Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – основы материаловедения

May 25, 2013 by admin Комментировать »

МЛЭ или MBE6 представляет собой процесс эпитаксиального роста слоев различных соединений, происходящий за счет реакций между термически создаваемыми молекулярными или атомными пучками соответствующих компонентов на поверхности подложки, находящейся в сверхвысоком вакууме при повышенной температуре. В основе этой технологии лежит возможность роста эпитаксиальных пленок, по существу, в динамическом режиме в отличие от более традиционных методов, где рост идет в условиях, близких к термодинамическому равновесию. МЛЭ характеризуется:

1) относительно низкой температурой роста (на 100–200◦C меньше, чем при жидкофазовой и газотранспортной эпитаксии);

6MBE — molecular beam epitaxy.

Рассмотрим более подробно этот метод получения сверхрешеточных структур на примере выращивания сверхрешеток на основе GaAs. В работе [47] впервые было показано, что разложение газовой смеси металлорганического соединения триметилгаллия (CH3)3Ga и гидрида мышьяка (арсина) AsH3, проводимое при температуре 600–700◦C в атмосфере H2 , можно использовать для выращивания тонких эпитаксиальных пленок GaAs в открытом (проточном) реакторе (рис. 9.11). Следует отметить, что MOCVD хорошо подходит для массового производства приборов с субмикронными слоями и имеет ряд преимуществ перед другими технологиями (см. ниже и [48, 49]).

Эпитаксия в процессе MOCVD осуществляется при пропускании однородной газовой  смеси реагентов с газами-носителями над нагретой подложкой в реакторе с холодными стенками. Энергия для нагревания газовой смеси обычно создается мощным радиочастотным генератором с частотой порядка 450 кГц. Этот же генератор нагревает и графитовый держатель, на котором размещена монокристаллическая подложка. При этом газовая смесь вблизи поверхности подложки нагревается до высоких температур, а стенки реакционной камеры остаются относительно холодными, что приводит к осаждению полупроводниковой пленки на поверхности подложки (реакция идет при повышенных температурах) при малых потерях реагирующих веществ на поверхности реактора. Тщательно контролировать необходимо только температуру подложки, причем небольшие ее изменения не играют роли, поскольку большинство свойств пленок, полученных MOCVD, малочувствительны к таким изменениям температуры.

Парциальными давлениями различных газовых компонентов можно управлять с помощью электроники, контролирующей скорость потока от каждого из источников. Это позволяет с высокой точностью управлять всеми параметрами роста, обеспечивая надежную воспроизводимость результатов.

Металлорганические соединения, используемые для получения полупроводниковых пленок при комнатной температуре, как правило, являются жидкостями, обладают высоким давлением паров и могут быть легко доставлены в зону реакции путем пропускания газа-носителя, например H2, через жидкости, которые играют роль источников (рис. 9.11). Кроме того, используемые для роста полупроводниковых пленок гидриды при комнатной температуре являются газами и обычно берутся в качестве добавок к H2. Эти металлорганические и гидридные компоненты смешиваются в газовой фазе и пиролизуются (при 600–800◦C, как правило) в потоке водорода в открытом реакторе при атмосферном или несколько

Рис. 9.16. Схематическое изображение эффузионной ячейки, используемой в современной системе МЛЭ: 1 — конический тигель из пиролитического BN, графита или стеклоуглерода; 2 — нагревательное устройство; 3 — радиационные экраны; 4 — термопара; 5 — оболочка нагревателя; 6 — водяное охлаждение; 7 — трубка из фольги; 8 — выводы термопары; 9 — силовой ввод.

зоны, в которых происходят различные физические явления. Первая — зона создания молекулярных пучков. Вторая — зона пересечения пучков от различных источников, где смешиваются испаряемые вещества, образуя паровую фазу, вступающую в контакт с подложкой, на которой происходит кристаллизация. Поверхность подложки, где происходят основные реакции между компонентами, является третьей зоной в системе МЛЭ.

