Kakšne so razlike med tehnologijami MBE in MOCVD?

Oba reaktorja z molekularno žarkovno epitaksijo (MBE) in reaktorji za nanašanje kovinsko-organske kemične pare (MOCVD) delujeta v čistih prostorih in uporabljata isti nabor meroslovnih orodij za karakterizacijo rezin. MBE s trdnim virom uporablja elementarne prekurzorje visoke čistosti, segrete v efuzijskih celicah, da ustvari molekularni žarek, ki omogoča odlaganje (s tekočim dušikom, ki se uporablja za hlajenje). V nasprotju s tem je MOCVD postopek s kemično paro, ki uporablja ultra čiste plinaste vire za omogočanje usedanja ter zahteva predajo in zmanjšanje strupenih plinov. Obe tehniki lahko proizvedeta enako epitaksijo v nekaterih materialnih sistemih, kot so arzenidi. Razpravlja se o izbiri ene tehnike pred drugo za določene materiale, procese in trge.

Epitaksija molekularnega žarka

MBE reaktor običajno obsega komoro za prenos vzorca (odprt za zrak, ki omogoča nalaganje in raztovarjanje rezin) in rastno komoro (običajno zatesnjeno in odprt samo za zrak za vzdrževanje), kjer se substrat prenese za epitaksialno rast . MBE reaktorji delujejo v pogojih ultra visokega vakuuma (UHV), da preprečijo kontaminacijo zaradi molekul zraka. Komora se lahko segreje, da pospeši evakuacijo teh onesnaževalcev, če je bila komora odprta za zrak.

Pogosto so izvorni materiali za epitaksijo v MBE reaktorju trdni polprevodniki ali kovine. Ti se v efuzijskih celicah segrejejo preko svojih tališč (tj. izhlapevanje izvornega materiala). Tu se atomi ali molekule potisnejo v vakuumsko komoro MBE skozi majhno odprtino, ki daje visoko usmerjen molekularni žarek. To vpliva na segreto podlago; običajno iz monokristalnih materialov, kot so silicij, galijev arzenid (GaAs) ali drugi polprevodniki. Pod pogojem, da se molekule ne desorbirajo, bodo difundirale na površino substrata in spodbujale epitaksialno rast. Epitaksijo nato nanesemo plast za plastjo, pri čemer se sestava in debelina vsake plasti nadzorujeta, da se dosežejo želene optične in električne lastnosti.

Podlaga je nameščena centralno, znotraj rastne komore, na ogrevanem držalu, obkroženem s krioshields, ki se sooča z izlivi in ​​sistemom zaklopa. Držalo se vrti, da zagotovi enakomerno deponiranje in epitaksialno debelino. CryoShields so tekoče-dušikove hladilne plošče, ki v komori lovijo onesnaževalce in atome, ki niso zajeti na površini podlage. Kontaminanti so lahko iz desorpcije substrata pri visokih temperaturah ali s "prekomernim polnjenjem" iz molekularnega žarka.

Ultravisokovakuumska reaktorska komora MBE omogoča uporabo orodij za spremljanje in situ za nadzor postopka nanašanja. Za spremljanje rastne površine se uporablja odsevna visokoenergijska elektronska difrakcija (RHEED). Laserski odboj, termično slikanje in kemijska analiza (masna spektrometrija, Augerjeva spektrometrija) analizirajo sestavo uparjenega materiala. Drugi senzorji se uporabljajo za merjenje temperatur, tlakov in stopenj rasti, da se prilagodijo procesni parametri v realnem času.

Stopnja rasti in prilagoditev

Na hitrost epitaksialne rasti, ki je običajno približno tretjina enoplastne (0,1 nm, 1Å) na sekundo, vplivata hitrost pretoka (število atomov, ki pridejo na površino substrata, ki ga nadzira temperatura vira) in temperatura substrata (ki vpliva na difuzijske lastnosti atomov na površini substratov in njihovo desorpcijo, ki jo nadzira toplota substrata). Ti parametri se neodvisno prilagajajo in spremljajo v reaktorju MBE, da se optimizira epitaksialni proces.

