Care sunt diferențele dintre tehnologiile MBE și MOCVD?

Atât reactoarele de epitaxie cu fascicule moleculare (MBE), cât și depuneri de vapori chimici metalo-organici (MOCVD) funcționează în medii de cameră curată și folosesc același set de instrumente de metrologie pentru caracterizarea plachetelor. MBE din sursă solidă utilizează precursori elementali de înaltă puritate încălziți în celulele de efuziune pentru a crea un fascicul molecular care să permită depunerea (cu azot lichid utilizat pentru răcire). În contrast, MOCVD este un proces chimic de vapori, care utilizează surse gazoase ultra-pure pentru a permite depunerea și necesită manipularea și reducerea gazelor toxice. Ambele tehnici pot produce epitaxie identică în unele sisteme materiale, cum ar fi arsenidele. Este discutată alegerea unei tehnici în detrimentul celeilalte pentru anumite materiale, procese și piețe.

Epitaxia fasciculului molecular

Un reactor MBE cuprinde de obicei o cameră de transfer a probei (deschisă la aer, pentru a permite încărcarea și descărcarea substraturilor plachetelor) și o cameră de creștere (în mod normal etanșată și deschisă numai la aer pentru întreținere) unde substratul este transferat pentru creșterea epitaxială. . Reactoarele MBE funcționează în condiții de vid ultra-înalt (UHV) pentru a preveni contaminarea cu moleculele de aer. Camera poate fi încălzită pentru a accelera evacuarea acestor contaminanți dacă camera a fost deschisă la aer.

Adesea, materialele sursă ale epitaxiei într-un reactor MBE sunt semiconductori solizi sau metale. Acestea sunt încălzite dincolo de punctele lor de topire (adică evaporarea materialului sursă) în celulele de efuziune. Aici, atomii sau moleculele sunt conduși în camera de vid MBE printr-o deschidere mică, care dă un fascicul molecular foarte direcțional. Acest lucru afectează substratul încălzit; de obicei realizate din materiale monocristaline precum siliciu, arseniura de galiu (GaAs) sau alți semiconductori. Cu condiția ca moleculele să nu se desorbie, ele vor difuza pe suprafața substratului, favorizând creșterea epitaxială. Epitaxia este apoi construită strat cu strat, cu compoziția și grosimea fiecărui strat controlate pentru a obține proprietățile optice și electrice dorite.

Substratul este montat central, în interiorul camerei de creștere, pe un suport încălzit înconjurat de crioscuturi, cu fața către celulele de efuziune și sistemul obturator. Suportul se rotește pentru a asigura o depunere uniformă și o grosime epitaxială. Crioscuturile sunt plăci răcite cu azot lichid care captează contaminanți și atomi în cameră care nu au fost capturați anterior pe suprafața substratului. Contaminanții pot proveni din desorbția substratului la temperaturi ridicate sau prin „supra-umplere” din fasciculul molecular.

Camera reactorului MBE cu vid ultra-înalt permite utilizarea instrumentelor de monitorizare in situ pentru a controla procesul de depunere. Difracția electronilor de înaltă energie prin reflexie (RHEED) este utilizată pentru monitorizarea suprafeței de creștere. Reflectanța laser, imagistica termică și analiza chimică (spectrometrie de masă, spectrometrie Auger) analizează compoziția materialului evaporat. Alți senzori sunt utilizați pentru a măsura temperaturile, presiunile și ratele de creștere pentru a ajusta parametrii procesului în timp real.

Rata de creștere și ajustare

Rata de creștere epitaxială, care este de obicei aproximativ o treime dintr-un monostrat (0,1 nm, 1 Å) pe secundă, este influențată de rata fluxului (numărul de atomi care ajung la suprafața substratului, controlat de temperatura sursei) și de temperatura substratului. (care afectează proprietățile difuzive ale atomilor de pe suprafața substraturilor și desorbția acestora, controlată de căldura substratului). Acești parametri sunt ajustați și monitorizați independent în reactorul MBE, pentru a optimiza procesul epitaxial.

