Aké sú rozdiely medzi technológiami MBE a MOCVD?

Reaktory s molekulárnym lúčom epitaxie (MBE) aj kov-organická chemická depozícia z plynnej fázy (MOCVD) fungujú v prostredí čistých priestorov a používajú rovnakú sadu metrologických nástrojov na charakterizáciu plátkov. MBE s pevným zdrojom využíva vysoko čisté elementárne prekurzory zahrievané v efúznych komôrkach na vytvorenie molekulárneho lúča umožňujúceho depozíciu (s tekutým dusíkom používaným na chladenie). Na rozdiel od toho, MOCVD je proces chemických výparov, ktorý využíva ultračisté plynné zdroje na umožnenie usadzovania a vyžaduje manipuláciu s toxickými plynmi a ich znižovanie. Obe techniky môžu produkovať identickú epitaxiu v niektorých materiálových systémoch, ako sú arzenidy. Diskutuje sa o výbere jednej techniky pred druhou pre konkrétne materiály, procesy a trhy.

Epitaxia molekulárneho lúča

Reaktor MBE typicky obsahuje komoru na prenos vzoriek (otvorenú pre vzduch, aby sa umožnilo nakladanie a vyberanie plátkových substrátov) a rastovú komoru (normálne utesnenú a otvorenú len pre vzduch na údržbu), kde sa substrát prenáša na epitaxiálny rast. . Reaktory MBE pracujú v podmienkach ultravysokého vákua (UHV), aby sa zabránilo kontaminácii molekulami vzduchu. Komora môže byť vyhrievaná, aby sa urýchlila evakuácia týchto kontaminantov, ak bola komora otvorená pre vzduch.

Zdrojovými materiálmi epitaxie v reaktore MBE sú často pevné polovodiče alebo kovy. Tie sa v efúznych komôrkach zahrievajú nad ich bod topenia (t. j. odparovanie zdrojového materiálu). Tu sú atómy alebo molekuly vháňané do vákuovej komory MBE cez malý otvor, ktorý poskytuje vysoko smerový molekulárny lúč. To naráža na vyhrievaný substrát; zvyčajne vyrobené z monokryštálových materiálov, ako je kremík, arzenid gália (GaAs) alebo iné polovodiče. Za predpokladu, že sa molekuly nedesorbujú, budú difundovať na povrch substrátu a podporovať epitaxiálny rast. Epitaxia sa potom vytvára vrstvu po vrstve, pričom zloženie a hrúbka každej vrstvy sa riadi tak, aby sa dosiahli požadované optické a elektrické vlastnosti.

Substrát je namontovaný centrálne, v rastovej komore, na vyhrievaný držiak obklopený kryoštítmi, smerom k efúznym bunkám a systému uzáveru. Držiak sa otáča, aby sa zabezpečilo rovnomerné uloženie a epitaxná hrúbka. Kryoštíty sú dosky chladené kvapalným dusíkom, ktoré zachytávajú kontaminanty a atómy v komore, ktoré predtým neboli zachytené na povrchu substrátu. Kontaminanty môžu pochádzať z desorpcie substrátu pri vysokých teplotách alebo z „preplnenia“ z molekulárneho lúča.

Reaktorová komora MBE s ultravysokým vákuom umožňuje použitie in-situ monitorovacích nástrojov na riadenie procesu ukladania. Na monitorovanie povrchu rastu sa používa reflexná vysokoenergetická elektrónová difrakcia (RHEED). Laserová odrazivosť, tepelné zobrazovanie a chemická analýza (hmotnostná spektrometria, Augerova spektrometria) analyzujú zloženie odparovaného materiálu. Iné senzory sa používajú na meranie teplôt, tlakov a rýchlosti rastu s cieľom upravovať parametre procesu v reálnom čase.

Rýchlosť rastu a prispôsobenie

Rýchlosť epitaxného rastu, ktorá je typicky asi tretina monovrstvy (0,1 nm, 1 Á) za sekundu, je ovplyvnená rýchlosťou toku (počet atómov prichádzajúcich na povrch substrátu, riadený teplotou zdroja) a teplotou substrátu. (čo ovplyvňuje difúzne vlastnosti atómov na povrchu substrátov a ich desorpciu, riadenú teplom substrátu). Tieto parametre sa nezávisle upravujú a monitorujú v reaktore MBE, aby sa optimalizoval epitaxný proces.

