Milyen különbségek vannak az MBE és a MOCVD technológiák között?

Mind a molekuláris nyaláb epitaxiás (MBE), mind a fém-szerves kémiai gőzleválasztásos (MOCVD) reaktorok tisztatéri környezetben működnek, és ugyanazt a metrológiai eszközkészletet használják az ostya jellemzésére. A szilárd forrásból származó MBE nagy tisztaságú, effúziós cellákban hevített elemi prekurzorokat használ, hogy molekuláris sugarat hozzon létre, amely lehetővé teszi a lerakódást (a hűtéshez használt folyékony nitrogénnel). Ezzel szemben a MOCVD egy kémiai gőzeljárás, amely ultratiszta, gáznemű forrásokat használ a lerakódáshoz, és mérgező gázok átadását és csökkentését igényli. Mindkét technika azonos epitaxiát eredményezhet bizonyos anyagrendszerekben, például az arzenidekben. Megvitatják az egyik technikát a másikkal szemben bizonyos anyagok, eljárások és piacok esetében.

Molekuláris nyaláb epitaxia

Az MBE reaktor általában egy mintaátviteli kamrát tartalmaz (a levegőre nyitva, hogy lehetővé tegye az ostya szubsztrátok betöltését és kirakodását), valamint a növekedési kamrát (általában lezárva, és csak a levegőre nyitva tartás), ahol a szubsztrátot az epitaxiális növekedéshez továbbítják. - Az MBE reaktorok rendkívül magas vákuum (UHV) körülmények között működnek, hogy megakadályozzák a légmolekulák szennyeződését. A kamrát fel lehet melegíteni, hogy felgyorsítsák ezen szennyező anyagok evakuálását, ha a kamra nyitva volt a levegőben.

Az MBE reaktorokban az epitaxia forrásanyaga gyakran szilárd félvezetők vagy fémek. Ezeket az effúziós cellákban olvadáspontjukon túl melegítik (azaz a forrásanyag elpárolgása). Itt az atomokat vagy molekulákat egy kis nyíláson keresztül az MBE vákuumkamrába vezetik, ami erősen irányított molekulanyalábot ad. Ez a fűtött aljzatba ütközik; általában egykristályos anyagokból, például szilíciumból, gallium-arzenidből (GaAs) vagy más félvezetőkből készülnek. Feltéve, hogy a molekulák nem deszorbeálódnak, diffundálnak a szubsztrát felületén, elősegítve az epitaxiális növekedést. Ezután az epitaxia rétegről rétegre épül fel, minden réteg összetételét és vastagságát szabályozva a kívánt optikai és elektromos tulajdonságok elérése érdekében.

A szubsztrát középen, a növekedési kamrán belül van felszerelve egy fűtött tartóra, amelyet kriopajzsok vesznek körül, és az effúziós cellák és a redőnyrendszer felé néznek. A tartó forog, hogy egyenletes lerakódást és epitaxiális vastagságot biztosítson. A kriopajzsok folyékony nitrogénnel hűtött lemezek, amelyek a kamrában felfogják azokat a szennyeződéseket és atomokat, amelyek korábban nem kerültek fel a hordozó felületére. A szennyeződések származhatnak a szubsztrát magas hőmérsékleten történő deszorpciójából vagy a molekulanyaláb „túltöltéséből”.

Az ultra-magas vacuum MBE reaktorkamra lehetővé teszi az in situ megfigyelő eszközök használatát a lerakódási folyamat szabályozására. A reflexió nagy energiájú elektron diffrakcióját (RHEED) használják a növekedési felület megfigyelésére. A lézeres reflexió, a termikus képalkotás és a kémiai elemzés (tömegspektrometria, auger spektrometria) elemzi az elpárologtatott anyag összetételét. Más érzékelőket használnak a hőmérséklet, a nyomás és a növekedési sebesség mérésére a folyamat paramétereinek valós időben történő beállításához.

Növekedési ütem és alkalmazkodás

Az epitaxiális növekedési sebességet, amely jellemzően az egyrétegű réteg egyharmada (0,1 nm, 1Å) másodpercenként, befolyásolja a fluxus sebessége (a szubsztrátum felületére érkező atomok száma, amelyet a forrás hőmérséklete szabályoz) és a hordozó hőmérséklete (ami befolyásolja a szubsztrátum felületén lévő atomok diffúziós tulajdonságait és deszorpcióját, amit a szubsztrátum hője szabályoz). Ezeket a paramétereket az MBE reaktoron belül egymástól függetlenül állítják be és figyelik az epitaxiális folyamat optimalizálása érdekében.

