¿Cuáles son las diferencias entre las tecnologías MBE y MOCVD?

Tanto la epitaxia del haz molecular (MBE) como los reactores de deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD) operan en entornos de sala limpia y utilizan el mismo conjunto de herramientas de metrología para la caracterización de la oblea. MBE de fuente sólida utiliza precursores elementales de alta pureza calentados en células de efusión para crear un haz molecular para permitir la deposición (con nitrógeno líquido utilizado para enfriar). Por el contrario, el MOCVD es un proceso de vapor químico, que utiliza fuentes gaseosas ultra puras para permitir la deposición y requiere la entrega y reducción de gases tóxicos. Ambas técnicas pueden producir epitaxia idéntica en algunos sistemas materiales, como Arsenides. Se discute la elección de una técnica sobre la otra para materiales, procesos y mercados particulares.

Epitaxia de haz molecular

Un reactor MBE normalmente comprende una cámara de transferencia de muestras (abierta al aire, para permitir que los sustratos de oblea se carguen y descarguen) y una cámara de crecimiento (normalmente sellada y solo abierta al aire para mantenimiento) donde se transfiere el sustrato para el crecimiento epitaxial. . Los reactores MBE funcionan en condiciones de vacío ultraalto (UHV) para evitar la contaminación por moléculas de aire. La cámara se puede calentar para acelerar la evacuación de estos contaminantes si la cámara ha estado abierta al aire.

A menudo, los materiales fuente de la epitaxia en un reactor MBE son semiconductores o metales sólidos. Estos se calientan más allá de sus puntos de fusión (es decir, evaporación del material fuente) en las células de efusión. Aquí, los átomos o moléculas se conducen a la cámara de vacío MBE a través de una pequeña abertura, lo que da un haz molecular altamente direccional. Esto incide en el sustrato calentado; Por lo general, hecho de materiales de cristal único como silicio, arsenuro de galio (GAA) u otros semiconductores. Siempre que las moléculas no desorben, se difundirán en la superficie del sustrato, promoviendo el crecimiento epitaxial. La epitaxia se acumula la capa por capa, con la composición y el grosor de cada capa controlados para lograr las propiedades ópticas y eléctricas deseadas.

El sustrato está montado en el centro, dentro de la cámara de crecimiento, en un soporte calentado rodeado de crioshields, frente a las células de derrame y al sistema de obturación. El soporte gira para proporcionar una deposición uniforme y un grosor epitaxial. Los Cryoshields son placas enfriadas con nitrógeno líquido que atrapan contaminantes y átomos en la cámara que no se capturan previamente en la superficie del sustrato. Los contaminantes pueden ser de la desorción del sustrato a altas temperaturas o al "llenar" del haz molecular.

La cámara del reactor MBE de vacío ultraalto permite utilizar herramientas de monitoreo in situ para controlar el proceso de deposición. Para controlar la superficie de crecimiento se utiliza la difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). La reflectancia láser, la termografía y el análisis químico (espectrometría de masas, espectrometría Auger) analizan la composición del material evaporado. Otros sensores se utilizan para medir temperaturas, presiones y tasas de crecimiento con el fin de ajustar los parámetros del proceso en tiempo real.

Tasa de crecimiento y ajuste

La tasa de crecimiento epitaxial, que generalmente es aproximadamente un tercio de una monocapa (0.1 nm, 1å) por segundo, está influenciada por la velocidad de flujo (el número de átomos que llega a la superficie del sustrato, controlado por la temperatura de la fuente) y la temperatura del sustrato (que afecta las propiedades difusivas de los átomos en la superficie de los sustratos y su desorción, controlada por el calor del sustrato). Estos parámetros se ajustan y monitorean de forma independiente dentro del reactor MBE, para optimizar el proceso epitaxial.

Al controlar las tasas de crecimiento y el suministro de diferentes materiales mediante un sistema de obturador mecánico, se pueden cultivar aleaciones ternarias y cuaternarias y estructuras multicapa de manera confiable y repetida. Después de la deposición, el sustrato se enfría lentamente para evitar el estrés térmico y se prueba para caracterizar su estructura cristalina y sus propiedades.

