Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ των τεχνολογιών MBE και MOCVD;

Τόσο οι αντιδραστήρες επιτάξεως μοριακής δέσμης (MBE) όσο και οι αντιδραστήρες μεταλλο-οργανικής χημικής εναπόθεσης ατμών (MOCVD) λειτουργούν σε περιβάλλοντα καθαρού δωματίου και χρησιμοποιούν το ίδιο σύνολο εργαλείων μετρολογίας για τον χαρακτηρισμό των πλακιδίων. Το MBE στερεάς πηγής χρησιμοποιεί υψηλής καθαρότητας, στοιχειακές πρόδρομες ουσίες που θερμαίνονται σε κύτταρα διάχυσης για να δημιουργήσουν μια μοριακή δέσμη που να επιτρέπει την εναπόθεση (με υγρό άζωτο που χρησιμοποιείται για ψύξη). Αντίθετα, το MOCVD είναι μια διαδικασία χημικού ατμού, που χρησιμοποιεί εξαιρετικά καθαρές, αέριες πηγές για να επιτρέψει την εναπόθεση και απαιτεί μεταφορά και μείωση τοξικού αερίου. Και οι δύο τεχνικές μπορούν να παράγουν την ίδια επιταξία σε ορισμένα συστήματα υλικών, όπως τα αρσενίδια. Συζητείται η επιλογή μιας τεχνικής έναντι της άλλης για συγκεκριμένα υλικά, διαδικασίες και αγορές.

Επιταξία Μοριακής Δέσμης

Ένας αντιδραστήρας MBE περιλαμβάνει τυπικά έναν θάλαμο μεταφοράς δείγματος (ανοιχτό στον αέρα, για να επιτρέπεται η φόρτωση και η εκφόρτωση υποστρωμάτων πλακιδίων) και ένας θάλαμος ανάπτυξης (συνήθως σφραγισμένος και ανοιχτός μόνο στον αέρα για συντήρηση) όπου το υπόστρωμα μεταφέρεται για επιταξιακή ανάπτυξη . Οι αντιδραστήρες MBE λειτουργούν σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού (UHV) για να αποτρέψουν τη μόλυνση από μόρια αέρα. Ο θάλαμος μπορεί να θερμανθεί για να επιταχυνθεί η εκκένωση αυτών των ρύπων εάν ο θάλαμος είναι ανοιχτός στον αέρα.

Συχνά, τα υλικά πηγής της επιταξίας σε έναν αντιδραστήρα MBE είναι στερεοί ημιαγωγοί ή μέταλλα. Αυτά θερμαίνονται πέρα ​​από τα σημεία τήξεώς τους (δηλαδή εξάτμιση του υλικού πηγής) στα κύτταρα διάχυσης. Εδώ, άτομα ή μόρια οδηγούνται στον θάλαμο κενού MBE μέσω ενός μικρού ανοίγματος, το οποίο δίνει μια άκρως κατευθυντική μοριακή δέσμη. Αυτό προσκρούει στο θερμαινόμενο υπόστρωμα. συνήθως κατασκευασμένα από μονοκρυσταλλικά υλικά όπως πυρίτιο, αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) ή άλλους ημιαγωγούς. Με την προϋπόθεση ότι τα μόρια δεν εκροφούνται, θα διαχέονται στην επιφάνεια του υποστρώματος, προάγοντας την επιταξιακή ανάπτυξη. Στη συνέχεια, η επιταξία χτίζεται στρώμα-στρώμα, με τη σύνθεση και το πάχος κάθε στρώσης να ελέγχονται για να επιτευχθούν οι 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 MBE εξαιρετικά υψηλού κενού επιτρέπει τη χρήση επιτόπιων εργαλείων παρακολούθησης για τον έλεγχο της διαδικασίας εναπόθεσης. Η περίθλαση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας ανάκλασης (RHEED) χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της επιφάνειας ανάπτυξης. Η ανάκλαση με λέιζερ, η θερμική απεικόνιση και η χημική ανάλυση (φασματομετρία μάζας, φασματομετρία Auger) αναλύουν τη σύνθεση του εξατμιζόμενου υλικού. Άλλοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση θερμοκρασιών, πιέσεων και ρυθμών ανάπτυξης προκειμένου να προσαρμόσουν τις παραμέτρους της διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο.

