Molecular beam epitaxi ( MBE ) eller molekylär beam epitaxi ( MBE ) är epitaxiell tillväxt under ultrahöga vakuumförhållanden . Tillåter växande heterostrukturer av en given tjocklek med monatomiskt jämna heterogränssnitt och med en given dopningsprofil . I MBE-installationer är det möjligt att studera kvaliteten på filmer "in situ" (det vill säga direkt i tillväxtkammaren under tillväxt). Epitaxiprocessen kräver speciella väl rengjorda substrat med en atomär slät yta.
Molecular beam epitaxi-teknologi utvecklades i slutet av 1960-talet av J. R. Arthur och Alfred Y. Cho.
Metoden bygger på avsättning av ett ämne som avdunstats i en molekylär källa på ett kristallint substrat. Trots en ganska enkel idé kräver implementeringen av denna teknik extremt komplexa tekniska lösningar. Huvudkraven för installation av epitaxi är följande:
En egenskap hos epitaxi är en låg filmtillväxthastighet (vanligtvis mindre än 1000 nm per timme).
Kammaren är gjord av högrent rostfritt stål . För att säkerställa vakuum i kammaren värms den upp till höga temperaturer före drift. I detta fall sker avgasning av ytan.
I moderna installationer kan flera kameror kopplade till ett enda transportsystem användas:
Foreline pump - utför den initiala pumpningen av gas från installationen (upp till ett tryck på ca 0,5 Pa).
Absorptionspump - använder material med en utvecklad yta (till exempel zeolitpulver ) , som vid stark kylning (flytande kväve) absorberar en del av gasen från installationen .
Magnetisk urladdningspump - denna pump pumpas ut på grund av närvaron av sputtrade titanelektroder i den . Sputtrat titan återavsätts på pumpens arbetsyta och bildar en film som "täcker" gasen som har träffat ytan. Används för att uppnå ultrahögt vakuum.
Manipulatorn (substrathållaren) används för att fixera substratet, dess rotation och uppvärmning.
Värmaren inbyggd i manipulatorn ger preliminär uppvärmning av provet för att rengöra det från smuts och driva bort det skyddande lagret av oxid . Under drift upprätthåller värmaren en konstant temperatur på substratet, vid vilken de adsorberade atomerna ( adatomer ) av det avsatta ämnet migrerar över ytan ( diffusion ). Detta säkerställer processen för självmontering , det vill säga bildandet av atomiskt släta monolager. Tillväxthastigheten bestäms av flödet av materia till ytan. Vid låga flöden erhålls mycket jämna filmer med tydliga heterogränssnitt. Men på grund av processens varaktighet ökar sannolikheten för ytkontamination, vilket leder till uppkomsten av defekter i den slutliga strukturen. Vid ett högre flöde växer inte enkristallfilmen utan polykristallin eller amorf erhålls.
För att eliminera effekterna av strukturinhomogenitet på grund av asymmetrin hos molekylära strålar, görs manipulatorer vanligtvis roterande. Men i detta fall kvarstår fortfarande den radiella asymmetrin, som dock delvis kan reduceras genom att rikta in sig på molekylära källor som inte är i mitten av substratet.
Molekylära källor används för att avdunsta de ämnen som är nödvändiga för tillväxt. De består av följande element:
Ämnet som avdunstats i degeln i form av en stråle faller på substratet. På grund av det ultrahöga vakuumet fortplantar sig ett ämnes molekyler nästan i en rak linje utan att kollidera med gasmolekyler (det vill säga molekylernas medelfria väg är lika med avståndet från källan till substratet).
Vid användning av eldfasta material eller ämnen med hög kemisk aktivitet används autodegelindunstningsmetoden. Elektronstrålen kommer in i ämnet och smälter en liten yta. Sålunda är själva ämnet en degel. Moderna enheter för att styra en elektronstråle gör det möjligt att ändra dess riktning, fokus, intensitet och andra parametrar för att erhålla en enhetlig atomstråle eller öka effektiviteten av materialförbrukningen.
