Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кристаллдар өсу процесі
Crystal growth process
Молекулалық сәуле эпитаксиясы (МБЭ) – жалғыз кристалдардың жұқа қабаттарын жағуға арналған эпитаксия әдісі. МБЭ жартылай өткізгіш құрылғыларды, оның ішінде транзисторларды жасауда кеңінен қолданылады және нанотехнологияларды дамытудың маңызды құралдарының бірі саналады. МБЭ микротолқынды жиіліктерде диодтар мен МОП (Металл-Оксид-Жартылай өткізгіш) өрістік эффектті транзисторларды жасауға, сондай-ақ оптикалық дискілерді (мысалы, CD және DVD) оқуға қолданылатын лазерлерді өндіруге пайдаланылады.
Molecular beam epitaxy (MBE) is an epitaxy method for thin film deposition of single crystals. MBE is widely used in the manufacture of semiconductor devices, including transistors, and it is considered one of the fundamental tools for the development of nanotechnologies. MBE is used to fabricate diodes and MOSFETs (MOS field effect transistors) at microwave frequencies, and to manufacture the lasers used to read optical discs (such as CDs and DVDs).
Тарих
МБЭ процесінің бастапқы идеяларын алғаш рет К. Г. Гюнтер қалыптастырды. Ол жатқан қабықшалар эпитаксиалды емес, шыны субстраттарға жатты. Вакуумдық технологияның дамуымен қатар, Джон Дэви мен Титус Панки МБЭ процесін көрсетті, олар Гюнтер әдісін пайдаланып, бір кристалды GaAs субстраттарында GaAs эпитаксиалды қабықшаларын өсіруде сәттілікке жетті. МБЭ қабықшаларының одан әрі дамуы 1960 жылдардың соңында J. R. Артурдың өсу механизмдерінің кинетикалық ерекшеліктерін зерттеуі және Альфред Ю. Чоның жоғары энергиялы электронды дифракция (RHEED) көмегімен МБЭ процесін тікелей бақылауының нәтижесінде мүмкін болды.
Original ideas of MBE process were first established by K. G. Günther. Films he deposited were not epitaxial, but were deposited on glass substrates. With the development of vacuum technology, MBE process was demonstrated by John Davey and Titus Pankey who succeeded in growing GaAs epitaxial films on single crystal GaAs substrates using Günther's method. Major subsequent development of MBE films was enabled by J. R. Arthur's investigations of kinetic behavior of growth mechanisms and Alfred Y. Cho's in situ observation of MBE process using reflection high energy electron diffraction (RHEED) in the late 1960s.
Әдіс
Молекулалық сәуле эпитаксисі жоғары вакуумда немесе жоғары вакуумда (10−8–10−12 Торр) жүзеге асырылады. МБЭ-нің ең маңызды аспектісі – қабаттардың эпитаксиялық өсуіне мүмкіндік беретін шоғырлану жылдамдығы (әдетте сағатына 3000 нм-ден кем). Бұл шоғырлану жылдамдықтары басқа шоғырлану техникаларымен бірдей қоспа деңгейін алу үшін пропорционалды түрде жақсы вакуумды талап етеді. Тасымалдаушы газдардың болмауы, сондай-ақ жоғары вакуумдық орта, өсірілген қабаттардың ең жоғары тазалығын қамтамасыз етеді. Қатты көзді МБЭ-де галлий және мырыш сияқты элементтер, жоғары таза күйде, олардың баяу сублимациялануына дейін жеке квази-Кнудсен эффузиялық ұяларында немесе электрондық сәуле буландырғыштарында қыздырылады. Газ тәрізді элементтер кейін пластинаға конденсацияланады, онда олар бір-бірімен әрекеттесе алады. Галлий және мырыш мысалы бойынша, бір кристалды галлий арсениді түзіледі. Мыс немесе алтын сияқты буландыру көздері қолданылғанда, бетке тиетін газ тәрізді элементтер адсорбциялануы (бетте атомдардың қозғалыс терезесінен кейін) немесе шағылысуы мүмкін. Беттегі атомдар да десорбциялануы мүмкін. Көздің температурасын бақылау материалдың субстрат бетіне тию жылдамдығын бақылайды, ал субстраттың температурасы қозғалыс немесе десорбция жылдамдығына әсер етеді. "Сәуле" термині буланған атомдардың ұзақ орташа еркін жолдарына байланысты пластинаға жеткенге дейін бір-бірімен немесе вакуумдық камера газдарымен өзара әрекеттеспейтінін білдіреді. Жұмыс істеу кезінде кристалл қабаттарының өсуін бақылау үшін көбінесе рефлексиялық жоғары энергиялы электрондық дифракция (RHEED) қолданылады. Компьютер әр пештің алдындағы жалюзилерді басқарады, бұл әрбір қабаттың қалыңдығын, тіпті бір атомдық қабатқа дейін, дәл бақылауға мүмкіндік береді. Осылайша, әр түрлі материалдан жасалған күрделі құрылымдар жасалуы мүмкін. Мұндай бақылау электронды кеңістікте шектеуге мүмкіндік беретін құрылымдарды, кванттық құдықтарды немесе тіпті кванттық нүктелерді дамытуға мүмкіндік берді. Мұндай қабаттар қазіргі уақытта көптеген заманауи жартылай өткізгіш құрылғылардың, соның ішінде жартылай өткізгіш лазерлер мен жарықдиодтардың маңызды бөлігі болып табылады. Субстратты салқындату қажет