Mis vahe on MBE ja MOCVD tehnoloogiate vahel?

Nii molekulaarkiire epitaksia (MBE) kui ka metallorgaanilise keemilise aurustamise-sadestamise (MOCVD) reaktorid töötavad puhta ruumi keskkondades ja kasutavad vahvli iseloomustamiseks samu metroloogiatööriistu. Tahke allikaga MBE kasutab efusioonrakkudes kuumutatud kõrge puhtusastmega elementaarseid prekursoreid, et luua molekulaarkiir, mis võimaldab sadestumist (jahutamiseks kasutatakse vedelat lämmastikku). Seevastu MOCVD on keemiline auruprotsess, mis kasutab sadestumise võimaldamiseks ülipuhtaid gaasilisi allikaid ning nõuab mürgiste gaaside ülekandmist ja vähendamist. Mõlemad tehnikad võivad mõnes materjalisüsteemis, näiteks arseniidides, tekitada identse epitaksia. Arutatakse ühe tehnika valikut teatud materjalide, protsesside ja turgude jaoks.

Molekulaarkiire epitaksia

MBE reaktor sisaldab tavaliselt proovi ülekandekambrit (avatud õhule, et võimaldada vahvli substraate peale- ja mahalaadimist) ja kasvukambrit (tavaliselt suletud ja ainult hoolduseks avatud õhule), kuhu substraat kantakse üle epitaksiaalseks kasvatamiseks. . MBE reaktorid töötavad ülikõrge vaakumi (UHV) tingimustes, et vältida õhumolekulidega saastumist. Kambrit saab soojendada, et kiirendada nende saasteainete evakueerimist, kui kamber on olnud õhule avatud.

Sageli on epitaksia lähtematerjalid MBE reaktoris tahked pooljuhid või metallid. Neid kuumutatakse efusioonirakkudes üle nende sulamistemperatuuri (st lähtematerjali aurustumist). Siin sõidetakse aatomid või molekulid MBE vaakumkambrisse väikese ava kaudu, mis annab väga suunalise molekulaarse tala. See mõjutab soojendusega substraati; Tavaliselt valmistatakse ühekristallilistest materjalidest nagu räni, gallium arseniid (GaAs) või muudest pooljuhtidest. Kui molekulid ei desorb, hajuvad need substraadi pinnal, soodustades epitaksiaalset kasvu. Seejärel ehitatakse epitaksia kihiga kihi kaupa, iga kihi koostise ja paksusega kontrollitakse soovitud optiliste ja elektriliste omaduste saavutamiseks.

Substraat paigaldatakse kasvukambri keskele soojendusega hoidikule, mida ümbritsevad krüokaitsed, mis on suunatud efusioonirakkude ja katikusüsteemi poole. Hoidik pöörleb, et tagada ühtlane ladestumine ja epitaksiaalne paksus. Krüokilbid on vedela lämmastikuga jahutatud plaadid, mis püüavad kambrisse saasteained ja aatomid, mida pole varem substraadi pinnale kinni jäänud. Saasteained võivad tuleneda substraadi desorptsioonist kõrgel temperatuuril või "ületäitumisest" molekulaarkiirest.

Ultra-kõrge vacuum MBE reaktorikamber võimaldab sadestusprotsessi juhtimiseks kasutada in situ seirevahendeid. Kasvupinna jälgimiseks kasutatakse peegeldust suure energiatarbega elektronide difraktsiooni (Rheed). Laseri peegelduse, termilise pildistamise ja keemilise analüüsi (massispektromeetria, tigu spektromeetria) analüüsivad aurustunud materjali koostist. Teisi andureid kasutatakse temperatuuride, rõhkude ja kasvukiiruste mõõtmiseks, et reguleerida protsessi parameetreid reaalajas.

Kasvutempo ja kohanemine

Epitaksiaalset kasvukiirust, mis on tavaliselt umbes kolmandik monokihist (0,1 nm, 1Å) sekundis, mõjutavad voolukiirus (substraadi pinnale saabuvate aatomite arv, mida juhib lähtetemperatuur) ja substraadi temperatuur. (mis mõjutab aatomite difusiooniomadusi substraadi pinnal ja nende desorptsiooni, mida juhib substraadi soojus). Neid parameetreid reguleeritakse ja jälgitakse sõltumatult MBE reaktoris, et optimeerida epitaksiaalset protsessi.

