBE is de voorkeursgroeimethode.

· ‌P-gebaseerde materialen‌: MOCVD heeft de voorkeur.

· ‌As-gebaseerde materialen‌: Beide technieken vertonen vergelijkbare mogelijkheden.

· Geavanceerde structuren (bijvoorbeeld kwantumdots, kwantumcascadelasers): MBE wordt vaak gekozen voor fundamentele epitaxie.

· ‌Epitaxiale hergroei‌: MOCVD heeft doorgaans de voorkeur vanwege de flexibiliteit bij het etsen en maskeren.

Gespecialiseerde toepassingen:

· MOCVD blinkt uit in DFB-lasers (Distributed Feedback), begraven heterostructuurapparaten en de hergroei van butt-coupled golfgeleiders (wat in situ etsen van halfgeleiders kan inhouden).

· MOCVD is zeer geschikt voor ‌monolithische InP-integratie‌. Hoewel monolithische GaAs-integratie nog in de kinderschoenen staat, MOCVD Maakt selectieve oppervlaktegroei mogelijk, wat helpt bij het scheiden van emissie-/absorptiegolflengten. MBE ondervindt hierbij problemen vanwege de vorming van polykristallijne afzettingen op diëlektrische maskers.