stringtranslate.com

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Простой эскиз, показывающий компоновку основной камеры в системе молекулярно-лучевой эпитаксии.

Молекулярно-лучевая эпитаксия ( МЛЭ ) — это метод эпитаксии для осаждения тонких пленок монокристаллов . МЛЭ широко используется в производстве полупроводниковых приборов , включая транзисторы . [1] МЛЭ используется для изготовления диодов и МОП-транзисторов (МОП -полевые транзисторы ) на микроволновых частотах , а также для производства лазеров, используемых для чтения оптических дисков (таких как CD и DVD ). [2]

История

Первоначальные идеи процесса МЛЭ были впервые сформулированы К. Г. Гюнтером. [3] Пленки, которые он осаждал, не были эпитаксиальными, а осаждались на стеклянных подложках. С развитием вакуумной технологии процесс МЛЭ был продемонстрирован Джоном Дэйви и Титусом Панки , которым удалось вырастить эпитаксиальные пленки GaAs на монокристаллических подложках GaAs с использованием метода Гюнтера. Основное последующее развитие пленок МЛЭ стало возможным благодаря исследованиям Дж. Р. Артура кинетического поведения механизмов роста и наблюдению Альфреда Й. Чо in situ процесса МЛЭ с использованием дифракции отраженных электронов высокой энергии (RHEED) в конце 1960-х годов. [4] [5] [6]

Метод

Молекулярно-лучевая эпитаксия происходит в высоком или сверхвысоком вакууме (10−8–10−12 Торр ) . Наиболее важным аспектом процесса МЛЭ является скорость осаждения (обычно менее 3000 нм в час), которая позволяет пленкам расти эпитаксиально (слоями поверх существующего кристалла). Эти скорости осаждения требуют пропорционально лучшего вакуума для достижения тех же уровней  примесей , что и другие методы осаждения. Отсутствие газов-носителей, а также среда сверхвысокого вакуума обеспечивают максимально достижимую чистоту выращенных пленок.

Островки серебра толщиной в один атом, нанесенные на поверхность палладия (111) путем термического испарения. Подложка, даже если она была отполирована до зеркального блеска и подвергнута вакуумному отжигу, выглядит как ряд террас. Калибровка покрытия достигалась путем отслеживания времени, необходимого для завершения полного монослоя, с помощью туннельной микроскопии (СТМ) и по появлению состояний квантовых ям, характерных для толщины серебряной пленки, в фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES). Размер изображения составляет 250 нм на 250 нм. [7]

В твердотельном источнике MBE такие элементы, как галлий и мышьяк , в сверхчистой форме нагреваются в отдельных квази- Кнудсеновских эффузионных ячейках или электронно-лучевых испарителях до тех пор, пока они не начнут медленно сублимироваться . Газообразные элементы затем конденсируются на пластине, где они могут реагировать друг с другом. В примере с галлием и мышьяком образуется монокристаллический арсенид галлия . При использовании источников испарения, таких как медь или золото, газообразные элементы, падающие на поверхность, могут адсорбироваться (после временного окна, в течение которого падающие атомы будут прыгать по поверхности) или отражаться. Атомы на поверхности также могут десорбироваться. Управление температурой источника будет контролировать скорость материала, падающего на поверхность подложки, а температура подложки будет влиять на скорость прыжка или десорбции. Термин «пучок» означает, что испаренные атомы не взаимодействуют друг с другом или с газами вакуумной камеры, пока не достигнут пластины, из-за большой длины свободного пробега атомов.

Во время работы дифракция электронов высокой энергии отражения (RHEED) часто используется для контроля роста слоев кристалла. Компьютер управляет заслонками перед каждой печью , что позволяет точно контролировать толщину каждого слоя, вплоть до одного слоя атомов. Таким образом можно изготавливать сложные структуры слоев различных материалов. Такой контроль позволил разработать структуры, в которых электроны могут быть ограничены в пространстве, давая квантовые ямы или даже квантовые точки . Такие слои в настоящее время являются важнейшей частью многих современных полупроводниковых приборов, включая полупроводниковые лазеры и светодиоды .

В системах, где субстрат необходимо охлаждать, сверхвысоковакуумная среда внутри ростовой камеры поддерживается системой крионасосов и криопанелей, охлаждаемых с помощью жидкого азота или холодного азотного газа до температуры, близкой к 77 градусам  Кельвина (−196  градусов Цельсия ). Холодные поверхности действуют как поглотитель примесей в вакууме, поэтому уровни вакуума должны быть на несколько порядков лучше для осаждения пленок в этих условиях. В других системах пластины, на которых выращиваются кристаллы, могут быть установлены на вращающейся пластине, которая может нагреваться до нескольких сотен градусов Цельсия во время работы.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) также используется для осаждения некоторых типов органических полупроводников . В этом случае молекулы, а не атомы, испаряются и осаждаются на пластину. Другие варианты включают газовую МЛЭ , которая напоминает химическое осаждение из паровой фазы .

