Химическое эпитаксия из газовой фазы (CBE) и ее особенности.

Введение

Техника осаждения полупроводников. Химическая эпитаксия пучками (CBE) представляет собой важный класс методов осаждения для полупроводниковых слоистых систем, особенно для полупроводников III–V. Этот вид эпитаксиального роста осуществляется в системе сверхвысокого вакуума. Реагенты представлены в виде молекулярных пучков реактивных газов, как правило, в форме гидридов или металлоорганических соединений. Термин CBE часто используется как синоним металлоорганической молекулярной эпитаксии пучками (MOMBE). Однако эта номенклатура всё же различает эти два (несколько отличающихся) процесса. В строгом смысле CBE относится к технике, в которой оба компонента получают из газообразных источников, а MOMBE – к технике, в которой компонент III группы получают из газообразного источника, а компонент V группы – из твердого источника.

Основные принципы

Химическая эпитаксия пучков была впервые продемонстрирована В. Т. Цангом в 1984 году. Этот метод был затем описан как гибрид металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), сочетающий преимущества обеих технологий. В этой первоначальной работе InP и GaAs выращивались с использованием газообразных алкилов групп III и V. Элементы группы III получали в результате пиролиза алкилов на поверхности, а элементы группы V – путем разложения алкилов при контакте с нагретыми танталом (Ta) или молибденом (Mo) при температуре 950–1200 °C. Типичное давление в газовом реакторе составляет от 102 Торр до 1 атм для MOCVD. В этом случае транспорт газа происходит посредством вязкого потока, а химические вещества достигают поверхности путем диффузии. В отличие от этого, в CBE используются давления газа менее 10−4 Торр. Транспорт газа теперь осуществляется в виде молекулярного пучка благодаря значительно большей длине свободного пробега, и процесс переходит в химическое осаждение пучка. Важно отметить, что MBE использует атомные пучки (например, алюминия (Al) и галлия (Ga)) и молекулярные пучки (например, As4 и P4), которые испаряются при высоких температурах из твердых элементарных источников, в то время как источники для CBE находятся в парообразном состоянии при комнатной температуре. Сравнение различных процессов, протекающих в камерах роста для MOCVD, MBE и CBE, представлено на рисунке 1. [[Изображение:CBE im1. png|center|500px|thumb|Рисунок 1: Основные процессы внутри камер роста а) MOCVD, b) MBE и c) CBE. Система подачи газа, являющаяся одним из важнейших компонентов системы, контролирует поток материального пучка. Чаще всего используются системы с регулируемым давлением. Поток материала контролируется входным давлением капилляра впрыска газа. Давление внутри камеры можно измерять и регулировать с помощью емкостного манометра. Молекулярные пучки инжекторов газообразных исходных материалов или эфузионные сопла обеспечивают однородный профиль пучка. Для некоторых исходных соединений, таких как гидриды, являющиеся исходным материалом группы V, гидриды необходимо предварительно расщеплять в инжекторе. Обычно это делается путем термического разложения с использованием нагретого металла или нити накаливания. Также отсутствует пограничный слой (как в MOCVD), и из-за низкого давления молекулярные столкновения минимальны. Алкилы группы V обычно подаются в избытке, а молекулы алкилов группы III непосредственно сталкиваются с нагретой подложкой, как в традиционной MBE. В этом случае молекула алкила группы III имеет два варианта. Первый – диссоциировать три алкильных радикала, приобретая тепловую энергию с поверхности и оставляя на поверхности атомы элементарной группы III. Второй – частично или полностью недиссоциированно переиспариться. Таким образом, скорость роста определяется скоростью поступления алкилов группы III при более высокой температуре подложки и скоростью поверхностного пиролиза при более низких температурах. Эта возможность открывает интересные перспективы для получения структурированных тонких пленок за один этап, особенно для материалов, которые трудно травятся, таких как оксиды.

