Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ MBE και MOCVD Technologies;

Τόσο η επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) όσο και οι αντιδραστήρες μεταλλικού οργανικού χημικού ατμού (MOCVD) λειτουργούν σε περιβάλλοντα καθαρού και χρησιμοποιούν το ίδιο σύνολο εργαλείων μετρολογίας για χαρακτηρισμό δίσκων. Το MBE στερεάς πηγής χρησιμοποιεί προδρόμους υψηλής φόρτωσης, στοιχειώδεις πρόδρομους θερμαινόμενους σε κύτταρα συλλογής για να δημιουργήσει μια μοριακή δέσμη για να επιτρέψει την εναπόθεση (με υγρό άζωτο που χρησιμοποιείται για ψύξη). Αντίθετα, το MOCVD είναι μια χημική διαδικασία ατμών, χρησιμοποιώντας εξαιρετικά έντονα, αέρια πηγές για να επιτρέψει την εναπόθεση, και απαιτεί τοξική διάδοση αερίου και μείωση. Και οι δύο τεχνικές μπορούν να παράγουν πανομοιότυπη επιταξία σε ορισμένα υλικά συστήματα, όπως το αρσενίδιο. Αναφέρεται η επιλογή μιας τεχνικής έναντι της άλλης για συγκεκριμένα υλικά, διαδικασίες και αγορές.

Επιταξία μοριακής δέσμης

Ένας αντιδραστήρας MBE συνήθως περιλαμβάνει ένα θάλαμο μεταφοράς δείγματος (ανοικτό στον αέρα, για να επιτρέπεται η φόρτωση και η εκφόρτωση των υποστρωμάτων του πλακιδίου) και ένας θάλαμος ανάπτυξης (κανονικά σφραγισμένο και μόνο ανοιχτό στον αέρα για συντήρηση) όπου το υπόστρωμα μεταφέρεται για επιταξιακή ανάπτυξη . Οι αντιδραστήρες MBE λειτουργούν σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού (UHV) για να αποφευχθεί η μόλυνση από μόρια αέρα. Ο θάλαμος μπορεί να θερμαίνεται για να επιταχύνει την εκκένωση αυτών των μολυσματικών ουσιών εάν ο θάλαμος ήταν ανοικτός στον αέρα.

Συχνά, τα αρχικά υλικά της επιταξίας σε έναν αντιδραστήρα MBE είναι σταθεροί ημιαγωγοί ή μέταλλα. Αυτά θερμαίνονται πέρα ​​από τα σημεία τήξης (δηλαδή την εξάτμιση του υλικού προέλευσης) σε κύτταρα συλλογής. Εδώ, τα άτομα ή τα μόρια οδηγούνται στον θάλαμο κενού MBE μέσω ενός μικρού ανοίγματος, το οποίο δίνει μια πολύ κατευθυντική μοριακή δέσμη. Αυτό προσελκύει το θερμαινόμενο υπόστρωμα. Συνήθως κατασκευασμένα από υλικά μονής κρυστάλλων όπως πυρίτιο, αρσενίδιο γαλλίου (GAAS) ή άλλους ημιαγωγούς. Παρέχοντας ότι τα μόρια δεν αποσυνδέονται, θα διαχέονται στην επιφάνεια του υποστρώματος, προωθώντας την επιταξιακή ανάπτυξη. Στη συνέχεια, η επιταξία είναι κατασκευασμένη από το στρώμα, με τη σύνθεση και το πάχος κάθε στρώματος να ελέγχονται για να επιτύχουν τις επιθυμητές οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες.

Το υπόστρωμα είναι τοποθετημένο κεντρικά, εντός του θαλάμου ανάπτυξης, σε θερμαινόμενο στήριγμα που περιβάλλεται από κρυοασπίδες, στραμμένο προς τα κελιά διαχύσεως και το σύστημα διαφράγματος. Η βάση περιστρέφεται για να παρέχει ομοιόμορφη εναπόθεση και επιταξιακό πάχος. Οι κρυοπροστασίες είναι πλάκες ψυχόμενες με υγρό άζωτο που παγιδεύουν ρύπους και άτομα στον θάλαμο που δεν είχαν δεσμευτεί προηγουμένως στην επιφάνεια του υποστρώματος. Οι ρύποι μπορεί να προέρχονται από εκρόφηση του υποστρώματος σε υψηλές θερμοκρασίες ή από «υπερπλήρωση» από τη μοριακή δέσμη.

