Kakšne so razlike med tehnologijama 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, ki omogočajo usedanje, 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 z molekularnim žarkom

Reaktor MBE običajno obsega komoro za prenos vzorcev (odprto na zrak, da se omogoči nalaganje in praznjenje substratov rezin) in rastno komoro (običajno zaprta in odprta na zrak samo za vzdrževanje), kamor se substrat prenese za epitaksialno rast . Reaktorji MBE delujejo v pogojih ultra visokega vakuuma (UHV), da preprečijo kontaminacijo z molekulami zraka. Komora se lahko segreje, da se pospeši evakuacija teh kontaminantov, 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.

Substrat je nameščen centralno, znotraj rastne komore, na ogrevanem držalu, obdanem s krioščiti, obrnjen proti efuzijskim celicam in sistemu zaklopov. Držalo se vrti, da zagotovi enakomerno nanašanje in epitaksialno debelino. Krioščiti so s tekočim dušikom hlajene plošče, ki ujamejo onesnaževalce in atome v komori, ki prej niso bili ujeti na površini substrata. Onesnaževalci so lahko posledica desorpcije substrata pri visokih temperaturah ali "prekomernega polnjenja" z molekularnim žarkom.

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 stopenj rasti in dobave različnih materialov z mehanskim sistemom zapiral je mogoče zanesljivo in večkrat gojiti ternarne in kvartarne zlitine ter večplastne strukture. Po nanosu se substrat počasi ohladi, da se prepreči toplotna obremenitev, in testira, da se opredeli njegova kristalna struktura in lastnosti.

Lastnosti 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.

●  Antimon: Za polprevodnike III-Sb je treba uporabiti nizke temperature substrata, da se prepreči desorpcija s površine. Pojavi se lahko tudi „nekongruenca“ pri visokih temperaturah, kjer se lahko ena atomska vrsta prednostno izhlapi, da ostanejo nestehiometrični materiali.

●  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 nanos epitaksialnih plasti MOCVD uporablja kovinsko-organske prekurzorje zelo visoke čistosti, kot je trimetilgalij za galij ali trimetilaluminij za aluminij za elemente skupine III in hidridne pline (arzin in fosfin) za elemente skupine V. Organske kovine so v mehurčkih za pretok plina. Koncentracija, vbrizgana v procesno komoro, je določena s temperaturo in tlakom pretoka kovinsko-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.

Substrat je običajno enokristalna rezina iz polprevodniškega materiala, kot je galijev arzenid, indijev fosfid ali safir. Naloži se na susceptor v reakcijski komori, preko katere se vbrizgajo predhodni plini. Velik del uparjenih organskih kovin in drugih plinov potuje skozi ogrevano rastno komoro nespremenjenih, vendar je majhna količina podvržena pirolizi (razpokanju), pri čemer nastanejo podvrste materialov, ki se absorbirajo na površino vroče podlage. Površinska reakcija nato povzroči vgradnjo elementov III-V v epitaksialno plast. Druga možnost je, da pride do desorpcije s površine, pri čemer se neuporabljeni reagenti in produkti reakcije evakuirajo iz komore. Poleg tega lahko nekateri prekurzorji povzročijo "negativno rast" jedkanje površine, na primer pri dopiranju z ogljikom GaAs/AlGaAs in z namenskimi viri jedkanja. Suceptor se vrti, da zagotovi dosledno sestavo in debelino epitaksije.

Temperatura rasti, ki je potrebna v reaktorju MOCVD, je primarno določena 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, zaradi česar se pogosto uporabljajo napačno orientirani substrati. Rast na silicijevih substratih zahteva zelo visokotemperaturne stopnje za zagotovitev desorpcije oksida (>1000 °C), zahtevne specializirane grelnike in nosilce substrata za rezine.

Vakuumski tlak in geometrija reaktorja pomenita, da se tehnike spremljanja in situ razlikujejo od tehnik MBE, pri čemer ima MBE na splošno več možnosti in možnosti konfiguracije. Za MOCVD se pirometrija s korekcijo emisij uporablja za merjenje temperature površine rezin in situ (v nasprotju z daljinskim merjenjem s termočlenom); odbojnost omogoča analizo hrapavosti površine in epitaksialne stopnje rasti; lok rezin se meri z laserskim odbojem; in dobavljene organokovinske koncentracije je mogoče izmeriti z ultrazvočnim spremljanjem plina, da se poveča natančnost in ponovljivost 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 v telekomunikacijskih aplikacijah, je zaradi razlike v temperaturi razpokanja arzina nadzor postopka preprostejši kot pri fosfinu. Vendar je za epitaksialno ponovno rast, kjer so aktivne plasti jedkane, prednost fosfin. Pri antimonidnih materialih pride do nenamerne (in na splošno neželene) vključitve ogljika v AlSb zaradi pomanjkanja ustreznega vira predhodnika, kar omejuje izbiro zlitin in s tem privzem rasti antimonida pri 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 pretoka in temperaturo substrata, ki sta ločeno nadzorovani, s povezanim spremljanjem in situ, ki 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 ponovno rast laserjev s porazdeljeno povratno informacijo (DFB), zakopanih heterostrukturnih naprav in čelno spojenih valovodov. To lahko vključuje in situ jedkanje polprevodnika. MOCVD je zato idealen za monolitno integracijo InP. Čeprav je monolitna integracija v GaAs v povojih, MOCVD omogoča selektivno rast območij, kjer dielektrično maskirana območja pomagajo razporediti valovne dolžine emisije/absorpcije. To je težko narediti z MBE, kjer lahko na dielektrični maski nastanejo polikristalni nanosi.

Na splošno je MBE izbrana metoda rasti za Sb materiale, MOCVD pa je izbira za P materiale. Obe tehniki rasti imata podobne zmogljivosti za materiale na osnovi As. Tradicionalni trgi, ki uporabljajo samo MBE, kot je elektronika, lahko zdaj enako dobro služijo z rastjo MOCVD. Vendar pa je za naprednejše strukture, kot so laserji s kvantnimi pikami in kvantnimi kaskadami, MBE pogosto prednostna osnovna epitaksija. Če je potrebna epitaksialna ponovna rast, je na splošno prednost MOCVD zaradi njegove fleksibilnosti pri jedkanju in maskiranju.