Кои се разликите помеѓу MBE и MOCVD технологиите?

И реакторите со молекуларна епитаксија (MBE) и метално-органско хемиско таложење на пареа (MOCVD) работат во средини во чиста просторија и го користат истиот сет на метролошки алатки за карактеризација на нафора. МБЕ со цврст извор користи елементарни прекурсори со висока чистота кои се загреваат во изливните ќелии за да се создаде молекуларен зрак за да се овозможи таложење (со течен азот што се користи за ладење). Спротивно на тоа, MOCVD е хемиски процес на пареа, кој користи ултра-чисти, гасовити извори за да се овозможи таложење и бара предавање и намалување на токсичен гас. Двете техники можат да произведат идентична епитаксија во некои материјални системи, како што се арсенидите. Се дискутира за изборот на една техника над друга за одредени материјали, процеси и пазари.

Епитаксија на молекуларен зрак

Реактор MBE обично се состои од комора за пренос на примероци (отворена за воздух, за да се овозможи натоварување и растоварување на нафораните подлоги) и комора за раст (нормално затворена и отворена само за воздухот за одржување) каде што подлогата се пренесува за епитаксиален раст . Реакторите MBE работат во услови на ултра-висок вакуум (UHV) за да се спречи контаминација од молекулите на воздухот. Комората може да се загрее за да се забрза евакуацијата на овие загадувачи ако комората е отворена за воздух.

Често, изворните материјали на епитаксијата во MBE реактор се цврсти полупроводници или метали. Тие се загреваат надвор од нивните точки на топење (т.е. испарување на изворниот материјал) во изливните ќелии. Овде, атомите или молекулите се внесуваат во MBE вакуумската комора преку мала бленда, која дава високонасочен молекуларен зрак. Ова удира на загреаната подлога; обично направени од еднокристални материјали како силициум, галиум арсенид (GaAs) или други полупроводници. Под услов молекулите да не се десорбираат, тие ќе се дифузираат на површината на подлогата, промовирајќи епитаксијален раст. Епитаксијата потоа се гради слој по слој, при што составот и дебелината на секој слој се контролираат за да се постигнат саканите оптички и електрични својства.

Подлогата е монтирана централно, во комората за раст, на загреан држач опкружен со криоштитници, свртен кон изливните ќелии и системот за затворање. Држачот се ротира за да обезбеди рамномерно таложење и епитаксијална дебелина. Cryoshields се ладење со течен азот плочи кои заробуваат загадувачи и атоми во комората кои претходно не биле заробени на површината на подлогата. Загадувачите може да бидат од десорпција на подлогата на високи температури или од „преполнување“ од молекуларниот зрак.

Комората на реакторот MBE со ултра висок вакуум овозможува користење на алатки за следење на самото место за контрола на процесот на таложење. Рефлективна високоенергетска дифракција на електрони (RHEED) се користи за следење на површината на растот. Ласерска рефлексија, термичко снимање и хемиска анализа (масена спектрометрија, спектрометрија на Огер) го анализираат составот на испаруваниот материјал. Други сензори се користат за мерење на температури, притисоци и стапки на раст со цел да се прилагодат параметрите на процесот во реално време.

Стапка на раст и прилагодување

Епитаксијалната стапка на раст, која обично е околу една третина од еднослојот (0,1 nm, 1Å) во секунда, е под влијание на стапката на флукс (бројот на атоми кои пристигнуваат на површината на подлогата, контролирана од температурата на изворот) и температурата на подлогата (што влијае на дифузните својства на атомите на површината на подлогата и нивната десорпција, контролирана од топлината на подлогата). Овие параметри се независно приспособени и надгледувани во рамките на реакторот MBE, за да се оптимизира епитаксијалниот процес.

Со контролирање на стапките на раст и снабдувањето со различни материјали со помош на механички систем за затворање, тројните и кватернерните легури и повеќеслојните структури може да се одгледуваат сигурно и постојано. По таложењето, подлогата полека се лади за да се избегне термички стрес и се тестира за да се карактеризира неговата кристална структура и својства.

Карактеристики на материјалот за MBE

Карактеристиките на III-V материјалните системи што се користат во MBE се:

●  Силикон: Растот на силиконски подлоги бара многу високи температури за да се обезбеди десорпција на оксидот (>1000°C), па затоа се потребни специјализирани грејачи и држачи за нафора. Прашањата околу неусогласеноста во константата на решетката и коефициентот на експанзија го прават растот III-V на силиконот активна тема за истражување и развој.

●   Антимон: За III-Sb полупроводници, мора да се користат ниски температури на подлогата за да се избегне десорпција од површината. Може да се јави и „неусогласеност“ на високи температури, каде што еден атомски вид може да биде преференцијално испаруван за да остави не-стехиометриски материјали.

●  Фосфор: За легурите III-P, фосфорот ќе се депонира во внатрешноста на комората, за што е потребен процес на чистење што одзема многу време, што може да ги направи кратките производни периоди неодржливи.

Метално-органско хемиско таложење на пареа

Реакторот MOCVD има комора за реакција со висока температура, ладена со вода. Подлогите се позиционирани на графитен сензор загреан со RF, отпорно или IR загревање. Гасовите од реагенсот се вбризгуваат вертикално во процесната комора над подлогите. Еднообразноста на слојот се постигнува со оптимизирање на температурата, вбризгување на гас, вкупен проток на гас, ротација на сензорот и притисок. Носечките гасови се или водород или азот.