болған жағдайларда, өсу камерасындағы жоғары вакуумдық ортаны сұйық азот немесе салқын азот газы арқылы 77 Кельвинге (−196 градус Цельсий) жақын температураға дейін салқындатылған криопомпалар мен криопанельдер жүйесі сақтайды. Салқын беттер вакуумдағы қоспаларды сіңіретіндей әрекет етеді, сондықтан осы жағдайларда пленкаларды шоғырландыру үшін вакуум деңгейі бірнеше есе жоғары болуы керек. Басқа жүйелерде кристаллдар өсірілетін пластиналар айналмалы платформаға орнатылуы мүмкін, оны жұмыс кезінде бірнеше жүз градус Цельсийге дейін қыздыруға болады. Молекулалық сәуле эпитаксиі (МБЭ) кейбір органикалық жартылай өткізгіштерді шоғырландыру үшін де қолданылады. Бұл жағдайда атомдар емес, молекулалар буландырылып, пластинаға түседі. Басқа нұсқалардың арасында химиялық будың шоғырлануына ұқсас газ көзі МБЭ бар. МБЭ жүйелерін қажеттілікке қарай өзгертуге болады. Мысалы, озық электрондық, магниттік және оптикалық қолданбалар үшін, сондай-ақ негізгі зерттеулер үшін оксид материалдарын шоғырландыру үшін оттегі көздерін қосуға болады. Мұнда көп компонентті оксидтің қажетті тотығу күйіне жету үшін тотықтырғыш молекулалық сәуле қолданылады.
Molecular beam epitaxy takes place in high vacuum or ultra high vacuum (10−8–10−12 Torr). The most important aspect of MBE is the deposition rate (typically less than 3,000 nm per hour) that allows the films to grow epitaxially. These deposition rates require proportionally better vacuum to achieve the same impurity levels as other deposition techniques. The absence of carrier gases, as well as the ultra high vacuum environment, result in the highest achievable purity of the grown films. In solid source MBE, elements such as gallium and arsenic, in ultra pure form, are heated in separate quasi Knudsen effusion cells or electron beam evaporators until they begin to slowly sublime. The gaseous elements then condense on the wafer, where they may react with each other. In the example of gallium and arsenic, single crystal gallium arsenide is formed. When evaporation sources such as copper or gold are used, the gaseous elements impinging on the surface may be adsorbed (after a time window where the impinging atoms will hop around the surface) or reflected. Atoms on the surface may also desorb. Controlling the temperature of the source will control the rate of material impinging on the substrate surface and the temperature of the substrate will affect the rate of hopping or desorption. The term "beam" means that evaporated atoms do not interact with each other or vacuum chamber gases until they reach the wafer, due to the long mean free paths of the atoms. During operation, reflection high energy electron diffraction (RHEED) is often used for monitoring the growth of the crystal layers. A computer controls shutters in front of each furnace, allowing precise control of the thickness of each layer, down to a single layer of atoms. Intricate structures of layers of different materials may be fabricated this way. Such control has allowed the development of structures where the electrons can be confined in space, giving quantum wells or even quantum dots. Such layers are now a critical part of many modern semiconductor devices, including semiconductor lasers and light emitting diodes. In systems where the substrate needs to be cooled, the ultra high vacuum environment within the growth chamber is maintained by a system of cryopumps and cryopanels, chilled using liquid nitrogen or cold nitrogen gas to a temperature close to 77 kelvins (−196 degree Celsius). Cold surfaces act as a sink for impurities in the vacuum, so vacuum levels need to be several orders of magnitude better to deposit films under these conditions. In other systems, the wafers on which the crystals are grown may be mounted on a rotating platter, which can be heated to several hundred degrees Celsius during operation. Molecular beam epitaxy (MBE) is also used for the deposition of some types of organic semiconductors. In this case, molecules, rather than atoms, are evaporated and deposited onto the wafer. Other variations include gas source MBE, which resembles chemical vapor deposition. MBE systems can also be modified according to need. Oxygen sources, for example, can be incorporated for depositing oxide materials for advanced electronic, magnetic and optical applications, as well as for fundamental research. Here, a molecular beam of an oxidant is used to achieve the desired oxidation state of a multicomponent oxide.