Ο θάλαμος αντιδραστήρα Ultra-High-Vacuum MBE επιτρέπει τη χρήση εργαλείων παρακολούθησης επιτόπιας παρακολούθησης για τον έλεγχο της διαδικασίας εναπόθεσης. Η περιθλάλωση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας αντανάκλασης (RHEED) χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της επιφάνειας ανάπτυξης. Η ανάκλαση λέιζερ, η θερμική απεικόνιση και η χημική ανάλυση (φασματομετρία μάζας, φασματομετρία Auger) αναλύουν τη σύνθεση του εξατμισμένου υλικού. Άλλοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των θερμοκρασιών, των πιέσεων και των ρυθμών ανάπτυξης προκειμένου να ρυθμίσετε τις παραμέτρους της διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο.

Ρυθμός ανάπτυξης και προσαρμογή

Ο επιταξιακός ρυθμός ανάπτυξης, ο οποίος είναι συνήθως περίπου το ένα τρίτο μιας μονοστιβάδας (0,1 nm, 1 Α) ανά δευτερόλεπτο, επηρεάζεται από τον ρυθμό ροής (ο αριθμός των ατόμων που φτάνουν στην επιφάνεια του υποστρώματος, ελέγχεται από τη θερμοκρασία της πηγής) και τη θερμοκρασία του υποστρώματος (που επηρεάζει τις ιδιότητες διάχυσης των ατόμων στην επιφάνεια του υποστρώματος και την εκρόφησή τους, ελεγχόμενη από τη θερμότητα του υποστρώματος). Αυτές οι παράμετροι ρυθμίζονται ανεξάρτητα και παρακολουθούνται εντός του αντιδραστήρα MBE, για να βελτιστοποιηθεί η επιταξιακή διαδικασία.

Με τον έλεγχο των ρυθμών ανάπτυξης και της παροχής διαφορετικών υλικών χρησιμοποιώντας ένα μηχανικό σύστημα κλείστρου, τα τριμερή και τεταρτοταγή κράματα και οι πολυστρωματικές κατασκευές μπορούν να αναπτυχθούν αξιόπιστα και επανειλημμένα. Μετά την εναπόθεση, το υπόστρωμα ψύχεται αργά για να αποφευχθεί η θερμική καταπόνηση και δοκιμάζεται για να χαρακτηριστεί η κρυσταλλική δομή και οι ιδιότητές του.

Χαρακτηριστικά υλικού για MBE

Τα χαρακτηριστικά των συστημάτων υλικών III-V που χρησιμοποιούνται στο MBE είναι:

●  Πυρίτιο: Η ανάπτυξη σε υποστρώματα πυριτίου απαιτεί πολύ υψηλές θερμοκρασίες για να εξασφαλιστεί η εκρόφηση οξειδίου (> 1000 ° C), έτσι απαιτούνται εξειδικευμένοι θερμαντήρες και κάτοχοι πλακιδίων. Τα ζητήματα γύρω από την αναντιστοιχία στη σταθερά πλέγματος και ο συντελεστής επέκτασης κάνουν την ανάπτυξη III-V σε πυρίτιο ένα ενεργό θέμα Ε & Α.

●  Αντιμόνιο: Για τους ημιαγωγούς III-SB, πρέπει να χρησιμοποιούνται χαμηλές θερμοκρασίες υποστρώματος για να αποφευχθεί η εκρόφηση από την επιφάνεια. Μπορεί επίσης να εμφανιστεί «μη συνωμοσία» σε υψηλές θερμοκρασίες, όπου ένα ατομικό είδος μπορεί να εξατμιστεί κατά προτίμηση για να αφήσει μη ηχομετρικά υλικά.

●  Φώσφορος: Για τα κράματα III-P, ο φωσφόρος θα κατατεθεί στο εσωτερικό του θαλάμου, απαιτώντας μια χρονοβόρα διαδικασία καθαρισμού, η οποία μπορεί να κάνει τη σύντομη παραγωγή να διαρκεί.

Εναπόθεση ατμών μετάλλου-οργανικού χημικού

Ο αντιδραστήρας MOCVD διαθέτει θάλαμο αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας, υδρόψυκτο. Τα υποστρώματα τοποθετούνται σε έναν υποδοχέα γραφίτη που θερμαίνεται είτε με θέρμανση ραδιοσυχνοτήτων είτε με αντίσταση είτε με θέρμανση υπερύθρων. Τα αέρια αντιδραστηρίων εγχέονται κατακόρυφα στον θάλαμο διεργασίας πάνω από τα υποστρώματα. Η ομοιομορφία του στρώματος επιτυγχάνεται με τη βελτιστοποίηση της θερμοκρασίας, της έγχυσης αερίου, της συνολικής ροής αερίου, της περιστροφής του υποδοχέα και της πίεσης. Τα αέρια μεταφοράς είναι είτε υδρογόνο είτε άζωτο.

