Презентация на тему "Молекулярно-лучевая эпитаксия"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Молекулярно-лучевая эпитаксия

• 
  Слайд 2

  История вопроса

  Принципы технологии МВЕ создавались постепенно: -         в 1964 году (R.B.Scholar, J.N.Zemel) получены первые совершенные эпитаксиальные пленки PbS на монокристаллической подложке NaCl. -         в 1968 году (J.E.Davey, T.Pankey, J.R.Artur) были выращены пленки GaAs на монокристаллических подложках арсенида галия. 70-е годы, новый этап развития, связанный с промышленным производством подходящего оборудования

• 
  Слайд 3
  

  Атомные или молекулярные пучки создаются в эффузионных ячейках (М. Кундсен – 1911 год). Атомы в пучках движутся по инерции в сверхвысоком вакууме без столкновений друг с другом или другими частицами. Именно баллистический характер транспорта компонентов полупроводникового соединения обеспечивает создание однородных метастабильных твердых растворов.

• 
  Слайд 4
  

  МВЕ обеспечивает эпитаксиальный рост тонких пленок п/п соединений за счет реакций между компонентами атомных или молекулярных пучков с поверхностью подложки. Важным фактором является использование высокочистых источников напыляемых объектов и жесткий контроль температуры подложки и источников.

• 
  Слайд 5

  Принципиальные элементы установки

• 
  Слайд 6

  Области, определяющие основные особенности МВЕ

  I – зона генерации молекулярных пучков эффузионными ячейками Кнудсена с механическими заслонками II – зона смешивания (пересечения) пучков элементов, испаряемых из разных эффузионных ячеек III – зона кристаллизации на подложке (зона роста)

• 
  Слайд 7
  

  Зону роста можно условно разбить на три части: первая – кристаллическая подложка; вторая - газовая смесь компонентов ГС в приповерхностной области; третья – переходной слой, геометрия которого и протекающие в нем процессы сильно зависят от выбора условий роста.

• 
  Слайд 8

  Эпитаксиальный рост

  адсорбция падающих на подложку атомов или молекул, составляющих выращиваемое соединение миграция адсорбированных атомов по поверхности подложки встраивание атомов, составляющих ГС, в кристаллическую решетку подложки или растущий моноатомный слой термическая десорбция атомов, не встроившихся в решетку образование и дальнейший рост двумерных зародышей кристалла на подложке или на поверхности растущего слоя 6. взаимная диффузия атомов, встроившихся в кристаллическую решетку

• 
  Слайд 9

  Элементарные процессы в зоне роста

• 
  Слайд 10
  

    1 адсорбция падающих на подложку атомов или молекул, составляющих выращиваемое соединение 2-  миграция адсорбированных атомов по поверхности 3- встраивание адсорбированных атомов в кристаллическую решетку 4- термическая десорбция 5- образование поверхностных зародышей Буквами n-n и i-i показаны нормальная и инвертированная поверхности раздела растущей ГС. Область между этими поверхностями представляет собой квантовую яму шириной L.

• 
  Слайд 11
  

  Ионно-ковалентный характер и значительная энергия химических связей в полупроводниковых соединениях типа А3В5 и А2В6 приводят к тому, что атомы катионов А и анионов В замещают вполне определенные положения в кристаллографической решетке. За время роста одного монослоя (~ 1с) атом совершает несколько тысяч диффузионных прыжков пока не займет свое окончательное положение в решетке.

• 
  Слайд 12
  

  За время роста одного монослоя (~ 1с) атом совершает несколько тысяч диффузионных прыжков пока не займет свое окончательное положение в решетке, происходит самоорганизация растущей структуры.

• 
  Слайд 13
  

  Качество гетерограниц может быть существенно разным в зависимости от того, какое из соединений при выбранном температурном режиме растет первым. Границы принято называть нормальными, если компонент с более низкой температурой плавления растет первым (например, AlxGa1-xAs на GaAs); для обратной последовательности используется термин инвертированная граница. На предыдущем рисунке проекции этих границ изображены линиями с индексами nи i соответственно.