Установка молекулярно-лучевой эпитаксии Veeco Gen II в FZU – Институте физики Чешской академии наук . Установка предназначена для выращивания монокристаллических полупроводников, полупроводниковых гетероструктур, материалов для спинтроники и других систем составных материалов, содержащих Al , Ga , As , P , Mn , Cu , Si и C.

Системы MBE также могут быть модифицированы в соответствии с потребностями. Источники кислорода, например, могут быть включены для осаждения оксидных материалов для передовых электронных, магнитных и оптических приложений. Здесь молекулярный пучок окислителя используется для достижения желаемого состояния окисления многокомпонентного оксида.

Квантовые наноструктуры

Одним из достижений молекулярно-лучевой эпитаксии являются наноструктуры, которые позволяют формировать атомарно плоские и резкие гетероинтерфейсы. Совсем недавно создание нанопроводов и квантовых структур, построенных внутри них, может позволить обработку информации и возможную интеграцию с приложениями на чипе для квантовой связи и вычислений. [8] Эти гетероструктурные нанопроводные лазеры можно построить только с использованием передовых методов MBE, допускающих монолитную интеграцию на кремнии [9] и обработку пикосекундных сигналов. [10]

Неустойчивость Асаро–Тиллера–Гринфельда

Неустойчивость Асаро–Тиллера–Гринфельда (АТГ), также известная как неустойчивость Гринфельда, является упругой неустойчивостью, часто встречающейся во время молекулярно-лучевой эпитаксии. Если есть несоответствие между размерами решетки растущей пленки и поддерживающего кристалла, упругая энергия будет накапливаться в растущей пленке. На некоторой критической высоте свободная энергия пленки может быть снижена, если пленка распадается на изолированные островки, где натяжение может быть ослаблено в боковом направлении. Критическая высота зависит от модуля Юнга , размера несоответствия и поверхностного натяжения.

Были исследованы некоторые приложения этой нестабильности, такие как самосборка квантовых точек. Некоторые сообщества используют название роста Странски-Крастанова для ATG.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ МакКрей, WP (2007). «MBE заслуживает места в исторических книгах». Nature Nanotechnology . 2 (5): 259–261. Bibcode : 2007NatNa...2..259M. doi : 10.1038/nnano.2007.121. PMID  18654274. S2CID  205442147.
  2. ^ "Альфред И. Чо". Национальный зал славы изобретателей . Получено 17 августа 2019 г.
  3. ^ Гюнтер, КГ (1 декабря 1958). «Aufdampfschidhten aus hallbleitenden III-V-Verbindungen». Zeitschrift für Naturforschung A. 13 (12): 1081–1089. Бибкод : 1958ZNatA..13.1081G. дои : 10.1515/zna-1958-1210 . ISSN  1865-7109. S2CID  97543040.
  4. ^ Дэви, Джон Э.; Панки, Титус (1968). «Эпитаксиальные пленки GaAs, осажденные методом вакуумного испарения». J. Appl. Phys . 39 (4): 1941–1948. Bibcode : 1968JAP....39.1941D. doi : 10.1063/1.1656467.
  5. ^ Чо, AY; Артур-младший (1975). «Молекулярно-лучевая эпитаксия». Прог. Химия твердого тела . 10 : 157–192. дои : 10.1016/0079-6786(75)90005-9.
  6. ^ Гво-Чинг Ван; То-Минг Лу (2013). Режим передачи RHEED и полюсные фигуры . дои : 10.1007/978-1-4614-9287-0. ISBN 978-1-4614-9286-3.
  7. ^ Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I.; Milun, M.; Pervan, P.; Lazić, P.; Šokčević, D.; Brako, R. (2005-12-16). "Экспериментальное и ab initio исследование структурных и электронных свойств субнанометровых толстых пленок Ag на Pd(111)". Physical Review B. 72 ( 23): 235418. Bibcode : 2005PhRvB..72w5418T. doi : 10.1103/PhysRevB.72.235418.
  8. ^ Мата, Мария де ла; Чжоу, Сян; Фуртмайр, Флориан; Тойберт, Йорг; Градечак, Сильвия; Эйкхофф, Мартин; Фонкуберта и Моррал, Анна ; Арбиоль, Хорди (2013). «Обзор 0D, 1D и 2D квантовых структур, выращенных методом MBE в нанопроволоке». Журнал химии материалов C. 1 (28): 4300. Бибкод : 2013JMCC....1.4300D. дои : 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, JJ (2016). «Монолитно интегрированные лазеры с высоким β-нановолокном на кремнии». Nano Letters . 16 (1): 152–156. Bibcode :2016NanoL..16..152M. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03404. PMID  26618638.
  10. ^ Майер, Б. и др. «Долговременная взаимная фазовая синхронизация пикосекундных пар импульсов, генерируемых полупроводниковым нанопроволочным лазером». Nature Communications 8 (2017): 15521.

Ссылки

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки