Zein dira MBE eta MOCVD teknologien arteko desberdintasunak?

Izpi molekularreko epitaxia (MBE) eta metal-organiko kimiko lurrun-deposizioa (MOCVD) erreaktoreek gela garbiko inguruneetan funtzionatzen dute eta metrologia-tresna multzo bera erabiltzen dute obleak karakterizatzeko. Iturburu solidoko MBE-k isurketa-zeluletan berotutako purutasun handiko aitzindariak erabiltzen ditu molekula-sorta sortzeko (hozteko erabiltzen den nitrogeno likidoarekin). Aitzitik, MOCVD lurrun-prozesu kimiko bat da, gas-iturri ultrapuruak erabiltzen ditu deposizioa ahalbidetzeko, eta gas toxikoak ematea eta murriztea eskatzen du. Bi teknikak epitaxia berdina sor dezakete material-sistema batzuetan, hala nola, arseniuroetan. Material, prozesu eta merkatu jakinetarako teknika bat bestearen aldean aukeratzea eztabaidatzen da.

Sortu Molekularra Epitaxia

MBE erreaktoreak normalean laginak transferitzeko ganbera bat (airera irekita, obleen substratuak kargatu eta deskargatu ahal izateko) eta hazkuntza-ganbera bat (normalean itxita, eta mantentze-lanetarako soilik airera irekita) ditu, non substratua hazkuntza epitaxialerako transferitzen den. . MBE erreaktoreek ultra-hutsean (UHV) baldintzetan funtzionatzen dute aire molekulen kutsadura saihesteko. Ganbera berotu daiteke kutsatzaile horien ebakuazioa azkartzeko, ganbera airera irekita egon bada.

Askotan, MBE erreaktore bateko epitaxiaren iturri-materialak erdieroale solidoak edo metalak dira. Hauek beren urtze-puntuetatik haratago berotzen dira (hau da, iturri-materialaren lurrunketa) isurketa-zeluletan. Hemen, atomoak edo molekulak MBE huts-ganberara sartzen dira irekidura txiki baten bidez, eta horrek oso norabide molekularra ematen du. Horrek berotutako substratuari eragiten dio; normalean silizioa, galio artsenuroa (GaAs) edo beste erdieroale batzuk bezalako kristal bakarreko materialez egina dago. Molekulak desorbitzen ez badira, substratuaren gainazalean hedatuko dira, hazkunde epitaxiala sustatuz. Ondoren, epitaxia geruzaz geruza eraikitzen da, geruza bakoitzaren konposizioa eta lodiera kontrolatuta nahi diren propietate optiko eta elektrikoak lortzeko.

Substratua erdialdetik muntatzen da, hazkuntza-ganberaren barruan, krioezkutuz inguratutako euskarri bero batean, isurketa-zelulen eta pertsianen sistemari begira. Euskarriak biratzen du deposizio uniformea ​​eta epitaxia lodiera emateko. Krioezkuak nitrogeno likidoz hoztutako plakak dira, eta aldez aurretik substratuaren gainazalean harrapatu gabeko kutsatzaileak eta atomoak harrapatzen dituzte ganberan. Kutsatzaileak tenperatura altuetan substratua desortziotik edo izpi molekularretik "gehiegizko betetzetik" izan daitezke.

Huts handiko MBE erreaktore-ganberak in situ monitorizazio-tresnak erabil daitezke deposizio-prozesua kontrolatzeko. Hausnarketa energia handiko elektroien difrakzioa (RHEED) hazkuntza-azalera kontrolatzeko erabiltzen da. Laser erreflektantzia, irudi termikoak eta analisi kimikoak (masa espektrometria, Auger espektrometria) lurrundutako materialaren konposizioa aztertzen dute. Beste sentsore batzuk tenperaturak, presioak eta hazkunde-tasak neurtzeko erabiltzen dira, prozesu-parametroak denbora errealean doitzeko.

Hazkunde-tasa eta doikuntza

Hazkunde epitaxiala, normalean, segundoko monogeruza baten herena (0,1 nm, 1Å) ingurukoa dena, fluxu-abiadurak (substratuaren gainazalera iristen den atomo kopuruak, iturriaren tenperaturak kontrolatuta) eta substratuaren tenperaturak eragiten du. (substratuen gainazaleko atomoen propietate difusioetan eta haien desortzioan eragiten duena, substratuaren beroak kontrolatuta). Parametro hauek MBE erreaktorearen barruan doitzen eta kontrolatzen dira, prozesu epitaxiala optimizatzeko.

Hazkunde-tasak eta material ezberdinen hornikuntza pertsiana sistema mekaniko baten bidez kontrolatuz, aleazio ternario eta kuaternarioak eta geruza anitzeko egiturak fidagarri eta behin eta berriz hazi daitezke. Jarri ondoren, substratua poliki-poliki hozten da estres termikoa saihesteko eta bere egitura eta propietate kristalinoak ezaugarritzeko probatzen da.

MBErako materialaren ezaugarriak

MBEn erabiltzen diren III-V materialen sistemen ezaugarriak hauek dira:

●  Silizioa: Siliziozko substratuetan hazteak tenperatura oso altuak behar ditu oxidoaren desortzioa ziurtatzeko (>1000 °C), beraz, berogailu espezializatuak eta obleen euskarriak behar dira. Saretik konstantearen eta hedapen koefizientearen desegokitzearen inguruko arazoek silizioan III-V hazkundea I+G gai aktibo bihurtzen dute.

●  Antimonioa: III-Sb erdieroaleetarako, substratuaren tenperatura baxuak erabili behar dira gainazaletik desortzioa ekiditeko. Tenperatura altuetan "ez-kongruentzia" ere gerta daiteke, non espezie atomiko bat lehentasunez lurrundu daitekeen material ez-estekiometrikoak uzteko.

●  Fosforoa: III-P aleazioetarako, ganbararen barrualdean fosforoa metatuko da, eta denbora asko behar duen garbiketa-prozesu bat behar du eta horrek ekoizpen-lan laburrak bideraezin bihur ditzake.

Lurrun metaketa kimiko metal-organikoa

MOCVD erreaktoreak tenperatura altuko eta urez hoztutako erreakzio-ganbera du. Substratuak RF, erresistentzia edo IR beroketaren bidez berotutako grafito suszeptore batean kokatzen dira. Gas erreaktiboak bertikalki injektatzen dira substratuen gaineko prozesu-ganberan. Geruzaren uniformetasuna tenperatura, gas-injekzioa, gas-fluxu osoa, suszeptoreen biraketa eta presioa optimizatuz lortzen da. Gas garraiatzaileak hidrogenoa edo nitrogenoa dira.

Geruza epitaxialak metatzeko, MOCVD-k oso purutasun handiko aitzindari metal-organikoak erabiltzen ditu, hala nola trimetilgalioa galiorako edo trimetilaluminiorako aluminiorako III taldeko elementuetarako eta hidruro-gasak (arsina eta fosfina) V taldeko elementuetarako. Metal-organikoak gas-fluxuko burbuilagailuetan daude. Prozesu-ganberan injektatzen den kontzentrazioa burbuilagailuaren bidez metal-organikoaren eta gas eramailearen tenperatura eta presioaren arabera zehazten da.

Erreaktiboak guztiz deskonposatzen dira substratuaren gainazalean hazkuntza-tenperaturan, atomo metalikoak eta azpiproduktu organikoak askatuz. Erreaktiboen kontzentrazioa doitzen da, III-V aleazio-egitura desberdinak ekoizteko, eta lurrun-nahasketa doitzeko exekuzio/hastaketa aldatzeko sistema batekin batera.

Substratua, normalean, galio artsenuroa, indio fosfuroa edo zafiroa bezalako material erdieroale bateko kristal bakarreko ostia da. Gas aitzindariak injektatzen diren erreakzio-ganberan suszeptorean kargatzen da. Lurrundutako metal-organiko eta beste gas asko berotutako hazkuntza-ganbera zeharkatzen dira aldatu gabe, baina kopuru txiki batek pirolisia jasaten du (cracking), substratu beroaren gainazalean xurgatzen diren azpiespezie materialak sortuz. Ondoren, gainazaleko erreakzio batek III-V elementuak geruza epitaxial batean sartzea eragiten du. Bestela, gainazaletik desortzioa gerta daiteke, erabili gabeko erreaktiboak eta erreakzio-produktuak ganberatik aterata. Gainera, aitzindari batzuek gainazalaren "hazkunde negatiboa" grabatzea eragin dezakete, esate baterako, GaAs/AlGaAs-en karbono-dopazioan, eta dedikatu iturri aktatzaileekin. Suszeptoreak bira egiten du epitaxiaren konposizio eta lodiera koherenteak bermatzeko.

MOCVD erreaktorean behar den hazkuntza-tenperatura aitzindarien pirolisiaren arabera zehazten da batez ere, eta gero gainazaleko mugikortasunari dagokionez optimizatzen da. Hazkunde-tasa burbuiletan dauden III taldeko metal-organiko iturrien lurrun-presioaren arabera zehazten da. Gainazaleko difusioa gainazaleko urrats atomikoek eragiten dute, sarri orientatutako substratuak erabiltzen direlarik arrazoi horregatik. Siliziozko substratuetan hazteak oso tenperatura altuko etapak behar ditu oxidoaren desortzioa (>1000 °C) bermatzeko, berogailu espezializatuak eta obleen substratu-euskarriak.

Erreaktorearen huts-presioak eta geometriak esan nahi du in-situ monitorizazio-teknikak MBErenak desberdinak direla, eta, oro har, MBEk aukera eta konfiguragarritasun gehiago ditu. MOCVDrako, emisibitatearen arabera zuzendutako pirometria in-situ erabiltzen da obleen gainazaleko tenperatura neurtzeko (termoparearen urruneko neurketarekin ez bezala); erreflektibitateak gainazaleko zimurtasuna eta hazkunde epitaxiala aztertzeko aukera ematen du; ostia arku laser isladaren bidez neurtzen da; eta hornitutako organometaliko kontzentrazio ultrasoinuen bidez neurtu daitezke, hazkuntza-prozesuaren zehaztasuna eta erreproduzigarritasuna areagotzeko.

Normalean, aluminioa duten aleazioak tenperatura altuagoetan hazten dira (>650 °C), fosforoa duten geruzak, berriz, tenperatura baxuagoetan (<650 °C), AlInPren salbuespen posibleekin. Telekomunikazioen aplikazioetarako erabiltzen diren AlInGaAs eta InGaAsP aleazioetarako, arsinaren pitzadura-tenperaturaren desberdintasunak prozesu-kontrola errazagoa egiten du fosfinarentzat baino. Hala ere, birhazkuntza epitaxialerako, non geruza aktiboak grabatuta daudenean, fosfina hobesten da. Antimonido materialen kasuan, nahi gabe (eta, oro har, nahi ez den) karbonoa AlSb-an sartzea gertatzen da, aitzindari-iturri egoki baten falta dela eta, aleazioen aukeraketa mugatuz eta, beraz, MOCVDk antimonidoaren hazkuntza hartzea.

Tentsio handiko geruzetarako, arseniuro eta fosfuro materialak ohikotasunez erabiltzeko gaitasuna dela eta, tentsio-oreka eta konpentsazioa posible da, esate baterako, GaAsP hesietarako eta InGaAs putzu kuantikoetarako (QWs).

Laburpena

MBEk, oro har, MOCVDk baino in situ monitorizazio aukera gehiago ditu. Hazkunde epitaxiala fluxu-abiaduraren eta substratuaren tenperaturaren arabera doitzen da, bereizita kontrolatzen direnak, in situ monitorizazioarekin lotutako hazkuntza-prozesuak askoz argiago, zuzenago eta ulertzea ahalbidetuz.

MOCVD oso polifazetikoa den teknika bat da, eta hainbat material metatzeko erabil daiteke, erdieroale konposatuak, nitruroak eta oxidoak barne, aitzindarien kimika aldatuz. Hazkuntza-prozesuaren kontrola zehatzak elektronika, fotonika eta optoelektronikako aplikazioetarako propietate egokituak dituzten gailu erdieroale konplexuak fabrikatzeko aukera ematen du. MOCVD ganbera garbitzeko denborak MBE baino azkarragoak dira.

MOCVD bikaina da distributed feedback (DFBs) laserrak, lurperatutako heteroegitura gailuak eta ipurdi-juntatutako uhin-gidak hazteko. Honek erdieroalearen in situ grabatzea izan dezake. MOCVD, beraz, aproposa da InP integrazio monolitikorako. GaAs-en integrazio monolitikoa hastapenetan dagoen arren, MOCVD-k eremu selektiboa haztea ahalbidetzen du, non maskaratutako eremu dielektrikoek igorpen/xurgapen uhin-luzerak espazioratzen laguntzen duten. Hori zaila da MBErekin egitea, non maskara dielektrikoaren gainean polikristal-gordailuak sor daitezkeen.

Oro har, MBE da Sb materialen aukeratutako hazkuntza-metodoa eta MOCVD da P materialen aukera. Hazkuntza-teknikek antzeko gaitasunak dituzte As-en oinarritutako materialen kasuan. MBE-bakarrik gabeko merkatu tradizionalak, hala nola elektronika, gaur egun berdin zerbitza daitezke MOCVD hazkundearekin. Hala ere, egitura aurreratuagoetarako, puntu kuantikoetarako eta jauzi kuantikoko laserrak adibidez, MBE-k oinarrizko epitaxirako hobetsi ohi da. Hazkunde epitaxiala behar bada, orduan MOCVD hobesten da orokorrean, grabatu eta maskaratzearen malgutasunagatik.