Riadením rýchlosti rastu a dodávaním rôznych materiálov pomocou mechanického systému uzáverov možno spoľahlivo a opakovane pestovať ternárne a kvartérne zliatiny a viacvrstvové štruktúry. Po nanesení sa substrát pomaly ochladí, aby sa predišlo tepelnému namáhaniu, a testuje sa, aby sa charakterizovala jeho kryštalická štruktúra a vlastnosti.

Vlastnosti materiálu pre MBE

Charakteristiky systémov materiálov III-V používaných v MBE sú:

●  Kremík: Rast na kremíkových substrátoch vyžaduje veľmi vysoké teploty na zabezpečenie oxidovej desorpcie (>1000 °C), preto sú potrebné špeciálne ohrievače a držiaky plátkov. Problémy súvisiace s nesúladom mriežkovej konštanty a koeficientu expanzie robia z rastu III-V na kremíku aktívnu tému výskumu a vývoja.

●  Antimón: Pre III-Sb polovodiče sa musia použiť nízke teploty substrátu, aby sa zabránilo desorpcii z povrchu. Môže sa vyskytnúť aj „nekongruencia“ pri vysokých teplotách, keď sa jeden atómový druh môže prednostne odpariť, aby zostali nestechiometrické materiály.

●  Phosfor: V prípade zliatin III-P sa fosfor uloží vo vnútri komory, čo si vyžaduje časovo náročný proces čistenia, ktorý môže spôsobiť, že krátke výrobné série nebudú životaschopné.

Kovovo-organické chemické vylučovanie z pár

MOCVD reaktor má vysokoteplotnú, vodou chladenú reakčnú komoru. Substráty sú umiestnené na grafitovom susceptore vyhrievanom buď RF, odporovým alebo IR ohrevom. Reagenčné plyny sa vstrekujú vertikálne do procesnej komory nad substrátmi. Rovnomernosť vrstiev sa dosahuje optimalizáciou teploty, vstrekovania plynu, celkového prietoku plynu, rotácie susceptora a tlaku. Nosnými plynmi sú buď vodík alebo dusík.

Na nanášanie epitaxných vrstiev používa MOCVD veľmi čisté kovovo-organické prekurzory, ako je trimetylgálium pre gálium alebo trimetylalumínium pre hliník pre prvky skupiny III a hydridové plyny (arzín a fosfín) pre prvky skupiny V. Kovovo-organické látky sú obsiahnuté v plynových premývačkách. Koncentrácia vstrekovaná do procesnej komory je určená teplotou a tlakom toku kov-organický a nosný plyn cez prebublávačku.

Činidlá sa úplne rozložia na povrchu substrátu pri teplote rastu, pričom sa uvoľnia atómy kovov a organické vedľajšie produkty. Koncentrácia činidiel sa nastavuje tak, aby sa vytvorili rôzne štruktúry zliatiny III-V, spolu so systémom prepínania chod/odvzdušňovanie na nastavenie zmesi pár.

Substrát je zvyčajne monokryštálový plátok polovodičového materiálu, ako je arzenid gália, fosfid india alebo zafír. Vloží sa na susceptor v reakčnej komore, cez ktorú sa vstrekujú prekurzorové plyny. Veľká časť odparených organických kovov a iných plynov prechádza cez vyhrievanú rastovú komoru nezmenená, ale malé množstvo podlieha pyrolýze (praskaniu), čím vznikajú poddruhové materiály, ktoré sa absorbujú na povrch horúceho substrátu. Povrchová reakcia potom vedie k inkorporácii prvkov III-V do epitaxnej vrstvy. Alternatívne môže dôjsť k desorpcii z povrchu, pričom nepoužité činidlá a reakčné produkty sa evakuujú z komory. Okrem toho môžu niektoré prekurzory vyvolať „negatívny rast“ leptanie povrchu, ako napríklad pri uhlíkovom dopovaní GaAs/AlGaAs a pri špecializovaných zdrojoch leptadiel. Susceptor sa otáča, aby sa zabezpečilo konzistentné zloženie a hrúbka epitaxie.

Teplota rastu požadovaná v reaktore MOCVD je primárne určená požadovanou pyrolýzou prekurzorov a potom optimalizovaná vzhľadom na mobilitu povrchu. Rýchlosť rastu je určená tlakom pár kov-organických zdrojov skupiny III v prebublávačkách. Povrchová difúzia je ovplyvnená atómovými krokmi na povrchu, pričom z tohto dôvodu sa často používajú nesprávne orientované substráty. Rast na kremíkových substrátoch si vyžaduje veľmi vysoké teplotné stupne na zabezpečenie oxidovej desorpcie (> 1000 °C), náročné špeciálne ohrievače a držiaky plátkového substrátu.

Vákuový tlak a geometria reaktora znamená, že techniky monitorovania in-situ sa líšia od techník MBE, pričom MBE má vo všeobecnosti viac možností a konfigurovateľnosti. Pre MOCVD sa používa pyrometria s korekciou emisivity na meranie povrchovej teploty plátku in situ (na rozdiel od diaľkového merania termočlánkom); odrazivosť umožňuje analyzovať zdrsnenie povrchu a rýchlosť epitaxného rastu; Oblátka sa meria odrazom lasera; a dodávané koncentrácie organokovov možno merať pomocou ultrazvukového monitorovania plynu, aby sa zvýšila presnosť a reprodukovateľnosť procesu rastu.

Typicky sa zliatiny obsahujúce hliník pestujú pri vyšších teplotách (>650 °C), zatiaľ čo vrstvy obsahujúce fosfor sa pestujú pri nižších teplotách (<650 °C), s možnými výnimkami pre AlInP. V prípade zliatin AlInGaAs a InGaAsP, ktoré sa používajú v telekomunikačných aplikáciách, rozdiel v teplote krakovania arzínu zjednodušuje riadenie procesu ako v prípade fosfínu. Avšak pre epitaxný opätovný rast, kde sú aktívne vrstvy leptané, je výhodný fosfín. V prípade antimonidových materiálov dochádza k neúmyselnému (a všeobecne nežiaducemu) inkorporácii uhlíka do AlSb v dôsledku nedostatku vhodného zdroja prekurzora, čo obmedzuje výber zliatin a tým aj absorpciu rastu antimonidu pomocou MOCVD.

Pre vysoko namáhané vrstvy je vďaka schopnosti rutinne využívať arzenidové a fosfidové materiály možné vyrovnávanie a kompenzácia napätia, ako napríklad pre bariéry GaAsP a kvantové jamy InGaAs (QW).

Zhrnutie

MBE má vo všeobecnosti viac možností monitorovania na mieste ako MOCVD. Epitaxný rast je upravený rýchlosťou toku a teplotou substrátu, ktoré sú samostatne riadené, s pridruženým in-situ monitorovaním, čo umožňuje oveľa jasnejšie, priamejšie pochopenie rastových procesov.

MOCVD je vysoko všestranná technika, ktorú možno použiť na nanášanie širokej škály materiálov, vrátane zložených polovodičov, nitridov a oxidov, zmenou chémie prekurzorov. Presné riadenie procesu rastu umožňuje výrobu zložitých polovodičových súčiastok s prispôsobenými vlastnosťami pre aplikácie v elektronike, fotonike a optoelektronike. Časy čistenia komory MOCVD sú rýchlejšie ako pri MBE.

MOCVD je vynikajúci pre opätovný rast laserov s distribuovanou spätnou väzbou (DFB), skrytých heteroštruktúrnych zariadení a vlnovodov s tupým spojením. To môže zahŕňať leptanie polovodiča in situ. MOCVD je preto ideálny pre monolitickú integráciu InP. Hoci monolitická integrácia v GaAs je v plienkach, MOCVD umožňuje selektívny rast oblasti, kde dielektrické maskované oblasti pomáhajú rozmiestniť vlnové dĺžky emisie / absorpcie. To je ťažké urobiť s MBE, kde sa na dielektrickej maske môžu vytvárať polykryštálové usadeniny.

Vo všeobecnosti je MBE metódou rastu voľbou pre materiály Sb a MOCVD je voľbou pre materiály P. Obe rastové techniky majú podobné schopnosti pre materiály na báze As. Tradičné trhy len s MBE, ako je elektronika, môžu byť teraz obsluhované rovnako dobre s rastom MOCVD. Avšak pre pokročilejšie štruktúry, ako sú kvantové bodové a kvantové kaskádové lasery, sa pre základnú epitaxiu často uprednostňuje MBE. Ak sa vyžaduje epitaxný opätovný rast, potom sa vo všeobecnosti uprednostňuje MOCVD kvôli jeho flexibilite leptania a maskovania.