Молекулярно-лучевая эпитаксия История вопроса Принципы технологии МВЕ

Молекулярно-лучевая эпитаксия

История вопроса Принципы технологии МВЕ создавались постепенно: - в 1964 году (R. B. Scholar, J. N. Zemel) получены первые совершенные эпитаксиальные пленки Pb. S на монокристаллической подложке Na. Cl. - в 1968 году (J. E. Davey, T. Pankey, J. R. Artur) были выращены пленки Ga. As на монокристаллических подложках

Атомные или молекулярные пучки создаются в эффузионных ячейках (М. Кундсен – 1911 год). Атомы в пучках движутся по инерции в сверхвысоком вакууме без столкновений друг с другом или другими частицами. n Именно баллистический характер транспорта компонентов полупроводникового соединения обеспечивает создание однородных метастабильных твердых растворов. n

МВЕ обеспечивает эпитаксиальный рост тонких пленок п/п соединений за счет реакций между компонентами атомных или молекулярных пучков с поверхностью подложки. n Важным фактором является использование высокочистых источников напыляемых объектов и жесткий контроль температуры подложки и источников. n

Принципиальные элементы установки

Области, определяющие основные особенности МВЕ n I – зона генерации молекулярных пучков эффузионными ячейками Кнудсена с механическими заслонками n II – зона смешивания (пересечения) пучков элементов, испаряемых из разных эффузионных ячеек n III – зона кристаллизации на подложке (зона роста)

n n Зону роста можно условно разбить на три части: первая – кристаллическая подложка; вторая - газовая смесь компонентов ГС в приповерхностной области; третья – переходной слой, геометрия которого и протекающие в нем процессы сильно зависят от выбора условий роста.

Эпитаксиальный рост адсорбция падающих на подложку атомов или молекул, составляющих выращиваемое соединение 2. миграция адсорбированных атомов по поверхности подложки 3. встраивание атомов, составляющих ГС, в кристаллическую решетку подложки или растущий моноатомный слой 4. термическая десорбция атомов, не встроившихся в решетку 5. образование и дальнейший рост двумерных зародышей кристалла на подложке или на поверхности растущего слоя 6. взаимная диффузия атомов, встроившихся в кристаллическую решетку 1.

Элементарные процессы в зоне роста

Элементарные процессы в зоне роста 1 адсорбция падающих на подложку атомов или молекул, составляющих выращиваемое соединение 2 - миграция адсорбированных атомов по поверхности 3 - встраивание адсорбированных атомов в кристаллическую решетку 4 - термическая десорбция 5 - образование поверхностных зародышей Буквами n-n и i-i показаны нормальная и инвертированная поверхности раздела растущей ГС. Область между этими поверхностями представляет собой квантовую яму шириной L.

n Ионно-ковалентный характер и значительная энергия химических связей в полупроводниковых соединениях типа А 3 В 5 и А 2 В 6 приводят к тому, что атомы катионов А и анионов В замещают вполне определенные положения в кристаллографической решетке. За время роста одного монослоя (~ 1 с) атом совершает несколько тысяч диффузионных прыжков пока не займет свое окончательное положение в решетке.

n За время роста одного монослоя (~ 1 с) атом совершает несколько тысяч диффузионных прыжков пока не займет свое окончательное положение в решетке, происходит самоорганизация растущей структуры.

Качество гетерограниц может быть существенно разным в зависимости от того, какое из соединений при выбранном температурном режиме растет первым. Границы принято называть нормальными, если компонент с более низкой температурой плавления растет первым (например, Alx. Ga 1 -x. As на Ga. As); n для обратной последовательности используется термин инвертированная граница. n На предыдущем рисунке проекции этих границ изображены линиями с индексами n и i соответственно. n

n Для получения совершенных гетерограниц используются методы прерывания роста или осаждения пульсирующим пучком. Сглаживание поверхности во время прерывания роста обусловлено процессами поверхностной диффузии и/или сублимацией атомов, адсорбированных на поверхность выращенного монослоя

Температура подложки определяет скорость поверхностной диффузии. Эта температура должна обеспечить необходимое число (~ 104) диффузионных прыжков атома по поверхности. n Среднее перемещение атома по поверхности за время t определяется как n x = (Dst)1/2, где Ds = Dsoexp(-Esd/T) n – коэффициент поверхностной диффузии. Предэкспоненциальный фактор Dso = а 2ν, где а – длина диффузионного прыжка, Т- температура, ν ~ 1012 c-1 – частота колебаний атома на поверхности. n

Температура подложки n Энергия активации поверхностной диффузии Esd в полупроводниках обычно составляет 1 – 1, 5 э. В, поэтому за одну секунду атом в среднем смещается на несколько десятков или сот межатомных расстояний при температуре подложки 600 – 800 ОС. Такое смещение соответствует приблизительно 104 диффузионным прыжкам.

Кристаллическая структура цинковой обманки

Осаждение металлоорганических пленок n Методика осаждения металлоорганических пленок (МОС) (metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE) отличается от МВЕ технологии характером массопереноса: атомные и молекулярные пучки без объемной диффузии в МВЕ и газовый поток с объемной диффузией в направлении роста ГС в MOVPE.

Схема горизонтального реактора открытого типа 1 - кварцевый корпус; 2 – катушка ВЧ-генератора для нагревания подложки, 3 – блок нагревания; 4 – подложки; 5, 6 – водяное охлаждение; Показано распределение скоростей V и температуры Т в газовом потоке

Short story n В 1968 году Манасевит Г. М. (Manasevit H. M. ) показал, что газофазные смеси металлоорганического соединения триметилгалия (CH 3)3 Ga и гидрида мышьяка As. H 3 при осуществлении реакции пиролиза (разложения при повышенной температуре) в атмосфере молекулярного водорода Н 2 при Т ~ 600 -700 ОС в реакторе открытого типа могут быть использованы для выращивания эпитаксиальных пленок Ga. As.

Что это за соединения? n Металлорганические соединения представляют собой широкий класс веществ, в которых присутствуют такие виды связей как металлуглерод или металл-кислород-углерод. Кроме того существую координационные соединения металлов и органических молекул.

n Металлоорганические и гидридные компоненты смешиваются в газовой фазе и подвергаются пиролизу в атмосфере Н 2 в потоке через реактор открытого типа, действующий при атмосферном или пониженном давлении. Температура пиролиза обычно составляет от 600 до 800 ОС.

n Энергия для разогрева газовой смеси подводится от высокочастотного генератора. Происходит разогрев графитового столика, на котором размещаются графитовые подложки. Газовая смесь вблизи подложек также нагревается до высокой температуры в то время как стенки камеры остаются холодными за счет специального охлаждения. Такой режим работы обеспечивает осаждение продуктов реакции на подложках и приводит к

Преимущества методов МВЕ и MOVPE: n n - возможность получения высококачественных монокристаллических структур при использовании сверхвысокого вакуума и высокочистых источников напыляемых веществ - возможность выращивания ГС со сверхтонкими слоями и резким изменением химического состава на гетерограницах за счет относительно низкой температуры роста при отсутствии взаимной диффузии - возможность селективного легирования и создания структур со сложным профилем химического состава возможность контроля толщины слоев ГС и качества гетерограниц непосредственно в