Z nadzorovanjem hitrosti rasti in oskrbo različnih materialov z uporabo mehanskega sistema zaklopa je mogoče zanesljivo in večkratno gojiti triplastne zlitine ter večplastne strukture. Po odlaganju se substrat počasi ohladi, da se prepreči toplotni stres in testiramo, da označimo njegovo kristalno strukturo in lastnosti.

Značilnosti materiala za MBE

Značilnosti materialnih sistemov III-V, ki se uporabljajo v MBE, so:

●  Silicij: Rast na silicijevih substratih zahteva zelo visoke temperature za zagotovitev desorpcije oksida (>1000 °C), zato so potrebni posebni grelci in držala za rezine. Zaradi težav v zvezi z neusklajenostjo konstante rešetke in ekspanzijskega koeficienta je rast III-V na siliciju aktivna tema raziskav in razvoja.

● Antimona: Za polprevodnike III-SB je treba uporabiti nizke temperature substrata, da se prepreči desorpcija s površine. Pojavi se lahko tudi „ne-kongruenca“ pri visokih temperaturah, kjer se lahko ena atomska vrsta prednostno izhlapi, da zapustijo nestoihiometrične materiale.

● Fosfor: Pri zlitinah III-P se bo fosfor odlagal v notranjosti komore, kar bo zahtevalo dolgotrajen postopek čiščenja, zaradi česar bodo lahko kratke proizvodne serije neuspešne.

Kovinsko-organsko kemično naparjevanje

Reaktor MOCVD ima visokotemperaturno vodno hlajeno reakcijsko komoro. Substrati so nameščeni na grafitnem sprejemniku, ogrevanem bodisi z RF, uporovnim ali IR ogrevanjem. Reagentni plini se vbrizgajo navpično v procesno komoro nad substrati. Enotnost plasti se doseže z optimizacijo temperature, vbrizgavanja plina, celotnega pretoka plina, vrtenja suceptorja in tlaka. Nosilni plini so vodik ali dušik.

Za nalaganje epitaksialnih plasti MOCVD za elemente skupine III in hidridni plini (arzin in fosfin) za elemente skupine III uporablja zelo visoke kovinsko-organske prekurzorje, kot so trimetilgalij za galij ali trimetilaluminium za aluminij za elemente skupine III. Kovinsko-organi so vsebovani v mehurčkih pretoka plina. Koncentracija, vbrizgana v procesno komoro, je določena s temperaturo in tlakom kovinskega-organskega in nosilnega plina skozi mehurček.

Reagenti se popolnoma razgradijo na površini substrata pri temperaturi rasti, pri čemer se sprostijo kovinski atomi in organski stranski produkti. Koncentracija reagentov je prilagojena za proizvodnjo različnih struktur zlitin III-V, skupaj s sistemom preklopa tek/odzračevanje za prilagajanje mešanice hlapov.

Podlaga je običajno enokristalna rezina polprevodniškega materiala, kot so galijev arsenid, indijev fosfid ali safir. Naložena se na obstrežbe znotraj reakcijske komore, nad katerim se vbrizgajo predhodniki. Velik del vaporiziranih kovinskih organov in drugih plinov potuje skozi ogrevano rastno komoro, ki je nespremenjena, vendar majhna količina podvrže pirolizo (pokanje), kar ustvarja podvrste materiale, ki se absorbirajo na površino vročega substrata. Površinska reakcija nato povzroči vključitev elementov III-V v epitaksialno plast. Lahko pa pride do desorpcije s površine z neuporabljenimi reagenti in reakcijskimi produkti, evakuiranimi iz komore. Poleg tega lahko nekateri predhodniki povzročijo "negativno rast" jedkanja površine, na primer pri dopiranju ogljika GAAS/algaas in z namenskimi viri jedkanja. Občutek se vrti, da se zagotovi dosledna sestava in debeline epitaksije.

Temperatura rasti, potrebna v reaktorju MOCVD, je določena predvsem z zahtevano pirolizo prekurzorjev in nato optimizirana glede površinske mobilnosti. Hitrost rasti je določena s parnim tlakom kovinsko-organskih virov skupine III v mehurčkih. Na površinsko difuzijo vplivajo atomski koraki na površini, pri čemer se zaradi tega razloga pogosto uporabljajo napačno usmerjeni substrati. Rast na silicijevih podlagah zahteva zelo visoko temperaturne faze, da se zagotovi desorpcija oksida (> 1000 ° C), zahtevne specialistične grelnike in držala za rezine.