Kiiruste ja erinevate materjalide pakkumise kontrollimisel mehaanilist katmissüsteemi abil saab kolmeastmelisi ja kvaternaarseid sulameid ning mitmekihilisi struktuure usaldusväärselt ja korduvalt kasvatada. Pärast sadestumist jahutatakse substraat aeglaselt, et vältida termilist pinget, ja testitakse selle kristalse struktuuri ja omaduste iseloomustamiseks.

MBE materjali omadused

MBE-s kasutatud III-V materjalide omadused on:

●  Räni: Ränisubstraatidel kasvatamiseks on vaja väga kõrgeid temperatuure, et tagada oksiididesorptsioon (>1000°C), seega on vaja spetsiaalseid küttekehasid ja vahvlihoidjaid. Võre konstandi ja paisumiskoefitsiendi mittevastavuse probleemid muudavad räni III-V kasvu aktiivseks uurimis- ja arendustegevuse teemaks.

● Antimon: III-Sb pooljuhtide puhul tuleb kasutada madalaid aluspinna temperatuure, et vältida desorptsiooni pinnalt. Kõrgetel temperatuuridel võib esineda ka mittekongruentsust, kus üks aatomiliik võib eelistatavalt aurustuda, et jätta järele mittestöhhiomeetrilised materjalid.

● Fosfor: III-P sulamite puhul sadestub fosfor kambri siseküljele, mis nõuab aeganõudvat puhastusprotsessi, mis võib muuta lühikesed tootmistsüklid elujõuetuks.

Metallorgaaniline keemiline aurustamine-sadestamine

MOCVD reaktoril on kõrge temperatuuriga vesijahutusega reaktsioonikamber. Substraadid asetatakse grafiidisustseptorile, mida kuumutatakse kas RF-, takistus- või IR-kuumutusega. Reaktiivgaasid süstitakse vertikaalselt substraatide kohal olevasse protsessikambrisse. Kihtide ühtlus saavutatakse temperatuuri, gaasi sissepritse, kogu gaasivoolu, sustseptori pöörlemise ja rõhu optimeerimisega. Kandegaasid on kas vesinik või lämmastik.

Epitaksiaalsete kihtide hoiustamiseks kasutab MOCVD väga suure puhutu metall-orgaanilisi eellasi, näiteks trimetüülgallium galliumi või trimetüülalumiiniumi jaoks III rühma elementide ja hüdriidgaaside (arsiin ja fosfiin) jaoks grupi-V elementide jaoks alumiiniumi jaoks. Metallorgaanid sisalduvad gaasi voolumullides. Protsessikambrisse süstitud kontsentratsioon määratakse metalli-orgaanilise ja kandegaasi voolu temperatuuri ja rõhu abil läbi mulli.

Reaktiivid lagunevad täielikult substraadi pinnal kasvutemperatuuril, vabastades metalliaatomeid ja orgaanilisi kõrvalsaadusi. Reaktiivide kontsentratsiooni reguleeritakse nii, et tekiks erinevad III-V sulamistruktuurid koos jooksu/ventilatsiooni lülitussüsteemiga aurusegu reguleerimiseks.

Substraat on tavaliselt pooljuhtide materjali, näiteks galliumraseniid, indiumfosfiid või safiiri ühekristalliline vahvel. See laaditakse reaktsiooni kambris asuvale vastuvõtjale, millesse süstitakse eelkäija gaase. Suur osa aurustatud metallorgaanidest ja muudest gaasidest liiguvad läbi kuumutatud kasvukambri, kuid väike kogus läbib pürolüüsi (pragunemist), luues alamliigi materjale, mis imavad kuuma substraadi pinnale. Pinnareaktsiooni tulemuseks on III-V elementide lisamine epitaksiaalsesse kihti. Teise võimalusena võib tekkida pinnalt desorptsioon, kambrist evakueeritud reaktsioonide ja reaktsiooniproduktidega. Lisaks võivad mõned eelkäijad esile kutsuda pinna „negatiivse kasvu”, näiteks GAA -de/vetikate süsiniku dopingu ja spetsiaalsete söövitavate allikatega. Opja pöörleb, et tagada epitaxy järjepidev koostis ja paksus.

MOCVD -reaktoris nõutav kasvutemperatuur määratakse peamiselt eellaste vajaliku pürolüüsi abil ja seejärel optimeeritud pinna liikuvuse osas. Kasvukiirus määrab mullide III rühma metalliorgaaniliste allikate aururõhk. Pinna difusiooni mõjutavad pinna aatomietapid, sel põhjusel kasutatakse sageli eksitatud substraate. Ränisubstraatide kasv nõuab oksiidi desorptsiooni (> 1000 ° C) tagamiseks väga kõrge temperatuuriga etappe, nõudes spetsialiseerunud küttekehasid ja vahvli substraadi omanikke.