Características del material para MBE

Las características de los sistemas de material III-V utilizados en MBE son:

● Silicón: El crecimiento en sustratos de silicio requiere temperaturas muy altas para garantizar la desorción de óxido (> 1000 ° C), por lo que se requieren calentadores especializados y titulares de obleas. Los problemas alrededor del desajuste en la red constante y el coeficiente de expansión hacen que el crecimiento III-V en el silicio sea un tema activo de I + D.

●  Antimonio: Para los semiconductores III-SB, se deben usar bajas temperaturas de sustrato para evitar la desorción de la superficie. También puede ocurrir "no engruencia" a altas temperaturas, donde una especie atómica puede evaporarse preferentemente para dejar materiales no estequiométricos.

●  Fósforo: Para las aleaciones III-P, el fósforo se depositará en el interior de la cámara, lo que requerirá un proceso de limpieza que requiere mucho tiempo y que puede hacer inviables los ciclos de producción cortos.

Deposición de vapor químico orgánico de metal

El reactor MOCVD tiene una cámara de reacción refrigerada por agua de alta temperatura. Los sustratos se colocan sobre un susceptor de grafito calentado mediante calentamiento por RF, resistivo o IR. Los gases reactivos se inyectan verticalmente en la cámara de proceso encima de los sustratos. La uniformidad de la capa se logra optimizando la temperatura, la inyección de gas, el flujo total de gas, la rotación del susceptor y la presión. Los gases portadores son hidrógeno o nitrógeno.

Para depositar capas epitaxiales, MOCVD utiliza precursores orgánicos metálicos de muy alta pureza como el trimetilgalio para galio o trimetilaluminio para aluminio para los elementos del Grupo III y los gases de hidruro (arsina y fosfina) para los elementos del grupo-V. La organización de metal está contenida en los burbujeadores de flujo de gas. La concentración inyectada en la cámara de proceso está determinada por la temperatura y la presión del flujo de gas de metal-orgánico y portador a través del burbujeador.

Los reactivos se descomponen completamente en la superficie del sustrato a la temperatura de crecimiento, liberando átomos de metal y subproductos orgánicos. La concentración de reactivos se ajusta para producir diferentes estructuras de aleación III-V, junto con un sistema de conmutación de ejecución/ventilación para ajustar la mezcla de vapor.

El sustrato suele ser una oblea monocristalina de un material semiconductor como arseniuro de galio, fosfuro de indio o zafiro. Se carga en el susceptor dentro de la cámara de reacción sobre la que se inyectan los gases precursores. Gran parte de los organometálicos vaporizados y otros gases viajan inalterados a través de la cámara de crecimiento calentada, pero una pequeña cantidad sufre pirólisis (agrietamiento), creando subespecies de materiales que se absorben en la superficie del sustrato caliente. Luego, una reacción superficial da como resultado la incorporación de los elementos III-V en una capa epitaxial. Alternativamente, puede ocurrir desorción de la superficie, con los reactivos no utilizados y los productos de reacción evacuados de la cámara. Además, algunos precursores pueden inducir un grabado de "crecimiento negativo" de la superficie, como en el dopaje con carbono de GaAs/AlGaAs, y con fuentes de grabado específicas. El susceptor gira para asegurar una composición y espesores consistentes de la epitaxia.

La temperatura de crecimiento requerida en el reactor MOCVD está determinada principalmente por la pirólisis requerida de los precursores, y luego optimiza con respecto a la movilidad superficial. La tasa de crecimiento está determinada por la presión de vapor de las fuentes orgánicas metálicas del Grupo III en los Bubblers. La difusión de la superficie se ve afectada por los pasos atómicos en la superficie, con sustratos desorientados que a menudo se usan por este motivo. El crecimiento en sustratos de silicio requiere etapas de muy alta temperatura para garantizar la desorción de óxido (> 1000 ° C), exigiendo calentadores especializados y titulares de sustrato de obleas.