Prin controlul ratelor de creștere și a aprovizionării cu diferite materiale folosind un sistem de obturatoare mecanice, aliajele ternare și cuaternare și structurile multistrat pot fi crescute în mod fiabil și în mod repetat. După depunere, substratul este răcit lent pentru a evita stresul termic și testat pentru a caracteriza structura și proprietățile sale cristaline.

Caracteristicile materialelor pentru MBE

Caracteristicile sistemelor de materiale III-V utilizate în MBE sunt:

●  Siliciu: Creșterea pe substraturi de siliciu necesită temperaturi foarte ridicate pentru a asigura desorbția oxidului (>1000°C), astfel încât sunt necesare încălzitoare și suporturi de placă specializate. Problemele legate de nepotrivirea constantă a rețelei și a coeficientului de expansiune fac din creșterea III-V pe siliciu un subiect activ de cercetare și dezvoltare.

●  Antimoniu: Pentru semiconductorii III-Sb, trebuie utilizate temperaturi scăzute ale substratului pentru a evita desorbția de pe suprafață. De asemenea, poate apărea „non-congruență” la temperaturi ridicate, în cazul în care o specie atomică poate fi evaporată de preferință pentru a lăsa materiale nestoichiometrice.

●  Fosfor: Pentru aliajele III-P, fosforul va fi depus în interiorul camerei, necesitând un proces de curățare consumator de timp, care poate face neviabile perioade scurte de producție.

Depunerea de vapori chimică metalo-organică

Reactorul MOCVD are o cameră de reacție la temperatură înaltă, răcită cu apă. Substraturile sunt poziționate pe un susceptor de grafit încălzit fie prin încălzire RF, rezistivă sau IR. Gazele reactive sunt injectate vertical în camera de proces deasupra substraturilor. Uniformitatea stratului este obținută prin optimizarea temperaturii, injecției de gaz, debitului total de gaz, rotației susceptorului și presiunii. Gazele purtătoare sunt fie hidrogen, fie azot.

Pentru depunerea straturilor epitaxiale, MOCVD folosește precursori metalo-organici de foarte înaltă puritate, cum ar fi trimetilgaliu pentru galiu sau trimetilaluminiu pentru aluminiu pentru elementele din grupa III și gaze hidrură (arsenă și fosfină) pentru elementele din grupa V. Substanțele metalice-organice sunt conținute în barbotoarele cu flux de gaz. Concentrația injectată în camera de proces este determinată de temperatura și presiunea fluxului metalo-organic și de gaz purtător prin barbotor.

Reactivii se descompun complet pe suprafața substratului la temperatura de creștere, eliberând atomi de metal și subproduse organice. Concentrația de reactivi este ajustată pentru a produce diferite structuri de aliaj III-V, împreună cu un sistem de comutare de rulare/ventilare pentru reglarea amestecului de vapori.

Substratul este, de obicei, o placă monocristalică dintr-un material semiconductor, cum ar fi arseniura de galiu, fosfură de indiu sau safir. Este încărcat pe susceptor din camera de reacție peste care sunt injectate gazele precursoare. O mare parte din substanțele metalice-organice vaporizate și alte gaze călătoresc prin camera de creștere încălzită nealterate, dar o cantitate mică suferă piroliză (cracare), creând materiale subspecii care absorb pe suprafața substratului fierbinte. O reacție de suprafață are ca rezultat încorporarea elementelor III-V într-un strat epitaxial. Alternativ, poate apărea desorbția de pe suprafață, cu reactivii și produșii de reacție neutilizați evacuați din cameră. În plus, unii precursori pot induce gravarea cu „creștere negativă” a suprafeței, cum ar fi dopajul cu carbon a GaAs/AlGaAs și cu surse de gravare dedicate. Susceptorul se rotește pentru a asigura compoziția și grosimi consistente ale epitaxiei.

Temperatura de creștere necesară în reactorul MOCVD este determinată în primul rând de piroliza necesară a precursorilor și apoi optimizată în ceea ce privește mobilitatea suprafeței. Viteza de creștere este determinată de presiunea de vapori a surselor metalo-organice din grupa III din barbotoare. Difuzia de suprafață este afectată de pașii atomici de la suprafață, substraturi neorientate fiind adesea folosite din acest motiv. Creșterea pe substraturi de siliciu necesită etape de temperatură foarte ridicată pentru a asigura desorbția oxizilor (>1000°C), încălzitoare de specialitate și suporturi de substrat pentru plachetă.

