Apa bedane teknologi MBE lan MOCVD?

Loro-lorone reaktor molekuler beam epitaxy (MBE) lan metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) beroperasi ing lingkungan kamar resik lan nggunakake piranti metrologi sing padha kanggo karakterisasi wafer. MBE sumber padhet nggunakake prekursor unsur kemurnian dhuwur sing dipanasake ing sel efusi kanggo nggawe sinar molekul kanggo ngaktifake deposisi (karo nitrogen cair digunakake kanggo pendinginan). Ing kontras, MOCVD minangka proses uap kimia, nggunakake sumber gas ultra-murni kanggo ngaktifake deposisi, lan mbutuhake penyerahan lan pengurangan gas beracun. Kaloro teknik kasebut bisa ngasilake epitaksi sing padha ing sawetara sistem material, kayata arsenida. Pilihan saka siji teknik tinimbang liyane kanggo bahan, proses, lan pasar tartamtu dibahas.

Molecular Beam Epitaxy

Reaktor MBE biasane kasusun saka kamar transfer sampel (mbukak kanggo udhara, kanggo ngidini substrat wafer dimuat lan dibongkar) lan kamar wutah (biasane disegel, lan mung mbukak kanggo udhara kanggo pangopènan) ing ngendi substrat ditransfer kanggo pertumbuhan epitaxial. . Reaktor MBE beroperasi ing kahanan vakum ultra-dhuwur (UHV) kanggo nyegah kontaminasi saka molekul udara. Kamar bisa digawe panas kanggo akselerasi evakuasi rereged kasebut yen kamar wis mbukak kanggo online.

Asring, bahan sumber epitaksi ing reaktor MBE minangka semikonduktor padhet utawa logam. Iki digawe panas ngluwihi titik leleh (yaiku penguapan bahan sumber) ing sel efusi. Ing kene, atom utawa molekul didorong menyang ruang vakum MBE liwat aperture cilik, sing menehi sinar molekul sing arah banget. Iki impinges ing landasan digawe panas; biasane digawe saka bahan kristal tunggal kaya silikon, gallium arsenide (GaAs) utawa semikonduktor liyane. Yen molekul ora desorb, bakal kasebar ing permukaan substrat, ningkatake pertumbuhan epitaxial. Epitaksi kasebut banjur dibangun lapisan kanthi lapisan, kanthi komposisi lan ketebalan saben lapisan dikontrol kanggo entuk sifat optik lan listrik sing dikarepake.

Substrat dipasang ing tengah, ing ruang pertumbuhan, ing wadhah sing digawe panas sing diubengi cryoshields, ngadhepi sel efusi lan sistem rana. Wadhah muter kanggo nyedhiyakake deposisi seragam lan kekandelan epitaxial. Cryoshields minangka piring-piring sing didinginkan nitrogen cair sing nangkep rereged lan atom ing kamar sing sadurunge ora dijupuk ing permukaan substrat. Kontaminasi kasebut bisa saka desorpsi substrat ing suhu dhuwur utawa kanthi 'overfilling' saka sinar molekul.

Ruang reaktor MBE ultra-dhuwur vakum mbisakake alat ngawasi ing papan kanggo ngontrol proses deposisi. Reflection high-energy electron difraction (RHEED) digunakake kanggo ngawasi lumahing wutah. Reflektansi laser, pencitraan termal, lan analisis kimia (spektrometri massa, spektrometri Auger) nganalisa komposisi bahan sing nguap. Sensor liyane digunakake kanggo ngukur suhu, tekanan lan tingkat wutah supaya bisa nyetel paramèter proses ing wektu nyata.

Tingkat wutah lan imbuhan

Tingkat pertumbuhan epitaxial, sing biasane kira-kira sapratelo saka monolayer (0,1nm, 1Å) per detik, dipengaruhi dening tingkat fluks (jumlah atom sing teka ing permukaan substrat, dikontrol dening suhu sumber) lan suhu substrat. (sing mengaruhi sifat difusi saka atom ing permukaan substrat lan desorpsi, dikontrol dening panas substrat). Parameter kasebut diatur lan dipantau kanthi mandiri ing reaktor MBE, kanggo ngoptimalake proses epitaxial.

