Care sunt diferențele dintre tehnologiile MBE și MOCVD?

Atât epitaxia fasciculului molecular (MBE), cât și depunerea de vapori chimici metalici (MOCVD) funcționează în medii cu curat și folosesc același set de instrumente de metrologie pentru caracterizarea plafonului. MBE cu sursă solidă folosește precursori elementari de înaltă puritate, încălziți în celulele de efuziune pentru a crea un fascicul molecular pentru a permite depunerea (cu azot lichid utilizat pentru răcire). În schimb, MOCVD este un proces de vapori chimici, folosind surse gazoase ultra-pure, pentru a permite depunerea și necesită o predare și reducere toxică a gazelor. Ambele tehnici pot produce epitaxie identică în unele sisteme materiale, cum ar fi arsenidele. Se discută alegerea unei tehnici față de cealaltă pentru materiale, procese și piețe.

Epitaxia fasciculului molecular

Un reactor MBE cuprinde de obicei o cameră de transfer a probei (deschisă la aer, pentru a permite încărcarea și descărcarea substraturilor plachetelor) și o cameră de creștere (în mod normal etanșată și deschisă numai la aer pentru întreținere) unde substratul este transferat pentru creșterea epitaxială. . Reactoarele MBE funcționează în condiții de vid ultra-înalt (UHV) pentru a preveni contaminarea cu moleculele de aer. Camera poate fi încălzită pentru a accelera evacuarea acestor contaminanți dacă camera a fost deschisă la aer.

Adesea, materialele sursă ale epitaxiei într-un reactor MBE sunt semiconductori solizi sau metale. Acestea sunt încălzite dincolo de punctele lor de topire (adică evaporarea materialului sursă) în celulele de efuziune. Aici, atomii sau moleculele sunt conduși în camera de vid MBE printr-o deschidere mică, care dă un fascicul molecular foarte direcțional. Acest lucru afectează substratul încălzit; de obicei realizate din materiale monocristaline precum siliciu, arseniura de galiu (GaAs) sau alți semiconductori. Cu condiția ca moleculele să nu se desorbie, ele vor difuza pe suprafața substratului, favorizând creșterea epitaxială. Epitaxia este apoi construită strat cu strat, cu compoziția și grosimea fiecărui strat controlate pentru a obține proprietățile optice și electrice dorite.

Substratul este montat central, în cadrul camerei de creștere, pe un suport încălzit înconjurat de criohields, care se confruntă cu celulele de efuziune și sistemul de obturator. Suportul se rotește pentru a asigura depunerea uniformă și grosimea epitaxială. Cryoshields sunt plăci răcite cu azot lichid care captează contaminanții și atomii din cameră care nu sunt capturate anterior pe suprafața substratului. Contaminanții pot fi de la desorbția substratului la temperaturi ridicate sau prin „umplere peste” din fasciculul molecular.

Camera reactorului MBE cu vid ultra-înalt permite utilizarea instrumentelor de monitorizare in situ pentru a controla procesul de depunere. Difracția electronilor de înaltă energie prin reflexie (RHEED) este utilizată pentru monitorizarea suprafeței de creștere. Reflectanța laser, imagistica termică și analiza chimică (spectrometrie de masă, spectrometrie Auger) analizează compoziția materialului evaporat. Alți senzori sunt utilizați pentru a măsura temperaturile, presiunile și ratele de creștere pentru a ajusta parametrii procesului în timp real.

Rata de creștere și ajustare

Rata de creștere epitaxială, care este de obicei aproximativ o treime dintr-un monostrat (0,1 nm, 1 Å) pe secundă, este influențată de rata fluxului (numărul de atomi care ajung la suprafața substratului, controlat de temperatura sursei) și de temperatura substratului. (care afectează proprietățile difuzive ale atomilor de pe suprafața substraturilor și desorbția acestora, controlată de căldura substratului). Acești parametri sunt ajustați și monitorizați independent în reactorul MBE, pentru a optimiza procesul epitaxial.

