Vergleich zwischen MBE (Molecular Beam Epitaxy) und MOCVD (Metallorganische Chemische Dampfdeposition)

Gemeinsame Merkmale von MBE und MOCVD

Arbeitsumfeld:

Sowohl MBE als auchMOCVDin Reinräumen betrieben werden.

Anwendungsbereich:

Bei bestimmten Materialsystemen, wie Arseniden, können beide Techniken ähnliche epitaxiale Effekte erzeugen.

Unterschiede zwischen MBE und MOCVD

MBE (Molekularstrahl-Epitaxie) Arbeitsprinzip:

MBE verwendet hochreine elementare Vorläufer, die in einem Verdampfer erhitzt werden, um molekulare Strahlen für die Ablagerung zu bilden.Es arbeitet typischerweise unter ultrahohen Vakuumbedingungen (UHV), um eine Kontamination durch Luftmoleküle zu verhindern.

Ausrüstungsstruktur:

MBE besteht aus einer Probentransferkammer und einer Wachstumskammer. Die Wachstumskammer ist in der Regel versiegelt und nur während der Wartung geöffnet.umgeben von einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Kaltbildschirm, um Verunreinigungen und Atome zu erfassen, die nicht auf der Substratoberfläche gefangen werden.

Überwachungsinstrumente:

MBE verwendet für die Überwachung der Wachstumsoberfläche In-situ-Überwachungstools wie Reflection High-Energy Electron Diffraction (RHEED), Laserreflexion, Thermographie,und chemische Analyse (Massenspektrometrie)Andere Sensoren messen Temperatur, Druck und Wachstumsrate, um Prozessparameter in Echtzeit anzupassen.

Wachstumsrate:

Die Wachstumsrate beträgt typischerweise etwa ein Drittel einer Monoschicht pro Sekunde (0,1 nm, 1 Å).die durch die Quelltemperatur) und die Substrattemperatur (die die Diffusions- und Desorptionsmerkmale der Atome auf dem Substrat beeinflusst) gesteuert wirdDie Wachstumsraten und die Materialzufuhr werden durch mechanische Verschlusssysteme gesteuert, die ein zuverlässiges und wiederholbares Wachstum von ternären und quaternären Legierungen und mehrschichtigen Strukturen ermöglichen.

Materialmerkmale:

• Silikon:Für das Wachstum auf Siliziumsubstraten sind hohe Temperaturen (> 1000°C) erforderlich, um die Desorption von Oxiden zu gewährleisten.Die Abweichung der Gitterkonstanten und der Wärmeausdehnungskoeffizienten macht das Wachstum von III-V-Materialien auf Silizium zu einem aktiven Forschungsthema.

• Antimon:Bei III-Sb-Halbleitern sind niedrige Substrattemperaturen erforderlich, um eine Desorption von der Oberfläche zu verhindern.- wenn eine Atomart bevorzugt verdunstet wird, so daß das Material ein nicht-stoichiometrisches Verhältnis hat.

• Phosphor:Bei III-P-Legierungen kann sich Phosphor in der Kammer ablagern, was einen langwierigen Reinigungsprozess erfordert, der kurze Produktionsläufe unmöglich machen könnte.

• Stranggeschaltete Schichten:In der Regel sind niedrigere Substrattemperaturen erforderlich, um die Atommediffusion auf der Oberfläche zu reduzieren, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Schichtentspannung verringert wird.Da die reduzierte Atommobilität Hohlräume in der Epitaxialschicht verursacht, die eingekapselt werden können und Ausfälle verursachen.

MOCVD (Metallorganische chemische Dampfdeposition) Arbeitsprinzip:

MOCVD ist ein chemisches Dampfverfahren, bei dem ultrareine gasförmige Quellen zur Ablagerung verwendet werden, was den Umgang mit giftigen Gasen und ihre Behandlung erfordert.Metallorganische Vorläufer (wie Trimethylgallium für Elemente der Gruppe III und Hydride wie Arsin und Phosphin für Elemente der Gruppe V) werden für die Ablagerung der epitaxialen Schicht verwendet.

