Confronto tra MBE (Molecular Beam Epitaxy) e MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)

Caratteristiche comuni di MBE e MOCVD

Ambiente di lavoro:

Sia la MBE che laMOCVDoperare in ambienti di stanza pulita.

Applicazione:

In alcuni sistemi materiali, come gli arsenidi, entrambe le tecniche possono produrre effetti epitaxiali simili.

Differenze tra MBE e MOCVD

Principio di funzionamento MBE (Epitaxia del fascio molecolare):

MBE utilizza precursori elementari di alta purezza, che vengono riscaldati in un evaporatore per formare fasci molecolari per la deposizione.In genere funziona in condizioni di vuoto ultra elevato (UHV) per evitare la contaminazione da molecole d'aria.

Struttura dell'apparecchiatura:

La MBE è costituita da una camera di trasferimento dei campioni e da una camera di crescita.circondato da uno schermo a freddo raffreddato con azoto liquido per catturare le impurità e gli atomi non catturati sulla superficie del substrato.

Strumenti di monitoraggio:

MBE utilizza strumenti di monitoraggio in situ come la diffrazione elettronica ad alta energia di riflessione (RHEED) per monitorare la superficie di crescita, la riflessione laser, la termografia,e analisi chimica (spettro di massa)Altri sensori misurano la temperatura, la pressione e il tasso di crescita per regolare i parametri del processo in tempo reale.

Tasso di crescita:

In genere, il tasso di crescita è di circa un terzo di un mono strato al secondo (0,1 nm, 1 Å).controllato dalla temperatura di sorgente) e dalla temperatura del substrato (che influenza le caratteristiche di diffusione e di desorbimento degli atomi sul substrato)I tassi di crescita e l'approvvigionamento di materiale sono controllati da sistemi meccanici di chiusura, che consentono la crescita affidabile e ripetibile di leghe ternarie e quaternarie e strutture multicapa.

Caratteristiche del materiale:

• Fabbricazione a partire da:Per la crescita sui substrati di silicio sono necessarie temperature elevate (> 1000°C) per garantire il desorbo degli ossidi, che richiedono riscaldatori e apparecchiature speciali per il substrato.Il disallineamento delle costanti del reticolo e dei coefficienti di espansione termica rende la crescita di materiali III-V sul silicio un argomento di ricerca attivo.

• Antimonio:Per i semiconduttori III-Sb, sono necessarie basse temperature del substrato per evitare il desorbo dalla superficie.- quando una specie atomica viene evaporata preferenzialmente, lasciando il materiale con un rapporto non-stoichiometrico.

• Fosforo:Per le leghe III-P, il fosforo può depositarsi all'interno della camera, richiedendo un lungo processo di pulizia, che potrebbe rendere impossibile la produzione di serie brevi.

• Strati di tensione:In genere, sono necessarie temperature di substrato più basse per ridurre la diffusione atomica sulla superficie, riducendo così la probabilità di rilassamento dello strato.come ridotta mobilità atomica provoca vuoti nello strato epitaxiale, che possono essere incapsulati e causare guasti.

MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition) Principio di lavoro:

Il MOCVD è un processo chimico a vapore che utilizza fonti gassose ultrapure per la deposizione, che richiede la manipolazione di gas tossici e il loro trattamento.I precursori metallici organici (come il trimetilgallio per gli elementi del gruppo III e gli idruri come l'arsina e la fosfina per gli elementi del gruppo V) sono utilizzati per la deposizione dello strato epitaxiale.

Struttura dell'apparecchiatura:

Il MOCVD è dotato di una camera di reazione ad alta temperatura raffreddata ad acqua in cui i substrati sono posizionati su basi di grafite riscaldate con riscaldamento RF, resistivo o a infrarossi.I gas di reazione vengono iniettati verticalmente nella camera di processo sopra il substrato.

Strumenti di monitoraggio:

Il MOCVD utilizza la termografia con correzione dell'emissività per la misurazione della temperatura in situ della superficie del substrato; la riflettività viene utilizzata per analizzare la rugosità superficiale e il tasso di crescita epitaxiale.La riflessione laser viene utilizzata per misurare la flessione del substrato, e il monitoraggio dei gas ad ultrasuoni aiuta a monitorare la concentrazione dei precursori metallici organici per migliorare la precisione e la ripetibilità del processo di crescita.

Condizioni di crescita:

La temperatura di crescita è determinata principalmente dai requisiti di decomposizione termica dei precursori e quindi ottimizzata per la migrazione superficiale.Il tasso di crescita è regolato dalla pressione di vapore delle sorgenti metallo-organiche III-V nella fase gassosaPer le leghe contenenti alluminio, per la crescita sono in genere necessarie temperature più elevate (> 650°C), mentre gli strati a base di fosforo crescono a temperature più basse (< 650°C), sebbene AlInP possa essere un'eccezione.

Caratteristiche del materiale:

• Strati ad alta tensione:A causa della capacità di utilizzare convenzionalmente arsenidi e fosfidi, l'equilibrio e la compensazione dello sforzo sono realizzabili, come con le barriere GaAsP e i pozzi quantistici InGaAs (QW).

• Antimonidi:La crescita di MOCVD dei materiali antimonidici è limitata perché mancano fonti di precursori adeguate, portando all'incorporazione involontaria (e di solito indesiderabile) di carbonio in AlSb,che limita la scelta delle leghe e ostacola l'uso di MOCVD per la crescita di antimonidi.

Riassunto

Opzioni di monitoraggio:

Il MBE offre in genere più opzioni di monitoraggio in situ rispetto al MOCVD, con la crescita epitaxiale regolata da velocità di flusso e temperature del substrato.Il monitoraggio in situ e correlato fornisce un quadro più chiaro, una comprensione più diretta del processo di crescita.

Applicabilità del materiale:

La MOCVD è una tecnica molto versatile. Variando la chimica dei precursori, una vasta gamma di materiali può essere depositata, tra cui semiconduttori composti, nitruri e ossidi.Il tempo di pulizia nelle camere MOCVD è più veloce che in MBE.

Vantaggi di applicazione:

L'MBE è il metodo preferito per la crescita del materiale Sb, mentre MOCVD è tipicamente preferito per i materiali P. Per i materiali a base di arsenuro, entrambe le tecniche hanno capacità simili.Per strutture più avanzate come i punti quantistici e i laser a cascata quantistica, MBE è di solito il metodo preferito per l'epitaxia di base. MOCVD è spesso preferito per la successiva ricrescita epitaxiale a causa della sua flessibilità nell'incisione e nella mascheratura.

Applicazioni speciali:

MOCVD è adatto per laser a feedback distribuito (DFB), dispositivi di eterostruttura sepolti e ricrescita di guide d'onda accoppiate, che possono includere l'incisione in situ di semiconduttori.MOCVD è anche usato per l'integrazione InP a singolo chipMentre l'integrazione di un singolo chip di GaAs è ancora nelle sue fasi iniziali, MOCVD può raggiungere una crescita dell'area selettiva, aiutando nella separazione delle lunghezze d'onda di emissione/assorbimento.ha sfide in questo settore, poiché le deposizioni policristalline tendono a formarsi sulle maschere dielettriche.

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