Chemische bundel epitaxie

Chemische bundel epitaxie vormt een belangrijke klasse van depositietechnieken voor halfgeleiderlaag systemen, in het bijzonder III-V halfgeleider systemen. Deze vorm van epitaxiale groei wordt uitgevoerd in een ultrahoog vacuümsysteem. De reactanten in de vorm van moleculaire bundels van reactieve gassen, typisch het hydride of metaalorganische. De term CBE wordt vaak door elkaar gebruikt met metaal-organische moleculaire bundel epitaxie. De nomenclatuur maakt onderscheid tussen de twee processen, echter. Bij gebruik in de strikte zin CBE verwijst naar de techniek waarbij beide componenten worden verkregen uit gasvormige bronnen, terwijl MOMBE betrekking op de techniek waarbij de III component wordt verkregen vanuit een gasachtige bron en de groep V component een vaste bron.

Basisprincipes

Chemical Beam Epitaxy werd eerst aangetoond door WT Tsang in 1984. Deze techniek werd vervolgens beschreven als een hybride metaal-organische chemische dampafzetting en moleculaire bundel epitaxie dat de voordelen van beide technieken benut. In deze eerste werk, InP en GaAs werden gekweekt die gasvormige III en V alkyls. Terwijl groep III elementen werden afgeleid uit de pyrolyse van de alkylgroepen aan de oppervlakte, werd de groep V elementen van de ontleding van de alkylgroepen verkregen door te brengen in contact met verwarmde tantaal of molybdeen bij 950-1200 ° C. Typische druk in de reactor gas tussen 10 Torr en 1 atm voor MOCVD. Hier, het transport van gas plaatsvindt door viskeuze stroming en chemicaliën het oppervlak bereiken door diffusie. Daarentegen zijn gasdrukken van minder dan 10 Torr gebruikt CBE. Het transportgas gebeurt nu als moleculaire bundel vanwege de veel langere gemiddelde-vrije paden, en het proces evolueert naar een chemische beam deposition. Het is ook vermeldenswaard hier dat MBE telt atomaire balken en gallium) en moleculaire balken die verdampt bij hoge temperaturen van massief elementaire bronnen, terwijl de bronnen van CBE in dampfase bij kamertemperatuur. Een vergelijking van de verschillende processen in de groeikamer voor MOCVD, MBE en CBE te zien in figuur 1.

Experimentele opstelling

Een combinatie van turbomoleculaire en cryo pompen worden gebruikt in standaard UHV groeikamers. De kamer zelf is uitgerust met een vloeibare stikstof cryoshield en een roteerbare kristalhouder waarop meer dan één wafel. De kristalhouder wordt gewoonlijk verwarmd van de achterzijde tot temperaturen van 500 tot 700 ° C. De meeste opstellingen ook RHEED Voorzieningen voor in-situ controle van oppervlak bovenbouw op het groeiende oppervlak en voor het meten van groei en massaspectrometers voor de analyse van de moleculaire soorten in de balken en de analyse van de restgassen. De gasinlaat, dat één van de belangrijkste componenten van het systeem, controleert de materiaalbundel flux. Drukgestuurde systemen worden het meest gebruikt. Het materiaal flux wordt geregeld door de ingangsdruk van de gasinjectie capillair. De druk binnen de kamer kan worden gemeten en gecontroleerd door een capacitantie manometer. De moleculaire bundels van gasachtige uitgangsmaterialen injectoren of effusie jets die een homogene balk profiel zorgen. Voor sommige uitgangsverbindingen, zoals hydriden dat de groep V uitgangsmateriaal zijn, de hydriden moeten precracked in de injector. Dit wordt meestal gedaan door het thermisch ontleden van een verhitte metalen of filament.

Groeikinetiek

Om beter te begrijpen groei met bijhorende CBE, is het belangrijk te kijken naar fysische en chemische processen geassocieerd met MBE en MOCVD ook. Figuur 2 toont deze. De groeikinetiek van deze drie technieken in veel aspecten. In conventionele gasbron MBE, wordt de groei bepaald door de komst snelheid van de groep III atomaire balken. De epitaxiale groei vindt plaats als de groep III atomen van invloed zijn op de verhitte substraatoppervlak, migreert naar de juiste rooster sites en vervolgens deposito's in de buurt van overtollige groep V dimeren of tetrameren. Er zij op gewezen dat geen chemische reactie betrokken op het oppervlak omdat de atomen worden gegenereerd door thermische verdamping van vast elementaire bronnen.

In MOCVD, zijn groep III alkyls al gedeeltelijk los in de gasstroom. Deze diffunderen door een stagnerende grenslaag die bestaat via verhit substraat, waarna ze dissociëren in de atomaire groep III elementen. Deze atomen migreren naar de juiste roosterplaats en borg epitaxiaal door het te associëren met een groep V atoom dat werd afgeleid uit de thermische ontleding van de hydriden. Het groeitempo hier is doorgaans beperkt door de diffusiesnelheid van het III alkyls door de grenslaag. Gasfasereacties tussen de reactanten zijn ook waargenomen in dit proces.

