Молекулярно-пучковая эпитаксия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Балтийский Государственный Технический Университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова

Кафедра О2

"Нанофотоника и наноэлектроника"

Тема: "Молекулярно-пучковая эпитаксия"

Выполнил студент гр. О 251

Бачинин Семён Владимирович

Санкт-Петербург

2016

Содержание

Введение

1. Молекулярно-пучковая эпитаксия

2. Экспериментальное оборудование

3. Некоторые аспекты кинетики в процессе эпитаксиального роста

Введение

Введение нового понятия "кванта" Максом Планком в 1900 году ознаменовало новую эру научного творчества. Прорывные открытия Великих учёных, таких, как Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, де Бройль, Эрвин Шрёнигер и др. перевернули представления о строении нашего Мира. Мало кто хотел принимать "новые правила" квантовой механики. Даже сам Альберт Эйнштейн, использовавший понятие кванта для описания процесса фотоэффекта, за что был удостоен Нобелевской премии, до последнего отказывался верить в правильность квантовой механики. Эрвину Шрёдингеру, человеку, сумевшиму описать поведение кванта его волновой функцией принадлежат следующие слова "Если окажется, что все эти проклятые квантовые скачки должны остаться, я буду жалеть, что вообще занялся квантовой теорией." А вот, что говорил знаменитый Вернер Гейзенберг - вундеркинд квантовой механики, открывший "матричную механику" - "Чем больше я думаю о физической стороне теории Шрёдингера, тем большее отторжение она у меня вызывает. Он пишет, что визуализация его теории, "вероятно, не совсем правильна". Иными словами, это просто чепуха".

Несмотря на критическое отношение учёных того времени к новой науке, именно благодаря появлению квантовой механики современный Мир выглядит так, как мы его привыкли видеть. Бурное развитие прикладной науки того времени - электроники, год от года применяло фундаментальные принципы новой науки на конкретных приборах. В 1945 году вице-президент компании "Белл-Телефон" Мелвин Келли пригласил Джона Бардина, Уильяма Шокли и ряд других учёных, подчеркнув, что было бы чрезвычайно важно, если в проводимых ими исследованиях (создание телефонных переключателей) были получены доказательства приложения квантовой механики для конденсированного состояния. Успех компании "Белл Телефон" не заставил себя долго ждать - 16 их сотрудников были удостоены Нобелевских премий, преймущественно в послевоенные годы. Отправной точкой в развитии нового этапа электроники - полупроводниковой революции, было открытие Джоном Бардиным и Вальтером Браттейном транзисторного эффекта в 1947 году. Затем были открыты точечные транзисторы и транзисторы с p-n переходами, была предложена теория p-n переходов Уильямом Шокли. С этого момента элементную базу того времени, а именно массивные электронно-вакуумные лампы стали вытеснять компактные приборы полупроводниковой электроники -транзисторы. Появилась тендеция к миниатюризации элементной базы. Закон Мура гласит "количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца."

Современные полупроводниковые приборы содержат элементы, характерные размеры которых составляют не единицы микрон, а десятки и даже единицы нанометров. И это уже не просто проявление тенденции к миниатюризации в микроэлектронике,-интерес к структурам с пониженной размерностью обусловлен возможностью создания принципиально новых приборов, основанных на иных принципах. В таких приборах в полной мере проявляется волновая природа электрона: это структуры с двумерным (квантовые ямы), одномерным (квантовые нити) и нульмерным (квантовые точки), электронным газом; полупроводниковые сверхрешётки. Все эти структуры находят применение на практике: транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), полупроводниковые лазеры на квантовых ямах и квантовых точках, солнечные фотопреобразователи на гетероструктурах, светодиоды и др. Кроме того, структуры с элементами пониженной размерности представляют огромный интерес с точки зрения фундаментальной науки, что привело к появлению нового раздела в области квантовой физики твёрдого тела - физики низкоразмерных электронных систем.

