Эпитаксия пучковых молекул: рост кристаллов и современные применения.

Введение

Процесс выращивания кристаллов

Эпитаксия молекулярных пучков (ЭМП) – это метод эпитаксии для нанесения тонких плёнок монокристаллов. ЭМП широко используется в производстве полупроводниковых приборов, включая транзисторы, и считается одним из фундаментальных инструментов для развития нанотехнологий. ЭМП применяется для изготовления диодов и МОП-транзисторов (транзисторов с полевым эффектом МОП) на микроволновых частотах, а также для производства лазеров, используемых для чтения оптических дисков (таких как CD и DVD).

История

Первоначальные идеи процесса MBE были впервые сформулированы К. Г. Гюнтером. Пленки, которые он наносил, не были эпитаксиальными, а осаждались на стеклянные подложки. С развитием вакуумных технологий процесс MBE был продемонстрирован Джоном Дэви и Титусом Панки, которым удалось вырастить эпитаксиальные пленки GaAs на монокристаллических подложках GaAs, используя метод Гюнтера. Дальнейшее существенное развитие технологии MBE стало возможным благодаря исследованиям Дж. Р. Артура кинетики механизмов роста и наблюдениям Альфреда Ю. Чо in situ процесса MBE с использованием рефлексионной высокоэнергетической электронной дифракции (RHEED) в конце 1960-х годов.

Метод

Эпитаксия молекулярного луча происходит в высоком вакууме или ультравысоком вакууме (10−8–10−12 Торр). Наиболее важным аспектом MBE является скорость напыления (обычно менее 3000 нм в час), которая обеспечивает эпитаксиальный рост пленок. Для достижения сопоставимого уровня примесей, как при других методах напыления, требуется пропорционально более высокий вакуум. Отсутствие газов-переносчиков, а также среда ультравысокого вакуума, обеспечивают максимально достижимую чистоту выращенных пленок. В MBE с твердыми источниками элементы, такие как галлий и мышьяк, в ультрачистом виде нагреваются в отдельных квази-эффузионных ячейках Кнудсена или испарителях электронного луча до начала медленного сублимирования. Газообразные элементы затем конденсируются на подложке, где могут вступать в реакцию друг с другом. В случае галлия и мышьяка образуется монокристаллический арсенид галлия. При использовании источников испарения, таких как медь или золото, газообразные элементы, попадающие на поверхность, могут адсорбироваться (после временного интервала, в течение которого атомы перемещаются по поверхности) или отражаться. Атомы на поверхности также могут десорбироваться. Контроль температуры источника регулирует скорость поступления материала на поверхность подложки, а температура подложки влияет на скорость перемещения или десорбции. Термин "луч" означает, что испаренные атомы не взаимодействуют друг с другом или с газами вакуумной камеры до достижения подложки благодаря большому среднему свободному пути атомов. В процессе работы часто используется дифракция рефлектированных электронов высокой энергии (RHEED) для контроля роста кристаллических слоев. Компьютер управляет затворами перед каждой печью, обеспечивая точный контроль толщины каждого слоя, вплоть до моноатомного слоя. Таким образом, можно создавать сложные структуры из слоев различных материалов. Такой контроль позволил разработать структуры, в которых электроны могут быть локализованы в пространстве, формируя квантовые ямы или даже квантовые точки. Эти слои являются критически важными компонентами многих современных полупроводниковых приборов, включая полупроводниковые лазеры и светодиоды. В системах, требующих охлаждения подложки, ультравысокий вакуум в камере роста поддерживается системой криопомп и криопанелей, охлаждаемых жидким азотом или холодным азотным газом до температуры, близкой к 77 кельвинам (−196 градусов Цельсия). Холодные поверхности служат ловушкой для примесей в вакууме, поэтому для напыления пленок в таких условиях требуются уровни вакуума на несколько порядков выше. В других системах подложки, на которых выращиваются кристаллы, могут быть установлены на вращающуюся платформу, которую можно нагревать до нескольких сотен градусов Цельсия в процессе работы. Эпитаксия молекулярного луча (MBE) также используется для напыления некоторых типов органических полупроводников. В этом случае испаряются и осаждаются на подложку молекулы, а не атомы. Другие варианты включают MBE с газовым источником, который напоминает химическое осаждение из паровой фазы. Системы MBE также могут быть модифицированы в соответствии с потребностями. Например, могут быть добавлены источники кислорода для напыления оксидных материалов для передовых электронных, магнитных и оптических применений, а также для фундаментальных исследований. Здесь молекулярный луч окислителя используется для достижения желаемой степени окисления многокомпонентного оксида.

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.

Квантовые наноструктуры

Одним из наиболее значительных достижений молекулярно-лучевой эпитаксии является создание наноструктур, позволивших формировать атомно гладкие и резкие гетероинтерфейсы. Эти структуры сыграли беспрецедентную роль в углублении знаний в области физики и электроники. В последнее время были созданы нанопроволоки и квантовые структуры, встроенные в них, обеспечивающие обработку информации и потенциальную интеграцию с бортовыми приложениями для квантовой связи и вычислений. Создание таких гетероструктурных лазеров на нанопроволоках возможно только с использованием передовых методов молекулярно-лучевой эпитаксии, обеспечивающих монолитную интеграцию на кремнии и обработку сигналов с временным разрешением в пикосекунды.

Asaro Tiller Гринфельд нестабильность

Нестабильность Асаро–Тиллера–Гринфельда (ATG), также известная как нестабильность Гринфельда, — это эластическая нестабильность, часто возникающая при молекулярно-лучевой эпитаксии. Если существует рассогласование между размерами решеток растущей пленки и подложки, в растущей пленке накапливается упругая энергия. При достижении определенной критической толщины свободная энергия пленки может быть уменьшена, если пленка распадается на отдельные острова, где напряжение может быть снято за счет латерального расширения. Критическая толщина зависит от модуля Юнга, величины рассогласования и поверхностного натяжения. Исследованы некоторые области применения этой нестабильности, например, самосборка квантовых точек. В научном сообществе для обозначения ATG используется термин "рост Странского–Крастанова".