Presiunea de vid și geometria reactorului înseamnă că tehnicile de monitorizare in situ variază de cele ale MBE, MBE având în general mai multe opțiuni și configurabilitate. Pentru MOCVD, pirometria cu emisivitate corectată este utilizată pentru măsurarea in situ a temperaturii suprafeței plachetei (spre deosebire de măsurarea la distanță, cu termocuplu); reflectivitatea permite analizarea rugozării suprafeței și a ratei de creștere epitaxiale; arcul de napolitană este măsurat prin reflexie laser; și concentrațiile organometalice furnizate pot fi măsurate prin monitorizarea cu ultrasunete a gazului, pentru a crește acuratețea și reproductibilitatea procesului de creștere.

De obicei, aliajele care conțin aluminiu sunt cultivate la temperaturi mai ridicate (>650°C), în timp ce straturile care conțin fosfor sunt crescute la temperaturi mai scăzute (<650°C), cu posibile excepții pentru AlInP. Pentru aliajele AlInGaAs și InGaAsP, utilizate pentru aplicații de telecomunicații, diferența de temperatura de cracare a arzinei face controlul procesului mai simplu decât pentru fosfină. Cu toate acestea, pentru re-creșterea epitaxială, unde straturile active sunt gravate, fosfina este preferată. Pentru materialele antimonide, are loc încorporarea neintenționată (și în general nedorită) a carbonului în AlSb, din cauza lipsei unei surse precursoare adecvate, limitând alegerea aliajelor și astfel absorbția creșterii antimonidei de către MOCVD.

Pentru straturile extrem de solicitate, datorită capacității de a utiliza în mod obișnuit materialele de arseniură și fosfură, sunt posibile echilibrarea și compensarea deformarii, cum ar fi barierele GaAsP și puțurile cuantice InGaAs (QWs).

Rezumat

MBE are în general mai multe opțiuni de monitorizare in situ decât MOCVD. Creșterea epitaxială este ajustată de rata fluxului și temperatura substratului, care sunt controlate separat, cu monitorizarea in-situ asociată permițând o înțelegere mult mai clară, directă, a proceselor de creștere.

MOCVD este o tehnică extrem de versatilă care poate fi utilizată pentru a depune o gamă largă de materiale, inclusiv semiconductori compuși, nitruri și oxizi, prin modificarea chimiei precursoarelor. Controlul precis al procesului de creștere permite fabricarea de dispozitive semiconductoare complexe cu proprietăți adaptate pentru aplicații în electronică, fotonică și optoelectronică. Timpul de curățare a camerei MOCVD este mai rapid decât MBE.

MOCVD este excelent pentru regenerarea laserelor cu feedback distribuit (DFB), a dispozitivelor cu heterostructură îngropată și a ghidurilor de undă cu articulații cap la cap. Aceasta poate include gravarea in situ a semiconductorului. MOCVD este, prin urmare, ideal pentru integrarea InP monolitică. Deși integrarea monolitică în GaAs este la început, MOCVD permite creșterea selectivă a zonei, unde zonele mascate dielectrice ajută la distanțarea lungimilor de undă de emisie/absorbție. Acest lucru este dificil de realizat cu MBE, unde pe masca dielectrică se pot forma depozite de policristale.

În general, MBE este metoda de creștere preferată pentru materialele Sb și MOCVD este alegerea pentru materialele P. Ambele tehnici de creștere au capacități similare pentru materialele pe bază de As. Piețele tradiționale exclusiv MBE, cum ar fi electronicele, pot fi acum servite la fel de bine cu creșterea MOCVD. Cu toate acestea, pentru structuri mai avansate, cum ar fi laserele cu punct cuantic și cascadă cuantică, MBE este adesea preferat pentru epitaxia de bază. Dacă este necesară o recreștere epitaxială, atunci se preferă în general MOCVD, datorită flexibilității sale de gravare și mascare.