Molecular beam epitaxy ( MBE ) tai Molecular Beam epitaxy ( MBE ) on epitaksiaalinen kasvu ultrakorkeassa tyhjiöolosuhteissa . Mahdollistaa tietyn paksuisten heterorakenteiden kasvattamisen monoatomisesti sileillä heterorajapinnoilla ja tietyllä dopingprofiililla . MBE-asennuksissa on mahdollista tutkia kalvojen laatua "in situ" (eli suoraan kasvukammiossa kasvun aikana). Epitaksiprosessi vaatii erityisiä hyvin puhdistettuja substraatteja , joiden pinta on atomisesti sileä.
J. R. Arthur ja Alfred Y. Cho kehittivät molekyylisäteen epitaksiteknologian 1960-luvun lopulla.
Menetelmä perustuu molekyylilähteessä haihdutetun aineen kerrostukseen kiteiselle substraatille. Melko yksinkertaisesta ideasta huolimatta tämän tekniikan toteuttaminen vaatii erittäin monimutkaisia teknisiä ratkaisuja. Tärkeimmät vaatimukset epitaksian asentamiselle ovat seuraavat:
Epitaksian ominaisuus on alhainen kalvon kasvunopeus (yleensä alle 1000 nm tunnissa).
Kammio on valmistettu erittäin puhtaasta ruostumattomasta teräksestä . Tyhjiön varmistamiseksi kammiossa se lämmitetään korkeisiin lämpötiloihin ennen käyttöä. Tässä tapauksessa pinnan kaasunpoisto tapahtuu.
Nykyaikaisissa asennuksissa voidaan käyttää useita kameroita, jotka on yhdistetty yhdellä kuljetusjärjestelmällä:
Foreline-pumppu - suorittaa kaasun pumppauksen laitteistosta ( noin 0,5 Pa:n paineeseen asti).
Absorptiopumppu - käyttää materiaaleja , joilla on kehittynyt pinta (esim. zeoliittijauhe ) , jotka voimakkaasti jäähtyessään (nestetyppi) imevät osan laitteiston kaasusta .
Magneettinen purkauspumppu - tämä pumppu pumpataan ulos, koska siinä on sputteroituja titaanielektrodeja . Sputteroitu titaani kerrostetaan uudelleen pumpun työpinnalle muodostaen kalvon, joka "peittää" pintaan osuneen kaasun. Käytetään erittäin korkean tyhjiön saavuttamiseen.
Manipulaattoria (alustanpidintä) käytetään alustan kiinnittämiseen, sen pyörittämiseen ja lämmittämiseen.
Manipulaattoriin sisäänrakennettu lämmitin mahdollistaa näytteen esilämmityksen sen puhdistamiseksi lialta ja suojaavan oksidikerroksen poistamiseksi . Käytön aikana lämmitin ylläpitää alustan vakiolämpötilaa, jossa kerrostuneen aineen adsorboituneet atomit ( adatomit ) kulkeutuvat pinnan yli ( diffuusio ). Tämä varmistaa itsekokoamisprosessin , eli atomisesti sileiden yksikerrosten muodostumisen. Kasvunopeuden määrää aineen virtaus pintaan. Pienillä virtauksilla saadaan erittäin sileitä kalvoja, joissa on selkeät heterorajapinnat. Prosessin keston vuoksi pintakontaminaation todennäköisyys kuitenkin kasvaa, mikä johtaa vikojen ilmaantumiseen lopullisessa rakenteessa. Suuremmalla virtauksella yksikiteinen kalvo ei kasva, vaan saadaan monikiteinen tai amorfinen.
Molekyylisäteiden epäsymmetriasta johtuvan rakenteen epähomogeenisuuden vaikutusten eliminoimiseksi manipulaattorit tehdään yleensä pyöriviksi. Tässä tapauksessa säteittäinen epäsymmetria kuitenkin säilyy, jota voidaan kuitenkin osittain vähentää kohdentamalla molekyylilähteitä, jotka eivät ole substraatin keskellä.
Molekyylilähteitä käytetään kasvun kannalta välttämättömien aineiden haihduttamiseen. Ne koostuvat seuraavista elementeistä:
Upokkaassa säteen muodossa haihtunut aine putoaa alustalle. Ultrakorkean tyhjiön ansiosta aineen molekyylit etenevät lähes suorassa linjassa törmäämättä kaasumolekyyleihin (eli molekyylien keskimääräinen vapaa reitti on yhtä suuri kuin etäisyys lähteestä substraattiin).
Jos käytetään tulenkestäviä materiaaleja tai aineita, joilla on korkea kemiallinen aktiivisuus, käytetään itseuppoavaa haihdutusmenetelmää. Elektronisuihku tulee aineeseen ja sulattaa pienen alueen. Siten aine itsessään on upokas. Nykyaikaiset elektronisuihkun ohjauslaitteet mahdollistavat sen suunnan, fokuksen, intensiteetin ja muiden parametrien muuttamisen tasaisen atominsäteen saamiseksi tai materiaalin kulutuksen tehokkuuden lisäämiseksi.
