Молекулярно-пучковая эпитаксия ( МПЭ ) или молекулярно-лучевая эпитаксия ( МЛЭ ) — эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума . Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования . В установках МПЭ имеется возможность исследовать качество плёнок «in situ» (то есть прямо в ростовой камере во время роста). Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарно-гладкой поверхностью.

Технология молекулярно-пучковой эпитаксии была создана в конце 1960-х годов Дж. Р. Артуром (J. R. Arthur) и Альфредом Чо (Alfred Y. Cho).

Технология

В основе метода лежит осаждение испарённого в молекулярном источнике вещества на кристаллическую подложку. Несмотря на достаточно простую идею, реализация данной технологии требует чрезвычайно сложных технических решений. Основные требования к установке эпитаксии следующие:

• В рабочей камере установки необходимо поддерживать (около 10 ⁻⁸ Па).
• Чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999 %.
• Необходим молекулярный источник, способный испарять тугоплавкие вещества (такие как металлы ) с возможностью регулировки плотности потока вещества.

Особенностью эпитаксии является невысокая скорость роста плёнки (обычно менее 1000 нм в час).

Устройство установки молекулярно-пучковой эпитаксии

Вакуумная камера

Камера создаётся из нержавеющего сплава высокой чистоты. Для обеспечения вакуума в камере, перед работой её прогревают до высоких температур. При этом происходит дегазация поверхности.

В современных установках могут использоваться несколько соединённых единой транспортной системой камер:

• Рабочая камера, в которой осуществляется рост структуры.
• Загрузочная камера, выполняющая роль шлюза между рабочей камерой и атмосферой.
• Исследовательская камера с приборами.

Насосы

Форвакуумный насос — производит начальное откачивание газа из установки (до давления около 0,5 Па).

— использует материалы с развитой поверхностью (например, порошок цеолита ), которые при сильном охлаждении (жидким азотом) вбирают в себя часть газа из .

— откачка этим насосом производится благодаря наличию в нём распыляемых титановых электродов . Распылённый титан переосаждается на рабочую поверхность насоса, образуя плёнку, которая «прикрывает» попавший на поверхность газ. Используется для достижения сверхвысокого вакуума.

Манипулятор

Манипулятор (подложкодержатель) используется для крепления подложки, её вращения и нагревания.

Встроенный в манипулятор нагреватель обеспечивает предварительный прогрев образца для очистки его от грязи и сгона защитного слоя окисла . Во время работы нагреватель поддерживает постоянную температуру подложки, при которой происходит миграция адсорбированных атомов ( адатомов ) осаждаемого вещества по поверхности ( диффузия ). Тем самым обеспечивается процесс самосборки , то есть формирования атомарно гладких монослоев. Скорость роста определяется потоком вещества на поверхность. При малых потоках получаются очень гладкие плёнки с четкими гетерограницами. Однако из-за длительности процесса повышается вероятность загрязнения поверхности, что приводит к появлению дефектов в итоговой структуре. При большем потоке, монокристаллическая плёнка не растёт, а получается поликристаллическая или аморфная.

Для устранения эффектов неоднородности структур из-за несимметричности молекулярных пучков манипуляторы обычно делаются вращающимися. Однако в этом случае все равно сохраняется радиальная несимметричность, которая, впрочем, может быть частично снижена за счёт нацеливания молекулярных источников не в центр подложки.

Молекулярные источники

Для испарения необходимых для роста веществ используются молекулярные источники. Они состоят из следующих элементов:

• Тигель из тугоплавкого материала (чистый нитрид бора или графит ). От формы тигля зависит форма и однородность молекулярного пучка. В современных источниках используются эффузионные ячейки Кнудсена.
• Нагреватель (намотанная вокруг тигля спираль). Температура нагрева достигает 1900 K.
• Термопара для измерения температуры тигля. От температуры зависит плотность потока вещества в пучке.
• Заслонка перед тиглем. С её помощью можно резко выключать пучок для формирования четких гетерограниц в образце.

Испарённое в тигле вещество в виде пучка попадает на подложку. Благодаря сверхвысокому вакууму молекулы вещества распространяются практически по прямой не испытывая соударения с молекулами газа (то есть длина свободного пробега молекул равна расстоянию от источника до подложки).

В случае использования тугоплавких материалов или веществ с высокой химической активностью используется автотигельный метод испарения. Электронный пучок попадает в вещество и расплавляет небольшой участок. Таким образом вещество само является тиглем. Современные устройства контроля электронного пучка позволяют изменять его направление, фокус, интенсивность и другие параметры с целью получить равномерный атомарный пучок или повысить эффективность расхода материала.

Количество и тип источников определяется используемыми для роста веществами. Например для создания структур GaAs/AlGaAs необходимо три источника: галлий , алюминий и мышьяк . Обычно в установках предусмотрено место для установки нескольких источников (обычно шести), что позволяет реже вскрывать установку для заправки источников веществом.

Криопанели

Для улучшения вакуума и вымораживания не попавших на подложку молекул испаряемого вещества вокруг манипулятора установлены криопанели — ёмкости, заполненные жидким азотом . Также они используются для разделения молекулярных источников друг от друга по температуре.

