MBE və MOCVD texnologiyaları arasındakı fərqlər nələrdir?

Həm molekulyar şüa epitaksiyası (MBE), həm də metal-üzvi kimyəvi buxar çökmə (MOCVD) reaktorları təmiz otaq mühitində işləyir və vafli xarakteristikası üçün eyni metrologiya alətlərindən istifadə edir. Bərk mənbəli MBE çökməni təmin etmək üçün molekulyar şüa yaratmaq üçün efüzyon hüceyrələrində qızdırılan yüksək təmizlikli, elementar prekursorlardan istifadə edir (soyutma üçün istifadə olunan maye azotla). Bunun əksinə olaraq, MOCVD çökməni təmin etmək üçün ultra saf, qaz mənbələrindən istifadə edən kimyəvi buxar prosesidir və zəhərli qazın ötürülməsi və azaldılmasını tələb edir. Hər iki üsul bəzi maddi sistemlərdə, məsələn, arsenidlərdə eyni epitaksiya yarada bilər. Müəyyən materiallar, proseslər və bazarlar üçün bir texnikanın digəri üzərində seçilməsi müzakirə olunur.

Molekulyar şüa epitaksiyası

MBE reaktoru adətən nümunə ötürmə kamerasından (vafli substratların yüklənməsinə və boşaldılmasına imkan vermək üçün havaya açıq) və substratın epitaksial böyümə üçün köçürüldüyü böyümə kamerasından (normal olaraq möhürlənmiş və yalnız texniki xidmət üçün havaya açıqdır) ibarətdir. . MBE reaktorları hava molekullarından çirklənmənin qarşısını almaq üçün ultra yüksək vakuum (UHV) şəraitində işləyir. Əgər kamera havaya açıq olubsa, bu çirkləndiricilərin evakuasiyasını sürətləndirmək üçün kamera qızdırıla bilər.

Çox vaxt MBE reaktorunda epitaksiyanın mənbə materialları bərk yarımkeçiricilər və ya metallardır. Bunlar efüzyon hüceyrələrində ərimə nöqtələrindən (yəni mənbə materialının buxarlanması) kənarda qızdırılır. Burada atomlar və ya molekullar MBE vakuum kamerasına yüksək istiqamətli molekulyar şüa verən kiçik bir diafraqma vasitəsilə sürülür. Bu, qızdırılan substrata təsir edir; adətən silisium, qallium arsenid (GaAs) və ya digər yarımkeçiricilər kimi tək kristal materiallardan hazırlanır. Molekulların desorbsiya edilməməsi şərtilə, onlar substratın səthinə yayılaraq epitaksial böyüməni təşviq edəcəklər. Epitaksiya daha sonra istənilən optik və elektrik xassələrinə nail olmaq üçün hər təbəqənin tərkibi və qalınlığına nəzarət edilməklə qat-qat yığılır.

Substrat mərkəzləşdirilmiş şəkildə, böyümə kamerası daxilində, efüzyon hüceyrələri və bağlama sistemi ilə üzbəüz, kriozorqalarla əhatə olunmuş qızdırılan tutucuya quraşdırılmışdır. Tutucu vahid çökmə və epitaksial qalınlığı təmin etmək üçün fırlanır. Dondurucular maye-azotla soyudulmuş plitələrdir, onlar əvvəllər substratın səthində tutulmayan çirkləndiriciləri və atomları kamerada saxlayır. Çirkləndiricilər yüksək temperaturda substratın desorbsiyasından və ya molekulyar şüadan “həddən artıq doldurulma” nəticəsində ola bilər.

Ultra yüksək vakuumlu MBE reaktor kamerası çökmə prosesinə nəzarət etmək üçün yerində monitorinq alətlərindən istifadə etməyə imkan verir. Reflection yüksək enerjili elektron difraksiyası (RHEED) böyümə səthinin monitorinqi üçün istifadə olunur. Lazer əks etdirmə, termal görüntüləmə və kimyəvi analiz (kütləvi spektrometriya, Auger spektrometriyası) buxarlanmış materialın tərkibini təhlil edir. Proses parametrlərini real vaxt rejimində tənzimləmək üçün temperatur, təzyiq və artım templərini ölçmək üçün digər sensorlar istifadə olunur.

Artım sürəti və tənzimlənməsi

Tipik olaraq saniyədə bir təbəqənin üçdə biri (0,1nm, 1Å) olan epitaksial böyümə sürəti axın sürətindən (mənbənin temperaturu ilə idarə olunan substratın səthinə gələn atomların sayı) və substratın temperaturundan təsirlənir. (substratların səthində atomların diffuziya xüsusiyyətlərinə və onların desorbsiyasına təsir edən, substratın istiliyi ilə idarə olunur). Epitaksial prosesi optimallaşdırmaq üçün bu parametrlər MBE reaktorunda müstəqil şəkildə tənzimlənir və nəzarət edilir.