За таложење на епитаксијалните слоеви, MOCVD користи метално-органски прекурсори со многу висока чистота, како што се триметилгалиум за галиум или триметилалуминиум за алуминиум за елементите од групата III и хидридни гасови (арсин и фосфин) за елементите од групата V. Метал-органските материи се содржани во меурчиња за проток на гас. Концентрацијата инјектирана во процесната комора се одредува со температурата и притисокот на протокот на метално-органскиот и носечкиот гас низ меурот.

Реагенсите целосно се распаѓаат на површината на подлогата при температура на раст, ослободувајќи метални атоми и органски нуспроизводи. Концентрацијата на реагенсите е прилагодена за да се добијат различни структури од легура III-V, заедно со систем за вклучување/пропустливост за прилагодување на мешавината на пареа.

Подлогата е обично еднокристална обланда од полупроводнички материјал како што се галиум арсенид, индиум фосфид или сафир. Тој е натоварен на сензорот во комората за реакција преку која се инјектираат прекурсорните гасови. Голем дел од испаруваниот метал-органски и други гасови патуваат низ загреаната комора за раст непроменет, но мала количина се подложува на пиролиза (пукање), создавајќи подвидови материјали кои се апсорбираат на површината на топлата подлога. Површинската реакција потоа резултира со инкорпорирање на III-V елементите во епитаксијален слој. Алтернативно, може да дојде до десорпција од површината, при што неискористените реагенси и реакционите производи се евакуирани од комората. Дополнително, некои прекурсори може да предизвикаат „негативен раст“ гравирање на површината, како на пример при јаглерод допинг на GaAs/AlGaAs, како и со наменски извори на ечант. Суцепторот се ротира за да се обезбеди конзистентен состав и дебелини на епитаксијата.

Температурата на раст потребна во реакторот MOCVD првенствено се одредува со потребната пиролиза на прекурсорите, а потоа се оптимизира во однос на подвижноста на површината. Стапката на раст се определува со притисокот на пареата на метално-органските извори од групата III во меурчињата. Површинската дифузија е под влијание на атомски чекори на површината, при што често се користат погрешно ориентирани подлоги поради оваа причина. Растот на силициумските подлоги бара многу високи температурни фази за да се обезбеди десорпција на оксидот (>1000°C), кои бараат специјализирани грејачи и држачи за подлогата за нафора.

Вакуумскиот притисок и геометријата на реакторот значат дека техниките на in-situ мониторинг се разликуваат од оние на MBE, при што MBE генерално има повеќе опции и можност за конфигурација. За MOCVD, пирометрија корегирана со емисивност се користи за in-situ мерење на температурата на површината на обландата (за разлика од далечинското мерење на термоспој); рефлексивноста овозможува да се анализира грубоста на површината и стапката на епитаксијален раст; нафора лак се мери со ласерска рефлексија; и испорачаните органометални концентрации може да се измерат преку ултразвучен мониторинг на гас, за да се зголеми точноста и репродуктивноста на процесот на раст.

Вообичаено, легурите што содржат алуминиум се одгледуваат на повисоки температури (>650°C), додека слоевите кои содржат фосфор се одгледуваат на пониски температури (<650°C), со можни исклучоци за AlInP. За легурите AlInGaAs и InGaAsP, кои се користат за телекомуникациски апликации, разликата во температурата на пукање на арсинот ја прави контролата на процесот поедноставна отколку за фосфинот. Меѓутоа, за епитаксијален повторен раст, каде што активните слоеви се гравирани, се претпочита фосфинот. За антимонидните материјали, се случува ненамерно (и генерално несакано) инкорпорирање на јаглерод во AlSb, поради недостаток на соодветен извор на претходник, ограничување на изборот на легури и така навлегувањето на растот на антимонид од MOCVD.

За високо затегнатите слоеви, поради способноста за рутинска употреба на арсенидни и фосфидни материјали, можно е балансирање и компензација на напрегањето, како што се GaAsP бариери и InGaAs квантни бунари (QWs).

Резиме

MBE генерално има повеќе опции за следење на самото место отколку MOCVD. Епитаксијалниот раст се прилагодува со брзината на флукс и температурата на подлогата, кои се одделно контролирани, со поврзано in-situ мониторинг што овозможува многу појасно, директно разбирање на процесите на раст.

MOCVD е многу разноврсна техника која може да се користи за депонирање на широк спектар на материјали, вклучувајќи сложени полупроводници, нитриди и оксиди, со менување на хемијата на претходниците. Прецизната контрола на процесот на раст овозможува производство на сложени полупроводнички уреди со приспособени својства за апликации во електрониката, фотониката и оптоелектрониката. Времето на чистење на комората MOCVD е побрзо од MBE.

MOCVD е одличен за повторно растење на ласери со дистрибуирана повратна информација (DFB), уреди со закопана хетероструктура и брановоди споени со задник. Ова може да вклучи офорт на полупроводникот на самото место. Затоа, MOCVD е идеален за монолитна интеграција на InP. Иако монолитната интеграција во GaAs е во почетна фаза, MOCVD овозможува селективен раст на областа, каде што маскираните области со диелектрик помагаат да се вселат брановите должини на емисија/апсорпција. Ова е тешко да се направи со MBE, каде што може да се формираат поликристални наслаги на диелектричната маска.

Општо земено, MBE е методот на раст на избор за Sb материјалите и MOCVD е избор за P материјали. Двете техники на раст имаат слични способности за материјалите базирани на As. Традиционалните пазари само за MBE, како што е електрониката, сега можат да бидат подеднакво добро опслужени со растот на MOCVD. Меѓутоа, за понапредни структури, како што се квантните точки и квантните каскадни ласери, MBE често се претпочита за основната епитаксија. Доколку е потребно епитаксијално повторно растење, тогаш генерално се претпочита MOCVD, поради неговата флексибилност на офорт и маскирање.