Статья: Получение гетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии

Гетероструктура

Пример схемы гетероструктуры изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Схема гетероструктуры.

Здесь: 1 - гетероструктура; 2 - гетеропереход

Между разными материалами формируется гетеропереход, где существует вероятность присутствия повышенной концентрации носителей, из-за происходит формирование вырожденного двумерного электронного газа. Гетероструктуры, в отличии от гомоструктур, обладают большей свободой выбора в конструировании потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны. Гетероструктуры предоставляют возможность управления фундаментальными параметрами в кристаллах полупроводников и полупроводниковых приборах: подвижность носителей, ширина запрещенной зоны, показатели преломления, эффективные массы носителей, электронный энергетический спектр и т.п. Существует большое количество методов получения гетероструктур с заданными свойствами, основными из которых являются:

1. Осаждение из газообразной формы.
2. Молекулярно-пучковая (лучевая) эпитаксия.

Молекулярно-пучковая эпитаксия

При молекулярно-пучковой эпитаксии химические элементы, из которых состоит растущая пленка, поступают на подложку в виде молекулярных или атомарных пучков данных материалов. Для того, что вырастить пленки высокого кристаллического качества нужно проводить процесс молекулярно-пучковой эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума. Сущность такого процесса заключается в соиспарении материалов, из которых состоит эпитаксиальный слой, и легирующих смесей, в последующем их переносе на разогретую подложку и кристаллизации на ее поверхности. В методе молекулярно-пучковой эпитаксии скорость роста пленки определяется парциальным давлением паром элементов, из которых она состоит и при этом почти никак не зависит от температуры подложки. В этом процессе отсутствуют промежуточные химические реакции в газовой форме, а также существенные диффузионные эффекты. Такая закономерность способствует управляемому и быстрому изменению свойств растущего слоя. Осуществление роста при условии сверхвысокого вакуума делает возможным использования вакуумных методов контроля, например, масс-спектрометрия, дифракция электронов и других.

К основным преимуществам метода молекулярно-пучковой эпитаксии относятся: возможность роста пленок в условиях пониженной температуры роста, а также лучший, по сравнению с методом осаждения из газообразной формы, контроль состава и толщины осадков (до субмонослойных величин). Существенными недостатками данного метода являются низкая производительность и высокая стоимость оборудования, что связано с необходимостью осуществления метода в условиях сверхвысокого вакуума.

Сейчас метод молекулярно-пучковой эпитаксии в основном применяется в исследованиях, мелкосерийном производстве и в выращивании широкого класса полупроводниковых гетероструктур, магнитных материалов, высокотемпературных сверхпроводников, диэлектриков, пленок металлов и других веществ.

Устройство установки для молекулярно-пучковой эпитаксии

Основными элементами установки для молекулярно-пучковой эпитаксии являются:

• Вакуумная камера. Данная камера изготавливается из нержавеющего сплава высокой чистоты. Чтобы обеспечить в ней вакуум, ее предварительно прогревают до высоких температур. В современных установках используются несколько камер, которые соединены между собой: рабочая, где происходит рост структуры; загрузочная, которая в качестве служба между рабочей и атмосферной камерами; исследовательская камера с приборами.
• Насосы. В состав установки входят формавакуумный, адсорбционный и магниторазрядный насосы.
• Манипулятор. Данное устройство используется для крепления, нагревания и вращения подложки.
• Молекулярные источники. Источники используются для роста веществ. Состоят такие источники из тигля, нагревателя, термопары и заслонки перед тиглем.
• Криопанели. Данные элементы используются для разделения молекулярных источников по температуре.
• Система контроля ростовых параметров. Составляющими данной системы являются вакуумметры, масс-спектрометр, термической пары.
• Устройства автоматизации. К таким устройствам относятся компьютеры и управляющие блоки со специальным обеспечением, которые позволяют ускорить эпитаксию.
• Подложка. Подложка представляет собой диск из монокристаллического кремния, арсенида галлия или другой структуры диаметром 40,60 и 102 миллиметра.