Kanthi ngontrol tingkat pertumbuhan lan pasokan bahan sing beda-beda kanthi nggunakake sistem shutter mekanik, paduan ternary lan quaternary lan struktur multi-lapisan bisa ditanam kanthi andal lan bola-bali. Sawise deposisi, landasan digawe adhem alon-alon supaya ora stres termal lan diuji kanggo menehi ciri struktur lan sifat kristal.

Karakteristik bahan kanggo MBE

Karakteristik sistem material III-V sing digunakake ing MBE yaiku:

●  Silikon: Wutah ing substrat silikon mbutuhake suhu sing dhuwur banget kanggo mesthekake desorpsi oksida (> 1000 ° C), saengga dibutuhake pemanas khusus lan wafer wafer. Masalah babagan ketidakcocokan ing konstanta kisi lan koefisien ekspansi nggawe pertumbuhan III-V ing silikon minangka topik R&D aktif.

●  Antimony: Kanggo semikonduktor III-Sb, suhu substrat sing kurang kudu digunakake kanggo nyegah desorpsi saka permukaan. 'Non-congruence' ing suhu dhuwur uga bisa kedaden, ngendi siji spesies atom bisa preferentially nguap kanggo ninggalake bahan non-stoikiometrik.

●  Fosfor: Kanggo wesi III-P, phosphorous bakal setor ing nang saka kamar, mrintahake proses resik-munggah wektu-akeh sing bisa nggawe produksi short mlaku unviable.

Deposisi uap kimia logam-organik

Reaktor MOCVD nduweni kamar reaksi suhu dhuwur lan adhem banyu. Substrat dipanggonke ing susceptor grafit sing digawe panas dening pemanasan RF, resistif utawa IR. Gas reagen disuntikake vertikal menyang kamar proses ing ndhuwur substrat. Keseragaman lapisan digayuh kanthi ngoptimalake suhu, injeksi gas, aliran gas total, rotasi susceptor lan tekanan. Gas pembawa yaiku hidrogen utawa nitrogen.

Kanggo nyimpen lapisan epitaxial, MOCVD nggunakake prekursor logam-organik kemurnian banget kayata trimethylgallium kanggo gallium utawa trimethylaluminium kanggo aluminium kanggo unsur klompok-III lan gas hidrida (arsine lan fosfin) kanggo unsur grup-V. Logam-organik ana ing bubblers aliran gas. Konsentrasi sing disuntikake menyang kamar proses ditemtokake dening suhu lan tekanan saka aliran gas logam-organik lan pembawa liwat bubbler.

Reagen kanthi decompose ing permukaan substrat ing suhu wutah, ngeculake atom logam lan produk sampingan organik. Konsentrasi reagen diatur kanggo ngasilake struktur campuran III-V sing beda-beda, bebarengan karo sistem switching run/vent kanggo nyetel campuran uap.

Substrat biasane wafer kristal tunggal saka bahan semikonduktor kayata gallium arsenide, indium phosphide, utawa safir. Iki dimuat menyang susceptor ing kamar reaksi ing ngendi gas prekursor disuntikake. Akèh-akèhé logam-organik lan gas-gas liyané sing wis diuapaké ngliwati ruang pertumbuhan sing dipanasaké ora owah, nanging sapérangan cilik ngalami pirolisis (retak), nggawe bahan subspesies sing nyerep ing permukaan substrat panas. Reaksi permukaan banjur nyebabake penggabungan unsur III-V menyang lapisan epitaxial. Utawa, desorpsi saka permukaan bisa kedadeyan, kanthi reagen sing ora digunakake lan produk reaksi dievakuasi saka kamar. Kajaba iku, sawetara prekursor bisa nyebabake etsa 'pertumbuhan negatif' ing permukaan, kayata ing doping karbon GaAs / AlGaAs, lan kanthi sumber etchant khusus. Susceptor muter kanggo mesthekake komposisi konsisten lan kekandelan saka epitaxy.

Suhu wutah sing dibutuhake ing reaktor MOCVD utamane ditemtokake dening pyrolysis sing dibutuhake saka prekursor, lan banjur dioptimalake babagan mobilitas permukaan. Tingkat wutah ditemtokake dening tekanan uap saka sumber logam-organik klompok-III ing bubblers. Difusi lumahing kena pengaruh langkah-langkah atom ing permukaan, kanthi substrat misoriented asring digunakake kanggo alasan iki. Wutah ing substrat silikon mbutuhake tahap suhu sing dhuwur banget kanggo njamin desorpsi oksida (> 1000 ° C), nuntut pemanas khusus lan wadhah substrat wafer.

