Технология квантово-размерных структур Метод молекулярно-лучевой эпитаксии

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление оста­точных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 10^-8 Па (~10^-10 мм рт. ст.).

Потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жид­ких или сублимации твердых материалов, которые располагаются в источнике — эффузионной ячейке. Эффузионная ячейка представляет собой цилиндрический либо конический тигель диамет­ром 1—2 см и длиной 5—10 см. На выходе ячейка имеет круглое отверстие — диафрагму диаметром 5—8 мм. Для изготовления тиг­ля используют пиролитический графит высокой чистоты либо ни­трид бора ВN.

Потоки атомов (или молекул) необходимых элементов направ­ляются на подложку и осаждаются там с образованием вещества требуемого состава. Схематическое изображение основных узлов установки МЛЭ приведено на рисунке. Количество эффузионных ячеек зависит от состава пленки и наличия легирующих примесей. Для выращивания элементарных полупроводников (Si, Gе) требуется один источник основного материала и источники легирующей примеси n- и р-типа. В случае сложных полупроводников (двой­ных, тройных соединений) требуется отдельный источник для ис­парения каждого компонента пленки. Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Управление составом основного материала и легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, перекрывающих тот или иной поток. Если в ходе выращивания структуры требуется резко менять концентра­цию одной и той же примеси, то используют несколько источни­ков этой примеси при разной температуре эффузионной ячейки. Однородность состава пленки по площади и ее кристаллическая структура определяются однородностью молекулярных пучков. В некоторых случаях для повышения однородности подложка с ра­стущей пленкой постоянно вращается.

Р ис.

1-подложка; 2-растущая пленка;

3-заслонки; 4-эффузионные ячейки.

Выращивание высококачественных эпитаксиальных слоев методом МЛЭ требует тщательности в подго­товке подложек, поскольку в методе МЛЭ, как правило, не ис­пользуется очистка поверхности в самой камере роста, за исключе­нием удаления окисных слоев.

Эпитаксиальный рост слоев полупроводниковых соединений включает ряд последовательных событий, важнейшими из которых являются:

1) адсорбция составляющих вещество атомов и молекул;

2) миграция и диссоциация адсорбированных частиц;

3) пристраивание составляющих атомов к подложке, приводя­щее к зародышеобразованию и росту слоя.

Растущая тонкая пленка имеет кристаллографическую структу­ру, определяемую подложкой.

Атомы, попадающие на подложку, адсорбируются на поверхности. На первом этапе это представляет собой адсорбцию за счет слабых ван-дер-ваальсовых и (или) элект­ростатических сил — этап физсорбции. На втором этапе молекулы вещества переходят в хемосорбированное состояние, при котором происходит электронный перенос, т. е. химическая реакция между атомами поверхности и атомами вновь поступившего вещества. Энергия связи при химической адсорбции больше, чем при физи­ческой.

С уществуют и другие технологии, такие как газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений и нанолитография.