Epitaxia de feixe químico - Chemical beam epitaxy

A epitaxia de feixe químico (CBE) constitui uma classe importante de técnicas de deposição para sistemas de camadas semicondutoras , especialmente sistemas semicondutores III-V. Esta forma de crescimento epitaxial é realizada em um sistema de ultra-alto vácuo . Os reagentes estão na forma de feixes moleculares de gases reativos, tipicamente como o hidreto ou um metalorgânico . O termo CBE é frequentemente usado de forma intercambiável com epitaxia de feixe molecular metal-orgânico (MOMBE). A nomenclatura diferencia entre os dois processos (ligeiramente diferentes), no entanto. Quando usado em sentido estrito, CBE se refere à técnica em que ambos os componentes são obtidos de fontes gasosas, enquanto MOMBE se refere à técnica em que o componente do grupo III é obtido de uma fonte gasosa e o componente do grupo V de uma fonte sólida.

Princípios básicos

A epitaxia de feixe químico foi demonstrada pela primeira vez por WT Tsang em 1984. Essa técnica foi então descrita como um híbrido de deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD) e epitaxia de feixe molecular (MBE) que explorou as vantagens de ambas as técnicas. Neste trabalho inicial, InP e GaAs foram cultivadas usando gasoso Grupo III e V alquilos . Enquanto os elementos do grupo III foram derivados da pirólise dos alquilos na superfície, os elementos do grupo V foram obtidos da decomposição dos alquilos colocando em contato com tântalo (Ta) ou molibdênio (Mo) aquecido a 950-1200 ° C. A pressão típica no reator de gás está entre 10 2 Torr e 1 atm para MOCVD. Aqui, o transporte de gás ocorre por fluxo viscoso e os produtos químicos chegam à superfície por difusão. Em contraste, as pressões de gás de menos de 10 −4 Torr são usadas no CBE. O transporte de gás agora ocorre como feixe molecular devido aos caminhos livres de média muito mais longos, e o processo evolui para uma deposição de feixe químico. Também é importante notar aqui que MBE emprega feixes atômicos (como alumínio (Al) e Gálio (Ga)) e feixes moleculares (como As 4 e P 4 ) que são evaporados em altas temperaturas de fontes elementares sólidas, enquanto as fontes para CBE estão em fase de vapor à temperatura ambiente. Uma comparação dos diferentes processos na câmara de crescimento para MOCVD, MBE e CBE pode ser vista na figura 1.

Figura 1: Processos básicos dentro das câmaras de crescimento de a) MOCVD, b) MBE e c) CBE.

Configuração experimental

Uma combinação de bombas turbomoleculares e criogênicas é usada em câmaras de crescimento UHV padrão. A própria câmara é equipada com um crioscópio de nitrogênio líquido e um suporte de cristal giratório capaz de carregar mais de um wafer. O suporte de cristal é geralmente aquecido na parte traseira a temperaturas de 500 a 700 ° C. A maioria das configurações também possui equipamento RHEED para o monitoramento in-situ de superestruturas de superfície na superfície de crescimento e para medir as taxas de crescimento, e espectrômetros de massa para a análise das espécies moleculares nos feixes e a análise dos gases residuais. O sistema de entrada de gás, que é um dos componentes mais importantes do sistema, controla o fluxo do feixe de material. Os sistemas controlados por pressão são usados ​​mais comumente. O fluxo de material é controlado pela pressão de entrada do capilar de injeção de gás. A pressão dentro da câmara pode ser medida e controlada por um manômetro de capacitância. Os feixes moleculares de injetores de materiais de fonte gasosa ou jatos de efusão garantem um perfil de feixe homogêneo. Para alguns compostos de partida, como os hidretos que são o material de partida do grupo V, os hidretos devem ser pré-rachados no injetor. Isso geralmente é feito por decomposição térmica com um metal ou filamento aquecido.

Cinética de crescimento

Para entender melhor a cinética de crescimento associada ao CBE, é importante observar os processos físicos e químicos associados ao MBE e ao MOCVD também. A Figura 2 mostra isso. A cinética de crescimento para essas três técnicas difere de muitas maneiras. No MBE convencional, a taxa de crescimento é determinada pela taxa de chegada dos feixes atômicos do grupo III. O crescimento epitaxial ocorre quando os átomos do grupo III colidem com a superfície do substrato aquecido, migra para os locais apropriados da rede e, em seguida, deposita-se próximo ao excesso de dímeros ou tetrâmeros do grupo V. É importante notar que nenhuma reação química está envolvida na superfície uma vez que os átomos são gerados por evaporação térmica de fontes elementares sólidas.

Figura 2: Cinética de crescimento envolvida em a) MBE convencional, b) MOCVD e c) CBE.

No MOCVD, os alquilos do grupo III já estão parcialmente dissociados na corrente de gás. Estes se difundem através de uma camada limite estagnada que existe sobre o substrato aquecido, após a qual eles se dissociam nos elementos do grupo atômico III. Esses átomos então migram para o local apropriado da rede e se depositam epitaxialmente, associando-se a um átomo do grupo V que foi derivado da decomposição térmica dos hidretos. A taxa de crescimento aqui é geralmente limitada pela taxa de difusão dos alquilos do grupo III através da camada limite. Reações de fase gasosa entre os reagentes também foram observadas neste processo.