Эффузионные ячейки, используемые в системах МЛЭ, обычно представляют собой либо цилиндрические, либо конические тигли с характерным диаметром 1–2 см, длиной 5–10 см, диаметром эффузионного отверстия 5–8 мм и его толщиной ≈0.5 мм. Для изготовления тиглей используется пиролитический графит высокой чистоты или пиролитический нитрид бора BN. Тигель помещается внутрь нагревателя из окиси алюминия. В стандартных конструкциях эффузионных ячеек (рис. 9.16) проволочная спираль танталового нагревателя фиксируется двумя концентрическими цилиндрами из Al2O3. Внутренний цилиндр особой формы содержит тигель, а внешний цилиндр окружается несколькими слоями тонкой гофрированной танталовой фольги для эффективной теплоизоляции отдельных ячеек. К тиглю подведена термопара, обеспечивающая контроль за температурой в эффузионной ячейке. Каждая эффузионная ячейка монтируется на молибденовом держателе, обеспечивающем возможность точной юстировки и быстрого демонтажа. Вся ячейка имеет общую водяную рубашку, эффективно теплоизолирующую ее от окружающей среды.

Первый теоретический анализ распределения потоков в молекулярном пучке принадлежит Кнудсену, который изучал эффузию из малого отверстия в эффузионной ячейке, содержащей идеальный газ. Идеальная кнудсеновская ячейка содержит пар, находящийся в равновесии с испаряемым веществом, и имеет эффективную апертуру в виде малого отверстия площадью S (отверстие не имеет стенок). По одну сторону отверстия находится газ под давлением p1, по другую сторону давление газа равно p2, причем p1 p2. Линейные размеры отверстия не превосходят длин свободного пробега при обоих указанных давлениях. Газовые резервуары вне (p2) и внутри (p1) ячейки столь велики, что молекулы сталкиваются друг с другом значительно чаще, чем со стенками. Если справедливы следующие предположения: 1) молекулы имеют одинаковые точечные массы, 2) силы взаимодействия между молекулами отсутствуют, 3) распределение молекул по скоростям является максвелловским,

4)                        газ является изотропным, то полное число молекул N , прошедших в единицу времени через отверстие наружу, равно

N = ((p1 − p2)S/m),M/(2πRT ),                         (9.20)

где m — масса молекул, M — молекулярный вес, R — газовая постоянная,

T — температура по обе стороны эффузионного отверстия.

Результаты, полученные Кнудсеном, полезны и при использовании эффузионных ячеек с отверстиями большого диаметра. При этом необходимо рассматривать большое отверстие как комбинацию малых точечных отверстий, а создаваемые ими потоки складывать. Однако при значительной толщине отверстия оно начинает оказывать коллимирующее воздействие на молекулярный пучок, что вызывает дополнительные осложнения.

В реальных системах МЛЭ редко используются идеальные кнудсеновские ячейки, так как необходимо проводить эпитаксиальный рост на большой площади. Реальные эффузионные ячейки имеют значительно большую апертуру, чем необходимо для равновесной ячейки. Поэтому в формулу (9.20) должен быть введен поправочный коэффициент, который, к сожалению, не может быть вычислен непосредственно. Он находится эмпирически.

Однородность толщины пленок, выращенных методом МЛЭ, зависит от однородности молекулярного пучка по площади подложки. Однородность молекулярного пучка определяется взаимным расположением ячеек и подложек и соосностью их расположения (см. гл. 6). Задача подбора оптимальной геометрии системы является достаточно сложной задачей, подходы к решению которой освещены в специальной литературе [5, 58].

О физических процессах, происходящих в третьей зоне (рост на подложке), рассказывалось в начале этой главы в разд. 9.2, посвященном механизмам роста эпитаксиальных пленок. Напомним основные этапы эпитаксиального роста полупроводниковых соединений, в том числе и для метода МЛЭ:

1) подвод питающего вещества к поверхности роста;

2) адсорбция составляющих вещество атомов и молекул на поверхности подложки;

3) миграция атомов и молекул по поверхности подложки, реиспарение;

4) встраивание составляющих вещество атомов и молекул в кристаллическую решетку, образование стабильных зародышей;

5) коалесценция зародышей.

