Mitä eroa on MBE:n ja MOCVD:n välillä?

Ⅰ. ‌MBE:n ja MOCVD:n yhteiset ominaisuudet

Työympäristö: Molemmat toimivat puhdastilassa.

Soveltamisala: Molemmat tekniikat voivat tuottaa identtisiä epitaksiaalisia rakenteita tietyissä materiaalijärjestelmissä, kuten arsenideissa.

II. MBE:n ja MOCVD:n väliset erot

MBE (molekyylisuihkuepitaksia)

Toimintaperiaate: Käyttää erittäin puhtaita alkuaineiden esiasteita, joita kuumennetaan haihdutuskennoissa molekyylisuihkujen muodostamiseksi laskeutumista varten. Toimii tyypillisesti erittäin korkeassa tyhjiössä (UHV) ilmamolekyylien aiheuttaman kontaminaation estämiseksi.

Laitteiston rakenne: Koostuu näytteensiirtokammiosta ja kasvatuskammiosta. Kasvatuskammio on suljettu ja avataan vain huollon aikana. Substraatit on asennettu lämmitettyyn pidikkeeseen, jota ympäröi nestemäisellä typellä jäähdytetty kryosuojus epäpuhtauksien ja substraatin pinnalle jäämättömien atomien vangitsemiseksi.

‌Seurantatyökalut‌: Käyttää in situ -seurantatyökaluja, kuten heijastus-korkean energian elektronidiffraktiota (RHEED) kasvupinnan havainnointiin, laserheijastusmittausta, lämpökuvausta ja kemiallista analyysia (massaspektrometria, Auger-spektroskopia) haihtuneiden materiaalien koostumuksen analysointiin. Lisäanturit mittaavat lämpötilaa, painetta ja kasvunopeuksia reaaliaikaisia ​​säätöjä varten.

Kasvunopeus: Tyypillisesti noin yksi kolmasosa yksikerroksesta sekunnissa (~0.1 nm, 1 Å). Säädetään vuonopeuksilla (atomien saapumisnopeus substraatille, jota säätelevät lähteen lämpötilat) ja substraatin lämpötilalla (vaikuttaa pinnan diffuusioon ja desorptioon). Mekaaniset suljinjärjestelmät mahdollistavat tarkan kasvunopeuksien ja materiaalin syötön hallinnan, mikä mahdollistaa kolmi-/nelikerroksisten seosten ja monikerrosrakenteiden luotettavan ja toistettavan kasvun.

Materiaalin ominaisuudet

Pii: Kasvatus piialustoilla vaatii erittäin korkeita lämpötiloja (> 1000 °C) oksidien desorption varmistamiseksi, mikä edellyttää erikoistuneita lämmittimiä ja alustanpitimiä.34 Hilavakion ja lämpölaajenemiskertoimen epäsuhta tekee III-V-materiaalien kasvusta piin pinnalla aktiivisen tutkimusalueen.

‌Antimoni (Sb)‌: III-Sb-puolijohteille matalat substraattilämpötilat ovat välttämättömiä desorption estämiseksi pinnalta.6 Korotetuissa lämpötiloissa voi esiintyä "disproportionaatiota", jossa yksi atomilaji haihtuu ensisijaisesti, jolloin jäljelle jää ei-stoikiometristä materiaalia.

Fosfori (P): III-P-seosten fosforin kerrostuminen kammioon vaatii aikaa vieviä puhdistusprosesseja, mikä tekee lyhyistä tuotantoajoista epäkäytännöllisiä.

Jännitetyt kerrokset: Atomien pinnan diffuusion vähentämiseksi tarvitaan tyypillisesti alhaisempia substraattilämpötiloja, mikä minimoi kerroksen relaksaatioriskin.6 Tämä voi kuitenkin johtaa virheisiin kerrostuneiden atomien vähentyneen liikkuvuuden vuoksi, mikä aiheuttaa epitaksiaaliseen kerrokseen tyhjiä kohtia, jotka voivat kapseloitua ja aiheuttaa vikoja.

MOCVD (metalli-orgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus)

Toimintaperiaate: Kemiallinen höyrypinnoitusprosessi, jossa käytetään erittäin puhtaita kaasumaisia ​​lähtöaineita ja joka vaatii myrkyllisten kaasujen käsittelyä. Epitaksiaaliseen kerrospinnoitukseen käytetään erittäin puhtaita metalliorgaanisia lähtöaineita (esim. trimetyyligalliumia [TMGa] tai trimetyylialumiinia [TMAl] ryhmän III alkuaineille ja hydridikaasuja, kuten arsiinia [AsH3] ja fosfiinia [PH3] ryhmän V alkuaineille).