Reaktori vaakumrõhk ja geomeetria tähendavad, et in-citu seiretehnikad varieeruvad MBE-de omadest, kusjuures MBE-l on üldiselt rohkem võimalusi ja konfigureeritavust. MOCVD jaoks kasutatakse emissiooniga korrigeeritud püromeetriat in situ, vahvli pinna temperatuuri mõõtmiseks (erinevalt kaugest termopaari mõõtmisel); Peegeldusvõime võimaldab pinna karenemist ja analüüsida epitaksiaalset kasvukiirust; Vahvli vibu mõõdetakse laseri peegeldusega; ja tarnitud organometallilisi kontsentratsioone saab mõõta ultraheli gaasi jälgimise abil, et suurendada kasvuprotsessi täpsust ja reprodutseeritavust.

Tavaliselt kasvatatakse alumiiniumi sisaldavaid sulameid kõrgematel temperatuuridel (>650°C), fosforit sisaldavaid kihte aga madalamatel temperatuuridel (<650°C), AlInP puhul võimalikud erandid. Telekommunikatsioonirakendustes kasutatavate AlInGaAs ja InGaAsP sulamite puhul muudab arsiini krakkimistemperatuuri erinevus protsessi juhtimise lihtsamaks kui fosfiini puhul. Kuid epitaksiaalseks taaskasvamiseks, kus aktiivsed kihid on söövitatud, eelistatakse fosfiini. Antimoniidmaterjalide puhul toimub tahtmatu (ja üldiselt soovimatu) süsiniku inkorporeerimine AlSb-sse, kuna puudub sobiv lähteaineallikas, mis piirab sulamite valikut ja seega ka antimoniidide kasvu omastamist MOCVD poolt.

Suure pingega kihtide puhul on arseniid- ja fosfiidmaterjalide rutiinse kasutamise tõttu võimalik deformatsiooni tasakaalustamine ja kompenseerimine, näiteks GaAsP barjääride ja InGaAs kvantkaevude (QW) puhul.

Kokkuvõte

MBE-l on üldiselt rohkem kohapealseid seirevõimalusi kui MOCVD-l. Epitaksiaalset kasvu kohandatakse voolukiiruse ja substraadi temperatuuriga, mida kontrollitakse eraldi, millega seotud seire võimaldab kasvuprotsessidest palju selgemat, otsest, mõistmist.

MOCVD on väga mitmekülgne tehnika, mida saab kasutada mitmesuguste materjalide, sealhulgas ühendi pooljuhtide, nitriidide ja oksiidide hoiustamiseks, varieerides eelkäija keemiat. Kasvuprotsessi täpne juhtimine võimaldab valmistada keerukaid pooljuhtseadmeid, millel on kohandatud omadustega elektroonika, footonika ja optoelektroonika rakendused. MOCVD kambri puhastusajad on kiirem kui MBE.

MOCVD on suurepärane hajutatud tagasiside (DFBS) laserite, maetud heterostruktuuriseadmete ja tagumikuga seotud lainejuhtide taaskehtestamiseks. See võib hõlmata pooljuhtide in situ söövitamist. Seetõttu on MOCVD ideaalne monoliitse INP integreerimiseks. Ehkki GAAS -i monoliitne integreerimine on alles lapsekingades, võimaldab MOCVD selektiivset kasvu kasvu, kus dielektrilised maskeeritud alad aitavad emissiooni/neeldumise lainepikkusi ruume. Seda on keeruline teha MBE -ga, kus dielektrilisel maskil võivad tekkida polükristallide ladestused.

Üldiselt on Sb-materjalide jaoks eelistatud kasvumeetod MBE ja P-materjalide jaoks MOCVD. Mõlemal kasvumeetodil on As-põhiste materjalide puhul sarnased võimalused. Traditsioonilisi ainult MBE-turge, nagu elektroonika, saab nüüd MOCVD kasvuga võrdselt hästi teenindada. Täiustatud struktuuride, näiteks kvantpunkt- ja kvantkaskaadlaserite puhul eelistatakse aga sageli MBE-d baasepitaksia jaoks. Kui on vaja epitaksiaalset taaskasvamist, eelistatakse üldiselt MOCVD-d selle söövitamise ja maskeerimise paindlikkuse tõttu.