Курсовая работа (т): Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для получения наноразмерных структур БГУИР Кр 1-41 01 04 010 Пз

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для получения наноразмерных структур БГУИР Кр 1-41 01 04 010 Пз

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра микро- и наноэлектроники

Дисциплина: Наноэлектроника

Пояснительная записка

к курсовой работе №10 на тему

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для получения наноразмерных структур БГУИР Кр 1-41 01 04 010 Пз

Выполнил Николаенко С.А.,

студент гр.143301

Проверил Волчёк С.А. доц.,

канд.физ-мат.наук

Минск 2015

Введение

лучевой эпитаксия наноструктура пленка

Данная работа посвящена методу молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и тому, как с помощью него можно получать различные наноструктуры.

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.

1. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии

.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 оС. 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.

Основные физические свойства некоторых используемых элементов при МЛЭ можно найти в приложении А.

.2 Преимущества и недостатки метода

МЛЭ обеспечивает предельно высокое качество и самих плёнок и границ между ними; тем самым она удовлетворяет требованиям, необходимым для создания совершенных полупроводниковых гетероструктур: одиночных гетеропереходов, изолированных потенциальных ям, периодических и многослойных систем. МЛЭ позволяет выращивать плёнки любой толщины - вплоть до моноатомных - с заданным химическим составом и концентрацией примесей. Как уже было сказано, с помощью этого метода можно также осуществлять гетероэпитаксию разнородных материалов, что весьма важно для оптики. Целый спектр возможностей анализа и контроля, устраняющие большую часть сомнений, дают МЛЭ существенные преимущества перед другими технологическими методами. Перечислим важнейшие задачи, решение которых обеспечивается специфическими чертами МЛЭ:

Получение монокристаллов высокой чистоты - за счёт роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков веществ;

Выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах - за счёт относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;

Получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии - за счёт ступенчатого механизма роста, исключающего возможности зародышеобразования;

Получение сверхтонких слоёв с контролируемой толщиной - за счёт точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;

Создание структур со сложными профилями состава и (или) легирования;

Создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия, локально модифицирующими зонную диаграмму, - «зонная инженерия»;

Получение прямозонных сверхрешёток из непрямозонных материалов за счёт дробления зоны Бриллюэна под влиянием нового периода сверхрешётки.

Однако низкая скорость роста плёнки и дороговизна метода не позволяет применять этот метод в массовом производстве. К недостаткам также можно отнести небольшую площадь загрузки и то, что в данном методе сложно поддерживать высокий вакуум.

2. Создание наноструктур с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии

.1 Подготовка подложек

Подложку GaAs сначала кипятят в трихлорэтилене, промывают в ацетоне и метаноле, а затем обрабатывают фильтровальной бумагой, пропитанной бромметанольным полирующим травителем. После промывки в метаноле и деионизованной воде подложку в течение 10 мин травят в отстоявшейся смеси H2SO4:H2O2:H2O (4:1:1) при 60 оС, вновь промывают в деионизованной воде, а затем травят в течение 5 мин в HCl для удаления с поверхности любого окисла или органического вещества. В заключение подложку для пассивации промывают в деионизованной воде и сушат в потоке очищенного азота. После этого подложка крепится на прогретый (160 оС) молибденовый держатель с помощью индиевого припоя и немедленно помещается в установку МЛЭ.

Подготовка подложек InP во многом сходна с GaAs. Поскольку InP значительно «мягче», чем GaAs, небольшое давление на подложку может создать дислокации. Процедура обработки начинается с обезжиривания путём кипячения в трихлорэтилене и ацетоне с последующей промывкой в метаноле и травлением в КОН. Дефекты механической обработки (резки) удаляют полировкой подложки до зеркального состояния фильтровальной бумагой, пропитанной смесью 0,5% Br2 - метанол. Затем подложку травят в растворе H2SO4:H2O2:H2O (4:1:1) в течение 10 мин, после чего в течение 3 мин в смеси 0,3% Br2 - метанол. В течение 1 мин подложку вновь пассивируют в воде и сушат очищенным азотом. Было установлено, что в отличие от подложек GaAs оксид на подложках InP не испаряется даже при температуре разложения подложки. Поэтому очистка подложки InP включает в себя дополнительно облучение пучком As или P, направленным на подложку с целью предотвратить её разложение при высокой температуре.

Для контроля чистоты подложки применяется электроннаяоже-спектроскопия.

.2 Анализ в ходе роста

На раннем этапе развития МЛЭ основную роль для понимания процессов роста играл анализ поверхности в процессе нанесения плёнки. По мере совершенствования технологии и в связи с использованием современных систем МЛЭ в производстве приборов существенными остались лишь дифрактометр быстрых электронов и датчик ионов в камере роста. Масс-спектрометр остаётся удобным средством обнаружения течи в вакуумной системе или измерителем остаточного давления водяных паров.

В первое время масс-спектрометр применялся для изучения кинетики адсорбции-десорбции атомов на твёрдых поверхностях. Он позволял определить время жизни адсорбированного атома, коэффициент прилипания и энергию активации для некоторых элементов на поверхности.

Однако в камере роста обязательно должна находиться аппаратура ДБЭ (дифракция быстрых электронов), так как она даёт информацию о чистоте подложки и условиях роста. Она используется в течение первых пяти минут каждого из циклов роста. Электронная пушка не должна действовать в течение всего процесса роста, потому что она может создать избыточные водяные пары и другие загрязнения. Слишком большой поток электронов может даже полимеризовать остаточные углеводородные газы, приводя к углеродному загрязнению подложки.

Анализируя картину ДБЭ, мы можем считать кристалл как совокупность параллельных плоскостей, в которых находятся атомы. Хорошо известный закон Брэгга, связывающий длину волны и угол дифракции электронного пучка, может быть записан в виде:

,

где  - расстояние между плоскостями,  - угол падения,  - дебройлевская длина волны электрона:

.

,

где  - расстояние между подложкой и флуоресцирующим экраном (постоянное для прибора), а  - удвоенное расстояние между дифракционными точками на экране.

Электронная оже-спектроскопия полезна при изучении поверхности с концентрацией примеси, превосходящей 1% от общего числа поверхностных атомов. Она недостаточно чувствительна для изучения типичных уровней легирования в полупроводниковых приборах, где концентрация примесей порядка одной миллионной. На начальном этапе оже-спектроскопия использовалась при очистке поверхности от кислородных и углеродных загрязнений.

.3Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксииплёнок из соединений AIIIBV

Эпитаксиальный рост соединений AIIIBV с помощью МЛЭ включает следующую последовательность событий:

Адсорбция соответствующих атомов и молекул;

Миграция на поверхности и диссоциация адсорбированных молекул;

Присоединение атомов к подложке, приводящее к зародышеобразованию и росту.

Выращенная тонкая плёнка имеет кристаллографическую структуру, определяемую структурой подложки.

Для соединений AIIIBV пассивирующий слой служит защитой свежетравлёной подложки от атмосферных загрязнений перед эпитаксиальным ростом. После того, как система МЛЭ откачана, экран охлаждён жидким азотом и эффузионная ячейка выведена на требуемую температуру, начинается нагрев подложки. В случае GaAs оксид на подложке десорбируется в интервале 580 - 600 оС, а в случае InP - приблизительно при 520 оС, после чего подложка становится почти атомно чистой и пригодной для эпитаксиального роста.

Чтобы между слоями сохранялось соответствие кристаллических решеток, важно точно контролировать скорости роста моноатомных слоев. Для калибровки этих скоростей роста применяются несколько способов: