Epitaxe s molekulárním paprskem - Molecular-beam epitaxy

Jednoduchý náčrt ukazující hlavní komponenty a hrubé rozvržení a koncept hlavní komory v systému epitaxe molekulárního paprsku

Epitaxe s molekulárním paprskem (MBE) je epitaxe metoda pro tenkovrstvá depozice z monokrystaly. MBE je široce používán při výrobě polovodičová zařízení, počítaje v to tranzistory, a je považován za jeden ze základních nástrojů pro rozvoj nanotechnologie.[1] MBE je zvyklý vymyslet diody a MOSFETy (MOS tranzistory s efektem pole ) na mikrovlnná trouba frekvencí a na výrobu lasery slouží ke čtení optické disky (jako CD a DVD ).[2]

Dějiny

Původní myšlenky procesu MBE poprvé vytvořil Günther. Filmy, které ukládal, nebyly epitaxní, ale byly ukládány na skleněné substráty. S vývojem vakuové technologie proces MBE demonstrovali Davey a Pankey, kteří uspěli v pěstování epitaxních filmů GaAs na monokrystal Substráty GaAs pomocí Güntherovy metody. Významný následný vývoj filmů MBE umožnil Arthur J.R. výzkum kinetického chování růstových mechanismů a Alfred Y. Cho je in situ pozorování procesu MBE pomocí RHEED koncem šedesátých let.[3][4][5]

Metoda

Molekulární paprsková epitaxe se odehrává v vysoké vakuum nebo ultravysoké vakuum (10−8–10−12 Torr ). Nejdůležitějším aspektem MBE je depoziční sazba (obvykle méně než 3 000 nm za hodinu), což umožňuje růst filmů epitaxiálně. Tyto rychlosti vylučování vyžadují pro dosažení stejného výsledku proporcionálně lepší vakuum nečistota úrovně jako jiné techniky ukládání. Absence nosných plynů a prostředí ultravysokého vakua vedou k nejvyšší dosažitelné čistotě vypěstovaných filmů.

Ostrovy stříbra o tloušťce jednoho atomu se tepelně odpařily na (111) povrchu palladia. Substrát, i když získal zrcadlový lesk a vakuové žíhání, se jeví jako řada teras. Kalibrace pokrytí byla dosažena sledováním času potřebného k dokončení plné monovrstvy pomocí tunelovací mikroskopie (STM) a od vzniku stavy kvantové jamky charakteristika tloušťky stříbrného filmu v fotoemisní spektroskopie (ARPES). Velikost obrázku je 250 nm na 250 nm.[6]

V pevném zdrojovém MBE jsou prvky jako galium a arsen, v ultra čisté formě, jsou zahřívány v samostatných kvaziKnudsenovy výpotky nebo výparníky elektronového paprsku, dokud nezačnou pomalu sublimovat. Plynné prvky pak kondenzovat na oplatku, kde mohou navzájem reagovat. V příkladu gália a arsenu, monokrystal galium arsenid je vytvořen. Pokud se používají zdroje odpařování, jako je měď nebo zlato, mohou to být plynné prvky dopadající na povrch adsorbovaný (po časovém okně, kde dopadající atomy budou skákat po povrchu) nebo se odráží. Atomy na povrchu mohou také desorbovat. Řízení teploty zdroje bude řídit rychlost dopadu materiálu na povrch substrátu a teplota substrátu ovlivní rychlost skákání nebo desorpce. Termín „paprsek“ znamená, že odpařené atomy neinteragují navzájem nebo s plyny vakuové komory, dokud nedosáhnou oplatky, kvůli dlouhému znamenají volné cesty atomů.

Za provozu, odraz vysokoenergetické elektronové difrakce (RHEED) se často používá k monitorování růstu krystalických vrstev. Před každou ovládá okenice počítač pec, což umožňuje přesnou kontrolu tloušťky každé vrstvy až po jednu vrstvu atomů. Takto lze vyrobit složité struktury vrstev různých materiálů. Taková kontrola umožnila vývoj struktur, kde elektrony mohou být uzavřeny v prostoru, dávat kvantové jamky nebo dokonce kvantové tečky. Takové vrstvy jsou nyní kritickou součástí mnoha moderních polovodič zařízení, včetně polovodičové lasery a diody vyzařující světlo.

V systémech, kde je třeba podklad ochladit, je prostředí ultravysokého vakua v růstové komoře udržováno systémem kryopumpy a kryopanely, chlazené tekutý dusík nebo studený plynný dusík na teplotu blízkou 77kelvinů (−196 stupeň Celsia ). Studené povrchy fungují jako jímka nečistot ve vakuu, takže hladiny vakua musí být o několik řádů lepší, aby se za těchto podmínek mohly nanášet filmy. V jiných systémech mohou být destičky, na nichž jsou krystaly pěstovány, namontovány na rotující talíř, který může být během provozu zahříván na několik stovek stupňů Celsia.

Molekulární paprsková epitaxe (MBE) se také používá pro depozici některých typů organické polovodiče. V tomto případě jsou molekuly, spíše než atomy, odpařeny a uloženy na destičku. Mezi další varianty patří zdroj plynu MBE, který se podobá chemická depozice par.

Systémy MBE lze také upravit podle potřeby. Například mohou být začleněny zdroje kyslíku pro ukládání oxidových materiálů pro pokročilé elektronické, magnetické a optické aplikace a také pro základní výzkum.

Kvantové nanostruktury

Jedním z nejuznávanějších úspěchů epitaxe molekulárního paprsku jsou nanostruktury, které umožňovaly tvorbu atomově plochých a prudkých hetero-rozhraní. Tyto struktury hrály nebývalou roli při rozšiřování znalostí fyziky a elektroniky.[7] Nejnověji výstavba nanodráty a kvantové struktury v nich zabudované, které umožňují zpracování informací a možnou integraci s on-chip aplikacemi pro kvantovou komunikaci a výpočet.[8] Tyto heterostruktury nanodrátové lasery je možné stavět pouze pomocí pokročilých technik MBE, které umožňují monolitickou integraci na křemíku[9] a zpracování pikosekundového signálu.[10]

Nestabilita Asaro – Tiller – Grinfeld

Nestabilita Asaro – Tiller – Grinfeld (ATG), známá také jako Grinfeldova nestabilita, je pružná nestabilita, se kterou se často setkáváme během epitaxe molekulárního paprsku. Pokud dojde k nesouladu mezi velikostmi mřížky rostoucího filmu a nosného krystalu, bude se v rostoucím filmu akumulovat elastická energie. V určité kritické výšce může být volná energie filmu snížena, pokud se film rozpadne na izolované ostrovy, kde lze napětí bočně uvolnit. Kritická výška závisí na Youngův modul, velikost nesouladu a povrchové napětí.

Byly prozkoumány některé aplikace této nestability, například vlastní montáž kvantových teček. Tato komunita používá název Růst Stranski – Krastanov pro ATG.

Viz také

Poznámky

  1. ^ McCray, W.P. (2007). „MBE si zaslouží místo v historických knihách“. Přírodní nanotechnologie. 2 (5): 259–261. Bibcode:2007NatNa ... 2..259M. doi:10.1038 / nnano.2007.121. PMID  18654274. S2CID  205442147.
  2. ^ „Alfred Y. Cho“. Síň slávy národních vynálezců. Citováno 17. srpna 2019.
  3. ^ Davey, John E .; Pankey, Titus (1968). "Epitaxní GaAs filmy deponované vakuovým odpařováním". 39 (4): 1941–1948. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  4. ^ Cho, A. Y .; Arthur, J. R .; Jr (1975). "Epitaxe molekulárního paprsku". Prog. Solid State Chem. 10: 157–192.
  5. ^ Gwo-Ching Wang, Toh-Ming Lu (2013). Režim přenosu RHEED a pole. doi:10.1007/978-1-4614-9287-0. ISBN  978-1-4614-9286-3.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  6. ^ Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I .; Milun, M .; Pervan, P .; Lazić, P .; Šokčević, D .; Brako, R. (2005-12-16). "Experimentální a ab initio studie strukturních a elektronických vlastností subnanometrických tlustých Ag filmů na Pd (111)". Fyzický přehled B. 72 (23): 235418. doi:10.1103 / PhysRevB.72.235418.
  7. ^ Sakaki, H. (2002). „Perspektivy pokročilých kvantových nanostruktur a role epitaxe molekulárního paprsku“. Mezinárodní konference o epitaxi molekulárních bobů. p. 5. doi:10.1109 / MBE.2002.1037732. ISBN  978-0-7803-7581-9. S2CID  29612904.
  8. ^ Mata, Maria de la; Zhou, Xiang; Furtmayr, Florian; Teubert, Jörg; Gradečak, Silvija; Eickhoff, Martin; Fontcuberta i Morral, Anna; Arbiol, Jordi (2013). „Přehled MBE pěstovaných 0D, 1D a 2D kvantových struktur v nanodrátech“. Journal of Materials Chemistry C. 1 (28): 4300. Bibcode:2013JMCC .... 1,4300D. doi:10.1039 / C3TC30556B.
  9. ^ Mayer, B .; Janker, L .; Loitsch, B .; Treu, J .; Kostenbader, T .; Lichtmannecker, S .; Reichert, T .; Morkötter, S .; Kaniber, M .; Abstreiter, G .; Gies, C .; Koblmüller, G .; Finley, J. J. (2016). „Monoliticky integrované lasery nanodrátů High-β na křemíku“. Nano dopisy. 16 (1): 152–156. Bibcode:2016NanoL..16..152M. doi:10,1021 / acs.nanolett.5b03404. PMID  26618638.
  10. ^ Mayer, B. a kol. "Dlouhodobé vzájemné fázové blokování pikosekundových pulzních párů generovaných polovodičovým nanodrátovým laserem". Nature Communications 8 (2017): 15521.

Reference

Další čtení

  • Frigeri, P .; Seravalli, L .; Trevisi, G .; Franchi, S. (2011). „3.12: Molekulární paprsková epitaxe: přehled“. V Pallab Bhattacharya; Roberto Fornari; Hiroshi Kamimura (eds.). Komplexní polovodičová věda a technologie. 3. Amsterdam: Elsevier. 480–522. doi:10.1016 / B978-0-44-453153-7.00099-7. ISBN  9780444531537.

externí odkazy