Järjestelmän rakenne: Sisältää korkean lämpötilan, vesijäähdytteisen reaktiokammion. Substraatit asetetaan grafiittisuskeptorille, jota lämmitetään RF-, resistiivisillä tai infrapunamenetelmillä. Reaktiiviset kaasut ruiskutetaan pystysuunnassa prosessikammioon suskeptorin yläpuolelle. Kerroksen tasaisuus saavutetaan optimoimalla lämpötila, kaasun ruiskutus, kokonaisvirtausnopeus, suskeptorin pyöriminen ja paine.

‌Seurantatyökalut‌:

· Emissiivisyyskorjattu lämpökuvaus alustan pintalämpötilan mittaamiseen in situ.

· Reflektometria pinnan karheuden ja epitaksiaalisen kasvunopeuksien analysoimiseksi.

· Laserpohjainen kaarevuuden mittaus alustan taipumisen valvontaan.

· Ultraäänikaasuanturit metallien orgaanisten esiasteiden pitoisuuksien seuraamiseen, mikä parantaa prosessin tarkkuutta ja toistettavuutta.

Kasvuolosuhteet:

· Kasvulämpötila määräytyy ensisijaisesti lähtöaineiden pyrolyysivaatimusten mukaan, ja sitten se optimoidaan pintavaeltamisen mukaan.

· Kasvunopeuksia säätelee ryhmän III metalliorgaanisten lähteiden höyrynpaine kuplituslaitteessa.

· Alumiinia sisältävät seokset (esim. AlGaAs) kasvatetaan tyypillisesti korkeammissa lämpötiloissa (>650 °C), kun taas fosforia sisältävät kerrokset (esim. GaInP) kerrostetaan alhaisemmissa lämpötiloissa (<650 °C), poikkeuksia lukuun ottamatta, kuten AlInP.

Materiaalin ominaisuudet:

· Erittäin jännittyneissä kerroksissa jännityksen tasapainottaminen ja kompensointi on mahdollista arsenidi- ja fosfidimateriaalien rutiinikäytöllä (esim. GaAsP-esteet ja InGaAs-kvanttikuopat [QW]).

· Antimonidimateriaalien kohdalla sopivien lähtöaineiden puute johtaa tahattomaan (ja usein ei-toivottuun) hiilen liittymiseen AlSb:hen, mikä rajoittaa seosvaihtoehtoja ja haittaa antimonidin kasvun käyttöönottoa MOCVD.

III. Yhteenveto

‌Valvontavaihtoehdot‌:

MBE tarjoaa tyypillisesti enemmän in situ -seurantavaihtoehtoja verrattuna MOCVD-menetelmään. MBE:ssä epitaksiaalista kasvua säädetään flux-nopeuksilla ja substraatin lämpötilalla – parametreilla, joita ohjataan itsenäisesti – mikä mahdollistaa selkeämmän ja suoremman käsityksen kasvuprosessista korreloidun in situ -seurannan avulla.

Materiaalin soveltuvuus:

MOCVD on erittäin monipuolinen tekniikka, jolla voidaan kerrostaa erilaisia ​​materiaaleja (esim. yhdistepuolijohteita, nitridejä, oksideja) muuttamalla lähtöaineiden kemiaa. MOCVD-kammiot vaativat myös lyhyempiä puhdistusaikoja kuin MBE-järjestelmät.

Sovelluksen edut:

· ‌Sb-pohjaiset materiaalit‌: MBE on suositeltava kasvatusmenetelmä.

· ‌P-pohjaiset materiaalit‌: MOCVD on suosittu.

· ‌Ainepohjaiset materiaalit‌: Molemmilla tekniikoilla on vertailukelpoiset ominaisuudet.

· ‌Kehittyneet rakenteet‌ (esim. kvanttipisteet, kvanttikaskadilaserit): MBE valitaan usein perustavanlaatuiseen epitaksiaan.

· ‌Epitaksiaalinen uudelleenkasvu‌: MOCVD-menetelmää suositaan tyypillisesti sen joustavuuden vuoksi etsauksessa ja maskauksessa.

‌Erikoissovellukset‌:

· MOCVD-tekniikka on erinomaista hajautetun takaisinkytkennän (DFB) lasereissa, haudatuissa heterostruktuurilaitteissa ja puskukytkettyjen aaltojohteiden uudelleenkasvussa (mikä voi edellyttää in situ -puolijohdeetsausta).

· MOCVD sopii hyvin monoliittiseen InP-integraatioon. Vaikka monoliittinen GaAs-integraatio on vielä kehitysvaiheessa, MOCVD mahdollistaa selektiivisen pinta-alan kasvun, mikä auttaa emissio-/absorptioaallonpituuksien erottamisessa. MBE kamppailee tässä dielektrisille maskeille muodostuvien polykiteisten kerrostumien vuoksi.