Образование пленки на твердой подложке неразрывно связано с фазовым превращением, характерным для выбранного метода роста. В методе МЛЭ это фазовое превращение представляет собой переход из сильно неравновесной паровой фазы в тонкопленочную твердую фазу.

Анализ процессов, происходящих на поверхности роста, показал, что способность атомов двигаться по поверхности, их среднее время пребывания там, поток атомов и молекул на растущую поверхность пленки являются кинетическими параметрами, оказывающими решающее влияние на процессы роста при МЛЭ.

Для исследования особенностей роста в технологии МЛЭ используют соответствующие методы анализа. К этим методам относятся дифракция быстрых электронов, Оже-электронная спектроскопия (AES), масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) и другие современные методы исследования. В настоящее время большинство исследовательских

и значительная часть технологических установок МЛЭ содержат встроенное перечисленное выше аналитическое оборудование, позволяющее проводить анализ процессов роста непосредственно в ходе выращивания эпитаксиальных пленок.

Дифракция быстрых электронов применяется для исследования поверхностной структуры, микроструктуры и степени гладкости выращиваемых пленок. Она используется также для контроля за изменением структуры верхних атомных слоев в ходе эпитаксиального роста пленок при различных параметрах роста и для наблюдения топографии поверхности.

Метод электронной Оже-спектроскопии используется для изучения химического состава поверхности подложки и определения химического состава растущего слоя.

Масс-спектрометрия вторичных ионов служит мощным методом определения химического состава поверхностных слоев твердого тела. Ее преимуществами перед Оже-спектроскопией является высокая абсолютная чувствительность по многим элементам, хорошая элементная избирательность и высокое разрешение по массам. Этот метод можно использовать для анализа объемного материала и исследования профиля поверхности, для определения остаточных газов в ростовой камере, анализа состава материалов источников и для изучения десорбционных явлений на поверхности эпитаксиального слоя.

Данные по поверхностной кинетике роста и легирования могут быть получены с помощью методики модулированного молекулярного пучка [59, 60]. В этой методике изменение падающего молекулярного пучка приводит к изменению во времени концентрации адсорбированных молекул на поверхности подложки и благодаря этому — к изменению скорости десорбции, что может быть измерено с помощью масс-спектрометрии. С другой стороны, модулируя поток десорбции, можно непосредственно определить, какие атомы и молекулы уходят с поверхности, выделив их на фоне остаточных газов. Дополнительное использование методов электронной Оже-спектроскопии и дифракции электронов позволяет получать дополнительные сведения о поверхности подложки на любой стадии процесса, а в совокупности с программированной термодесорбцией дает также дополнительную информацию о стехиометрии поверхности.

Разновидностью метода МЛЭ является лазерная МЛЭ, в которой испарение исходных компонентов осуществляется с помощью импульсного излучения мощного лазера [61, 62]. Этот метод был применен для выращивания сверхрешеток HgTe–CdTe. Пучок атомов ртути создается испарителем эффузионного типа. Поликристаллические образцы CdTe

и Te помещаются в танталовые лодочки, установленные на поворотной площадке, и поочередно подвергают воздействию сфокусированного лазерного луча. Особенности процесса лазерной МЛЭ, в первую очередь, связаны с более высокой температурой источников. В случае лазерной МЛЭ CdTe испарялся в виде атомов кадмия и  теллура в отличие от обычной МЛЭ, при которой испарение происходило в виде атомов кадмия и молекул теллура. Таким образом, состав паровой фазы оказывался различным, что сказывалось на характере процесса эпитаксии, а именно ориентация подложки в случае лазерной МЛЭ оказывала существенно меньшее влияние на рост эпитаксиальной пленки, чем в случае обычной МЛЭ.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты