Epitaxe chemického paprsku - Chemical beam epitaxy

Epitaxe chemického paprsku (CBE) tvoří pro třídu důležitou třídu depozičních technik polovodič vrstvové systémy, zejména polovodičové systémy III-V. Tato forma epitaxního růstu se provádí v ultravysokém stavu vakuum Systém. Reaktanty jsou ve formě molekulárních paprsků reaktivních plynů, obvykle jako hydrid nebo a metalorganic. Termín CBE se často zaměňuje s epitaxií kov-organický molekulární paprsek (MOMBE). Nomenklatura však tyto dva (mírně odlišné) procesy rozlišuje. Když se používá v nejpřísnějším smyslu, CBE označuje techniku, při které se obě složky získávají z plynných zdrojů, zatímco MOMBE označuje techniku, při které se složka skupiny III získává z plynného zdroje a složka skupiny V z pevného zdroje.

Základní principy

Epitaxe chemického paprsku byla poprvé demonstrována W.T. Tsangem v roce 1984.[1] Tato technika byla poté popsána jako hybrid kov-organická chemická depozice z plynné fáze (MOCVD) a molekulární paprsková epitaxe (MBE), která využila výhod obou technik. V této počáteční práci byly InP a GaAs pěstovány pomocí plynné skupiny III a V alkyly. Zatímco prvky skupiny III byly odvozeny z pyrolýza alkyly na povrchu, prvky skupiny V. byly získány z rozkladu alkylů uvedením do kontaktu s ohřátým Tantal (Ta) nebo Molybden (Mo) při 950-1200 ° C. Typický tlak v plynovém reaktoru je mezi 102 Torr a 1 atm pro MOCVD. Zde dochází k přepravě plynu viskózní tok a chemikálie se dostanou na povrch difúzí. Naproti tomu tlaky plynu nižší než 10−4 Torr se používají v CBE. Transport plynu nyní probíhá jako molekulární paprsek v důsledku mnohem delších cest bez středů a proces se vyvíjí v depozici chemického paprsku.[2] Zde také stojí za zmínku, že MBE využívá atomové paprsky (např hliník (Země Gallium (Ga)) a molekulární paprsky (např Tak jako4 a P4 ), které se odpařují při vysokých teplotách z pevných elementárních zdrojů, zatímco zdroje pro CBE jsou při pokojové teplotě v plynné fázi.[3] Porovnání různých procesů v růstové komoře pro MOCVD, MBE a CBE lze vidět na obrázku 1.

Obrázek 1: Základní procesy uvnitř růstových komor a) MOCVD, b) MBE a c) CBE.[3]

Experimentální nastavení

Ve standardních růstových komorách UHV se používá kombinace turbomolekulárních a kryo pump. Samotná komora je vybavena a tekutý dusík kryoschrán a otočný krystal držák schopný nést více než jednu destičku. Držák krystalů se obvykle ohřívá ze zadní strany na teploty 500 až 700 ° C. Většina instalací má také zařízení RHEED pro monitorování povrchových nástaveb in situ na rostoucí ploše a pro měření rychlostí růstu a hmotnostní spektrometry pro analýzu molekulárních druhů ve svazcích a analýzu zbytkových plynů.[4]Systém přívodu plynu, který je jednou z nejdůležitějších součástí systému, řídí tok paprsku materiálu. Nejčastěji se používají systémy řízené tlakem. Tok materiálu je řízen vstupním tlakem kapiláry pro vstřikování plynu. Tlak uvnitř komory lze měřit a regulovat kapacitním manometrem. Molekulární paprsky vstřikovačů plynných výchozích materiálů nebo výpotků, které zajišťují homogenní profil paprsku. U některých výchozích sloučenin, jako jsou hydridy, které jsou výchozím materiálem skupiny V, musí být hydridy předem injektovány do injektoru. To se obvykle provádí tepelným rozkladem pomocí zahřátého kovu nebo vlákna.[4]

Kinetika růstu

Abychom lépe porozuměli růstu kinetika spojené s CBE, je důležité podívat se také na fyzikální a chemické procesy spojené s MBE a MOCVD. Obrázek 2 je zobrazuje. Kinetika růstu těchto tří technik se liší mnoha způsoby. V konvenčním MBE je rychlost růstu určena rychlostí příchodu atomových paprsků skupiny III. Epitaxní růst probíhá, když atomy skupiny III narážejí na zahřátý povrch substrátu a migrují do příslušného mříž místa a poté se ukládají v blízkosti přebytečných dimerů nebo tetramerů skupiny V. Stojí za zmínku, že na povrchu nedochází k žádné chemické reakci, protože atomy jsou generovány tepelně vypařování z pevných elementárních zdrojů.[2]

Obrázek 2: Kinetika růstu zahrnutá v a) konvenčním MBE, b) MOCVD a c) CBE.[2]

V MOCVD jsou alkyly skupiny III již částečně disociovány v proudu plynu. Ty difundují stagnující mezní vrstvou, která existuje na zahřátém substrátu, a poté se disociují na atomové prvky skupiny III. Tyto atomy pak migrují do příslušného mřížového místa a ukládají se epitaxně asociací s atomem skupiny V, který byl odvozen z tepelného rozkladu hydridů. Rychlost růstu je zde obvykle omezena rychlostí difúze alkylů skupiny III přes mezní vrstvu. V tomto procesu byly také pozorovány reakce v plynné fázi mezi reaktanty.[2]

V procesech CBE hydridy praskají ve vysokoteplotním injektoru, než se dostanou na substrát. Teploty jsou obvykle o 100–150 ° C nižší než v podobných MOCVD nebo MOVPE.[5] Neexistuje také žádná mezní vrstva (jako je tomu v MOCVD) a molekulární srážky jsou kvůli nízkému tlaku minimální. Alkyly skupiny V jsou obvykle dodávány v přebytku a alkylové molekuly skupiny III narážejí přímo na zahřátý substrát jako v běžném MBE. Pokud k tomu dojde, má alkylová skupina skupiny III dvě možnosti. První možností je oddělit tři alkylové radikály získáním Termální energie z povrchu a zanechání atomů elementární skupiny III na povrchu. Druhou možností je opětovné odpaření částečně nebo zcela neoddělené. Rychlost růstu je tedy určena rychlostí příchodu alkylů skupiny III při vyšší teplotě substrátu a rychlostí povrchové pyrolýzy při nižších teplotách.[2]

Kompatibilita s výrobou zařízení

Selektivní růst při nízkých teplotách

Selektivního růstu pomocí dielektrického maskování lze snadno dosáhnout použitím CBE ve srovnání s jeho mateřskými technikami MBE a MOCVD. Selektivního růstu je obtížné dosáhnout použitím elementárního zdroje MBE, protože atomy III. Skupiny se desorbují jen tak snadno adsorbovaný. U chemických zdrojů jsou reakce spojené s rychlostí růstu rychlejší na povrchu polovodiče než na dielektrické vrstvě. Žádný prvek skupiny III však nemůže přijít na dielektrický povrch v CBE kvůli absenci reakcí v plynné fázi. Rovněž je snazší pro metalorganické molekuly dopadající na skupinu III desorbovat v nepřítomnosti mezní vrstvy. To usnadňuje provádění selektivní epitaxe pomocí CBE a při nižších teplotách ve srovnání s MOCVD nebo MOVPE.[5]V nedávném vývoji patentovaném společností ABCD Technology již rotace substrátu není nutná, což vede k novým možnostem, jako je například modelování in situ pomocí paprsků částic.[6] Tato možnost otevírá velmi zajímavé perspektivy pro dosažení vzorovaných tenkých vrstev v jednom kroku, zejména pro materiály, které se obtížně leptají, jako jsou oxidy.

doping typu p

Bylo pozorováno, že použití TMGa pro CBE GaAs vedlo k vysokému dopingu na pozadí typu p (1020 cm−3) z důvodu začlenění uhlík. Bylo však zjištěno, že použití TEGa místo TMGa vedlo k velmi čistým GaAs s koncentracemi otvorů při pokojové teplotě mezi 1014 a 1016 cm−3. Bylo prokázáno, že koncentrace otvorů lze upravit mezi 1014 a 1021 cm−3 pouhou úpravou tlaku alkylového paprsku a poměru TMGa / TEGa, což poskytuje prostředky pro dosažení vysokého a kontrolovatelného dopingu typu GaAs p. To bylo využito k výrobě vysoce kvalitního heterojunkčního bipolárního tranzistory.[4]

Výhody a nevýhody

CBE nabízí mnoho dalších výhod oproti mateřským technikám MOCVD a MBE, z nichž některé jsou uvedeny níže:

Výhody oproti MBE

  1. Snadnější škálování s více WAFEREM: Pro rovnoměrnost tloušťky a shodu je nutné otáčení substrátu, protože MBE má pro každý prvek jednotlivé výpotkové buňky. Velké výpotkové články a efektivní odvod tepla ztěžují vícenásobné zvětšení měřítka.
  2. Lepší pro produkční prostředí: Okamžitá reakce toku díky přesnému toku elektronického řízení.
  3. Absence oválných vad: Tyto oválné vady obecně vznikají z mikrokapiček Ga nebo In vyplivovaných z vysokoteplotních výpotkových buněk. Tyto vady se liší velikostí a hustotou systém od systému a čas od času.[3][7]
  4. Nižší závěje v podmínkách výpotku, které nezávisí na plnění výpotku zdrojem.
  5. V nedávném vývoji patentovaném společností ABCD Technology již rotace substrátu není nutná.[6]

Výhody oproti MOCVD

  1. Snadná implementace diagnostických nástrojů na místě, jako je RHEED.
  2. Kompatibilita s dalšími metodami zpracování tenkých vrstev ve vysokém vakuu, jako je odpařování kovů a iontová implantace.[3][7]

Nedostatky CBE

  1. Ve srovnání s MOCVD je zapotřebí více čerpání.
  2. Při pěstování GaInAs může být řízení složení obtížné. Při vysoké teplotě máme lepší začlenění Ga, ale čelíme problémové desorpci In.

Proto by měl být nalezen kompromis mezi vysokou a nízkou teplotou pro dobrou kontrolu složení.

  1. Vysoce uhlíkové začlenění pro GaAlAs.[3][7]

Viz také

Reference

  1. ^ Tsang, W. T. (1984). "Chemická epitaxe paprsků InP a GaAs". Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 45 (11): 1234–1236. doi:10.1063/1.95075. ISSN  0003-6951.
  2. ^ A b C d E Tsang, W.T. (1987). „Chemická epitaxe paprsku Ga0.47v0.53As / InP kvantové jámy a heterostrukturní zařízení ". Journal of Crystal Growth. Elsevier BV. 81 (1–4): 261–269. doi:10.1016/0022-0248(87)90402-7. ISSN  0022-0248.
  3. ^ A b C d E Tsang, W.T. (1989). "Od epitaxe chemických par k epitaxi chemickým paprskem". Journal of Crystal Growth. Elsevier BV. 95 (1–4): 121–131. doi:10.1016/0022-0248(89)90364-3. ISSN  0022-0248.
  4. ^ A b C Lüth, Hans (1994). "Chemická epitaxe paprskem - dítě povrchové vědy". Věda o povrchu. 299-300: 867–877. doi:10.1016 / 0039-6028 (94) 90703-X. ISSN  0039-6028.
  5. ^ A b Benchimol, Jean-Louis; Alexandre, F .; Lamare, Bruno; Legay, Philippe (1996). "Výhody epitaxe chemického paprsku pro mikro a optoelektronické aplikace". Pokrok v růstu krystalů a charakterizace materiálů. Elsevier BV. 33 (4): 473–495. doi:10.1016 / s0960-8974 (96) 00091-5. ISSN  0960-8974.
  6. ^ A b G. Benvenuti, Velkoplošná depozice ve vysokém vakuu s rovnoměrností vysoké tloušťky. WO_2003093529_A2 [1].
  7. ^ A b C M. A. Herman a H. Sitter. Epitaxe molekulárního paprsku. Heidelberg: Springer, 1996.