Για την εναπόθεση επιταξιακών στρωμάτων, το MOCVD χρησιμοποιεί πολύ υψηλής καθαρότητας πρόδρομες ουσίες μετάλλου-οργανισμού, όπως τριμεθυλογάλλιο για το γάλλιο ή τριμεθυλαλουμίνιο για αλουμίνιο για τα στοιχεία της ομάδας III και αέρια υδριδίου (αρσίνη και φωσφίνη) για τα στοιχεία της ομάδας V. Τα μεταλλικά-οργανικά περιέχονται σε φυσαλίδες ροής αερίου. Η συγκέντρωση που εγχέεται στον θάλαμο διεργασίας προσδιορίζεται από τη θερμοκρασία και την πίεση της ροής μετάλλου-οργανικού και φέροντος αερίου μέσω του φυσαλιδωτή.

Τα αντιδραστήρια αποσυντίθενται πλήρως στην επιφάνεια του υποστρώματος στη θερμοκρασία ανάπτυξης, απελευθερώνοντας άτομα μετάλλου και οργανικά υποπροϊόντα. Η συγκέντρωση των αντιδραστηρίων ρυθμίζεται για την παραγωγή διαφορετικών δομών κραμάτων III-V, μαζί με ένα σύστημα μεταγωγής λειτουργίας/εξαερισμού για τη ρύθμιση του μίγματος ατμών.

Το υπόστρωμα είναι συνήθως μια μονοκρυσταλλική γκοφρέτα από ένα υλικό ημιαγωγού όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, το φωσφίδιο του ινδίου ή το ζαφείρι. Φορτώνεται στον υποδοχέα εντός του θαλάμου αντίδρασης πάνω από τον οποίο εγχέονται τα πρόδρομα αέρια. Μεγάλο μέρος των εξατμισμένων μετάλλων-οργανικών και άλλων αερίων ταξιδεύει μέσα από τον θερμαινόμενο θάλαμο ανάπτυξης αναλλοίωτο, αλλά μια μικρή ποσότητα υφίσταται πυρόλυση (ρωγμάτωση), δημιουργώντας υποείδη υλικά που απορροφώνται στην επιφάνεια του θερμού υποστρώματος. Στη συνέχεια, μια επιφανειακή αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα την ενσωμάτωση των στοιχείων III-V σε ένα επιταξιακό στρώμα. Εναλλακτικά, μπορεί να συμβεί εκρόφηση από την επιφάνεια, με τα αχρησιμοποίητα αντιδραστήρια και τα προϊόντα αντίδρασης να εκκενώνονται από τον θάλαμο. Επιπρόσθετα, ορισμένοι πρόδρομοι μπορεί να προκαλέσουν «αρνητική ανάπτυξη» χάραξη της επιφάνειας, όπως στο ντόπινγκ άνθρακα των GaAs/AlGaAs και με αποκλειστικές πηγές χάραξης. Ο υποδοχέας περιστρέφεται για να εξασφαλίσει σταθερή σύνθεση και πάχος της επιταξίας.

Η θερμοκρασία ανάπτυξης που απαιτείται στον αντιδραστήρα MOCVD προσδιορίζεται κυρίως από την απαιτούμενη πυρόλυση των προδρόμων ουσιών και στη συνέχεια βελτιστοποιείται όσον αφορά την κινητικότητα της επιφάνειας. Ο ρυθμός ανάπτυξης καθορίζεται από την τάση ατμών των πηγών μετάλλου-οργανικής ομάδας III στους φυσαλίδες. Η διάχυση της επιφάνειας επηρεάζεται από ατομικά βήματα στην επιφάνεια, με εσφαλμένα προσανατολισμένα υποστρώματα να χρησιμοποιούνται συχνά για αυτόν τον λόγο. Η ανάπτυξη σε υποστρώματα πυριτίου απαιτεί στάδια πολύ υψηλής θερμοκρασίας για να διασφαλιστεί η εκρόφηση οξειδίων (>1000°C), απαιτητικές ειδικές θερμάστρες και θήκες υποστρώματος γκοφρέτας.

Η πίεση κενού και η γεωμετρία του αντιδραστήρα σημαίνει ότι οι τεχνικές παρακολούθησης επί τόπου ποικίλλουν με εκείνες του MBE, με το MBE γενικά να έχει περισσότερες επιλογές και διαμόρφωση. Για το MOCVD, η πυρομετρία διορθωμένη με την εκπομπή χρησιμοποιείται για μέτρηση θερμοκρασίας επιφάνειας επιφάνειας (σε αντίθεση με την απομακρυσμένη μέτρηση θερμοστοιχείων). Η ανακλαστικότητα επιτρέπει την αναλύσεις της επιφάνειας και του επιταξιακού ρυθμού ανάπτυξης. Το τόξο του πλακιδίου μετράται με αντανάκλαση λέιζερ. και οι παρεχόμενες οργανομεταλλικές συγκεντρώσεις μπορούν να μετρηθούν μέσω υπερηχητικής παρακολούθησης αερίου, για να αυξηθεί η ακρίβεια και η αναπαραγωγιμότητα της διαδικασίας ανάπτυξης.

Συνήθως, τα κράματα που περιέχουν αλουμίνιο αναπτύσσονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες (>650°C), ενώ τα στρώματα που περιέχουν φώσφορο αναπτύσσονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (<650°C), με πιθανές εξαιρέσεις για το AlInP. Για τα κράματα AlInGaAs και InGaAsP, που χρησιμοποιούνται για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, η διαφορά στη θερμοκρασία πυρόλυσης της αρσίνης καθιστά τον έλεγχο της διαδικασίας απλούστερο από ό,τι για τη φωσφίνη. Ωστόσο, για επιταξιακή αναγέννηση, όπου τα ενεργά στρώματα είναι χαραγμένα, προτιμάται η φωσφίνη. Για τα υλικά αντιμονιδίου, συμβαίνει ακούσια (και γενικά ανεπιθύμητη) ενσωμάτωση άνθρακα στο AlSb, λόγω της έλλειψης κατάλληλης πηγής πρόδρομου, που περιορίζει την επιλογή των κραμάτων και έτσι την πρόσληψη της ανάπτυξης αντιμονιδίου από το MOCVD.

Για τα εξαιρετικά τεταμένα στρώματα, λόγω της ικανότητας να χρησιμοποιούνται συστηματικά υλικά αρσενιδίου και φωσφιδίου, είναι δυνατή η εξισορρόπηση και η αντιστάθμιση των στελεχών, όπως για τα φραγμοί Gaasp και τα κβαντικά πηγάδια του IngaAs (QWs).

Περίληψη

Το MBE έχει γενικά περισσότερες επιλογές παρακολούθησης επί τόπου από το MOCVD. Η επιταξιακή ανάπτυξη ρυθμίζεται από τον ρυθμό ροής και τη θερμοκρασία του υποστρώματος, οι οποίες ελέγχονται χωριστά, με την σχετική επιτόπια παρακολούθηση, επιτρέποντας μια πολύ καθαρότερη, άμεση κατανόηση των διαδικασιών ανάπτυξης.

Το MOCVD είναι μια εξαιρετικά ευπροσάρμοστη τεχνική που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατάθεση ενός ευρέος φάσματος υλικών, συμπεριλαμβανομένων των σύνθετων ημιαγωγών, των νιτριδίων και των οξειδίων, μεταβάλλοντας τη χημεία των προδρόμων. Ο ακριβής έλεγχος της διαδικασίας ανάπτυξης επιτρέπει την κατασκευή σύνθετων συσκευών ημιαγωγών με προσαρμοσμένες ιδιότητες για εφαρμογές σε ηλεκτρονικά, φωτονικά και οπτοηλεκτρονική. Οι χρόνοι καθαρισμού του θαλάμου MOCVD είναι ταχύτεροι από το MBE.

Το MOCVD είναι εξαιρετικό για την εκ νέου ανάπτυξη των λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (DFB), των συσκευών θαμμένης ετεροδομής και των κυματοδηγών που συνδέονται μεταξύ τους. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει επιτόπια χάραξη του ημιαγωγού. Το MOCVD είναι, επομένως, ιδανικό για μονολιθική ενσωμάτωση InP. Αν και η μονολιθική ολοκλήρωση στα GaAs είναι στα σπάργανα, το MOCVD επιτρέπει την επιλεκτική ανάπτυξη της περιοχής, όπου οι καλυμμένες περιοχές με διηλεκτρικό βοηθούν να διαχωρίσουν τα μήκη κύματος εκπομπής/απορρόφησης. Αυτό είναι δύσκολο να γίνει με το MBE, όπου μπορούν να σχηματιστούν εναποθέσεις πολυκρυστάλλων στη διηλεκτρική μάσκα.

Γενικά, η MBE είναι η μέθοδος ανάπτυξης που επιλέγεται για τα υλικά Sb και η MOCVD είναι η επιλογή για τα υλικά P. Και οι δύο τεχνικές ανάπτυξης έχουν παρόμοιες δυνατότητες για υλικά που βασίζονται σε As. Οι παραδοσιακές αγορές μόνο για MBE, όπως τα ηλεκτρονικά, μπορούν πλέον να εξυπηρετηθούν εξίσου καλά με την ανάπτυξη του MOCVD. Ωστόσο, για πιο προηγμένες δομές, όπως τα λέιζερ κβαντικής κουκκίδας και κβαντικού καταρράκτη, το MBE προτιμάται συχνά για τη βασική επιταξία. Εάν απαιτείται επιταξιακή αναγέννηση, τότε το MOCVD προτιμάται γενικά, λόγω της ευελιξίας του στη χάραξη και την κάλυψη.