Кванттық наноструктуралар
Молекулалық сәуле эпитаксиінің ең үлкен жетістіктерінің бірі – атомдық деңгейде тегіс және күрт гетероқосылыстарды жасауға мүмкіндік беретін наноқұрылымдар. Мұндай құрылымдар физика және электроника ғылымын дамытуда беспрецеденттік рөл атқарды. Соңғы кезде, ақпаратты өңдеуге және кванттық байланыс пен есептеуге арналған чиптегі қолданулармен интеграциялауға мүмкіндік беретін наносымдар және олардың ішіндегі кванттық құрылымдар жасалып жатыр. Бұл гетероқұрылымды наносымды лазерлерді тек қана жетілдірілген MBE техникасын қолдана отырып құруға болады, бұл кремнийге монолиттік интеграциялауға және пикосекундтық сигналды өңдеуге мүмкіндік береді.
One of the most accomplished achievements of molecular beam epitaxy is the nano structures that permitted the formation of atomically flat and abrupt hetero interfaces. Such structures have played an unprecedented role in expanding the knowledge of physics and electronics. Most recently the construction of nanowires and quantum structures built within them that allow information processing and the possible integration with on chip applications for quantum communication and computing. These heterostructure nanowire lasers are only possible to build using advance MBE techniques, allowing monolithical integration on silicon and picosecond signal processing.
Асаро Тиллер Гринфельд тұрақсыздығы
Asaro–Tiller–Grinfeld (ATG) тұрақсыздығы, сондай-ақ Гринфельд тұрақсыздығы деп те аталады, молекулалық сәулелі эпитаксия кезінде жиі кездесетін серпімді тұрақсыздық. Егер өсіп келе жатқан қабық пен оны қолдайтын кристалдың тор өлшемдері арасында айырмашылық болса, өсіп келе жатқан қабықта серпімдік энергия жинақталады. Белгілі бір биіктікте, қабық жеке аралдарға бөлінуіне байланысты, оның еркін энергиясы төмендеуі мүмкін, бұл кернеуді көлденең бағытта босатуға мүмкіндік береді. Критикалық биіктік Янг модуліне, айырмашылықтың мөлшеріне және беттік кернеуге байланысты. Бұл тұрақсыздықтың кванттық нүктелердің өздігінен құралуы сияқты қолданыс салалары зерттелген. Бұл салалық қауымдастық ATG үшін Штрански–Крастанов өсуін қолданады.
The Asaro–Tiller–Grinfeld (ATG) instability, also known as the Grinfeld instability, is an elastic instability often encountered during molecular beam epitaxy. If there is a mismatch between the lattice sizes of the growing film and the supporting crystal, elastic energy will be accumulated in the growing film. At some critical height, the free energy of the film can be lowered if the film breaks into isolated islands, where the tension can be relaxed laterally. The critical height depends on the Young's modulus, mismatch size, and surface tension. Some applications for this instability have been researched, such as the self assembly of quantum dots. This community uses the name of Stranski–Krastanov growth for ATG.