Ausrüstungsstruktur:

MOCVD verfügt über eine mit Wasser gekühlte Hochtemperatur-Reaktionskammer, in der Substrate auf Graphit-Basen platziert werden, die durch HF-, Resistiv- oder Infrarotheizung erhitzt werden.Reaktionsgase werden senkrecht in die Prozesskammer über dem Substrat injiziert..

Überwachungsinstrumente:

MOCVD verwendet Thermographie mit Emissionskorrektur zur Temperaturmessung der Substratoberfläche in situ; zur Analyse der Oberflächenrauheit und der epitaxialen Wachstumsrate wird die Reflectivität verwendet.Laserreflexion wird verwendet, um die Biegung des Substrats zu messen, und Ultraschallgasüberwachung helfen, die Konzentration der organischen Metallvorläufer zu verfolgen, um die Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Wachstumsprozesses zu verbessern.

Wachstumsbedingungen:

Die Wachstumstemperatur wird in erster Linie durch die Anforderungen an die thermische Zersetzung der Vorläufer bestimmt und dann für die Oberflächenmigration optimiert.Die Wachstumsrate wird durch den Dampfdruck der III-V metallorganischen Quellen in der Gasphase bestimmt.Für aluminiumhaltige Legierungen sind für das Wachstum typischerweise höhere Temperaturen (>650°C) erforderlich, während Phosphorschichten bei niedrigeren Temperaturen (<650°C) wachsen, obwohl AlInP eine Ausnahme sein kann.

Materialmerkmale:

• HochspannungsschichtenAufgrund der Möglichkeit, Arsenide und Phosphide konventionell zu verwenden, können Belastungsbilanz und -kompensation erreicht werden, beispielsweise mit GaAsP-Schranken und InGaAs-Quantenbrunnen (QWs).

• Antimonide:Das MOCVD-Wachstum von Antimonidmaterialien ist begrenzt, da geeignete Vorläuferquellen fehlen, was zu einer unbeabsichtigten (und in der Regel unerwünschten) Einbindung von Kohlenstoff in AlSb führt.die die Wahl der Legierungen einschränkt und die Verwendung von MOCVD für das Antimonidwachstum behindert.

Zusammenfassung

Überwachungsmöglichkeiten:

MBE bietet typischerweise mehr In-situ-Überwachungsmöglichkeiten als MOCVD, wobei das epitaxiale Wachstum durch Flussraten und Substrattemperaturen angepasst wird.Die Ergebnisse der Untersuchung werden in der, ein direkteres Verständnis des Wachstumsprozesses.

Material Anwendbarkeit:

MOCVD ist eine sehr vielseitige Technik. Durch die Variation der Vorläuferchemie können eine Vielzahl von Materialien abgelagert werden, darunter zusammengesetzte Halbleiter, Nitride und Oxide.Die Reinigungszeit in MOCVD-Kammern ist schneller als in MBE.

Anwendungsvorteile

MBE ist die bevorzugte Methode für das Wachstum von Sb-Material, während MOCVD für P-Materialien typischerweise bevorzugt wird.Für fortschrittlichere Strukturen wie Quantenpunkte und Quantenkaskadenlaser, MBE ist in der Regel die bevorzugte Methode für die Basen-Epitaxie. MOCVD wird aufgrund seiner Flexibilität beim Ätzen und Maskieren häufig für das anschließende epitaxielle Wiederaufwachsen bevorzugt.

Spezielle Anwendungen:

MOCVD eignet sich gut für verteilte Rückkopplungslaser (DFB), begrabene Heterostrukturgeräte und das Wiederaufwachsen gekoppelter Wellenleitungen, zu denen das In-situ-Etschen von Halbleitern gehören kann.MOCVD wird auch für die Single-Chip-InP-Integration verwendetWährend die Einbindung von GaAs auf einem einzigen Chip noch in einem frühen Stadium liegt, kann MOCVD ein selektives Wachstum des Bereichs erreichen und die Trennung von Emissions-/Absorptionswellenlängen unterstützen.hat Herausforderungen in diesem Bereich, da sich auf dielektrischen Masken polycrystalline Ablagerungen bilden.

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