A növekedési ütemek és a különböző anyagok utánpótlásának mechanikus redőnyrendszerrel történő szabályozásával a három- és kvaterner ötvözetek, valamint a többrétegű szerkezetek megbízhatóan és ismételten nevelhetők. A leválasztás után a szubsztrátumot lassan lehűtik a termikus igénybevétel elkerülése érdekében, és tesztelik kristályszerkezetének és tulajdonságainak jellemzésére.

MBE anyagjellemzői

Az MBE-ben használt III-V anyagrendszerek jellemzői:

●  Szilícium: A szilícium -szubsztrátok növekedése nagyon magas hőmérsékletet igényel az oxid -deszorpció biztosítása érdekében (> 1000 ° C), tehát speciális fűtőberendezésekre és ostyaktartókra van szükség. A rácsos állandó és a tágulási együtthatók közötti eltérés körüli kérdések miatt a III-V növekedést a szilikonon aktív K + F témává teszik.

● Antimon: A III-SB félvezetőknél alacsony szubsztrát hőmérsékletet kell használni a felületről való deszorpció elkerülése érdekében. A magas hőmérsékleten „nem kongruencia” is előfordulhat, ahol egy atomfajt előnyösen elpárologhat, hogy nem sztöchiometrikus anyagokat hagyjon.

●  Foszfor.

Fém-szerves kémiai gőzlerakódás

A MOCVD reaktor magas hőmérsékletű, vízhűtéses reakciókamrával rendelkezik. A szubsztrátokat egy grafit -érzékenyen helyezik el, amelyet RF, ellenálló vagy IR fűtés melegít. A reagensgázokat függőlegesen injektálják a szubsztrátok feletti folyamatkamrába. A réteg egységességét a hőmérséklet, a gáz befecskendezésének, a teljes gázáramlásnak, az érzelmi forgásnak és a nyomásnak a optimalizálásával érik el. A hordozógázok hidrogén vagy nitrogén.

Az epitaxiális rétegek letétbe helyezéséhez a MOCVD nagyon nagy tisztaságú fém-szerves prekurzorokat, például trimetil-galliumot használ a galliumhoz vagy trimetil-alumíniumhoz az III. Csoport elemekhez és a hidridgázokhoz (arsin és foszfin) a csoport-V elemeknél. A fémszervezetek a gázáramlókban vannak. A folyamatkamrába befecskendezett koncentrációt a fém-szerves és a hordozógáz áramlásának hőmérséklete és nyomása határozza meg a buborékon keresztül.

A reagensek teljes mértékben bomlanak a szubsztrát felületén a növekedési hőmérsékleten, felszabadítva a fématomokat és a szerves melléktermékeket. A reagensek koncentrációját úgy állítják be, hogy különböző, III-V ötvözött szerkezeteket hozzon létre, valamint a gőzkeverék beállításához futó/szellőzőváltó rendszert.

A szubsztrát általában egy félvezető anyag, például gallium-arzenid, indium-foszfid vagy zafír ostya. A reakciókamrán belüli érzékenyre töltik, amelyen a prekurzor gázokat injektálják. A párologtatott fémszervezetek és egyéb gázok nagy része megváltoztathatatlanul a fűtött növekedési kamrán keresztül halad, de egy kis mennyiség pirolízisen (repedés) megy keresztül, és alfaj-anyagokat hoz létre, amelyek felszívódnak a forró szubsztrát felületére. A felületi reakció ezután a III-V elemek beépítését eredményezi egy epitaxiális rétegbe. Alternatív megoldásként előfordulhat a felületről való deszorpció, a kamrából kiürítve fel nem használt reagensekkel és reakciótermékekkel. Ezenkívül egyes prekurzorok indukálhatják a felület „negatív növekedését” maratását, például a GAAS/algaák szén -dioxid -doppingját és dedikált marató forrásokkal. A Susceptor forog, hogy biztosítsa az epitaxia következetes összetételét és vastagságát.

A MOCVD reaktorban szükséges növekedési hőmérsékletet elsősorban a prekurzorok szükséges pirolízise határozza meg, majd a felületi mobilitás szempontjából optimalizálja. A növekedési sebességet a Bubblers-i fém-szerves források III. Csoportjának gőznyomása határozza meg. A felületi diffúziót a felületen lévő atomi lépések befolyásolják, a téves orientált szubsztrátokat gyakran használják. A szilícium-szubsztrátok növekedésének nagyon magas hőmérsékleti stádiumát igényel az oxid-deszorpció (> 1000 ° C) biztosítása érdekében, a speciális fűtőberendezéseket és az ostya szubsztráttartót.