Nos processos CBE, os hidretos são quebrados em um injetor de alta temperatura antes de atingirem o substrato. As temperaturas são tipicamente 100-150 ° C mais baixas do que em um MOCVD ou MOVPE semelhante. Também não há camada limite (como a do MOCVD) e as colisões moleculares são mínimas devido à baixa pressão. Os alquilos do grupo V são geralmente fornecidos em excesso e as moléculas de alquil do grupo III colidem diretamente com o substrato aquecido como no MBE convencional. A molécula de alquila do grupo III tem duas opções quando isso acontece. A primeira opção é dissociar seus três radicais alquil adquirindo energia térmica da superfície e deixando para trás os átomos elementares do grupo III na superfície. A segunda opção é reevaporação parcial ou totalmente indissociada. Assim, a taxa de crescimento é determinada pela taxa de chegada dos alquilos do grupo III a uma temperatura de substrato mais elevada e pela taxa de pirólise da superfície a temperaturas mais baixas.

Compatibilidade com fabricação de dispositivo

Crescimento seletivo em baixas temperaturas

O crescimento seletivo por meio de mascaramento dielétrico é facilmente alcançado usando CBE em comparação com suas técnicas parentais de MBE e MOCVD. O crescimento seletivo é difícil de conseguir usando MBE de fonte elementar porque os átomos do grupo III não são desorvidos prontamente após serem adsorvidos . Com fontes químicas, as reações associadas à taxa de crescimento são mais rápidas na superfície do semicondutor do que na camada dielétrica. Nenhum elemento do grupo III pode, entretanto, chegar à superfície dielétrica em CBE devido à ausência de quaisquer reações de fase gasosa. Além disso, é mais fácil para as moléculas metalorgânicas do grupo III de impacto dessorverem na ausência da camada limite. Isso torna mais fácil realizar a epitaxia seletiva usando CBE e em temperaturas mais baixas, em comparação com MOCVD ou MOVPE. Em desenvolvimentos recentes patenteados pela ABCD Technology, a rotação do substrato não é mais necessária, levando a novas possibilidades, como padronização in-situ com feixes de partículas. Essa possibilidade abre perspectivas muito interessantes para a obtenção de filmes finos padronizados em uma única etapa, em particular para materiais que são difíceis de condicionar, como óxidos.

dopagem tipo p

Observou-se que o uso de TMGa para o CBE de GaAs levou a alta dopagem de fundo tipo p (10 20 cm −3 ) devido ao carbono incorporado . No entanto, verificou-se que o uso de TEGa em vez de TMGa resultou em GaAs muito limpo com concentrações de orifícios à temperatura ambiente entre 10 14 e 10 16 cm -3 . Foi demonstrado que as concentrações do orifício podem ser ajustadas entre 10 14 e 10 21 cm -3 simplesmente ajustando a pressão do feixe de alquila e a razão TMGa / TEGa, fornecendo meios para alcançar dopagem do tipo p alto e controlável de GaAs. Isso foi explorado para a fabricação de transistores bipolares de heterojunção de alta qualidade .

Vantagens e desvantagens

CBE oferece muitas outras vantagens sobre suas técnicas originais de MOCVD e MBE, algumas das quais estão listadas abaixo:

Vantagens sobre MBE

  1. Escala multiwafer mais fácil: A rotação do substrato é necessária para uniformidade na espessura e conformidade, uma vez que o MBE tem células de efusão individuais para cada elemento. Grandes células de efusão e dissipação de calor eficiente tornam o aumento de escala multiwafer mais difícil.
  2. Melhor para o ambiente de produção: Resposta de fluxo instantâneo devido ao fluxo de controle eletrônico de precisão.
  3. Ausência de defeitos ovais: esses defeitos ovais geralmente surgem de microgotas de Ga ou In salpicadas de células de efusão de alta temperatura. Esses defeitos variam em tamanho e densidade de sistema para sistema e de tempos em tempos.
  4. Desvios menores em condições de efusão que não dependem do enchimento da fonte efusiva.
  5. Em desenvolvimentos recentes patenteados pela ABCD Technology, a rotação do substrato não é mais necessária.

Vantagens sobre MOCVD

  1. Fácil implementação de instrumentos de diagnóstico in-situ, como RHEED.
  2. Compatibilidade com outros métodos de processamento de filme fino de alto vácuo, como evaporação de metal e implantação de íons.

Deficiências do CBE

  1. Mais bombeamento necessário em comparação com MOCVD.
  2. O controle de composição pode ser difícil durante o cultivo de GaInAs. Em alta temperatura, temos uma melhor incorporação de Ga, mas enfrentamos o problema de dessorção de In.

Portanto, um compromisso deve ser encontrado entre alta e baixa temperatura para um bom controle da composição.

  1. Incorporação de alto carbono para GaAlAs.

Veja também

Referências