• 
  Слайд 14
  

  Для получения совершенных гетерограниц используются методы прерывания роста или осаждения пульсирующим пучком. Сглаживание поверхности во время прерывания роста обусловлено процессами поверхностной диффузии и/или сублимацией атомов, адсорбированных на поверхность выращенного монослоя

• 
  Слайд 15

  Температура подложки

  Температура подложки определяет скорость поверхностной диффузии. Эта температура должна обеспечить необходимое число (~ 104) диффузионных прыжков атома по поверхности. Среднее перемещение атома по поверхности за время t определяется как x = (Dst)1/2, где Ds = Dsoexp(-Esd/T) – коэффициент поверхностной диффузии. Предэкспоненциальный фактор Dso = а2ν, где а – длина диффузионного прыжка, Т- температура, ν ~ 1012c-1 – частота колебаний атома на поверхности.

• 
  Слайд 16
  

  Энергия активации поверхностной диффузии Esd в полупроводниках обычно составляет 1 – 1,5 эВ, поэтому за одну секунду атом в среднем смещается на несколько десятков или сот межатомных расстояний при температуре подложки 600 – 800 ОС. Такое смещение соответствует приблизительно 104 диффузионным прыжкам.

• 
  Слайд 17
  

  Кристаллическая структура цинковой обманки

• 
  Слайд 18

  Осаждение металлоорганических пленок

  Методика осаждения металлоорганических пленок (МОС) (metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE) отличается от МВЕ технологии характером массопереноса: атомные и молекулярные пучки без объемной диффузии в МВЕ и газовый поток с объемной диффузией в направлении роста ГС в MOVPE.

• 
  Слайд 19

  Схема горизонтального реактора открытого типа

   1- кварцевый корпус; 2 – катушка ВЧ-генератора для нагревания подложки, 3 – блок нагревания; 4 – подложки; 5, 6 – водяное охлаждение; Показано распределение скоростей V и температуры Т в газовом потоке

• 
  Слайд 20

  Short story

  В 1968 году Манасевит Г.М. (Manasevit H.M.) показал, что газофазные смеси металлоорганического соединения триметилгалия (CH3)3Ga и гидрида мышьяка AsH3 при осуществлении реакции пиролиза (разложения при повышенной температуре) в атмосфере молекулярного водорода Н2 при Т ~ 600-700 ОС в реакторе открытого типа могут быть использованы для выращивания эпитаксиальных пленок GaAs.

• 
  Слайд 21

  Что это за соединения?

  Металлорганические соединения представляют собой широкий класс веществ, в которых присутствуют такие виды связей как металл-углерод или металл-кислород-углерод. Кроме того существую координационные соединения металлов и органических молекул.

• 
  Слайд 22
  

  Металлоорганические и гидридные компоненты смешиваются в газовой фазе и подвергаются пиролизу в атмосфере Н2 в потоке через реактор открытого типа, действующий при атмосферном или пониженном давлении. Температура пиролиза обычно составляет от 600 до 800 ОС.

• 
  Слайд 23
  

  Энергия для разогрева газовой смеси подводится от высокочастотного генератора. Происходит разогрев графитового столика, на котором размещаются графитовые подложки. Газовая смесь вблизи подложек также нагревается до высокой температуры в то время как стенки камеры остаются холодными за счет специального охлаждения. Такой режим работы обеспечивает осаждение продуктов реакции на подложках и приводит к минимальной потере компонентов смеси.

• 
  Слайд 24

  Преимущества методов МВЕ и MOVPE:

  -         возможность получения высококачественных монокристаллических структур при использовании сверхвысокого вакуума и высокочистых источников напыляемых веществ -         возможность выращивания ГС со сверхтонкими слоями и резким изменением химического состава на гетерограницах за счет относительно низкой температуры роста при отсутствии взаимной диффузии -         возможность селективного легирования и создания структур со сложным профилем химического состава возможность контроля толщины слоев ГС и качества гетерограниц непосредственно в процессе роста.