Molekylær stråleepitaksi ( MBE ) eller molekylær stråleepitaksi ( MBE ) er epitaksial vækst under ultrahøjvakuumforhold . Tillader voksende heterostrukturer af en given tykkelse med monatomisk glatte heterogrænseflader og med en given dopingprofil . I MBE-installationer er det muligt at studere kvaliteten af film "in situ" (det vil sige direkte i vækstkammeret under vækst). Epitaksiprocessen kræver specielle velrensede substrater med en atomisk glat overflade.
Molekylær stråleepitaxiteknologi blev udviklet i slutningen af 1960'erne af J. R. Arthur og Alfred Y. Cho.
Metoden er baseret på aflejring af et stof, der er fordampet i en molekylær kilde, på et krystallinsk substrat. Trods en ret simpel idé kræver implementeringen af denne teknologi ekstremt komplekse tekniske løsninger. De vigtigste krav til installation af epitaksi er som følger:
Et træk ved epitaksi er en lav filmvæksthastighed (normalt mindre end 1000 nm pr. time).
Kammeret er lavet af højrent rustfrit stål . For at sikre vakuum i kammeret opvarmes det til høje temperaturer før drift. I dette tilfælde sker afgasning af overfladen.
I moderne installationer kan flere kameraer, der er forbundet med et enkelt transportsystem, bruges:
Foreline pumpe - udfører den indledende pumpning af gas fra installationen (op til et tryk på ca. 0,5 Pa).
Absorptionspumpe - anvender materialer med en udviklet overflade (for eksempel zeolitpulver ) , som ved kraftig afkøling (flydende nitrogen) absorberer en del af gassen fra installationen .
Magnetisk udladningspumpe - denne pumpe pumpes ud på grund af tilstedeværelsen af sputterede titaniumelektroder i den . Sputteret titanium genaflejres på pumpens arbejdsflade og danner en film, der "dækker" den gas, der har ramt overfladen. Bruges til at opnå ultrahøjt vakuum.
Manipulatoren (substratholderen) bruges til fastgørelse af substratet, dets rotation og opvarmning.
Varmelegemet indbygget i manipulatoren sørger for foreløbig opvarmning af prøven for at rense den for snavs og drive det beskyttende lag af oxid af . Under drift opretholder varmelegemet en konstant temperatur på substratet, hvorved de adsorberede atomer ( adatomer ) af det aflejrede stof migrerer over overfladen ( diffusion ). Dette sikrer processen med selvsamling , det vil sige dannelsen af atomisk glatte monolag. Væksthastigheden bestemmes af stofstrømmen til overfladen. Ved lave fluxer opnås meget glatte film med klare heterogrænseflader. Men på grund af processens varighed øges sandsynligheden for overfladeforurening, hvilket fører til udseendet af defekter i den endelige struktur. Ved et højere flow vokser enkeltkrystalfilmen ikke, men der opnås polykrystallinsk eller amorf.
For at eliminere virkningerne af strukturinhomogenitet på grund af asymmetrien af molekylære bjælker, er manipulatorer normalt lavet roterende. Men i dette tilfælde forbliver den radiale asymmetri stadig, som dog delvist kan reduceres ved at målrette molekylære kilder, der ikke er i midten af substratet.
Molekylære kilder bruges til at fordampe de stoffer, der er nødvendige for vækst. De består af følgende elementer:
Stoffet, der er fordampet i diglen i form af en stråle, falder på underlaget. På grund af det ultrahøje vakuum forplanter et stofs molekyler sig næsten i en lige linje uden at kollidere med gasmolekyler (det vil sige, at den gennemsnitlige frie vej for molekylerne er lig med afstanden fra kilden til substratet).
Ved anvendelse af ildfaste materialer eller stoffer med høj kemisk aktivitet anvendes autodigelfordampningsmetoden. Elektronstrålen går ind i stoffet og smelter et lille område. Således er stoffet i sig selv en digel. Moderne enheder til styring af en elektronstråle gør det muligt at ændre dens retning, fokus, intensitet og andre parametre for at opnå en ensartet atomstråle eller øge effektiviteten af materialeforbruget.
Antallet og typen af kilder bestemmes af de stoffer, der bruges til vækst. For at skabe GaAs/AlGaAs-strukturer er der for eksempel brug for tre kilder: gallium , aluminium og arsen . Typisk giver installationerne plads til installation af flere kilder (normalt seks), hvilket tillader mindre hyppig åbning af installationen for påfyldning af kilder med et stof.
For at forbedre vakuumet og udfryse molekylerne af det fordampede stof, der ikke faldt på substratet, blev der installeret kryopaneler omkring manipulatoren - beholdere fyldt med flydende nitrogen . De bruges også til at adskille molekylære kilder fra hinanden efter temperatur.
Brugen af styreenheder og computere med speciel software gør det muligt at fremskynde epitaksiprocesser og forenkle installation og vedligeholdelse.
Substratet er en skive af enkeltkrystal silicium , galliumarsenid eller anden struktur med en diameter på 40, 60 eller 102 mm .
Refleksion højenergi elektrondiffraktion ( RHEED ,High Energy Electron Diffraction ) er en metode baseret på at observere diffraktionsmønsteret af elektroner reflekteret fra prøveoverfladen.
Denne metode giver dig mulighed for at overvåge følgende vækstparametre i realtid:
Systemet består af:
RHEED
AES
Metoden bruges oftest til dyrkning af halvlederheterostrukturer fra ternære opløsninger eller kvaternære opløsninger baseret på grundstoffer fra den tredje og femte gruppe af det periodiske system af grundstoffer, selvom der også dyrkes A II B VI forbindelser, såvel som silicium , germanium , metaller osv. I Rusland er den eneste serieproducent af MBE-installationer CJSC NTO ( SemiTEq ).
En transistor med høj elektronmobilitet (HEMT) er en halvlederenhed, en af varianterne af en felteffekttransistor . De vigtigste materialer til fremstilling af HEMT'er er GaAs og AlGaAs .
MPE gør det muligt at opnå følgende konstruktioner med reduceret dimension:
Kvaliteten af de dyrkede film afhænger af matchningen af gitterkonstanterne for materialet og substratet. Desuden, jo større uoverensstemmelsen er, desto mindre kan tykkelsen af en defektfri film vokse. Den voksende film forsøger at tilpasse sig substratets krystalstruktur. Hvis vækstmaterialets gitterkonstant afviger fra underlagets gitterkonstant, opstår der spændinger i filmen, som øges med stigende filmtykkelse. Dette kan føre til forekomsten af mange dislokationer ved substrat-film-grænsefladen, som forværrer materialets elektriske egenskaber. Dette undgås normalt. For eksempel bruges et perfekt par GaAs-forbindelser og en ternær AlGaAs-opløsning meget ofte til at producere 2D-elektrongasstrukturer . For at opnå kvanteprikker (InAs) bruges fænomenet selvorganisering, når et par monolag af en InAs-film dyrkes på et GaAs-substrat, og da uoverensstemmelsen mellem volumetriske gitterkonstanter når 7%, knækker denne film og InAs er samlet i øer, som kaldes på grund af deres størrelse kvanteprikker.
For eksempel ved hjælp af selektiv vækst er det muligt at dyrke en nanotråd på kanten af et substrat med en forvokset heterostruktur .
Det er muligt at dyrke en struktur til en laser på en dobbelt heterostruktur. Spejle i sådanne strukturer er periodiske heterostrukturer med et variabelt brydningsindeks (dielektriske spejle) og dyrkes med præcision i tykkelse.
Den største fordel ved metoden er muligheden for at skabe unikke nanostrukturer med meget høj renhed, ensartethed og et lille antal defekter . Ulemperne ved metoden omfatter den høje pris på udstyr og råvarer, lav vækstrate og vanskeligheden ved at opretholde et højt vakuum.
Det skal bemærkes, at udtrykket "molecular beam epitaxy" er en unøjagtig oversættelse af den engelske ækvivalente molecular beam epitaxy . I den russisksprogede videnskabelige litteratur findes ofte et andet navn "molekylærstråleepitaxi".
B. A. Joyce, R. Heckingbottom, W. Moench, et al. Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures. - Ed. L. Cheng, K. Ploga. Om. fra engelsk. udg. Zh. I. Alferova, Yu. V. Shmartseva. - Moskva: Mir, 1989. - 582 s. — ISBN 5-03-000737-7 .