A reaktor vákuumnyomás és geometria azt jelenti, hogy az in situ megfigyelési technikák az MBE-től eltérőek, az MBE általában több opcióval és konfigurálhatósággal rendelkezik. A MOCVD-hez az emissziókorral korrigált pirometriát alkalmazzák az in situ, az ostya felületének hőmérsékletének mérésére (szemben a távoli, hőelemméréssel); A reflexiós képesség lehetővé teszi a felületi durvaságot és az epitaxiális növekedési sebesség elemzését; Az ostya íjat lézer visszaverődéssel mérik; és a szállított szervometall -koncentrációk ultrahangos gázfigyeléssel mérhetők, hogy növeljék a növekedési folyamat pontosságát és reprodukálhatóságát.

Általában az alumíniumtartalmú ötvözetek magasabb hőmérsékleten (> 650 ° C) termesztik, míg a foszfortartalmú rétegeket alacsonyabb hőmérsékleten (<650 ° C) termesztik, az Alinp esetleges kivételeivel. A telekommunikációs alkalmazásokhoz használt alingaák és ingasp ötvözetek esetében az arsin repedési hőmérsékletének különbsége egyszerűbbé teszi a folyamatvezérlést, mint a foszfin esetében. Az epitaxiális újbóli növekedés esetén azonban, ahol az aktív rétegeket maratják, a foszfint részesítik előnyben. Az antimonid anyagok esetében a nem szándékos (és általában nem kívánt) szén -beépítés az ALSB -be történik, mivel a megfelelő prekurzor forrás hiánya nem korlátozza az ötvözetek választását, és így az antimonid növekedésének az MOCVD általi felvétele.

Az erősen feszített rétegek esetében az arzenid és foszfid anyagok rutinszerű felhasználásának képessége miatt a törzs kiegyensúlyozása és kompenzáció lehetséges, például a GAASP akadályok és az Ingaas kvantumkútok (QW) esetében.

Összefoglalás

Az MBE általában több in situ megfigyelési lehetőséget kínál, mint a MOCVD. Az epitaxiális növekedést a fluxus sebessége és a szubsztrát hőmérséklete szabályozza, amelyeket külön szabályoznak, és a kapcsolódó in situ monitorozás lehetővé teszi a növekedési folyamatok sokkal tisztább, közvetlenebb megértését.

A MOCVD egy nagyon sokoldalú technika, amely felhasználható az anyagok széles skálájának, beleértve az összetett félvezetők, nitridek és oxidok letétbe helyezését, a prekurzor kémia megváltoztatásával. A növekedési folyamat pontos ellenőrzése lehetővé teszi a komplex félvezető eszközök gyártását, amelyek testreszabott tulajdonságokkal rendelkeznek az elektronika, a fotonika és az optoelektronika alkalmazásához. A MOCVD kamra tisztítási ideje gyorsabb, mint az MBE.

A MOCVD kiválóan alkalmas az elosztott visszacsatolás (DFBS) lézerek, az eltemetett heterostruktúra-eszközök és a tompa-csípős hullámvezetők újbóli megújulásához. Ez magában foglalhatja a félvezető in situ maratását. Ezért a MOCVD ideális a monolit INP integrációhoz. Noha a GAAS monolit integrációja még gyerekcipőben jár, a MOCVD lehetővé teszi a szelektív terület növekedését, ahol a dielektromos maszkolt területek elősegítik az emissziós/abszorpciós hullámhosszokat. Ezt nehéz megtenni az MBE -vel, ahol a dielektromos maszkon polikristályos lerakódások alakulhatnak ki.

Általánosságban elmondható, hogy az MBE az SB anyagok választott növekedési módszere, és a MOCVD a P Anyagok választása. Mindkét növekedési technika hasonló képességekkel rendelkezik az AS-alapú anyagokhoz. A hagyományos, csak az MBE-piacok, például az elektronika, most már jól szolgálhatók a moCVD növekedésével. Azonban fejlettebb struktúrákhoz, mint például a kvantumpont és a kvantumkaszkád lézerek, az MBE gyakran előnyös az alap -epitaxia esetében. Ha epitaxiális újbóli megújulásra van szükség, akkor a moCVD -t általában előnyben részesítik, annak maratása és maszkolásának rugalmassága miatt.