Молекулярно-лучевая эпитаксия

Простой эскиз, показывающий основные компоненты, примерную компоновку и концепцию основной камеры системы молекулярно-лучевой эпитаксии.

-лучевая эпитаксия ( МЛЭ ) — метод эпитаксии для осаждения тонких пленок монокристаллов Молекулярно . МЛЭ широко используется при производстве полупроводниковых приборов , в том числе транзисторов , и считается одним из фундаментальных инструментов развития нанотехнологий . ^[1] MBE используется для изготовления диодов и МОП-транзисторов ( полевых МОП-транзисторов ) на микроволновых частотах, а также для производства лазеров, используемых для чтения оптических дисков (таких как компакт-диски и DVD-диски ). ^[2]

История

Оригинальные идеи процесса MBE были впервые сформулированы К.Г. Гюнтером. ^[3] Нанесенные им пленки не были эпитаксиальными, а наносились на стеклянные подложки. С развитием вакуумной технологии процесс MBE был продемонстрирован Джоном Дэйви и Титусом Пэнки , которым удалось вырастить эпитаксиальные пленки GaAs на монокристаллических подложках GaAs, используя метод Гюнтера. Последующее крупное развитие пленок МЛЭ стало возможным благодаря исследованиям Дж. Р. Артура кинетического поведения механизмов роста и наблюдениям Альфреда Чо на месте процесса МЛЭ с использованием дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО) в конце 1960-х годов. ^[4]^[5]^[6]

Метод

Молекулярно-лучевая эпитаксия происходит в высоком или сверхвысоком вакууме (10 ⁻⁸–10 ⁻¹² Торр ). Наиболее важным аспектом MBE является скорость осаждения (обычно менее 3000 нм в час), которая позволяет пленкам расти эпитаксиально . Эти скорости осаждения требуют пропорционально лучшего вакуума для достижения того же уровня примесей , что и при других методах осаждения. Отсутствие газов-носителей, а также среда сверхвысокого вакуума обеспечивают максимально достижимую чистоту выращенных пленок.

При МЛЭ с твердым источником такие элементы, как галлий и мышьяк , в сверхчистой форме нагреваются в отдельных квази- кнудсеновских эффузионных ячейках или электронно-лучевых испарителях до тех пор, пока они не начнут медленно сублимироваться . Газообразные элементы затем конденсируются на пластине, где они могут вступить в реакцию друг с другом. монокристаллический арсенид галлия На примере галлия и мышьяка образуется . Когда используются источники испарения, такие как медь или золото, газообразные элементы, падающие на поверхность, могут адсорбироваться (после временного окна, в течение которого падающие атомы будут прыгать по поверхности) или отражаться. Атомы на поверхности также могут десорбироваться. Контроль температуры источника будет контролировать скорость попадания материала на поверхность подложки, а температура подложки будет влиять на скорость прыжка или десорбции. Термин «луч» означает, что испаренные атомы не взаимодействуют друг с другом или с газами вакуумной камеры, пока не достигнут пластины, из-за большой длины свободного пробега атомов.

Во время работы дифракция быстрых электронов на отражение для контроля роста кристаллических слоев часто используется (ДБЭО). Компьютер управляет жалюзи перед каждой печью , позволяя точно контролировать толщину каждого слоя, вплоть до одного слоя атомов. Таким образом можно создавать сложные конструкции из слоев различных материалов. Такой контроль позволил разработать структуры, в которых электроны могут удерживаться в пространстве, образуя квантовые ямы или даже квантовые точки . Такие слои сейчас являются важной частью многих современных полупроводниковых устройств, включая полупроводниковые лазеры и светодиоды .

В системах, где подложку необходимо охлаждать, среда сверхвысокого вакуума внутри ростовой камеры поддерживается системой крионасосов и криопанелей, охлаждаемых жидким азотом или холодным газообразным азотом до температуры, близкой к 77 кельвинам (-196 градусов Цельсия). ). Холодные поверхности действуют как поглотитель примесей в вакууме, поэтому для осаждения пленок в таких условиях уровень вакуума должен быть на несколько порядков выше. В других системах пластины, на которых выращиваются кристаллы, могут быть установлены на вращающуюся пластину, которая в процессе работы может нагреваться до нескольких сотен градусов Цельсия.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) также используется для осаждения некоторых типов органических полупроводников . В этом случае на пластину испаряются и осаждаются молекулы, а не атомы. Другие варианты включают MBE с газовым источником , который напоминает химическое осаждение из паровой фазы .

Системы MBE также могут быть модифицированы в соответствии с потребностями. Например, источники кислорода можно использовать для нанесения оксидных материалов для передовых электронных, магнитных и оптических приложений, а также для фундаментальных исследований. Здесь молекулярный луч окислителя используется для достижения желаемой степени окисления многокомпонентного оксида.

