Comparación entre MBE (epitaxia de haz molecular) y MOCVD (deposición de vapor químico metálico-orgánico)

Características comunes de la MBE y la MOCVD

Ambiente de trabajo:

Tanto el MBE comoSe trata de un sistema de control.operar en ambientes de salas limpias.

Rango de aplicación:

En ciertos sistemas de materiales, como los arsénicos, ambas técnicas pueden producir efectos epitaxiales similares.

Diferencias entre MBE y MOCVD

Principio de trabajo MBE (Epitaxia de haz molecular):

MBE utiliza precursores elementales de alta pureza, que se calientan en un evaporador para formar haces moleculares para la deposición.Por lo general, funciona en condiciones de vacío ultraalto (UHV) para evitar la contaminación por moléculas de aire.

Estructura del equipo:

El MBE consiste en una cámara de transferencia de muestras y una cámara de crecimiento. La cámara de crecimiento generalmente está sellada y solo se abre durante el mantenimiento.rodeado de una pantalla fría refrigerada con nitrógeno líquido para capturar impurezas y átomos que no se atrapan en la superficie del sustrato.

Herramientas de seguimiento:

MBE emplea herramientas de monitoreo in situ como la difracción de electrones de alta energía de reflexión (RHEED) para monitorear la superficie de crecimiento, la reflexión láser, la termografía,y análisis químicos (espectrometría de masas)Otros sensores miden la temperatura, la presión y la tasa de crecimiento para ajustar los parámetros del proceso en tiempo real.

Tasa de crecimiento:

Por lo general, la tasa de crecimiento es de aproximadamente un tercio de una monocapa por segundo (0,1 nm, 1 Å).controlado por la temperatura de la fuente) y la temperatura del sustrato (que afecta a las características de difusión y desorción de los átomos en el sustrato)Las tasas de crecimiento y el suministro de material están controlados por sistemas mecánicos de obturación, lo que permite el crecimiento fiable y repetible de aleaciones ternarias y cuaternarias y estructuras multicapa.

Características del material:

• El silicio:Se requieren altas temperaturas (> 1000 °C) para el crecimiento en sustratos de silicio para garantizar la desorción de óxidos, lo que requiere calentadores especiales y accesorios de sustrato.El desajuste en las constantes de red y los coeficientes de expansión térmica hace del crecimiento de materiales III-V en silicio un tema de investigación activo.

• Antimonio:Para los semiconductores III-Sb, se requieren bajas temperaturas del sustrato para evitar la desorción de la superficie.- donde una especie atómica se evapora preferentemente, dejando el material con una relación no estoiquiométrica.

• El fósforo:Para las aleaciones III-P, el fósforo puede depositarse dentro de la cámara, lo que requiere un largo proceso de limpieza, lo que podría hacer que las carreras de producción cortas sean inviables.

• Las capas tensadas:Por lo general, se necesitan temperaturas de sustrato más bajas para reducir la difusión atómica en la superficie, reduciendo así la probabilidad de relajación de la capa.Como la movilidad atómica reducida causa huecos en la capa epitaxial, que pueden encapsularse y causar fallas.

Principio de funcionamiento del MOCVD (deposición química de vapor metálico-orgánico):

MOCVD es un proceso de vapor químico que utiliza fuentes gaseosas ultrapuras para la deposición, que requiere el manejo de gases tóxicos y su tratamiento.Los precursores orgánicos de metales (como el trimetilgalo para los elementos del Grupo III y los hidruros como arsino y fosfina para los elementos del Grupo V) se utilizan para la deposición de la capa epitaxial.

Estructura del equipo:

MOCVD cuenta con una cámara de reacción de alta temperatura, enfriada con agua, donde los sustratos se colocan sobre bases de grafito calentadas por RF, resistiva o infrarroja.Los gases de reacción se inyectan verticalmente en la cámara de proceso por encima del sustrato..

Herramientas de seguimiento:

MOCVD utiliza la termografía con corrección de emisividad para la medición de la temperatura in situ de la superficie del sustrato; la reflectividad se utiliza para analizar la rugosidad de la superficie y la tasa de crecimiento epitaxial.La reflexión láser se utiliza para medir la flexión del sustrato, y el monitoreo de gas por ultrasonido ayuda a rastrear la concentración de los precursores de metales orgánicos para mejorar la precisión y la repetibilidad del proceso de crecimiento.

Condiciones de crecimiento:

La temperatura de crecimiento se determina principalmente por los requisitos de descomposición térmica de los precursores y luego se optimiza para la migración superficial.La velocidad de crecimiento está regida por la presión de vapor de las fuentes orgánicas de metales III-V en la fase gaseosaPara las aleaciones que contienen aluminio, se requieren típicamente temperaturas más altas (> 650 °C) para el crecimiento, mientras que las capas basadas en fósforo crecen a temperaturas más bajas (< 650 °C), aunque AlInP puede ser una excepción..

Características del material:

• Las capas de alta tensión:Debido a la capacidad de usar arsenidos y fosfidos convencionalmente, se puede lograr el equilibrio y la compensación de la tensión, como con barreras GaAsP y pozos cuánticos InGaAs (QW).

• Antimonidos:El crecimiento de MOCVD de los antimonidos es limitado debido a la falta de fuentes de precursores adecuadas, lo que conduce a la incorporación inadvertida (y generalmente indeseable) de carbono en AlSb,que limita las opciones de aleación y dificulta el uso de MOCVD para el crecimiento de antimonidos.

Resumen de las actividades

Opciones de seguimiento:

El MBE suele ofrecer más opciones de monitoreo in situ que el MOCVD, ajustando el crecimiento epitaxial por las tasas de flujo y las temperaturas del sustrato.La investigación y el seguimiento in situ correlacionados proporcionan una, una comprensión más directa del proceso de crecimiento.

Aplicabilidad del material:

La MOCVD es una técnica muy versátil. Al variar la química del precursor, se puede depositar una amplia gama de materiales, incluidos semiconductores compuestos, nitritos y óxidos.El tiempo de limpieza en las cámaras MOCVD es más rápido que en MBE.

Ventajas de la aplicación:

MBE es el método preferido para el crecimiento de materiales Sb, mientras que MOCVD es típicamente preferido para materiales P. Para materiales a base de arseniuro, ambas técnicas tienen capacidades similares.Para estructuras más avanzadas como puntos cuánticos y láseres de cascada cuánticaEl MBE es generalmente el método preferido para la epitaxia de la base.

Aplicaciones especiales:

MOCVD es adecuado para láseres de retroalimentación distribuida (DFB), dispositivos de heterostructura enterrados y crecimiento de guías de onda acopladas, que pueden incluir grabado in situ de semiconductores.MOCVD también se utiliza para la integración InP de un solo chipSi bien la integración de un solo chip de GaAs todavía se encuentra en sus primeras etapas, MOCVD puede lograr un crecimiento de la zona selectiva, ayudando a la separación de las longitudes de onda de emisión/absorción.tiene desafíos en esta área, ya que las deposiciones policristalinas tienden a formarse en las máscaras dieléctricas.

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