Prin controlul ratelor de creștere și a aprovizionării cu diferite materiale folosind un sistem de obturatoare mecanice, aliajele ternare și cuaternare și structurile multistrat pot fi crescute în mod fiabil și în mod repetat. După depunere, substratul este răcit lent pentru a evita stresul termic și testat pentru a caracteriza structura și proprietățile sale cristaline.

Caracteristicile materialelor pentru MBE

Caracteristicile sistemelor de materiale III-V utilizate în MBE sunt:

● Silicon: Creșterea pe substraturile de siliciu necesită temperaturi foarte ridicate pentru a asigura desorbția oxidului (> 1000 ° C), astfel încât sunt necesare încălzitoare și suporturi de napolitane specializate. Problemele din jurul nepotrivirii coeficientului constant și de expansiune a zăbrelei fac ca creșterea III-V pe siliciu să fie un subiect activ de cercetare și dezvoltare.

● Antimoniu: Pentru semiconductorii III-Sb, trebuie folosite temperaturi scăzute ale substratului pentru a evita desorbția de la suprafață. De asemenea, poate apărea „non-congruență” la temperaturi ridicate, în cazul în care o specie atomică poate fi evaporată de preferință pentru a lăsa materiale nestoichiometrice.

●  Fosfor: Pentru aliajele III-P, fosforul va fi depus pe interiorul camerei, necesitând un proces de curățare care consumă timp, care poate face ca producția scurtă să fie neviabilă.

Depunere de vapori chimici metalici-organici

Reactorul MOCVD are o cameră de reacție la temperatură înaltă, răcită cu apă. Substraturile sunt poziționate pe un susceptor de grafit încălzit fie prin încălzire RF, rezistivă sau IR. Gazele reactive sunt injectate vertical în camera de proces deasupra substraturilor. Uniformitatea stratului este obținută prin optimizarea temperaturii, injecției de gaz, debitului total de gaz, rotației susceptorului și presiunii. Gazele purtătoare sunt fie hidrogen, fie azot.

Pentru a depune straturi epitaxiale, MOCVD folosește precursori metal-organici foarte de înaltă puritate, cum ar fi trimetilgallium pentru galiu sau trimetilaluminiu pentru aluminiu pentru elementele de grup-III și gazele de hidrură (arsină și fosfină) pentru elementele grupului V. Metal-organicele sunt conținute în bule de flux de gaz. Concentrația injectată în camera procesului este determinată de temperatura și presiunea fluxului de gaz metal-organic și purtător prin bule.

Reactivii se descompun complet pe suprafața substratului la temperatura de creștere, eliberând atomi de metal și subproduse organice. Concentrația de reactivi este ajustată pentru a produce diferite structuri de aliaj III-V, împreună cu un sistem de comutare a rulării/ventilației pentru reglarea amestecului de vapori.

Substratul este, de obicei, o placă monocristalică dintr-un material semiconductor, cum ar fi arseniura de galiu, fosfură de indiu sau safir. Este încărcat pe susceptor din camera de reacție peste care sunt injectate gazele precursoare. O mare parte din substanțele metalice-organice vaporizate și alte gaze călătoresc prin camera de creștere încălzită nealterate, dar o cantitate mică suferă piroliză (cracare), creând materiale subspecii care absorb pe suprafața substratului fierbinte. O reacție de suprafață are ca rezultat încorporarea elementelor III-V într-un strat epitaxial. Alternativ, poate apărea desorbția de pe suprafață, cu reactivii și produșii de reacție neutilizați evacuați din cameră. În plus, unii precursori pot induce gravarea cu „creștere negativă” a suprafeței, cum ar fi dopajul cu carbon a GaAs/AlGaAs și cu surse de gravare dedicate. Susceptorul se rotește pentru a asigura compoziția și grosimi consistente ale epitaxiei.

Temperatura de creștere necesară în reactorul MOCVD este determinată în principal de piroliza necesară a precursorilor, apoi optimizată în ceea ce privește mobilitatea suprafeței. Rata de creștere este determinată de presiunea de vapori a surselor metalice-organice ale grupului-III din bule. Difuzarea suprafeței este afectată de etapele atomice la suprafață, substraturile misoriente fiind adesea utilizate din acest motiv. Creșterea pe substraturile de siliciu necesită etape de temperatură foarte ridicată pentru a asigura desorbția oxidului (> 1000 ° C), cerând încălzitoare de specialitate și deținători de substrat de placă.