La presión y la geometría del vacío del reactor significa que las técnicas de monitoreo in situ varían a las de MBE, ya que MBE generalmente tiene más opciones y configurabilidad. Para MOCVD, la pirometría corregida por la emisividad se usa para la medición de temperatura de la superficie de la oblea in situ (a diferencia de la medición remota de termopar); La reflectividad permite analizar la tasa de crecimiento epitaxial y la tasa de crecimiento epitaxial; El arco de la oblea se mide mediante reflejo del láser; y las concentraciones organometálicas suministradas se pueden medir mediante monitoreo de gases ultrasónicos, para aumentar la precisión y la reproducibilidad del proceso de crecimiento.

Típicamente, las aleaciones que contienen aluminio se cultivan a temperaturas más altas (> 650 ° C), mientras que las capas que contienen fósforo se cultivan a temperaturas más bajas (<650 ° C), con posibles excepciones para ALINP. Para las aleaciones de Alingaas e Ingaasp, utilizadas para aplicaciones de telecomunicaciones, la diferencia en la temperatura de agrietamiento de la arsina hace que el control del proceso sea más simple que para la fosfina. Sin embargo, para el reembolso epitaxial, donde las capas activas están grabadas, se prefiere la fosfina. Para los materiales antimónidos, se produce la incorporación de carbono no intencional (y generalmente no deseada) en ALSB, debido a la falta de una fuente precursora apropiada, que limita la elección de las aleaciones y, por lo tanto, la absorción de crecimiento de antimónidos por MOCVD.

Para capas altamente deformadas, debido a la capacidad de utilizar rutinariamente materiales de arseniuro y fosfuro, es posible equilibrar y compensar la deformación, como en el caso de las barreras de GaAsP y los pozos cuánticos (QW) de InGaAs.

Resumen

MBE generalmente tiene más opciones de monitoreo in situ que MOCVD. El crecimiento epitaxial se ajusta mediante la tasa de flujo y la temperatura del sustrato, que se controlan por separado, con un monitoreo in situ asociado que permite una comprensión mucho más clara y directa de los procesos de crecimiento.

MOCVD es una técnica muy versátil que se puede utilizar para depositar una amplia gama de materiales, incluidos semiconductores compuestos, nitruros y óxidos, variando la química del precursor. El control preciso del proceso de crecimiento permite la fabricación de dispositivos semiconductores complejos con propiedades personalizadas para aplicaciones en electrónica, fotónica y optoelectrónica. Los tiempos de limpieza de la cámara MOCVD son más rápidos que los de MBE.

MOCVD es excelente para el rebrote de los láseres de retroalimentación distribuida (DFBS), dispositivos de heteroestructura enterrados y guías de onda unidas por el tope. Esto puede incluir el grabado in situ del semiconductor. MOCVD es, por lo tanto, ideal para la integración monolítica de INP. Aunque la integración monolítica en GaAs está en su infancia, MOCVD permite el crecimiento selectivo del área, donde las áreas enmascaradas dieléctricas ayudan a espaciar las longitudes de onda de emisión/absorción. Esto es difícil de hacer con MBE, donde los depósitos policristales pueden formarse en la máscara dieléctrica.

En general, MBE es el método de crecimiento elegido para materiales Sb y MOCVD es la elección para materiales P. Ambas técnicas de crecimiento tienen capacidades similares para materiales a base de As. Los mercados tradicionales exclusivos de MBE, como el de la electrónica, ahora pueden atenderse igualmente bien con el crecimiento de MOCVD. Sin embargo, para estructuras más avanzadas, como los láseres de puntos cuánticos y de cascada cuántica, a menudo se prefiere MBE para la epitaxia base. Si se requiere un nuevo crecimiento epitaxial, generalmente se prefiere MOCVD, debido a su flexibilidad de grabado y enmascaramiento.