A molekuláris nyaláb epitaxia ( MBE ) vagy a molekuláris nyaláb epitaxia ( MBE ) egy epitaxiális növekedés ultramagas vákuum körülmények között . Lehetővé teszi adott vastagságú heterostruktúrák termesztését monoatomikusan sima heterointerfésszel és adott adalékolási profillal . Az MBE-telepítéseknél lehetőség van a fóliák minőségének "in situ" (vagyis közvetlenül a növekedési kamrában a növekedés során) vizsgálatára. Az epitaxiás eljáráshoz speciális, jól megtisztított , atomosan sima felületű szubsztrátumokra van szükség.
A molekuláris sugár epitaxiás technológiát az 1960-as évek végén fejlesztette ki J. R. Arthur és Alfred Y. Cho.
A módszer egy molekuláris forrásban elpárologtatott anyag kristályos szubsztrátumra történő lerakásán alapul . A meglehetősen egyszerű ötlet ellenére ennek a technológiának a megvalósítása rendkívül összetett műszaki megoldásokat igényel. Az epitaxia telepítésének fő követelményei a következők:
Az epitaxia egyik jellemzője az alacsony filmnövekedési sebesség (általában kevesebb, mint 1000 nm/óra).
A kamra nagy tisztaságú rozsdamentes acélból készült . A kamrában a vákuum biztosítása érdekében működés előtt magas hőmérsékletre melegítjük. Ebben az esetben a felület gáztalanítása következik be.
A modern telepítésekben több kamera is használható, amelyeket egyetlen szállítórendszer köt össze:
Foreline szivattyú - elvégzi a gáz kezdeti szivattyúzását a berendezésből (kb. 0,5 Pa nyomásig).
Abszorpciós szivattyú - fejlett felületű anyagokat használ (például zeolitpor ), amelyek erős hűtés esetén (folyékony nitrogén) elnyelik a berendezésből származó gáz egy részét .
Mágneses kisülési szivattyú - ezt a szivattyút a porlasztott titán elektródák jelenléte miatt pumpálják ki . A porlasztott titán újra lerakódik a szivattyú munkafelületére, és egy filmet képez, amely „lefedi” a felületet érő gázt. Ultra-nagy vákuum elérésére használják.
A manipulátor (aljzattartó) az aljzat rögzítésére, forgására és melegítésére szolgál.
A manipulátorba épített fűtőelem biztosítja a minta előzetes melegítését, hogy megtisztítsa a szennyeződéstől és eltávolítsa az oxid védőréteget . A fűtőberendezés működése során a szubsztrátum állandó hőmérsékletét tartja fenn, amelynél a lerakódott anyag adszorbeált atomjai ( adatomjai ) átvándorolnak a felületen ( diffúzió ). Ez biztosítja az önszilárdulás folyamatát , vagyis az atomosan sima egyrétegű rétegek kialakulását. A növekedés ütemét az anyag felszínre áramlása határozza meg . Alacsony fluxus esetén nagyon sima filmeket kapunk tiszta heterointerfésszel. A folyamat időtartama miatt azonban megnő a felületi szennyeződés valószínűsége, ami a végső szerkezetben hibák megjelenéséhez vezet. Nagyobb áramlásnál az egykristályos film nem nő, hanem polikristályos vagy amorf anyag keletkezik.
A molekuláris nyalábok aszimmetriájából adódó szerkezeti inhomogenitás hatásainak kiküszöbölésére a manipulátorokat általában forgóvá teszik. Ebben az esetben azonban továbbra is megmarad a radiális aszimmetria, amely azonban részben csökkenthető, ha nem a szubsztrát közepén lévő molekulaforrásokat célozza meg.
A növekedéshez szükséges anyagok elpárologtatására molekuláris forrásokat használnak. A következő elemekből állnak:
A tégelyben elpárolgott anyag nyaláb formájában a hordozóra esik. Az ultranagy vákuum miatt az anyag molekulái szinte egyenes vonalban terjednek anélkül, hogy gázmolekulákkal ütköznének (azaz a molekulák átlagos szabad útja megegyezik a forrás és a szubsztrát távolságával).
Tűzálló anyagok vagy nagy kémiai aktivitású anyagok alkalmazása esetén az autokritikus bepárlási módszert alkalmazzuk. Az elektronsugár belép az anyagba, és egy kis területet megolvaszt. Így maga az anyag egy olvasztótégely. Az elektronnyaláb vezérlésére szolgáló modern eszközök lehetővé teszik irányának, fókuszának, intenzitásának és egyéb paramétereinek megváltoztatását az egységes atomsugár elérése vagy az anyagfelhasználás hatékonyságának növelése érdekében.
A források számát és típusát a növekedéshez használt anyagok határozzák meg. Például GaAs/AlGaAs struktúrák létrehozásához három forrásra van szükség: galliumra , alumíniumra és arzénra . A létesítmények jellemzően több (általában hat) forrás beépítésére biztosítanak helyet, ami lehetővé teszi a létesítmény ritkább nyitását a források anyaggal való feltöltéséhez.
A vákuum javítása és az elpárolgott anyag hordozóra nem eső molekuláinak lefagyasztása érdekében a manipulátor körül - folyékony nitrogénnel töltött tartályok - kriopaneleket helyeztek el . A molekuláris források hőmérséklet alapján történő elválasztására is használják őket.
A speciális szoftverrel ellátott vezérlőegységek és számítógépek használata lehetővé teszi az epitaxiás folyamatok felgyorsítását, valamint a telepítés és karbantartás egyszerűsítését.
A szubsztrátum 40, 60 vagy 102 mm átmérőjű egykristályos szilícium , gallium-arzenid vagy más szerkezetű korong .
A reflexiós nagyenergiájú elektrondiffrakció ( RHEED ,High Energy Electron Diffraction ) a minta felületéről visszavert elektronok diffrakciós mintázatának megfigyelésén alapuló módszer.
Ez a módszer lehetővé teszi a következő növekedési paraméterek valós időben történő nyomon követését:
A rendszer a következőkből áll:
RHEED
AES
A módszert leggyakrabban a periódusos elemrendszer harmadik és ötödik csoportjába tartozó elemeken alapuló félvezető-heterostruktúrák termesztésére használják, de termesztenek A II B VI vegyületeket , valamint szilíciumot , germániumot , fémeket is. stb. Oroszországban az egyetlen MBE-berendezések sorozatgyártója a CJSC NTO ( SemiTEq ).
A nagy elektronmobilitású tranzisztor (HEMT) egy félvezető eszköz, a térhatású tranzisztor egyik változata . A HEMT-k készítésének fő anyagai a GaAs és az AlGaAs .
Az MPE lehetővé teszi a következő, csökkentett méretű szerkezetek előállítását:
A kinőtt filmek minősége az anyag és a hordozó rácsállandóinak illeszkedésétől függ. Sőt, minél nagyobb az eltérés, annál kisebb lesz a hibamentes film vastagsága. A növekvő film igyekszik alkalmazkodni a hordozó kristályszerkezetéhez. Ha a növekvő anyag rácsállandója eltér a hordozó rácsállandójától, a filmben feszültségek keletkeznek, amelyek a filmvastagság növekedésével nőnek. Ez számos diszlokáció megjelenéséhez vezethet a hordozó-film határfelületén, amelyek rontják az anyag elektromos tulajdonságait. Ezt általában elkerülik. Például egy tökéletes pár GaAs vegyületet és egy AlGaAs hármas oldatot nagyon gyakran használnak 2D elektrongáz szerkezetek előállítására . A kvantumpontok (InAs) előállításához az önszerveződés jelenségét alkalmazzák, amikor egy InAs film egyrétegű párját növesztjük egy GaAs szubsztrátumon, és mivel a térfogati rácsállandók eltérése eléri a 7%-ot, ez a film eltörik és az InAs. szigetekké gyűlik össze, amelyeket méretük miatt kvantumpontoknak neveznek.
Például szelektív tenyésztéssel nanoszálat lehet növeszteni egy előnevelt heterostruktúrájú szubsztrát szélén .
Kettős heterostruktúrán is lehet lézerhez való szerkezetet növeszteni . Az ilyen szerkezetekben lévő tükrök változó törésmutatójú periodikus heterostruktúrák (dielektromos tükrök), és vastagságuk pontosságával nőnek .
A módszer fő előnye, hogy egyedi nanostruktúrákat lehet létrehozni nagyon nagy tisztasággal, egyenletességgel és kis számú hibával . A módszer hátrányai közé tartozik a berendezések és alapanyagok magas ára, az alacsony növekedési ütem, valamint a nagy vákuum fenntartásának nehézsége.
Meg kell jegyezni, hogy a "molecular beam epitaxy" kifejezés az angol megfelelő molecular beam epitaxy pontatlan fordítása . Az orosz nyelvű tudományos irodalomban gyakran találnak egy másik nevet "molekuláris nyaláb epitaxia".
B. A. Joyce, R. Heckingbottom, W. Moench és munkatársai: Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures. - Szerk. L. Cheng, K. Ploga. Per. angolról. szerk. Zh. I. Alferova, Yu. V. Shmartseva. - Moszkva: Mir, 1989. - 582 p. — ISBN 5-03-000737-7 .