Tekanan vakum lan geometri reaktor tegese teknik pemantauan in-situ beda-beda karo MBE, kanthi MBE umume duwe pilihan lan konfigurasi luwih akeh. Kanggo MOCVD, pyrometry sing dikoreksi emisivitas digunakake kanggo pangukuran suhu permukaan wafer in-situ (minangka lawan saka remot, pangukuran termokopel); reflectivity ngidini lumahing roughening lan tingkat wutah epitaxial dianalisis; busur wafer diukur kanthi refleksi laser; lan konsentrasi organologam sing diwenehake bisa diukur liwat pemantauan gas ultrasonik, kanggo nambah akurasi lan reproducibility saka proses wutah.

Biasane, wesi sing ngemot aluminium ditanam ing suhu sing luwih dhuwur (> 650 ° C), nalika lapisan sing ngemot fosfor ditanam ing suhu sing luwih murah (<650 ° C), kanthi kemungkinan pengecualian kanggo AlInP. Kanggo paduan AlInGaAs lan InGaAsP, digunakake kanggo aplikasi telekomunikasi, prabédan ing suhu retak arsin ndadekake kontrol proses luwih gampang tinimbang fosfin. Nanging, kanggo epitaxial re-growth, ngendi lapisan aktif etched, phosphine disenengi. Kanggo bahan antimonida, penggabungan karbon sing ora disengaja (lan umume ora dikarepake) menyang AlSb kedadeyan, amarga ora ana sumber prekursor sing cocog, mbatesi pilihan paduan lan supaya penyerapan pertumbuhan antimonida dening MOCVD.

Kanggo lapisan sing tegang banget, amarga kemampuan kanggo nggunakake bahan arsenide lan fosfat kanthi rutin, keseimbangan lan kompensasi regangan bisa ditindakake, kayata kanggo alangan GaAsP lan sumur kuantum (QWs) InGaAs.

Ringkesan

MBE umume duwe luwih akeh pilihan ngawasi in-situ tinimbang MOCVD. Wutah epitaxial diatur kanthi tingkat fluks lan suhu substrat, sing dikontrol kanthi kapisah, kanthi pemantauan in-situ sing gegandhengan ngidini pangerten sing luwih jelas, langsung, babagan proses pertumbuhan.

MOCVD minangka teknik serbaguna sing bisa digunakake kanggo nyimpen macem-macem bahan, kalebu semikonduktor senyawa, nitrida lan oksida, kanthi ngowahi kimia prekursor. Kontrol sing tepat babagan proses pertumbuhan ngidini nggawe piranti semikonduktor kompleks kanthi sifat sing cocog kanggo aplikasi ing elektronika, fotonik lan optoelektronik. Wektu ngresiki kamar MOCVD luwih cepet tinimbang MBE.

MOCVD apik banget kanggo pertumbuhan maneh laser umpan balik sing disebarake (DFB), piranti heterostruktur sing dikubur, lan pandu gelombang bokong. Iki bisa uga kalebu etsa ing-situ saka semikonduktor. Mulane, MOCVD becik kanggo integrasi InP monolitik. Sanajan integrasi monolitik ing GaAs isih cilik, MOCVD mbisakake tuwuhing wilayah sing selektif, ing ngendi wilayah topeng dielektrik mbantu spasi dawa gelombang emisi / panyerepan. Iki angel ditindakake karo MBE, ing ngendi celengan polycrystal bisa dibentuk ing topeng dielektrik.

Umumé, MBE minangka cara wutah pilihan kanggo bahan Sb lan MOCVD minangka pilihan kanggo bahan P. Loro Techniques wutah duwe Kapabilitas padha kanggo bahan basis As. Pasar mung MBE tradisional, kayata elektronik, saiki bisa dilayani kanthi apik kanthi wutah MOCVD. Nanging, kanggo struktur sing luwih maju, kayata kuantum dot lan laser kaskade kuantum, MBE asring disenengi kanggo epitaksi basa. Yen epitaxial regrowth dibutuhake, banjur MOCVD umume disenengi, amarga etsa lan masking keluwesan.