Содержание

Ведение 2

Глава 1 Метод молекулярно-лучевой эпитаксии. 3

1.1 Основы метода и оборудование для его осуществления. 3

1.2 Преимущества и недостатки метода. 6

Глава 2. Создание наноструктур с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. 8

2.1 Подготовка подложек. 8

2.2 Анализ в ходе роста. 9

2.3 Создание нанонитей с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии 11

2.4 Создание наночастиц с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. 14

Глава 3. Устройства, созданные с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и их применение. 16

Заключение. 21

Список использованных источников. 22

Ведение

В истории часто наступает такой момент, когда воплощение идеи создания прибора на полупроводниках ограничивается предельными возможностями технологий. Такой момент наступил и тогда, когда размерность создаваемых структур достигла сотен ангстрем. Реализация структур таких масштабов с помощью жидкофазной эпитаксии или газотранспортными методами оказалась весьма затруднительной. Тут и пришёл на помощь метод МЛЭ. По сути, это значительно улучшенный метод вакуумного испарения. Обычный метод вакуумного испарения порой применяется для создания металлических плёнок.

Но с помощью МЛЭ удаётся осуществлять гетероэпитаксию разнородных материалов, выращивая, например, соединения АIIIBV на кремниевых или диэлектрических подложках, что чрезвычайно важно для монолитной интеграции оптоэлектронных и интегрально-оптических систем на арсениде галлия с вычислительными модулями или другими системами обработки информации на кремнии. Таким образом, можно получать многослойные и периодические структуры (типа квантовых сверхрешёток) с заданными параметрами, что даёт фантастические возможности управления энергетическим спектром носителей заряда.

Глава 1 Метод молекулярно-лучевой эпитаксии.

1.1 Основы метода и оборудование для его осуществления.

Как было уже сказано, МЛЭ является улучшенной версией вакуумного напыления и получила широкое распространение в начале 70-х, когда появилось промышленное вакуумное оборудование. Степень усложнения определяется только целями, поставленными в конкретном исследовании. Рост плёнок при МЛЭ определяется в основном кинетикой взаимодействия пучков с поверхностью кристалла, в отличие от других методов, таких как жидкостная эпитаксия или химическое осаждение, которые происходят в условиях близких к равновесным.

Рабочий объём (РО) установки для проведения МЛЭ (рисунок 1.1[2]) делается из нержавеющей стали. Для создания сверхвысокого вакуума (P=10-10Торр) РО обезгаживается многочасовым прогревом до температур около 300 – 400 °С. Для прогрева стенки РО окружены резистивными нагревателями, покрытыми сверху асбестовым теплоизолятором и алюминиевыми защитными кожухами.

Рисунок 1.1 - Схема установки для проведения молекулярно-лучевой эпитаксии.

Образующиеся за счёт испарения особо чистых исходных веществ в эффузионных ячейках (рисунок 1.1) в условиях сверхвысокого вакуума пучки атомов и (или) молекул сходятся на поверхности чистой и точно ориентированной вращающейся подложки. Вращение необходимо для однородности роста слоёв. Иногда применяются источники с металлоорганикой, источники с газообразными гидридами или некоторой комбинацией таких источников.

Первоначально попадающие на поверхность атомы и молекулы адсорбируются и десорбируются, а молекулы могут диссоциировать. Для перехвата частиц, испаряющихся со стенок, внутри РО стоят металлические экраны, охлаждаемые жидким азотом. Иногда, чтобы избежать возврата испарившихся частиц в эффузионную ячейку, применяются ячейки Кнудсена (рисунок 1.2[2]).

Рисунок 1.2 - Ячейка Кнудсена.

Здесь излучающая поверхность расплава окружена экраном с маленьким отверстием, которое и является источником испаряемых частиц. Это отверстие в экране должно быть меньше длины свободного пробега частиц при заданном давлении и толщина стенок отверстия должна быть как можно меньше. При этих условиях влетающие в отверстие частицы не смогут влететь обратно. Это позволяет избежать неопределённости в расчёте потока частиц и усилить контроль над ним.

Постоянная интенсивность потока атомов обеспечивается строгим контролем температуры. Для этого применяются термопары, ИК-датчики и оптический пирометр. Для легирующих элементов обычно применяются источники с резистивным нагревом. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы интенсивностей потоков от источников пересекались на подложке.

При правильно выбранном отношении интенсивностей падающих пучков и температуре подложки на поверхности из адсорбированных атомов образуется сплошная монокристаллическая плёнка, растущая слой за слоем и имеющая заданный стехиометрический состав. Эпитаксия идёт успешно, если параметры решётки подложки и растущего слоя совпадают. Чтобы между слоями сохранялось соответствие кристаллических решеток, важно точно контролировать скорости роста моноатомных слоев.

Поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме на чистой поверхности, его можно контролировать с помощью таких диагностических методов, как дифракция отражённых быстрых электронов (ДОБЭ), электронная оже-спектрометрия (ЭОС), рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия (ФЭС) и т.д., поместив в систему соответствующую аппаратуру вместе с устройством для контроля интенсивности пучков и ионной пушкой для очистки поверхности.

Расстояние от источника до подложки составляет примерно 10 см в лабораторных установках МЛЭ с малым размером подложек. В промышленных установках это расстояние больше, так как там подложки больше и требуется большая степень однородности слоя вдоль их поверхности.

В работах Эсаки и Цу было предложено создавать потенциал сверхрешётки посредством периодического изменения состава или легирования в процессе эпитаксиального роста. Теоретические расчёты показали, что дополнительный сверхрешёточный потенциал видоизменяет зонную структуру основного материала.

Принято считать, что молекулярно-лучевая эпитаксия обычно происходит так далеко от равновесия, что применение термодинамики для описания процесса едва ли уместно. Однако, при условиях, когда получаются слои наилучшего качества, оказалось, что влияние кинетических барьеров на термодинамические предсказания незначительны. Концентрация неравновесных дефектов может быть уменьшена до величины порядка 10-9. Потенциальные примеси и примеси, которые нельзя использовать, могут быть определены без обращения к МЛЭ из существующих данных по химической термодинамике. Кинетические барьеры редко затрагивают стадию внедрения примесей.

Причиной столь хорошего приближения к равновесному состоянию является малая скорость роста при МЛЭ. В случае GaAs при 600 оС и при энергии активации для поверхностной диффузии, равной 1 эВ, атом сменит 106 мест, прежде чем встроится в решётку. Для создания резких переходных областей скорость роста плёнки должна быть несколько ангстрем в секунду, а объёмная диффузия должна быть пренебрежимо мала.