Antalet och typen av källor bestäms av de ämnen som används för tillväxt. Till exempel, för att skapa GaAs/AlGaAs-strukturer, behövs tre källor: gallium , aluminium och arsenik . Vanligtvis ger installationerna utrymme för installation av flera källor (vanligen sex), vilket tillåter mindre frekvent öppning av installationen för att fylla källor med ett ämne.
För att förbättra vakuumet och frysa ut molekylerna av det förångade ämnet som inte föll på substratet, installerades kryopaneler runt manipulatorn - behållare fyllda med flytande kväve . De används också för att separera molekylära källor från varandra genom temperatur.
Användningen av styrenheter och datorer med speciell programvara gör det möjligt att påskynda epitaxiprocesser och förenkla installation och underhåll.
Substratet är en skiva av enkristallkisel , galliumarsenid eller annan struktur med en diameter på 40, 60 eller 102 mm .
Reflection high energy elektrondiffraktion ( RHEED ,High Energy Electron Diffraction ) är en metod som bygger på att observera diffraktionsmönstret för elektroner som reflekteras från provytan.
Denna metod låter dig övervaka följande tillväxtparametrar i realtid:
Systemet består av:
RHEED
AES
Metoden används oftast för att odla halvledarheterostrukturer från ternära lösningar eller kvartära lösningar baserade på element från den tredje och femte gruppen av det periodiska systemet av grundämnen, även om A II B VI -föreningar också odlas, såväl som kisel , germanium , metaller , etc. I Ryssland är den enda serietillverkaren av MBE-installationer CJSC NTO ( SemiTEq ).
En transistor med hög elektronmobilitet (HEMT) är en halvledarenhet, en av varianterna av en fälteffekttransistor . Huvudmaterialen för att tillverka HEMT är GaAs och AlGaAs .
MPE gör det möjligt att erhålla följande strukturer med reducerad dimension:
Kvaliteten på de odlade filmerna beror på matchningen av gitterkonstanterna för materialet och substratet. Ju större oöverensstämmelsen är, desto mindre kan tjockleken på en defektfri film växa. Den växande filmen försöker anpassa sig till substratets kristallstruktur. Om det växande materialets gitterkonstant skiljer sig från substratets gitterkonstant uppstår spänningar i filmen som ökar med ökande filmtjocklek. Detta kan leda till uppkomsten av många dislokationer vid gränssnittet mellan substrat och film, vilket försämrar materialets elektriska egenskaper. Detta undviks vanligtvis. Till exempel används ett perfekt par GaAs-föreningar och en ternär AlGaAs-lösning mycket ofta för att producera 2D-elektrongasstrukturer . För att erhålla kvantprickar (InAs) används fenomenet självorganisering, när ett par monolager av en InAs-film odlas på ett GaAs-substrat, och eftersom missanpassningen av volymetriska gitterkonstanter når 7 %, går denna film sönder och InAs samlas till öar, som kallas på grund av sin storlek kvantprickar.
Till exempel, med hjälp av selektiv tillväxt, är det möjligt att odla en nanotråd på kanten av ett substrat med en förväxt heterostruktur .
Det är möjligt att odla en struktur för en laser på en dubbel heterostruktur. Speglar i sådana strukturer är periodiska heterostrukturer med ett variabelt brytningsindex (dielektriska speglar) och odlas med precision i tjocklek.
Den största fördelen med metoden är möjligheten att skapa unika nanostrukturer med mycket hög renhet, enhetlighet och ett litet antal defekter . Nackdelarna med metoden inkluderar det höga priset på utrustning och råmaterial, låg tillväxthastighet och svårigheten att upprätthålla ett högt vakuum.
Det bör noteras att termen "molecular beam epitaxy" är en felaktig översättning av den engelska motsvarande molecular beam epitaxy . I den ryskspråkiga vetenskapliga litteraturen finns ofta ett annat namn "molekylär strålepitaxi".
B.A. Joyce, R. Heckingbottom, W. Moench, et al. Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures. - Ed. L. Cheng, K. Ploga. Per. från engelska. ed. Zh. I. Alferova, Yu. V. Shmartseva. - Moskva: Mir, 1989. - 582 sid. — ISBN 5-03-000737-7 .