Квантовые наноструктуры

Одним из наиболее выдающихся достижений молекулярно-лучевой эпитаксии являются наноструктуры, которые позволили формировать атомарно плоские и резкие гетерограницы. Такие структуры сыграли беспрецедентную роль в расширении знаний в области физики и электроники. ^[8] Совсем недавно была создана нанопровода и встроенные в них квантовые структуры, которые позволяют обрабатывать информацию и возможную интеграцию с встроенными приложениями для квантовой связи и вычислений. ^[9] Эти гетероструктурные лазеры на нанопроволоках можно создать только с использованием передовых методов MBE, что позволяет осуществлять монолитную интеграцию на кремнии. ^[10] и обработка пикосекундного сигнала. ^[11]

Нестабильность Асаро – Тиллера – Гринфельда

Неустойчивость Асаро-Тиллера-Гринфельда (АТГ), также известная как неустойчивость Гринфельда, представляет собой упругую нестабильность, часто встречающуюся во время молекулярно-лучевой эпитаксии. При несоответствии размеров решеток растущей пленки и опорного кристалла в растущей пленке будет накапливаться упругая энергия. На некоторой критической высоте свободная энергия пленки может понизиться, если пленка разобьется на изолированные островки, где напряжение можно ослабить в поперечном направлении. Критическая высота зависит от модуля Юнга , размера несоответствия и поверхностного натяжения.

Были исследованы некоторые приложения этой нестабильности, такие как самосборка квантовых точек. Это сообщество использует название роста Странского-Крастанова для ATG.

См. также

Примечания

^ Маккрей, WP (2007). «MBE заслуживает места в учебниках истории». Природные нанотехнологии . 2 (5): 259–261. Бибкод : 2007НатНа...2..259М . дои : 10.1038/nnano.2007.121 . ПМИД 18654274 . S2CID 205442147 .
^ «Альфред Ю. Чо» . Национальный зал славы изобретателей . Проверено 17 августа 2019 г.
^ Гюнтер, КГ (1 декабря 1958 г.). «Защиты для напыления из полупроводниковых соединений III-V» . Журнал естественных исследований А. 13 (12): 1081–1089. Стартовый код : 1958ЗНатА..13.1081Г . дои : 10.1515/zna-1958-1210 . ISSN 1865-7109 . S2CID 97543040 .
^ Дэйви, Джон Э.; Пэнки, Титус (1968). «Эпитаксиальные пленки GaAs, нанесенные вакуумным испарением». Дж. Прил. Физ . 39 (4): 1941–1948. Бибкод : 1968JAP....39.1941D . дои : 10.1063/1.1656467 .
^ Чо, А.Ю.; Артур-младший (1975). «Молекулярно-лучевая эпитаксия». Прог. Химия твердого тела . 10 : 157–192. дои : 10.1016/0079-6786(75)90005-9 .
^ Гво-Чинг Ван; То-Минг Лу (2013). Режим передачи RHEED и полюсные фигуры . дои : 10.1007/978-1-4614-9287-0 . ISBN 978-1-4614-9286-3 .
^ Тронтл, В. Микшич; Плетикосич, И.; Милун, М.; Перван, П.; Лазич, П.; Шокчевич, Д.; Брако, Р. (16 декабря 2005 г.). «Экспериментальное и ab initio исследование структурных и электронных свойств пленок Ag субнанометровой толщины на Pd (111)». Физический обзор B . 72 (23): 235418. Бибкод : 2005PhRvB..72w5418T . дои : 10.1103/PhysRevB.72.235418 .
^ Сакаки, Х. (2002). «Перспективы передовых квантовых наноструктур и роль молекулярно-лучевой эпитаксии». Международная конференция по молекулярной бобовой эпитаксии . п. 5. дои : 10.1109/MBE.2002.1037732 . ISBN 978-0-7803-7581-9 . S2CID 29612904 .
^ Мата, Мария де ла; Чжоу, Сян; Фуртмайр, Флориан; Тойберт, Йорг; Градечак, Сильвия; Эйкхофф, Мартин; Фонкуберта и Моррал, Анна ; Арбиоль, Хорди (2013). «Обзор 0D, 1D и 2D квантовых структур в нанопроволоке, выращенных методом MBE» . Журнал химии материалов C. 1 (28): 4300. Бибкод : 2013JMCC....1.4300D . дои : 10.1039/C3TC30556B .
^ Майер, Б.; Янкер, Л.; Лойч, Б.; Треу, Дж.; Костенбадер, Т.; Лихтманнекер, С.; Райхерт, Т.; Моркоттер, С.; Канибер, М.; Абстрайтер, Г.; Гис, К.; Коблмюллер, Г.; Финли, Джей-Джей (2016). «Монолитно-интегрированные лазеры на основе нанопроволок с высоким β-излучением на кремнии». Нано-буквы . 16 (1): 152–156. Бибкод : 2016NanoL..16..152M . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b03404 . ПМИД 26618638 .
^ Майер, Б. и др. «Долговременная взаимная фазовая синхронизация пар пикосекундных импульсов, генерируемых полупроводниковым лазером на нанопроволоках» . Nature Communications 8 (2017): 15521.