Сегодня задача создания прибора на основе полупроводниковой квантоворазмерной гетероструктуре - это сложная физико-техническая задача, которая заключается в:

· Выборе полупроводникового соединения (или системы соединений) для активной области с требуемыми оптическими и электронными характеристиками (ширина запрещённой зоны, показатель преломления, эффективная масса носителей и тд)

· Выборе монокрислаллической подложки (материал и тип проводимости)

· Подборе комлиментарных полупроводниковых соединений , имеющих кристаллическую структуру, период решётки и коэффициент термического расширения, близкие с выбранной подложкой, а также обеспечивающие необходимые профили сопряжения зон (валентной зоны и зоны проводимости) и уровня лигирования, определяемые назначением прибора

· Создании условий технологического процесса, при которых рост полупроводниковой плёнки происходит на атомарночистой и бездефектной поверхности с монослойным контролем осаждения слоя каждого соединения требуемой толщины, химического состава и лигирования

Основным методом получения полупроводниковых слоев и структур, как для исследовательских целей, так и для приборных применений, является эпитаксиальная технология, когда растущий слой наследует кристаллическую ориентацию, а часто и тип кристаллической решётки подложки. Материал подложки в этом процессе играет роль затравочного кристалла. С помощью эпитаксиальных процессов сейчас уже можно получать плёнки металлов, оксидов, и органических соединений.

Наиболее полностью преимущества гетероструктур с тонкими и сверхтонкими слоями могут быть реализованны при использовании технологии молекулярно-пучковой эпитаксии,

Появление которой стимулировало воображение учёных и конструкторов, создав выдающиеся возможности не только для улучшения свойств известных приборов, но и для реализации немыслимых ранее структур для полупроводниковой электроники.

1. Молекулярно-пучковая эпитаксия

Молекулярно-пучковая эпитаксия - современный метод выращивания тонких полупроводниковых плёнок, представляющий собой вакуумное напыление веществ в виде молекулярных пучков, взаимодействующих с поверхностью нагретой монокристаллической подложки.

Родоначальником МПЭ является Альфред Чо, работающий в Bell Laboratories. полупроводниковый электроника пучок монокристаллический

По сути дела, МПЭ представляет собой результат фантастического усовершенствования старого способа, широко применявшегося для изготовления металлических плёнок, - испарение в вакууме. Использование чистых источников напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль температуры подложки, различные методы диагностики растущей плёнки в сочетании с компьютерной системой управления параметрами процесса - всё это вместе взятое привело к созданию качественно новой технологии, способной решать задачи, сама постановка которых раньше казалась немыслимой.

Важнейшие задачи, решение которых обеспечивается специфическими чертами МПЭ:

· Получение монокристаллов высокой чистоты - за счёт роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков веществ;

· Выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах - за счёт относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;

· Получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии - за счёт ступенчатого механизма роста, исключающее возможности зародышеобразования;

· Получение сверхтонких слоёв с контролируемой толщиной - за счёт точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;

· Создание структур со сложными профилями состава и(или) легирования;

· Создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия

Различают два принципиально различных процесса эпитаксии:

Ш гомоэпитаксия, или автоэпитаксия, если материалы растущего слоя и подложки идентичны

Ш гетероэпитаксия, если материалы слоя и подложки различаются, хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя (об условии комплементарности соединений говорилось во введении)

Независимо от процесса эпитаксии, рост моноатомных плёнок может осуществляться в трёх режимах:

v Франка-ван дер Мерве - реализуется послойный (двумерный) рост материала В на подложке А

v Фолмера-Вебера - имеет место островковый (трёхмерный рост) материала В на подложке А

v Странского-Крастанова - первоначально реализуется послойный рост В на А с последующим образованием трёхмерных островков В на подложке при достижении критической некоторой толщины

При гетероэпитаксиальном росте слоёв с различными межатомными расстояниями происходит смещение атомов из своих положений равновесия. В случае, если рассогласование периодов кристаллической решётки незначительно, то смещения носят упругий характер, и гетероэпитаксия протекает по псевдоморфному механизму. Таким образом, псевдоморфный рост наблюдается в том случае, если все несоответствия межатомного расстояния компенсируются упругими смещениями атомов из своих положений равновесия. При этом обеспечивается когерентность гетерограницы.

