Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Химическая лучевая эпитаксия (CBE) представляет собой важный класс методов осаждения для систем полупроводниковых слоев, особенно полупроводниковых систем III-V. Эта форма эпитаксиального роста выполняются в условиях сверхвысокого вакуума системы. Реагенты представлены в виде молекулярных пучков химически активных газов, обычно в виде гидрида или металлоорганического соединения.. Термин CBE часто используется как синоним металлорганической молекулярно-лучевой эпитаксии (MOMBE). Однако номенклатура действительно различает два (немного разных) процесса. При использовании в самом строгом смысле CBE относится к методике, в которой оба компонента получают из газовых источников, в то время как MOMBE относится к методике, в которой компонент группы III получают из газообразного источника, а компонент группы V - из твердого источника.

Основные принципы [ править ]

Впервые химико-лучевая эпитаксия была продемонстрирована У. Т. Цангом в 1984 году. [1] Затем этот метод был описан как гибрид химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), в котором использовались преимущества обоих методов. В этой первоначальной работе InP и GaAs были выращены с использованием газообразных алкилов III и V групп . В то время как элементы группы III были получены в результате пиролиза алкилов на поверхности, элементы группы V были получены в результате разложения алкилов при контакте с нагретым танталом (Ta) или молибденом (Mo) при 950-1200 ° C. Типичное давление в газовом реакторе составляет 10 2 Торр.и 1 атм для MOCVD. Здесь перенос газа происходит вязким потоком, а химические вещества достигают поверхности путем диффузии. Напротив, в CBE используется давление газа менее 10 -4 Торр. Транспорт газа теперь происходит в виде молекулярного пучка из-за гораздо большей длины свободного пробега, и процесс переходит в осаждение химическим пучком. [2] Здесь также стоит отметить, что МПЭ использует атомные пучки (например, алюминий (Al) и галлий (Ga)) и молекулярные пучки (например, As 4 и P 4 ), которые испаряются при высоких температурах из твердых источников элементов, в то время как источники CBE находятся в паровой фазе при комнатной температуре. [3] Сравнение различных процессов в камере роста для MOCVD, MBE и CBE можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1: Основные процессы в камерах роста a) MOCVD, b) MBE и c) CBE. [3]

Экспериментальная установка [ править ]

Комбинация турбомолекулярных и криогенных насосов используется в стандартных камерах для выращивания сверхвысокого вакуума. Сама камера оснащена криозащитным экраном из жидкого азота и вращающимся держателем кристаллов, способным удерживать более одной пластины. Кристаллодержатель обычно нагревается с тыльной стороны до температуры от 500 до 700 ° C. Большинство установок также имеют оборудование RHEED для мониторинга на месте поверхностных надстроек на растущей поверхности и для измерения скорости роста, а также масс-спектрометры для анализа молекулярных частиц в пучках и анализа остаточных газов. [4]Система впуска газа, которая является одним из наиболее важных компонентов системы, регулирует поток пучка материала. Чаще всего используются системы с контролем давления. Поток материала регулируется входным давлением капилляра для впрыска газа. Давление внутри камеры можно измерить 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 необходимо предварительно крекировать в инжекторе. Обычно это делается путем термического разложения нагретым металлом или нитью накала. [4]

Кинетика роста [ править ]

Чтобы лучше понять кинетику роста, связанную с CBE, важно также посмотреть на физические и химические процессы, связанные с MBE и MOCVD. На рисунке 2 они показаны. Кинетика роста для этих трех методов во многом различается. В обычном МЛЭ скорость роста определяется скоростью прихода атомных пучков III группы. Эпитаксиальный рост происходит, когда атомы группы III сталкиваются с нагретой поверхностью подложки, мигрируют в соответствующие узлы решетки и затем осаждают вблизи избыточных димеров или тетрамеров группы V. Стоит отметить, что на поверхности не происходит никаких химических реакций, поскольку атомы образуются в результате термического испарения из твердых источников элементов. [2]

Рисунок 2: Кинетика роста, участвующая в а) обычном MBE, б) MOCVD и в) CBE. [2]

В MOCVD алкилы III группы уже частично диссоциируют в газовом потоке. Они диффундируют через застойный пограничный слой, существующий над нагретой подложкой, после чего диссоциируют на элементы атомной группы III. Затем эти атомы мигрируют в соответствующий узел решетки и осаждаются эпитаксиально, связываясь с атомом группы V, который образовался в результате термического разложения гидридов. Скорость роста здесь обычно ограничивается скоростью диффузии алкилов III группы через пограничный слой. В этом процессе также наблюдались газофазные реакции между реагентами. [2]

В процессах CBE гидриды растрескиваются в высокотемпературном инжекторе до того, как достигнут субстрата. Температура обычно на 100–150 ° C ниже, чем в аналогичных MOCVD или MOVPE. [5] Также нет пограничного слоя (такого как в MOCVD), а столкновения молекул минимальны из-за низкого давления. Алкилы группы V обычно вводятся в избытке, и молекулы алкила группы III сталкиваются непосредственно с нагретой подложкой, как в обычном МБЭ. Когда это происходит, у молекулы алкила III группы есть два варианта. Первый вариант - диссоциировать три его алкильных радикала за счет получения тепловой энергии.с поверхности и оставляя атомы элементарной группы III на поверхности. Второй вариант - повторно испариться частично или полностью недиссоциированным. Таким образом, скорость роста определяется скоростью поступления алкилов III группы при более высокой температуре субстрата и скоростью пиролиза поверхности при более низких температурах. [2]

Совместимость с производством устройства [ править ]

Селективный рост при низких температурах [ править ]

Селективный рост за счет диэлектрической маскировки легко достигается с помощью CBE по сравнению с исходными методами MBE и MOCVD. Селективного роста трудно достичь с использованием МБЭ элементарного источника, потому что атомы группы III не десорбируются легко после того, как они адсорбируются . В случае химических источников реакции, связанные со скоростью роста, на поверхности полупроводника протекают быстрее, чем на диэлектрическом слое. Однако ни один элемент группы III не может попасть на поверхность диэлектрика в CBE из-за отсутствия каких-либо газофазных реакций. Кроме того, удаляющимся молекулам металлоорганических соединений III группы легче десорбироваться в отсутствие пограничного 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 создание рисунка на месте с помощью пучков частиц. [6] Эта возможность открывает очень интересные перспективы для получения узорчатых тонких пленок за один этап, в частности, для материалов, которые трудно травить, таких как оксиды.

допинг р-типа [ править ]

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 от 10 14 до 10 16 см -3 . Было продемонстрировано, что концентрации дырок можно регулировать в пределах от 10 14 до 10 21 см -3 , просто регулируя давление алкильного пучка и соотношение TMGa / TEGa, обеспечивая средства для достижения высокого и контролируемого легирования GaAs p-типа. Это было использовано для изготовления высококачественного биполярного гетероперехода.транзисторы . [4]

Преимущества и недостатки [ править ]

CBE предлагает множество других преимуществ по сравнению с родительскими методами MOCVD и MBE, некоторые из которых перечислены ниже:

Преимущества перед MBE [ править ]

  1. Более легкое масштабирование с использованием нескольких пластин: для обеспечения однородности толщины и соответствия требуется вращение подложки, так как MBE имеет отдельные эффузионные ячейки для каждого элемента. Большие эффузионные ячейки и эффективное рассеивание тепла затрудняют масштабирование нескольких пластин.
  2. Лучше для производственной среды: мгновенный отклик потока благодаря прецизионному электронному контролю потока.
  3. Отсутствие овальных дефектов: эти овальные дефекты обычно возникают из-за выплевывания микрокапель Ga или In из высокотемпературных эффузионных ячеек. Эти дефекты различаются по размеру и плотности от системы к системе и время от времени. [3] [7]
  4. Меньшие дрейфы в эффузионных условиях, не зависящие от заполнения эффузивного источника.
  5. В последних разработках, запатентованных ABCD Technology, больше не требуется вращение подложки. [6]

Преимущества перед MOCVD [ править ]

  1. Простое внедрение диагностических инструментов на месте, таких как RHEED.
  2. Совместимость с другими методами обработки тонких пленок в высоком вакууме, такими как напыление металлов и ионная имплантация. [3] [7]

Недостатки CBE [ править ]

  1. Требуется больше прокачки по сравнению с MOCVD.
  2. При выращивании GaInAs управление составом может быть затруднено. При высокой температуре мы лучше включаем Ga, но сталкиваемся с проблемой, связанной с десорбцией In.

Таким образом, для хорошего контроля состава следует найти компромисс между высокой и низкой температурой.

  1. Высокое содержание углерода для GaAlAs. [3] [7]

См. Также [ править ]

  • Эпитаксия
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия
  • MOVPE
  • Составной полупроводник
  • Химическое осаждение из паровой фазы
  • Металлоорганика
  • Тонкопленочное напыление
  • RHEED

Ссылки [ править ]

  1. ^ Цанг, WT (1984). «Химико-лучевая эпитаксия InP и GaAs». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 45 (11): 1234–1236. DOI : 10.1063 / 1.95075 . ISSN  0003-6951 .
  2. ^ а б в г е Цанг, WT (1987). «Химико-лучевая эпитаксия квантовых ям и гетероструктур Ga 0.47 In 0.53 As / InP». Журнал роста кристаллов . Elsevier BV. 81 (1–4): 261–269. DOI : 10.1016 / 0022-0248 (87) 90402-7 . ISSN 0022-0248 . 
  3. ^ а б в г е Цанг, WT (1989). «От химической паровой эпитаксии к химико-лучевой эпитаксии». Журнал роста кристаллов . Elsevier BV. 95 (1–4): 121–131. DOI : 10.1016 / 0022-0248 (89) 90364-3 . ISSN 0022-0248 . 
  4. ^ a b c Люс, Ганс (1994). «Химико-лучевая эпитаксия - дитя науки о поверхности». Наука о поверхности . 299–300: 867–877. DOI : 10.1016 / 0039-6028 (94) 90703-X . ISSN 0039-6028 . 
  5. ^ a b Бенхимол, Жан-Луи; Александр, Ф .; Ламаре, Бруно; Легай, Филипп (1996). «Преимущества химико-лучевой эпитаксии для микро- и оптоэлектроники». Прогресс в выращивании кристаллов и изучении материалов . Elsevier BV. 33 (4): 473–495. DOI : 10.1016 / s0960-8974 (96) 00091-5 . ISSN 0960-8974 . 
  6. ^ а б Г. Бенвенути, Осаждение большой площади в высоком вакууме с высокой однородностью толщины. WO_2003093529_A2 [1].
  7. ^ a b c М.А. Герман и Х. Ситтер. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Гейдельберг: Springer, 1996.