Ссылки

Джагер, Ричард К. (2002). «Кинодепонирование». Введение в производство микроэлектроники (2-е изд.). Река Аппер-Седл: Прентис-Холл. ISBN 978-0-201-44494-0 .
Маккрей, WP (2007). «MBE заслуживает места в учебниках истории». Природные нанотехнологии . 2 (5): 259–261. Бибкод : 2007НатНа...2..259М . дои : 10.1038/nnano.2007.121 . ПМИД 18654274 . S2CID 205442147 .
Щукин Виталий А.; Дитер Бимберг (1999). «Спонтанное упорядочение наноструктур на поверхности кристаллов». Обзоры современной физики . 71 (4): 1125–1171. Бибкод : 1999РвМП...71.1125С . дои : 10.1103/RevModPhys.71.1125 .
Штангл, Дж.; В. Голый; Г. Бауэр (2004). «Структурные свойства самоорганизованных полупроводниковых наноструктур» (PDF) . Обзоры современной физики . 76 (3): 725–783. Бибкод : 2004РвМП...76..725С . дои : 10.1103/RevModPhys.76.725 .

Дальнейшее чтение

Фригери, П.; Серавалли, Л.; Тревизи, Г.; Франки, С. (2011). «3.12: Молекулярно-лучевая эпитаксия: обзор». В Паллабе Бхаттачарье; Роберто Форнари; Хироши Камимура (ред.). Комплексная полупроводниковая наука и технология . Том. 3. Амстердам: Эльзевир. стр. 480–522. дои : 10.1016/B978-0-44-453153-7.00099-7 . ISBN 978-0-444-53153-7 .

Внешние ссылки

[1] Маккрей, WP (2007). «MBE заслуживает места в учебниках истории». Природные нанотехнологии . 2 (5): 259–261. Бибкод : 2007НатНа...2..259М . дои : 10.1038/nnano.2007.121 . ПМИД 18654274 . S2CID 205442147 .

[2] «Альфред Ю. Чо» . Национальный зал славы изобретателей . Проверено 17 августа 2019 г.

[3] Гюнтер, КГ (1 декабря 1958 г.). «Защиты для напыления из полупроводниковых соединений III-V» . Журнал естественных исследований А. 13 (12): 1081–1089. Стартовый код : 1958ЗНатА..13.1081Г . дои : 10.1515/zna-1958-1210 . ISSN 1865-7109 . S2CID 97543040 .

[4] Дэйви, Джон Э.; Пэнки, Титус (1968). «Эпитаксиальные пленки GaAs, нанесенные вакуумным испарением». Дж. Прил. Физ . 39 (4): 1941–1948. Бибкод : 1968JAP....39.1941D . дои : 10.1063/1.1656467 .

[5] Чо, А.Ю.; Артур-младший (1975). «Молекулярно-лучевая эпитаксия». Прог. Химия твердого тела . 10 : 157–192. дои : 10.1016/0079-6786(75)90005-9 .

[6] Гво-Чинг Ван; То-Минг Лу (2013). Режим передачи RHEED и полюсные фигуры . дои : 10.1007/978-1-4614-9287-0 . ISBN 978-1-4614-9286-3 .

[7] Тронтл, В. Микшич; Плетикосич, И.; Милун, М.; Перван, П.; Лазич, П.; Шокчевич, Д.; Брако, Р. (16 декабря 2005 г.). «Экспериментальное и ab initio исследование структурных и электронных свойств пленок Ag субнанометровой толщины на Pd (111)». Физический обзор B . 72 (23): 235418. Бибкод : 2005PhRvB..72w5418T . дои : 10.1103/PhysRevB.72.235418 .

[8] Сакаки, Х. (2002). «Перспективы передовых квантовых наноструктур и роль молекулярно-лучевой эпитаксии». Международная конференция по молекулярной бобовой эпитаксии . п. 5. дои : 10.1109/MBE.2002.1037732 . ISBN 978-0-7803-7581-9 . S2CID 29612904 .

[9] Мата, Мария де ла; Чжоу, Сян; Фуртмайр, Флориан; Тойберт, Йорг; Градечак, Сильвия; Эйкхофф, Мартин; Фонкуберта и Моррал, Анна ; Арбиоль, Хорди (2013). «Обзор 0D, 1D и 2D квантовых структур в нанопроволоке, выращенных методом MBE» . Журнал химии материалов C. 1 (28): 4300. Бибкод : 2013JMCC....1.4300D . дои : 10.1039/C3TC30556B .

[10] Майер, Б.; Янкер, Л.; Лойч, Б.; Треу, Дж.; Костенбадер, Т.; Лихтманнекер, С.; Райхерт, Т.; Моркоттер, С.; Канибер, М.; Абстрайтер, Г.; Гис, К.; Коблмюллер, Г.; Финли, Джей-Джей (2016). «Монолитно-интегрированные лазеры на основе нанопроволок с высоким β-излучением на кремнии». Нано-буквы . 16 (1): 152–156. Бибкод : 2016NanoL..16..152M . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b03404 . ПМИД 26618638 .

[11] Майер, Б. и др. «Долговременная взаимная фазовая синхронизация пар пикосекундных импульсов, генерируемых полупроводниковым лазером на нанопроволоках» . Nature Communications 8 (2017): 15521.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]