Jaké jsou rozdíly mezi technologiemi MBE a MOCVD?

Reaktory molekulárního paprsku (MBE) a kovově organické chemické páry (MOCVD) pracují v prostředích čisté místnosti a používají stejnou sadu metrologických nástrojů pro charakterizaci oplatky. MBE s pevným zdrojovým zdrojem používá vysoce čistotu, elementární prekurzory zahřívané v výfuzových buňkách k vytvoření molekulárního paprsku, který umožňuje ukládání (s kapalným dusíkem používaným pro chlazení). Naproti tomu MOCVD je proces chemické páry, který používá ultraparetní, plynné zdroje, které umožňují ukládání, a vyžaduje toxický plyn a snižování. Obě techniky mohou v některých materiálních systémech produkovat identickou epitaxii, jako jsou Arsenides. Diskutuje se o výběru jedné techniky nad druhou pro konkrétní materiály, procesy a trhy.

Epitaxe molekulárního paprsku

Reaktor MBE obvykle obsahuje komoru pro přenos vzorku (otevřenou do vzduchu, aby se umožnily nakládat a vykládat substráty oplatky) a růstovou komoru (obvykle utěsněné a otevřené pouze pro údržbu), kde se substrát přenáší pro epitaxiální růst . Reaktory MBE pracují v podmínkách ultra vysokých vakua (UHV), aby se zabránilo kontaminaci molekulami vzduchu. Komora může být zahřívána tak, aby zrychlila evakuaci těchto kontaminantů, pokud byla komora otevřena vzduchu.

Zdrojovými materiály epitaxe v reaktoru MBE jsou často pevné polovodiče nebo kovy. Ty se ve výtokových komůrkách ohřívají nad jejich bod tání (tj. odpařování výchozího materiálu). Zde jsou atomy nebo molekuly vháněny do vakuové komory MBE malým otvorem, který poskytuje vysoce směrový molekulární paprsek. To dopadá na zahřátý substrát; obvykle vyrobené z monokrystalických materiálů, jako je křemík, arsenid galia (GaAs) nebo jiné polovodiče. Za předpokladu, že se molekuly nedesorbují, budou difundovat na povrch substrátu a podporovat epitaxní růst. Epitaxe se pak vytváří vrstvu po vrstvě, přičemž složení a tloušťka každé vrstvy se řídí tak, aby se dosáhlo požadovaných optických a elektrických vlastností.

Substrát je namontován centrálně, v růstové komoře, na vyhřívaném držáku obklopeném kryoshields, obráceně k výtokovým buňkám a závěrkovému systému. Držák se otáčí a zajišťuje rovnoměrnou depozici a tloušťku epitaxiální. Kryoshields jsou desky chlazené kapaliny-nitrogen, které zachycují kontaminanty a atomy v komoře, které nejsou dosud zachyceny na povrchu substrátu. Kontaminanty mohou být z desorpce substrátu při vysokých teplotách nebo „nad náplní“ z molekulárního paprsku.

Komora pro ultra-vysokou vakuum MBE umožňuje použití nástrojů pro monitorování in-situ k řízení procesu depozice. Pro sledování růstového povrchu se používá vysokoenergetická elektronová difrakce (Rheed). Laserová odrazivost, tepelné zobrazování a chemická analýza (hmotnostní spektrometrie, augerová spektrometrie) analyzují složení odpařeného materiálu. Jiné senzory se používají k měření teplot, tlaků a rychlosti růstu, aby se upravily parametry procesů v reálném čase.

Rychlost růstu a přizpůsobení

Rychlost růstu epitaxiálního růstu, která je obvykle asi třetinou monovrstvy (0,1nm, 1 Á) za sekundu, je ovlivněna rychlostí toku (počet atomů přicházejících na povrch substrátu, kontrolovaným teplotou zdroje) a teplotou substrátu) a teplotou substrátu) a teplotou substrátu) a teplotou substrátu) a teplotou substrátu) a teplotou substrátu) a teplotou substrát (který ovlivňuje difuzní vlastnosti atomů na povrchu substrátů a jejich desorpci řízenou substrátovým teplem). Tyto parametry jsou nezávisle upravovány a monitorovány v reaktoru MBE, aby se optimalizoval epitaxiální proces.

Řízením rychlosti růstu a přísunem různých materiálů pomocí mechanického uzávěrového systému lze spolehlivě a opakovaně pěstovat ternární a kvartérní slitiny a vícevrstvé struktury. Po nanesení se substrát pomalu ochladí, aby se zabránilo tepelnému namáhání, a testuje se, aby se charakterizovala jeho krystalická struktura a vlastnosti.

Vlastnosti materiálu pro MBE

Charakteristiky III-V materiálových systémů používaných v MBE jsou:

●  Křemík: Růst na křemíkových substrátech vyžaduje velmi vysoké teploty, aby byla zajištěna desorpce oxidu (> 1000 ° C), takže jsou vyžadovány specializované ohřívače a držáky oplatky. Problémy kolem neshody v mřížkové konstantě a koeficientu expanze dělají III-V na křemíku aktivním tématem výzkumu a vývoje.

●  Antimon: U polovodičů III-Sb je nutné použít nízké teploty substrátu, aby se zabránilo desorpci z povrchu. Může také nastat „nekongruence“ při vysokých teplotách, kdy může být jeden atomový druh přednostně odpařován za vzniku nestechiometrických materiálů.

●  Phosfor: U slitin III-P bude fosfor uložen na vnitřní straně komory, což vyžaduje časově náročný proces vyčištění, který může způsobit, že krátké výrobní běhy jsou životaschopné.

Kovovo-organická chemická depozice par

MOCVD reaktor má vysokoteplotní, vodou chlazenou reakční komoru. Substráty jsou umístěny na grafitovém susceptoru vyhřívaném buď RF, odporovým nebo IR ohřevem. Reagenční plyny jsou vstřikovány vertikálně do procesní komory nad substráty. Rovnoměrnosti vrstvy je dosaženo optimalizací teploty, vstřikování plynu, celkového průtoku plynu, rotace susceptoru a tlaku. Nosnými plyny jsou buď vodík nebo dusík.

K vložení epitaxiálních vrstev používá MOCVD velmi vysoce čisté kovové organické prekurzory, jako je trimethylgallium pro gallium nebo trimethylaluminium pro hliník pro prvky skupiny III a hydridové plyny (arsin a fosfin) pro prvky skupiny. Kovo-organiky jsou obsaženy v bublincích plynu. Koncentrace injikovaná do procesní komory se určuje teplotou a tlakem kovově organového a nosného průtoku plynu skrz bubbler.

Činidla se plně rozkládají na povrchu substrátu při teplotě růstu, uvolňují atomy kovů a organické vedlejší produkty. Koncentrace činidel je nastavena tak, aby se vytvořily různé struktury slitiny III-V, spolu se systémem přepínání běh/odvzdušňování pro nastavení směsi par.

Substrát je obvykle monokrystalický plátek z polovodičového materiálu, jako je arsenid galia, fosfid india nebo safír. Je naložen na susceptor v reakční komoře, přes kterou jsou vstřikovány prekurzorové plyny. Velká část odpařených organických kovů a dalších plynů prochází vyhřívanou růstovou komorou beze změny, ale malé množství podléhá pyrolýze (praskání), čímž vznikají poddruhové materiály, které se absorbují na povrch horkého substrátu. Povrchová reakce pak vede k začlenění prvků III-V do epitaxní vrstvy. Alternativně může dojít k desorpci z povrchu, přičemž nepoužitá činidla a reakční produkty jsou evakuovány z komory. Kromě toho mohou některé prekurzory vyvolat „negativní růst“ leptání povrchu, jako například při uhlíkovém dopování GaAs/AlGaAs a s vyhrazenými zdroji leptadel. Susceptor se otáčí, aby se zajistilo konzistentní složení a tloušťka epitaxe.

Růstová teplota potřebná v reaktoru MOCVD je primárně určena požadovanou pyrolýzou prekurzorů a poté optimalizována ohledně povrchové mobility. Rychlost růstu je určena tlakem par group-III kovově organických zdrojů v bubblerech. Difúze povrchu je ovlivněna atomovými kroky na povrchu, přičemž z tohoto důvodu se často používají nesmarientované substráty. Růst na křemíkových substrátech vyžaduje velmi vysokoteplotní stádia, aby byla zajištěna desorpce oxidu (> 1000 ° C), náročné specializované ohřívače a držáky oplatky.

Vakuový tlak a geometrie reaktoru znamená, že techniky monitorování in situ se liší od techniky MBE, přičemž MBE má obecně více možností a konfigurability. Pro MOCVD se pyrometrie korigovaná emisivita používá pro měření povrchové teploty povrchové teploty oplatky (na rozdíl od vzdáleného měření termočlánků); Reflektivita umožňuje analýzu zdrsnění povrchu a rychlost epitaxiálního růstu; Útlak destičky se měří laserovým odrazem; a dodávané organovolické koncentrace lze měřit pomocí ultrazvukového monitorování plynu, aby se zvýšila přesnost a reprodukovatelnost procesu růstu.

Obvykle se slitiny obsahující hliníky pěstují při vyšších teplotách (> 650 ° C), zatímco vrstvy obsahující fosfory se pěstují při nižších teplotách (<650 ° C), s možnými výjimkami pro ALINP. Pro slitiny Alingaas a IngaASP, používané pro telekomunikační aplikace, je rozdíl v teplotě praskání arsinu jednodušší kontrola procesu než pro fosfin. Avšak pro epitaxiální opětovné růst, kde jsou aktivní vrstvy vyleptány, je preferován fosfin. U antimonidových materiálů dochází k neúmyslnému (a obecně nežádoucímu) začlenění uhlíku do ALSB v důsledku nedostatku vhodného prekurzorového zdroje, což omezuje výběr slitin a tak vychytávání antimonidového růstu pomocí MOCVD.

U vysoce namáhaných vrstev je díky schopnosti rutinně využívat arsenidové a fosfidové materiály možné vyvažování a kompenzace pnutí, jako je tomu u bariér GaAsP a kvantových vrtů InGaAs (QW).

Shrnutí

MBE má obecně více možností monitorování in situ než MOCVD. Epitaxiální růst je upraven rychlostí toku a teplotou substrátu, které jsou samostatně kontrolovány, přičemž související monitorování in situ umožňuje mnohem jasnější a přímé a porozumění růstovým procesům.

MOCVD je vysoce univerzální technika, kterou lze použít k nanášení široké škály materiálů, včetně složených polovodičů, nitridů a oxidů, změnou chemického složení prekurzoru. Přesné řízení procesu růstu umožňuje výrobu složitých polovodičových součástek s vlastnostmi na míru pro aplikace v elektronice, fotonice a optoelektronice. Časy čištění komory MOCVD jsou rychlejší než u MBE.

MOCVD je vynikající pro růst distribuovaných laserů zpětné vazby (DFBS), pohřbených heterostrukturních zařízení a vlnovody spojené s tusem. To může zahrnovat insitu leptání polovodiče. MOCVD je proto ideální pro monolitickou integraci INP. Ačkoli monolitická integrace v GaAs je v plenkách, MOCVD umožňuje selektivní růst oblasti, kde dielektrické maskované oblasti pomáhají prostoru emisní/absorpční vlnové délky. To je obtížné dělat s MBE, kde se na dielektrické masce mohou tvořit polykrystalové ložiska.

Obecně je MBE metodou růstu volby pro materiály SB a MOCVD je volbou pro materiály P. Obě růstové techniky mají podobné schopnosti pro materiály založené na AS. Tradiční trhy s MBE, jako je elektronika, lze nyní sloužit stejně dobře s růstem MOCVD. Pro pokročilejší struktury, jako je kvantová tečka a kvantové kaskádové lasery, je však pro základní epitaxii často preferován MBE. Pokud je vyžadován epitaxiální růst, pak je MOCVD obecně preferován kvůli jeho leptání a maskování flexibility.