Химическая лучевая эпитаксия (CBE) образует важный класс методов осаждения для систем полупроводниковых слоев, особенно для систем полупроводников III-V. Эта форма эпитаксиального роста выполняется в системе сверхвысокого вакуума . Реагенты находятся в форме молекулярных пучков реактивных газов, как правило, таких как гидрид или металлоорганический . Термин CBE часто используется взаимозаменяемо с металлоорганической молекулярно-лучевой эпитаксией (MOMBE). Однако номенклатура различает два (немного отличающихся) процесса. При использовании в самом строгом смысле CBE относится к методу, в котором оба компонента получают из газообразных источников, в то время как MOMBE относится к методу, в котором компонент группы III получают из газообразного источника, а компонент группы V - из твердого источника.
Химическая лучевая эпитаксия была впервые продемонстрирована WT Tsang в 1984 году. [1] Затем эта технология была описана как гибрид металлорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), которая использовала преимущества обеих технологий. В этой первоначальной работе InP и GaAs выращивались с использованием газообразных алкилов III и V групп. В то время как элементы III группы были получены путем пиролиза алкилов на поверхности, элементы V группы были получены путем разложения алкилов путем приведения в контакт с нагретым танталом (Ta) или молибденом (Mo) при 950-1200 °C. Типичное давление в газовом реакторе составляет от 10 2 Торр до 1 атм для MOCVD. Здесь транспорт газа происходит за счет вязкого течения, а химикаты достигают поверхности путем диффузии. Напротив, в CBE используются давления газа менее 10 −4 Торр. Транспортировка газа теперь происходит в виде молекулярного пучка из-за гораздо более длинных свободных пробегов, и процесс эволюционирует в осаждение химического пучка. [2] Здесь также стоит отметить, что MBE использует атомные пучки (такие как алюминий (Al) и галлий (Ga)) и молекулярные пучки (такие как As 4 и P 4 ), которые испаряются при высоких температурах из твердых элементарных источников, в то время как источники для CBE находятся в паровой фазе при комнатных температурах. [3] Сравнение различных процессов в камере роста для MOCVD, MBE и CBE можно увидеть на рисунке 1.
В стандартных камерах роста сверхвысокого вакуума используется комбинация турбомолекулярных и крионасосов. Сама камера оснащена криоэкраном для жидкого азота и вращающимся держателем кристаллов, способным переносить более одной пластины. Держатель кристаллов обычно нагревается с задней стороны до температур от 500 до 700 °C. Большинство установок также имеют оборудование RHEED для in situ мониторинга поверхностных суперструктур на поверхности роста и для измерения скоростей роста, а также масс-спектрометры для анализа молекулярных видов в пучках и анализа остаточных газов. [4] Система впуска газа, которая является одним из важнейших компонентов системы, управляет потоком материального пучка. Чаще всего используются системы с контролем давления. Поток материала контролируется входным давлением капилляра впрыска газа. Давление внутри камеры можно измерять и контролировать с помощью емкостного манометра. Молекулярные пучки газообразных исходных материалов инжекторы или эффузионные струи, которые обеспечивают однородный профиль пучка. Для некоторых исходных соединений, таких как гидриды, которые являются исходным материалом группы V, гидриды должны быть предварительно растресканы в инжекторе. Обычно это делается путем термического разложения с помощью нагретого металла или нити накаливания. [4]
Чтобы лучше понять кинетику роста , связанную с CBE, важно рассмотреть физические и химические процессы, связанные с MBE и MOCVD. Рисунок 2 иллюстрирует их. Кинетика роста для этих трех методов во многом отличается. В обычной MBE скорость роста определяется скоростью прибытия атомных пучков группы III. Эпитаксиальный рост происходит, когда атомы группы III сталкиваются с нагретой поверхностью подложки, мигрируют в соответствующие узлы решетки , а затем осаждаются вблизи избыточных димеров или тетрамеров группы V. Стоит отметить, что на поверхности не происходит никакой химической реакции, поскольку атомы генерируются путем термического испарения из твердых элементарных источников. [2]
В MOCVD алкилы III группы уже частично диссоциируют в газовом потоке. Они диффундируют через застойный пограничный слой, который существует над нагретой подложкой, после чего они диссоциируют на атомные элементы III группы. Затем эти атомы мигрируют в соответствующий узел решетки и осаждаются эпитаксиально, связываясь с атомом V группы, который был получен из термического разложения гидридов. Скорость роста здесь обычно ограничивается скоростью диффузии алкилов III группы через пограничный слой. Газофазные реакции между реагентами также наблюдались в этом процессе. [2]
В процессах CBE гидриды расщепляются в высокотемпературном инжекторе, прежде чем они достигнут подложки. Температуры обычно на 100-150 °C ниже, чем в аналогичных MOCVD или MOVPE. [5] Также отсутствует пограничный слой (такой как в MOCVD), а молекулярные столкновения минимальны из-за низкого давления. Алкилы группы V обычно поставляются в избытке, а молекулы алкилов группы III ударяются непосредственно о нагретую подложку, как в обычном MBE. У молекулы алкилов группы III есть два варианта, когда это происходит. Первый вариант - диссоциировать свои три алкильных радикала, приобретая тепловую энергию с поверхности и оставляя элементарные атомы группы III на поверхности. Второй вариант - повторно испариться частично или полностью недиссоциированными. Таким образом, скорость роста определяется скоростью поступления алкилов группы III при более высокой температуре подложки и скоростью пиролиза поверхности при более низких температурах. [2]
Селективный рост посредством диэлектрической маскировки легко достигается с использованием CBE по сравнению с его исходными методами MBE и MOCVD. Селективный рост трудно достичь с использованием элементного источника MBE, поскольку атомы группы III не десорбируются легко после того, как они адсорбируются . При использовании химических источников реакции, связанные со скоростью роста, быстрее протекают на поверхности полупроводника, чем на диэлектрическом слое. Однако ни один элемент группы III не может достичь поверхности диэлектрика в CBE из-за отсутствия каких-либо реакций в газовой фазе. Кроме того, падающим металлоорганическим молекулам группы III легче десорбироваться при отсутствии граничного слоя. Это упрощает выполнение селективной эпитаксии с использованием CBE и при более низких температурах по сравнению с MOCVD или MOVPE. [5] В последних разработках, запатентованных ABCD Technology, вращение подложки больше не требуется, что открывает новые возможности, такие как формирование рисунка на месте с помощью пучков частиц. [6] Эта возможность открывает очень интересные перспективы для получения тонких пленок с рисунком за один шаг, в частности, для материалов, которые трудно поддаются травлению, таких как оксиды.
Было замечено, что использование TMGa для CBE GaAs привело к высокому фоновому легированию p-типа (10 20 см −3 ) из-за включенного углерода . Однако было обнаружено, что использование TEGa вместо TMGa привело к очень чистому GaAs с концентрацией дырок при комнатной температуре между 10 14 и 10 16 см −3 . Было продемонстрировано, что концентрацию дырок можно регулировать между 10 14 и 10 21 см −3 просто регулируя давление алкильного пучка и соотношение TMGa/TEGa, предоставляя средства для достижения высокого и контролируемого легирования p-типа GaAs. Это было использовано для изготовления высококачественных гетеропереходных биполярных транзисторов . [4]
Метод CBE имеет множество других преимуществ по сравнению с исходными методами MOCVD и MBE, некоторые из которых перечислены ниже:
Поэтому для хорошего контроля состава необходимо найти компромисс между высокой и низкой температурой.