Presiunea și geometria în vid a reactorului înseamnă că tehnicile de monitorizare in situ variază de cele ale MBE, MBE având în general mai multe opțiuni și configurabilitate. Pentru MOCVD, pirometria corectată de emisivitate este utilizată pentru măsurarea temperaturii suprafeței in-situ (spre deosebire de măsurarea termocuplării la distanță); Reflectivitatea permite reducerea suprafeței și rata de creștere epitaxială care trebuie analizată; Arcul de placă se măsoară prin reflectarea laserului; și concentrații organometalice furnizate pot fi măsurate prin monitorizarea cu ultrasunete a gazelor, pentru a crește exactitatea și reproductibilitatea procesului de creștere.

De obicei, aliajele care conțin aluminiu sunt cultivate la temperaturi mai ridicate (> 650 ° C), în timp ce straturile care conțin fosfor sunt crescute la temperaturi mai scăzute (<650 ° C), cu excepții posibile pentru alinp. Pentru aliajele Alingaaas și IngaASP, utilizate pentru aplicațiile de telecomunicații, diferența de temperatură de fisurare a arsinei face ca procesul să fie mai simplu decât pentru fosfină. Cu toate acestea, pentru re-creșterea epitaxială, unde sunt gravate straturile active, fosfina este preferată. Pentru materialele antimonide, apare o încorporare de carbon neintenționată (și, în general, nedorită), în ALSB, din cauza lipsei unei surse precursoare adecvate, limitând alegerea aliajelor și astfel absorbția creșterii antimonidelor de către MOCVD.

Pentru straturile extrem de încordate, datorită capacității de a utiliza în mod obișnuit materiale de arsenidă și fosfură, sunt posibile echilibrarea și compensarea tulpinilor, cum ar fi pentru barierele GAASP și puțurile cuantice Ingaas (QWS).

Rezumat

MBE are, în general, mai multe opțiuni de monitorizare in situ decât MOCVD. Creșterea epitaxială este ajustată de viteza de flux și de temperatura substratului, care sunt controlate separat, cu monitorizarea asociată in situ, permițând o înțelegere mult mai clară, directă, a proceselor de creștere.

MOCVD este o tehnică extrem de versatilă care poate fi utilizată pentru a depune o gamă largă de materiale, inclusiv semiconductori compuși, nitruri și oxizi, prin modificarea chimiei precursoarelor. Controlul precis al procesului de creștere permite fabricarea de dispozitive semiconductoare complexe cu proprietăți adaptate pentru aplicații în electronică, fotonică și optoelectronică. Timpul de curățare a camerei MOCVD este mai rapid decât MBE.

MOCVD este excelent pentru regăsirea laserelor de feedback distribuite (DFBS), dispozitive heterostructuri îngropate și ghiduri de undă cu garnitură. Aceasta poate include gravura in situ a semiconductorului. Prin urmare, MOCVD este ideal pentru integrarea monolitică a INP. Deși integrarea monolitică în GAAS este la început, MOCVD permite creșterea zonei selective, unde zonele mascate dielectrice ajută la spațiul lungimilor de undă de emisie/absorbție. Acest lucru este dificil de făcut cu MBE, unde se pot forma depozite policristale pe masca dielectrică.

În general, MBE este metoda de creștere preferată pentru materialele Sb și MOCVD este alegerea pentru materialele P. Ambele tehnici de creștere au capacități similare pentru materialele pe bază de As. Piețele tradiționale exclusiv MBE, cum ar fi electronicele, pot fi acum servite la fel de bine cu creșterea MOCVD. Cu toate acestea, pentru structuri mai avansate, cum ar fi laserele cu punct cuantic și cascadă cuantică, MBE este adesea preferat pentru epitaxia de bază. Dacă este necesară o recreștere epitaxială, atunci se preferă în general MOCVD, datorită flexibilității sale de gravare și mascare.