2. Экспериментальное оборудование

Бурное развитие технологии МПЭ в последние десятилетия привело к появлению многообразных установок, существенно различающихся геометрией и функциональными возможностями. Кроме того, в последнее время наметилась тенденция к узкой специализации установок МПЭ, когда ростовая камера и оборудование предназначены для работы с определённым классом материалов.

Основные узлы, общие для всех установок МПЭ:

· Системы получения и поддержания сверхвысокого вакуума, необходимого для режима молекулярного потока и, прежде всего, для снижения интенсивности неконтролируемых потоков молекул остаточной атмосферы;

· Ростовая камера, а также одна или несколько вакуумных камер, изолированных и имеющих независимые системы откачки, предназначенных для загрузки, транспортировки, хранения и предварительной обработки образцов и подложек;

· Блок источников молекулярных пучков различного химического состава и интенсивностями, с индивидуальными заслонками;

· Многостепенной манипулятор с держателем образца , обеспечивающий нагрев, вращение, передачу образца, а также фиксацию его в определённом ростовом положении;

· Средства контроля процесса роста;

Система безмасляной откачки установки МПЭ должна включать в себя:

o Магнито-разрядные (производительностью 200-400л/с)

o Криогенные (геливые замкнутого типа, производительностью 1000-1500 л/с)

o Титаново-сублимационные (призводительностью 5000-20000 л/с)

o Азотные криопанели

o Турбо-моелукулярные (производитеоьностью 100-2000 л/с с форвакуумной откачкой на выходе)

В зависимости от назначения и комплектации установка МПЭ может оснащаться широким спектром диагностических методик и аналитических модулей. Основной системой контроля, применяемая in situ (непосредственно в камере роста) является дифракция быстрых электронов. С её помощью можно решать ряд задач:

Ш Определение механизма роста эпитаксиального слоя (двумерный послойный или трёхмерный островковый)

Ш Контроль шероховаточти поверхности растущей плёнки

Ш Контроль стехиометрического состава и реконструкции поверхности

Ш Изменение скорости роста и химического состава плёнки

Один из самых важных технологических параметров - скорость роста эпитаксиальных слоёв. Именно ДБЭ может дать довольно точную количественную оценку скорости роста. Метод определения скорости роста при ДБЭ основан на осциляторном характере изменения интенсивности любой дифракционной особенностью в первую очередь, отражённого луча. Период таких осциляций в точности соответствует выращиванию одного монослоя соединения.

Пример картины ДБЭ для процесса термоактивации CdSe квантовых точек

3. Некоторые аспекты кинетики в процессе эпитаксиального роста

На первом этапе исследований (конец 70х - начало 80х прошлого века) преобладало мнение, что МПЭ является сугубо неравновесным процессом, т.к. вещества, поступающие на подложку и продукты реакции, в общем случае, имеют разные температуры. Поэтому термодинамические представления считались неприменимыми, а информацию о процессах роста предполагалось получать только путём исследования кинетики конкретных реакций на поверхности. На основе экспериментов с модулироваными пучкми были развиты представления, согласно которым основную роль при МПЭ играют элементарные процессы адсорбации, миграции, встраивания и десорбации атомов и молекул, а также разложение кристалла.

Квантовые точки

Квантовые точки представляют собой нанообъекты, обладающие всеми тремя пространственными измерениями в нанометровом масштабе. Хотя сам термин "точка" подразумевает бесконечно малые размеры объекта, реальные квантовые точки могут содержать до миллиона атомов. Очень часто квантовые точки называют искусственными атомами, поскольку, как будет показано ниже, их энергетические спектры напоминают спектры атомов, поскольку движение электронов полностью ограничено.

Размещено на Allbest.ru