Системы контроля ростовых параметров

• Вакуумметры для измерения давления в камере (датчик Баярда-Альперта).
• Масс-спектрометр для контроля состава молекулярного пучка, состава атмосферы и давления в камере.
• Термопары для измерения температуры образца (не точно, так как термопара не касается подложки- для этого лучше использовать пирометр), тиглей источников.
• (in-situ метод). Под острым углом пучок электронов отражается от подложки и попадает на флюоресцирующий экран. По картинке на этом экране в реальном времени можно узнать какого качества получается в данный момент слой п/п. Один из самых главных способов определения качества растущей плёнки.

Автоматизация

Использование управляющих блоков и компьютеров со специальным программным обеспечением позволяет ускорить процессы эпитаксии, упростить установку в обслуживании.

Подложка

Подложка — диск из монокристаллического кремния , арсенида галлия или другой структуры диаметром 40, 60 или 102 мм .

Методы диагностики

Дифракция быстрых электронов на отражение

Дифракция быстрых электронов на отражение ( ДБЭ , RHEED , Reflection High Energy Electron Diffraction ) — метод, основанный на наблюдении картины дифракции отражённых от поверхности образца электронов .

Этот метод позволяет следить в реальном времени за следующими параметрами роста:

• чистота поверхности (по яркости отражённого сигнала);
• температура образца (по изменению картины дифракции при критических температурах из-за перестройки поверхности);
• ориентация подложки (по направлению полос в дифракционной картине);
• скорость роста (по осцилляции основного рефлекса в ходе роста).

Система состоит из:

• электронной пушки ;
• люминесцентного экрана;
• регистрирующей системы.

Оже спектроскопия

Эллипсометрия

Вторично-ионная масс-спектрометрия

Рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия

Использование

Метод наиболее часто используется для выращивания полупроводниковых гетероструктур из тройных растворов или четверных растворов основанных на элементах из третьей и пятой группы периодической системы элементов, хотя выращивают и A ^II B ^VI соединения, а также кремний , германий , металлы и т. д. В России единственным серийным производителем установок МЛЭ является компания ЗАО «НТО» ( ).

HEMT

Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) — полупроводниковый прибор, одна из разновидностей полевого транзистора . Основные материалы для изготовления HEMT — GaAs и AlGaAs .

Структуры с пониженной размерностью

МПЭ позволяет получать следующие структуры с пониженной размерностью:

• 0-мерные: квантовые точки ;
• 1-мерные: (также называемые «квантовыми проволоками»);
• 2-мерные: квантовые ямы , сверхрешётки , плоские волноводы .

Псевдоморфные плёнки

Качество выращенных плёнок зависит от согласования постоянных решёток материала и подложки. Причём чем больше рассогласование, тем меньшей толщины можно вырастить бездефектную плёнку. Растущая плёнка старается подстроиться под кристаллическую структуру подложки. Если постоянная решётки растущего материала отличается от постоянной решётки подложки в плёнке возникают напряжения, увеличивающиеся с ростом толщины плёнки. Это может приводить к возникновекнию множества дислокаций на интерфейсе подложка-плёнка, ухудшающих электрофизические свойства материала. Обычно этого избегают. Например, идеальная пара соединений GaAs и тройной раствор AlGaAs очень часто используется для производства структур с двумерным электронным газом . Для получения квантовых точек (InAs) используется явление самоорганизации, когда выращивают пару монослоёв InAs-плёнки на GaAs-подлоджке, а так как рассогласования объёмных постоянных решёток достигает 7 % данная плёнка рвётся и InAs собирается в островки, которые и называются из-за своих размеров квантовыми точками.

Другие наноструктуры

К примеру используя селективный рост, можно вырастить нанопроволку на краю подложки с заранее выращенной гетероструктурой .

Лазеры

Можно вырастить структуру для лазера на двойной гетероструктуре. Зеркала в таких структурах представляют собой периодическую гетероструктуру с переменным коэффициентом преломления (диэлектрические зеркала), выращиваются с точностью по толщине.

Преимущества и недостатки метода

Основное преимущество метода — возможность создания уникальных наноструктур с очень высокой чистотой, однородностью и малым количеством дефектов . К недостаткам метода можно отнести высокую цену оборудования и исходных материалов, малую скорость роста, сложность поддержания высокого вакуума.

О названии

Следует заметить, что термин «молекулярно-лучевая эпитаксия» является неточным переводом английского эквивалента molecular beam epitaxy . В русскоязычной научной литературе часто встречается и другое название «молекулярно-пучковая эпитаксия».

См. также

• Эпитаксия
• Газофазная эпитаксия
• Осаждение металлорганических соединений из газообразной фазы
• Твердофазная эпитаксия
• Жидкофазная эпитаксия
• Дифракция быстрых электронов на отражение

Ссылки

Литература

Б. А. Джойс, Р. Хекингботтом, У. Менх, и др. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. — Под ред. Л. Ченга, К. Плога. Пер. с англ. под ред. Ж. И. Алферова, Ю. В. Шмарцева. — Москва: Мир, 1989. — 582 с. — ISBN 5-03-000737-7 .