Ρυθμός ανάπτυξης και προσαρμογής

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 τη διασφάλιση της εκρόφησης οξειδίων (>1000°C), επομένως απαιτούνται ειδικοί θερμαντήρες και θήκες για γκοφρέτες. Ζητήματα σχετικά με την αναντιστοιχία στη σταθερά του πλέγματος και τον συντελεστή διαστολής καθιστούν την ανάπτυξη III-V στο πυρίτιο ένα ενεργό θέμα Ε&Α.

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

●  Φώσφορος: Για τα κράματα III-P, ο φώσφορος θα εναποτεθεί στο εσωτερικό του θαλάμου, απαιτώντας μια χρονοβόρα διαδικασία καθαρισμού που μπορεί να καταστήσει μη βιώσιμες τις μικρές περιόδους παραγωγής.

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 προσδιορίζεται 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 επί τόπου παρακολούθησης ποικίλλουν από αυτές του MBE, με το MBE να έχει γενικά περισσότερες επιλογές και δυνατότητα διαμόρφωσης. Για το MOCVD, η πυρομετρία με διόρθωση εκπομπής χρησιμοποιείται για επιτόπια μέτρηση θερμοκρασίας επιφάνειας πλακιδίων (σε αντίθεση με τη μέτρηση θερμοστοιχείου από απόσταση). Η ανακλαστικότητα επιτρέπει την τραχύτητα της επιφάνειας και την ανάλυση του επιταξιακού ρυθμού ανάπτυξης. Το τόξο γκοφρέτας μετριέται με ανάκλαση λέιζερ. και οι παρεχόμενες οργανομεταλλικές συγκεντρώσεις μπορούν να μετρηθούν μέσω παρακολούθησης αερίων υπερήχων, 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 στρώματα υψηλής τάσης, λόγω της ικανότητας να χρησιμοποιούνται τακτικά υλικά αρσενιδίου και φωσφιδίου, είναι δυνατή η εξισορρόπηση της τάσης και η αντιστάθμιση, όπως για τα φράγματα GaAsP και τα κβαντικά φρεάτια InGaAs (QWs).

Περίληψη

Το MBE έχει γενικά περισσότερες επιλογές επιτόπιας παρακολούθησης από το MOCVD. Η επιταξιακή ανάπτυξη ρυθμίζεται από τον ρυθμό ροής και τη θερμοκρασία του υποστρώματος, τα οποία ελέγχονται χωριστά, με τη σχετική επιτόπια παρακολούθηση που επιτρέπει μια πολύ πιο ξεκάθαρη, άμεση, κατανόηση των διαδικασιών ανάπτυξης.

Το MOCVD είναι μια εξαιρετικά ευέλικτη τεχνική που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εναπόθεση ενός ευρέος φάσματος υλικών, συμπεριλαμβανομένων σύνθετων ημιαγωγών, νιτριδίων και οξειδίων, μεταβάλλοντας τη χημεία των προδρόμου. Ο ακριβής έλεγχος της διαδικασίας ανάπτυξης επιτρέπει την κατασκευή πολύπλοκων συσκευών ημιαγωγών με προσαρμοσμένες ιδιότητες για εφαρμογές στην ηλεκτρονική, τη φωτονική και την 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 πολυκρυσταλλικές εναποθέσεις 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 εκ νέου ανάπτυξη, τότε προτιμάται γενικά το MOCVD, λόγω της ευελιξίας του στη χάραξη και την κάλυψη.