Chemical beam epitaxy was first demonstrated by W. T. Tsang in 1984. This technique was then described as a hybrid of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE) that exploited the advantages of both the techniques. In this initial work, InP and GaAs were grown using gaseous group III and V alkyls. While group III elements were derived from the pyrolysis of the alkyls on the surface, the group V elements were obtained from the decomposition of the alkyls by bringing in contact with heated Tantalum (Ta) or Molybdenum (Mo) at 950 1200 °C. Typical pressure in the gas reactor is between 102 Torr and 1 atm for MOCVD. Here, the transport of gas occurs by viscous flow and chemicals reach the surface by diffusion. In contrast, gas pressures of less than 10−4 Torr are used in CBE. The gas transport now occurs as molecular beam due to the much longer mean free paths, and the process evolves to a chemical beam deposition. It is also worth noting here that MBE employs atomic beams (such as aluminium (Al) and Gallium (Ga)) and molecular beams (such as As4 and P4) that are evaporated at high temperatures from solid elemental sources, while the sources for CBE are in vapor phase at room temperatures. A comparison of the different processes in the growth chamber for MOCVD, MBE and CBE can be seen in figure 1. [[Image:CBE im1. png|center|500px|thumb|Figure 1: Basic processes inside the growth chambers of a) MOCVD, b) MBE, and c) CBE. The gas inlet system, which is one of the most important components of the system, controls the material beam flux. Pressure controlled systems are used most commonly. The material flux is controlled by the input pressure of the gas injection capillary. The pressure inside the chamber can be measured and controlled by a capacitance manometer. The molecular beams of gaseous source materials injectors or effusion jets that ensure a homogeneous beam profile. For some starting compounds, such as the hydrides that are the group V starting material, the hydrides have to be precracked into the injector. This is usually done by thermally decomposing with a heated metal or filament. There is also no boundary layer (such as the one in MOCVD) and molecular collisions are minimal due to the low pressure. The group V alkyls are usually supplied in excess, and the group III alkyl molecules impinge directly onto the heated substrate as in conventional MBE. The group III alkyl molecule has two options when this happens. The first option is to dissociate its three alkyl radicals by acquiring thermal energy from the surface, and leaving behind the elemental group III atoms on the surface. The second option is to re evaporate partially or completely undissociated. Thus, the growth rate is determined by the arrival rate of the group III alkyls at a higher substrate temperature, and by the surface pyrolysis rate at lower temperatures. This possibility opens very interesting perspectives to achieve patterned thin films in a single step, in particular for materials that are difficult to etch such as oxides.

допинг p-типа

Было замечено, что использование TMGa для молекулярно-лучевой эпитаксии (CBE) арсенида галлия (GaAs) приводило к высокой фоновой концентрации p-типа (1020 см−3) из-за внедрения углерода. Однако было установлено, что использование TEGa вместо TMGa позволяет получать арсенид галлия высокой чистоты с концентрацией дырок при комнатной температуре в диапазоне от 1014 до 1016 см−3. Показано, что концентрацию дырок можно регулировать в диапазоне от 1014 до 1021 см−3, просто изменяя давление алкильного потока и соотношение TMGa/TEGa, что обеспечивает возможность достижения высокого и контролируемого p-допирования арсенида галлия. Это было использовано для создания высококачественных гетероструктурных биполярных транзисторов. Наблюдаются незначительные отклонения в условиях эпитаксии, не зависящие от заполнения источника. В последних разработках, запатентованных компанией ABCD Technology, вращение подложки больше не требуется.

Преимущества перед MOCVD

Простая реализация встроенных диагностических приборов, таких как RHEED. Совместимость с другими методами обработки тонких пленок в условиях высокого вакуума, такими как термическое испарение металлов и ионная имплантация.

Недостатки ЦБ

Необходимо более интенсивное прокачивание по сравнению с MOCVD. Контроль состава может быть сложным при выращивании GaInAs. При высокой температуре происходит лучшее внедрение галлия, но возникает проблема, связанная с десорбцией индия. Поэтому для достижения хорошего контроля состава необходимо найти компромисс между высокой и низкой температурой. Высокое внедрение углерода для GaAlAs.