In CBE werkwijzen, worden de hydriden gekraakt bij hoge temperatuur injector voordat ze de ondergrond bereiken. De temperaturen zijn typisch 100-150 ° C lager is dan in een vergelijkbaar MOCVD of MOVPE. Er is ook geen grenslaag en moleculaire botsingen minimaal vanwege de lage druk. De groep V alkyls worden gewoonlijk geleverd in overmaat en III alkyl botsen moleculen direct op het verhitte substraat zoals bij conventionele MBE. De III alkyl molecule twee opties wanneer dit gebeurt. De eerste optie is om de drie alkylgroepen dissociëren door het verwerven van thermische energie van het oppervlak en achterlating van de elementaire groep III atomen aan het oppervlak. De tweede optie is om opnieuw te verdampen geheel of gedeeltelijk ongedissocieerde. Aldus wordt de groeisnelheid bepaald door de aankomstsnelheid van de groep III alkyls bij een hogere substraattemperatuur en het oppervlak pyrolyse snelheid bij lagere temperaturen.

Compatibiliteit met Device Fabrication

Selectieve groei bij lage temperaturen

Selectieve groei door diëlektrische maskeren wordt gemakkelijk bereikt met behulp van CBE in vergelijking met haar moedermaatschappij technieken van MBE en MOCVD. Selectieve groei moeilijk te realiseren met elementaire source MBE omdat III atomen niet gemakkelijk desorberen nadat ze zijn geadsorbeerd. Bij chemische bronnen zijn de reacties door de groei sneller op het halfgeleideroppervlak dan de diëlektrische laag. Geen groep III element kan echter komen de diëlektrische oppervlak CBE door het ontbreken van elke gasfase reacties. Ook is het voor de invallende III metaal- organische moleculen desorberen bij afwezigheid van de grenslaag. Dit vergemakkelijkt het selectieve epitaxie behulp CBE voeren en bij lagere temperaturen in vergelijking met MOCVD of MOVPE. In recente ontwikkelingen gepatenteerd door ABCD Technology, wordt substraat rotatie niet meer nodig, wat leidt tot nieuwe mogelijkheden zoals in situ patroon met deeltjesbundels. Deze mogelijkheid opent interessante perspectieven gevormde dunne films in een enkele stap, met name kunnen om materialen die moeilijk te etsen zijn bijvoorbeeld oxiden.

p-type doping

Waargenomen werd dat het gebruik TMGa de CBE GaAs leidde tot hoge p-type dotering achtergrond vanwege opgenomen koolstof. Er werd echter gevonden dat het gebruik tega plaats van TMGa tot schoon GaAs bij kamertemperatuur hole concentraties van 10 en 10 cm. Het is aangetoond dat het gat concentraties kan worden ingesteld tussen 10 en 10 cm door slechts instellen van de bundel alkyl druk en het TMGa / Tega verhouding, in de middelen voor het bereiken van hoge en controleerbare p-type dotering van GaAs. Dit werd benut voor het vervaardigen van hoogwaardige heterojunctie bipolaire transistoren.

Voordelen en nadelen van CBE

CBE biedt vele voordelen ten opzichte van de bovenliggende technieken van MOCVD en MBE, waarvan sommige zijn hieronder opgesomd:

Voordelen ten opzichte van MBE

  • Makkelijker multiwafer scaleup: Substrate rotatie is vereist voor uniformiteit in dikte en conformiteit sinds MBE heeft individuele effusie cellen voor elk element. Grote effusie cellen en efficiënte warmteafvoer maken multiwafer scaleup moeilijker.
  • Beter voor de productie-omgeving: Instant flux reactie te wijten aan elektronische precisie control flow.
  • Afwezigheid van ovale gebreken: Deze ovale gebreken meestal ontstaan ​​door micro-druppeltjes Ga of In uitspugen van hoge temperatuur effusie cellen. Deze defecten variëren in grootte en dichtheid systeem tot systeem en de tijd tot tijd.
  • Lagere afwijkingen in effusie omstandigheden die niet afhankelijk zijn van uitbundige bron vulling.
  • In recente ontwikkelingen gepatenteerd door ABCD Technology, is substraat rotatie niet meer nodig.

Voordelen ten opzichte van MOCVD

  • Eenvoudige implementatie van in-situ diagnostische instrumenten zoals RHEED.
  • Compatibiliteit met andere hoog vacuüm dunne-film verwerkingsmethoden, zoals metaal verdamping en ionenimplantatie.

Tekortkomingen van CBE

  • Meer pompen nodig in vergelijking met MOCVD.
  • Samenstelling controle kan moeilijk zijn bij het kweken GaInAs. Incorporatie van in vanaf tmin is aanzienlijk groter dan die van GA tega bij temperaturen rond 600 ° C.
  • Hoog koolstofgehalte incorporatie voor GaAlAs.
(0)
(0)
Commentaren - 0
Geen commentaar

Voeg een reactie

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tekens over: 3000
captcha