Vakuumski tlak reaktorja in geometrija pomeni, da se tehnike spremljanja in situ razlikujejo od tehnik MBE, pri čemer ima MBE na splošno več možnosti in konfiguracije. Za MOCVD se za merjenje temperature temperature rezin (v nasprotju z oddaljeno, merjenje termoelementov) uporablja pirometrijo, popravljeno z emisijami); Odsevnost omogoča analiziranje površinskega grobo in epitaksialno hitrost rasti; rezin lok se meri z laserskim odsevom; in dobavljene organometalne koncentracije je mogoče izmeriti z ultrazvočnim spremljanjem plina, da se poveča natančnost in obnovljivost procesa rasti.

Običajno se zlitine, ki vsebujejo aluminij, gojijo pri višjih temperaturah (> 650 ° C), medtem ko se plasti, ki vsebujejo fosfor, gojijo pri nižjih temperaturah (<650 ° C), z možnimi izjemami za ALINP. Za zlitine Alingaas in Ingaasp, ki se uporabljajo za telekomunikacijske aplikacije, razlike v temperaturi razpokanja arsina naredi nadzor procesa enostavnejše kot za fosfin. Vendar pa je za epitaksialno rast, kjer so jedkane aktivne plasti, prednostni fosfin. Pri antimonidnih materialih se pojavi nenamerna (in na splošno nezaželena) vgradnja ogljika v ALSB zaradi pomanjkanja ustreznega vira predhodnika, ki omejuje izbiro zlitin in tako zaradi uporabe protimonidne rasti z MOCVD.

Za zelo obremenjene plasti sta zaradi zmožnosti rutinske uporabe arzenidnih in fosfidnih materialov možna izravnava in kompenzacija deformacij, na primer za pregrade GaAsP in kvantne vrtine (QW) InGaAs.

Povzetek

MBE ima na splošno več možnosti spremljanja in situ kot MOCVD. Epitaksialna rast je prilagojena s hitrostjo toka in temperature substrata, ki sta ločeno nadzorovana, s tem povezanim spremljanjem in situ, kar omogoča veliko jasnejše, neposredno razumevanje procesov rasti.

MOCVD je zelo vsestranska tehnika, ki jo je mogoče uporabiti za odlaganje širokega nabora materialov, vključno s sestavljenimi polprevodniki, nitridi in oksidi, s spreminjanjem kemije predhodnika. Natančen nadzor procesa rasti omogoča izdelavo kompleksnih polprevodniških naprav s prilagojenimi lastnostmi za aplikacije v elektroniki, fotoniki in optoelektroniki. Čas čiščenja komore MOCVD je hitrejši od MBE.

MOCVD je odličen za rast porazdeljenih povratnih informacij (DFBS) laserjev, zakopanih heterostrukturnih naprav in valovodov, ki so bili z zadnjicami. To lahko vključuje jedkanje polprevodnika in situ. MOCVD je torej idealen za monolitno integracijo INP. Čeprav je monolitna integracija v GAAS v povojih, MOCVD omogoča selektivno rast območij, kjer dielektrična zamaskirana območja pomagajo prostoru valovnih dolžin emisije/absorpcije. To je težko storiti z MBE, kjer se lahko na dielektrični maski tvorijo polikristalna nahajališča.

Na splošno je MBE metoda rasti izbire za SB materiale, MOCVD pa je izbira za P materiale. Obe tehniki rasti imata podobne zmogljivosti za materiale, ki temeljijo na AS. Tradicionalne trge samo za MBE, kot je elektronika, je zdaj mogoče enako dobro služiti z rastjo MOCVD. Vendar pa je za naprednejše strukture, kot sta kvantna pika in kvantni kaskadni laserji, pogosto prednostna za osnovno epitaksijo. Če je potrebno epitaksialno rast, je na splošno prednostna MOCVD zaradi njegove fleksibilnosti jedkanja in prikrivanja.