Epitaxe molekulárního paprsku ( MBE ) nebo epitaxe molekulárního paprsku ( MBE ) je epitaxní růst za podmínek ultravysokého vakua . Umožňuje růst heterostruktur dané tloušťky s monatomicky hladkými heterointerfacemi a s daným dopingovým profilem . V instalacích MBE je možné studovat kvalitu filmů "in situ" (tedy přímo v růstové komoře během růstu). Proces epitaxe vyžaduje speciální dobře vyčištěné substráty s atomicky hladkým povrchem.
Technologie epitaxe molekulárním paprskem byla vyvinuta na konci 60. let 20. století J. R. Arthurem a Alfredem Y. Choem.
Metoda je založena na depozici látky odpařené v molekulárním zdroji na krystalický substrát. Navzdory vcelku jednoduché myšlence vyžaduje implementace této technologie extrémně složitá technická řešení. Hlavní požadavky na instalaci epitaxe jsou následující:
Charakteristickým rysem epitaxe je nízká rychlost růstu filmu (obvykle méně než 1000 nm za hodinu).
Komora je vyrobena z vysoce čisté nerezové oceli . Pro zajištění vakua v komoře se před provozem zahřeje na vysoké teploty. V tomto případě dochází k odplynění povrchu.
V moderních instalacích lze použít několik kamer propojených jedním transportním systémem:
Čerpadlo Foreline - provádí prvotní čerpání plynu z instalace (do tlaku cca 0,5 Pa).
Absorpční čerpadlo - používá materiály s vyvinutým povrchem (například zeolitový prášek ), které při silném ochlazení (kapalný dusík) absorbují část plynu z instalace .
Magnetické výbojové čerpadlo - toto čerpadlo se odčerpává díky přítomnosti naprašovaných titanových elektrod v něm . Naprašovaný titan se znovu ukládá na pracovní povrch čerpadla a vytváří film, který „pokrývá“ plyn, který dopadl na povrch. Používá se k dosažení ultra vysokého vakua.
Manipulátor (držák substrátu) slouží k fixaci substrátu, jeho otáčení a ohřevu.
Ohřívač zabudovaný v manipulátoru zajišťuje předběžné zahřátí vzorku, aby se očistil od nečistot a odstranila se ochranná vrstva oxidu . Ohřívač během provozu udržuje stálou teplotu substrátu, při které adsorbované atomy ( adatomy ) usazené látky migrují po povrchu ( difúze ). Tím je zajištěn proces samoskládání , tedy vytvoření atomicky hladkých monovrstev. Rychlost růstu je určena tokem hmoty k povrchu. Při nízkých tocích se získají velmi hladké filmy s jasnými heterointerfacemi. Vzhledem k délce procesu se však zvyšuje pravděpodobnost povrchové kontaminace, což vede ke vzniku defektů ve finální struktuře. Při vyšším průtoku monokrystalický film neroste, ale získává se polykrystalický nebo amorfní.
Pro eliminaci efektů nehomogenity struktury v důsledku asymetrie molekulárních paprsků se manipulátory obvykle vyrábějí rotační. V tomto případě však stále zůstává radiální asymetrie, kterou však lze částečně snížit zacílením molekulárních zdrojů mimo střed substrátu.
K odpařování látek nezbytných pro růst se používají molekulární zdroje. Skládají se z následujících prvků:
Látka odpařená v kelímku ve formě paprsku dopadá na substrát. Vlivem ultravysokého vakua se molekuly látky šíří téměř přímočaře, aniž by se srazily s molekulami plynu (to znamená, že střední volná dráha molekul se rovná vzdálenosti od zdroje k substrátu).
V případě použití žáruvzdorných materiálů nebo látek s vysokou chemickou aktivitou se používá metoda autokelímkového odpařování. Elektronový paprsek vstupuje do látky a taví malou oblast. Látka samotná je tedy kelímek. Moderní zařízení pro řízení elektronového paprsku umožňují měnit jeho směr, ohnisko, intenzitu a další parametry za účelem získání jednotného atomového paprsku nebo zvýšení účinnosti spotřeby materiálu.
Počet a typ zdrojů je dán použitými látkami pro růst. Například k vytvoření struktur GaAs / AlGaAs jsou zapotřebí tři zdroje: gallium , hliník a arsen . Instalace obvykle poskytují prostor pro instalaci více zdrojů (obvykle šesti), což umožňuje méně časté otevírání instalace pro plnění zdrojů látkou.
Pro zlepšení vakua a vymražení molekul odpařované látky, které nespadly na substrát, byly kolem manipulátoru instalovány kryopanely - kontejnery naplněné kapalným dusíkem . Používají se také k oddělení molekulárních zdrojů od sebe navzájem podle teploty.
Použití řídicích jednotek a počítačů se speciálním softwarem umožňuje urychlit procesy epitaxe a zjednodušit instalaci a údržbu.
Substrátem je disk monokrystalického křemíku , arsenidu galia nebo jiné struktury o průměru 40, 60 nebo 102 mm .
Reflexní vysokoenergetická elektronová difrakce ( RHEED ,High Energy Electron Diffraction ) je metoda založená na pozorování difrakčního obrazce elektronů odražených od povrchu vzorku.
Tato metoda umožňuje sledovat následující parametry růstu v reálném čase:
Systém se skládá z:
RHEED
AES
Metoda se nejčastěji používá pro pěstování polovodičových heterostruktur z ternárních roztoků nebo kvartérních roztoků na bázi prvků ze třetí a páté skupiny periodického systému prvků, i když se pěstují i sloučeniny A II B VI , dále křemík , germanium , kovy . , atd. V Rusku je jediným Sériovým výrobcem instalací MBE CJSC NTO ( SemiTEq ).
Tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT) je polovodičové zařízení, jedna z odrůd tranzistoru s efektem pole . Hlavními materiály pro výrobu HEMT jsou GaAs a AlGaAs .
MPE umožňuje získat následující struktury se zmenšeným rozměrem:
Kvalita narostlých filmů závisí na shodě mřížkových konstant materiálu a substrátu. Navíc, čím větší je nesoulad, tím menší je tloušťka filmu bez defektů, který může být vypěstován. Rostoucí film se snaží přizpůsobit krystalové struktuře substrátu. Pokud se mřížková konstanta rostoucího materiálu liší od mřížkové konstanty substrátu, vznikají ve filmu napětí, která se zvyšují s rostoucí tloušťkou filmu. To může vést ke vzniku mnoha dislokací na rozhraní substrát-film, které zhoršují elektrické vlastnosti materiálu. Tomu se obvykle vyhýbá. Například dokonalá dvojice sloučenin GaAs a ternární roztok AlGaAs se velmi často používá k výrobě 2D elektronových plynových struktur . K získání kvantových teček (InAs) se využívá fenomén samoorganizace, kdy na GaAs substrátu vyroste dvojice monovrstev filmu InAs, a jelikož nesoulad objemových mřížkových konstant dosahuje 7 %, tento film se zlomí a InAs se shromažďuje do ostrovů, které se pro svou velikost nazývají kvantové tečky.
Například pomocí selektivního růstu je možné pěstovat nanodrát na okraji substrátu s předpěstovanou heterostrukturou .
Na dvojité heterostruktuře je možné vypěstovat strukturu pro laser . Zrcadla v takových strukturách jsou periodické heterostruktury s proměnným indexem lomu (dielektrická zrcadla) a jsou pěstovány s přesností na tloušťku.
Hlavní výhodou metody je možnost vytvoření unikátních nanostruktur s velmi vysokou čistotou, uniformitou a malým počtem defektů . Mezi nevýhody metody patří vysoká cena zařízení a surovin, nízká rychlost růstu a obtížné udržení vysokého vakua.
Je třeba poznamenat, že termín "epitaxe molekulárního svazku" je nepřesným překladem anglického ekvivalentu epitaxe molekulárního svazku . V ruskojazyčné vědecké literatuře se často vyskytuje jiný název "epitaxe molekulárního paprsku".
B. A. Joyce, R. Heckingbottom, W. Moench a kol., Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures. - Ed. L. Cheng, K. Ploga. Za. z angličtiny. vyd. Zh I. Alferova, Yu, V. Šmartseva. - Moskva: Mir, 1989. - 582 s. — ISBN 5-03-000737-7 .