Kasvuun käytetyt aineet määräävät lähteiden lukumäärän ja tyypin. Esimerkiksi GaAs/AlGaAs-rakenteiden luomiseen tarvitaan kolme lähdettä: gallium , alumiini ja arseeni . Asennuksissa on tyypillisesti tilaa useiden lähteiden (yleensä kuuden) asennukselle, mikä mahdollistaa laitteiston harvemman avaamisen lähteiden täyttämiseksi aineella.
Tyhjiön parantamiseksi ja alustalle putoamattomien haihtuneen aineen molekyylien jäädyttämiseksi manipulaattorin ympärille asennettiin kryopaneelit - nestemäisellä typellä täytettyjen säiliöiden ympärille . Niitä käytetään myös erottamaan molekyylilähteitä toisistaan lämpötilan perusteella.
Ohjausyksiköiden ja tietokoneiden käyttö erikoisohjelmistoilla mahdollistaa epitaksiprosessien nopeuttamisen ja yksinkertaistamisen sekä asennuksen ja ylläpidon.
Substraatti on yksikiteinen pii , galliumarsenidi tai muu rakennelevy , jonka halkaisija on 40, 60 tai 102 mm .
Reflection high energy elektronidiffraktio ( RHEED ,High Energy Electron Diffraction ) on menetelmä , joka perustuunäytteen pinnalta heijastuneiden elektronien diffraktiokuvion tarkkailuun .
Tämän menetelmän avulla voit seurata seuraavia kasvuparametreja reaaliajassa:
Järjestelmä koostuu:
RHEED
AES
Menetelmää käytetään useimmiten puolijohdeheterorakenteiden kasvattamiseen kolmiosaisista liuoksista tai kvaternaarisista liuoksista , jotka perustuvat jaksollisen alkuainejärjestelmän kolmannen ja viidennen ryhmän alkuaineisiin, vaikka viljellään myös A II B VI -yhdisteitä, samoin kuin piitä , germaniumia ja metalleja . jne. Venäjällä ainoa MBE-asennusten sarjavalmistaja on CJSC NTO ( SemiTEq ).
Korkean elektronin liikkuvuuden transistori (HEMT) on puolijohdelaite, yksi kenttätransistorin muodoista . Päämateriaalit HEMT:iden valmistukseen ovat GaAs ja AlGaAs .
MPE mahdollistaa seuraavat rakenteet pienemmillä mitoilla:
Kasvattujen kalvojen laatu riippuu materiaalin ja alustan hilavakioiden yhteensopivuudesta. Lisäksi mitä suurempi epäsopivuus, sitä pienemmäksi virheetön kalvo voidaan kasvattaa. Kasvava kalvo yrittää mukautua alustan kiderakenteeseen. Jos kasvavan materiaalin hilavakio poikkeaa alustan hilavakiosta, syntyy kalvoon jännityksiä, jotka lisääntyvät kalvon paksuuden kasvaessa. Tämä voi johtaa monien dislokaatioiden ilmaantumiseen substraatti-kalvon rajapinnalle, mikä huonontaa materiaalin sähköisiä ominaisuuksia. Tätä yleensä vältetään. Esimerkiksi täydellistä GaAs-yhdisteiden paria ja AlGaAs-ternaarista ratkaisua käytetään hyvin usein 2D-elektronikaasurakenteiden tuottamiseen . Kvanttipisteiden (InAs) saamiseksi käytetään itseorganisoitumisen ilmiötä, kun InAs-kalvon yksikerroksisia kerroksia kasvatetaan GaAs-substraatilla, ja koska tilavuushilavakioiden yhteensopimattomuus saavuttaa 7%, tämä kalvo katkeaa ja InAs. kerätään saariksi, joita kutsutaan niiden koon vuoksi kvanttipisteiksi.
Esimerkiksi selektiivisellä kasvulla on mahdollista kasvattaa nanolanka alustan reunaan, jossa on esikasvatettu heterorakenne .
On mahdollista kasvattaa laserille rakenne kaksoisheterorakenteelle. Tällaisten rakenteiden peilit ovat jaksoittaisia heterorakenteita, joilla on muuttuva taitekerroin (dielektriset peilit), ja niitä kasvatetaan paksuudeltaan tarkasti .
Menetelmän tärkein etu on mahdollisuus luoda ainutlaatuisia nanorakenteita, joilla on erittäin korkea puhtaus, tasaisuus ja pieni määrä vikoja . Menetelmän haittoja ovat laitteiden ja raaka-aineiden korkea hinta, alhainen kasvuvauhti ja vaikeus ylläpitää suurta tyhjiötä.
On huomattava, että termi "molecular beam epitaxy" on epätarkka käännös englanninkielisestä vastaavasta molecular beam epitaxysta . Venäjänkielisessä tieteellisessä kirjallisuudessa löytyy usein toinen nimi "molecular-beam epitaxy".
B. A. Joyce, R. Heckingbottom, W. Moench, et ai., Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures. - Toim. L. Cheng, K. Ploga. Per. englannista. toim. Zh. I. Alferova, Yu. V. Shmartseva. - Moskova: Mir, 1989. - 582 s. — ISBN 5-03-000737-7 .