Mexanik bağlama sistemindən istifadə edərək böyümə sürətlərinə və müxtəlif materialların tədarükünə nəzarət etməklə, üçlü və dördüncü ərintilər və çox qatlı strukturlar etibarlı və təkrar-təkrar yetişdirilə bilər. Çöküntüdən sonra, istilik gərginliyinin qarşısını almaq üçün substrat yavaş-yavaş soyudulur və onun kristal quruluşunu və xüsusiyyətlərini xarakterizə etmək üçün sınaqdan keçirilir.

MBE üçün material xüsusiyyətləri

MBE-də istifadə olunan III-V material sistemlərinin xüsusiyyətləri bunlardır:

●  Silikon: Silikon substratlarda böyümə oksidin desorbsiyasını (>1000°C) təmin etmək üçün çox yüksək temperatur tələb edir, buna görə də xüsusi qızdırıcılar və vafli tutucular tələb olunur. Şəbəkə sabiti və genişlənmə əmsalındakı uyğunsuzluqla bağlı problemlər silisium üzrə III-V artımını aktiv Ar-Ge mövzusuna çevirir.

●  Sürmə: III-Sb yarımkeçiricilər üçün səthdən desorbsiyaya yol verməmək üçün aşağı substrat temperaturlarından istifadə edilməlidir. Yüksək temperaturda "qeyri-uyğunluq" da baş verə bilər, burada bir atom növü üstünlüklə buxarlanaraq, stoikiometrik olmayan materialları tərk edə bilər.

●  Fosfor: III-P ərintiləri üçün fosfor kameranın içərisinə çökəcək və bu, qısa istehsal dövrlərini qeyri-mümkün edə biləcək vaxt aparan təmizləmə prosesini tələb edir.

Metal-üzvi kimyəvi buxarın çökməsi

MOCVD reaktoru yüksək temperaturlu, su ilə soyudulan reaksiya kamerasına malikdir. Substratlar ya RF, rezistiv və ya IR qızdırması ilə qızdırılan bir qrafit həssas üzərində yerləşdirilir. Reagent qazları şaquli olaraq substratların üstündəki proses kamerasına vurulur. Qatın vahidliyi temperaturun, qazın vurulmasının, ümumi qaz axınının, sensorun fırlanmasının və təzyiqin optimallaşdırılması ilə əldə edilir. Daşıyıcı qazlar ya hidrogen, ya da azotdur.

Epitaksial təbəqələri yerləşdirmək üçün MOCVD çox yüksək təmizlikli metal-üzvi prekursorlardan istifadə edir, məsələn, qallium üçün trimetilqallium və ya III qrup elementləri üçün alüminium üçün trimetilalüminium və V qrup elementləri üçün hidrid qazları (arsin və fosfin). Metal-üzvi maddələr qaz axını qabarcıqlarında olur. Proses kamerasına vurulan konsentrasiya, qabardan keçən metal-üzvi və daşıyıcı qazın temperaturu və təzyiqi ilə müəyyən edilir.

Reagentlər böyümə temperaturunda substratın səthində tamamilə parçalanır, metal atomlarını və üzvi əlavə məhsulları buraxır. Reagentlərin konsentrasiyası buxar qarışığının tənzimlənməsi üçün axın/ventilyasiya keçid sistemi ilə yanaşı, müxtəlif III-V lehimli strukturlar istehsal etmək üçün tənzimlənir.

Substrat adətən qallium arsenid, indium fosfid və ya sapfir kimi yarımkeçirici materialın tək kristallı vaflisidir. O, prekursor qazlarının vurulduğu reaksiya kamerasındakı həssaslığa yüklənir. Buxarlanmış metal-üzvi maddələrin və digər qazların çoxu dəyişməz olaraq qızdırılan böyümə kamerasından keçir, lakin kiçik bir hissəsi piroliz (krekinq) keçir və isti substratın səthinə hopmuş alt növ materialları yaradır. Daha sonra səth reaksiyası III-V elementlərinin epitaksial təbəqəyə daxil olması ilə nəticələnir. Alternativ olaraq, istifadə olunmamış reagentlər və reaksiya məhsulları kameradan evakuasiya olunmaqla səthdən desorbsiya baş verə bilər. Bundan əlavə, bəzi prekursorlar GaAs/AlGaAs-ın karbon dopinqi və xüsusi aşındırıcı mənbələrlə olduğu kimi səthin “mənfi böyüməsinə” səbəb ola bilər. Qəbuledici epitaksiyanın ardıcıl tərkibini və qalınlığını təmin etmək üçün fırlanır.

MOCVD reaktorunda tələb olunan böyümə temperaturu ilk növbədə prekursorların tələb olunan pirolizi ilə müəyyən edilir və sonra səthin hərəkətliliyi ilə bağlı optimallaşdırılır. Artım sürəti qabarcıqlarda olan III qrup metal-üzvi mənbələrin buxar təzyiqi ilə müəyyən edilir. Səthin diffuziyasına səthdəki atom addımları təsir edir, yanlış istiqamətləndirilmiş substratlar tez-tez bu səbəbdən istifadə olunur. Silikon substratlarda böyümə oksidin desorbsiyasını (>1000°C) təmin etmək üçün çox yüksək temperatur mərhələləri tələb edir, xüsusi qızdırıcılar və vafli substrat tutucuları tələb edir.

Reaktorun vakuum təzyiqi və həndəsəsi o deməkdir ki, in-situ monitorinq üsulları MBE-ninkindən fərqlənir, MBE ümumiyyətlə daha çox seçim və konfiqurasiyaya malikdir. MOCVD üçün in-situ, vafli səthi temperaturun ölçülməsi (uzaqdan, termocüt ölçülərindən fərqli olaraq) üçün emissiya ilə düzəldilmiş pirometriya istifadə olunur; əks etdirmə qabiliyyəti səthin pürüzlənməsini və epitaksial böyümə sürətini təhlil etməyə imkan verir; vafli yay lazer əksi ilə ölçülür; və təchiz edilmiş orqanometal konsentrasiyaları böyümə prosesinin dəqiqliyini və təkrar istehsalını artırmaq üçün ultrasəs qaz monitorinqi vasitəsilə ölçülə bilər.

Tipik olaraq, alüminium tərkibli ərintilər daha yüksək temperaturda (>650 ° C), fosfor tərkibli təbəqələr isə AlInP üçün mümkün istisnalarla daha aşağı temperaturda (<650 ° C) yetişdirilir. Telekommunikasiya proqramları üçün istifadə edilən AlInGaAs və InGaAsP ərintiləri üçün arsinin krekinq temperaturunda fərq prosesin idarə edilməsini fosfinlə müqayisədə daha sadə edir. Bununla belə, aktiv təbəqələrin həkk olunduğu epitaksial yenidən böyümə üçün fosfinə üstünlük verilir. Antimonid materialları üçün, AlSb-yə məqsədsiz (və ümumiyyətlə arzuolunmaz) karbon birləşməsi, müvafiq prekursor mənbəyinin olmaması, ərintilərin seçimini məhdudlaşdırması və beləliklə, antimonid artımının MOCVD tərəfindən mənimsənilməsi səbəbindən baş verir.

Yüksək gərginlikli təbəqələr üçün, arsenid və fosfid materiallarından müntəzəm istifadə etmək qabiliyyətinə görə, GaAsP maneələri və InGaAs kvant quyuları (QW) kimi gərginliyin tarazlaşdırılması və kompensasiyası mümkündür.

Xülasə

MBE ümumiyyətlə MOCVD ilə müqayisədə daha çox in-situ monitorinq seçimlərinə malikdir. Epitaksial böyümə, artım proseslərini daha aydın, birbaşa, başa düşməyə imkan verən, ayrıca idarə olunan, axın sürəti və substratın temperaturu ilə tənzimlənir.

MOCVD, prekursorun kimyasını dəyişdirərək mürəkkəb yarımkeçiricilər, nitridlər və oksidlər də daxil olmaqla geniş çeşidli materialların yerləşdirilməsi üçün istifadə edilə bilən çox yönlü bir texnikadır. Böyümə prosesinin dəqiq idarə edilməsi elektronika, fotonika və optoelektronikada tətbiqlər üçün uyğunlaşdırılmış xüsusiyyətlərə malik mürəkkəb yarımkeçirici cihazların istehsalına imkan verir. MOCVD kamerasının təmizlənməsi vaxtları MBE-dən daha sürətlidir.

MOCVD paylanmış əks əlaqə (DFBs) lazerlərinin, basdırılmış heterostruktur cihazlarının və birləşmiş dalğa ötürücülərinin yenidən böyüməsi üçün əladır. Bu, yarımkeçiricinin yerində aşındırılmasını əhatə edə bilər. Buna görə də MOCVD monolit InP inteqrasiyası üçün idealdır. GaAs-da monolit inteqrasiya başlanğıc mərhələsində olsa da, MOCVD dielektrik maskalı sahələr emissiya/udma dalğa uzunluqlarını yerləşdirməyə kömək etdiyi selektiv sahə artımına imkan verir. MBE ilə bunu etmək çətindir, burada dielektrik maskada polikristal çöküntüləri yarana bilər.

Ümumiyyətlə, MBE Sb materialları üçün seçilən böyümə üsuludur və MOCVD P materialları üçün seçimdir. Hər iki böyümə texnikası As əsaslı materiallar üçün oxşar imkanlara malikdir. Elektronika kimi ənənəvi MBE bazarları indi MOCVD artımı ilə eyni dərəcədə yaxşı xidmət göstərə bilər. Bununla belə, kvant nöqtəsi və kvant kaskad lazerləri kimi daha inkişaf etmiş strukturlar üçün MBE tez-tez əsas epitaksiyaya üstünlük verilir. Epitaksial yenidən böyümə tələb olunarsa, o zaman MOCVD ümumiyyətlə aşındırma və maskalanma çevikliyinə görə üstünlük verilir.