epitaksja metodą wiązek molekularnych (mbe)stach/wyklad_ptwk_2011/cgm_w18.pdfepitaksja metodą...
TRANSCRIPT
Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów
Epitaksja metodą wiązek molekularnych (MBE)
20 marzec 2012
Wykład – 2 godz./tydzień – wtorek 9.15 – 11.00
Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW
http://www.icm.edu.pl/web/guest/edukacja
Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN
02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46
tel: 22 843 66 01 ext. 3363
E-mail: [email protected]
Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN
01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37
tel: 22 88 80 244
e-mail: [email protected], [email protected]
Epitaksja metodą wiązek molekularnych (MBE)
Plan wykładu:
• idea i podstawy fizyczne MBE
• realizacja techniczna MBE
• metody badania in situ procesu wzrostu
• przykłady wykorzystania techniki MBE
- wzrost niskotemperaturowy
- supersieci
- kropki i druty kwantowe
• podsumowanie
Idea metody MBE
FL
UO
RE
SC
EN
TS
CR
EE
NS
AM
PL
E
MA
NIP
UL
AT
OR
HE
AT
ED
CE
LL
S
WIT
H E
LE
ME
NT
S:
As,
Sb
, Ga,
In
, Mn
, ...
EL
EC
TR
ON
G
UN
5-25
kV
LIQ
UID
N
ITR
OG
EN
P
AN
EL
S
SH
UT
TE
RS
GaA
s S
UB
ST
RA
TE
O
N H
EA
TE
DB
LO
CK
SU
BS
TR
AT
E
TR
AN
SF
ER
ME
CH
AN
ISM
UL
TR
A-H
IGH
VA
CU
UM
CH
AM
BE
R10
-10
- 10
-9 T
r
ION
GA
UG
E(F
LU
X M
ET
ER
)
manipulator podłoża
działo elektronowe
kriopanel z
LN2
grzane komórki (źródła)
przesłony
ekran
fluorescencyjny
podłoże
- niezależne źródła atomów/molekuł;
kontrola strumienia poprzez kontrolę Tźródło
- pomiar intensywności wiązki – flux monitor
- mechaniczne przesłony
(otwieranie/zamykanie źródła)
- podłoże krystaliczne w podwyższonej
T = ~200 oC - ~1000 oC
- duże możliwości obserwacji wzrostu in situ
- warunki ultra wysokiej próżni (10-10 – 10-11 Tr)
- kriopanel z ciekłym azotem:
- dodatkowe pompowanie
- wiązanie atomów na ściankach
- redukcja „memory effect”
- separacja termiczna źródeł
układ pompowy
Podwójny układ MBE dla GaN i ZnO w IF PAN
MBE ZnO MBE GaN kanał transferowy
każda z maszyn: -10 portów na źródła
- tlen i azot ze źródeł RF
plasma
- podłoże do 3”
- 3 osobne komory
- rozbudowane układy
pompowe
- szeroki wachlarz
technik pomiaru in-situ
- załadunek do 8 podłóż
w pełni wyposażone
zaplecze laboratoryjne i
techniczne
MBE - ultra wysoka próżnia (UHV) – tzn. jak wysoka?
azot; T = 300 K
][][
105 4
cmTrp
droga swobodna λ w gazie o ciśnieniu p
p = 10-4 Tr ↔ λ = ~50 cm
p = 10-7 Tr ↔ λ = ~0.5 km
p = 10-11 Tr ↔ λ = ~5 000 km
w MBE balistyczny transport atomów (bez zderzeń)
warunek 1: średnia droga swobodna atomów > odległość źródło - podłoże
MBE - ultra wysoka próżnia (UHV) – tzn. jak wysoka?
][2
][ 12 scmTmk
TrpJ
B
warunek 2: wysoka czystość warstw
strumień cząstek gazu o ciśnieniu p upadających na 1 cm2 w 1 sekundę
zakładamy, że wszystkie cząstki przyklejają się do powierzchni
jeśli m=40; T=300K to ][102.3][ 2012 TrpscmJ
liczba miejsc sieciowych na powierzchni Si 214102.3 cmN
][
10][
6
TrpJ
Ns
czas obsadzenia 1 monowarstwy (ML)
p = 10-6 Tr ↔ τ = 1 sek
p = 10-11 Tr ↔ τ ≈ 28 h
p = 10-11 Tr 1 atom zanieczyszczeń na 105 atomów Si
koncentracja zanieczyszczeń ~1017 cm-3
substrate
heating block
J
source
p=10-6 Tr
p=10-11 Tr
w praktyce: warstwy bardziej czyste, bo:
- współczynnik przyklejania (sticking coefficient) < 1
- próżnia tła określona przez stężenie H2, H2O, O2, CO, ……
Lift mechanism
Outgassing station (T = 750C)
Quick access door
up to 8 substrates
Buffer chamber
Magnetic-coupled transfer
rod
Isolation gate valve
Dry Pumping system
komora wzrostowa załadunek i przygotowanie podłoża
„Hodowanie” próżni – geometria trójkomorowa
p ~ 10-7 Tr
p ~ 10-11 Tr
p ~ 10-10 Tr
każda z komór wyposażona w osobny układ pompowy
Wytwarzanie próżni
• pompy mechaniczne
- wstępne i turbomolekularne (UHV)
• pompy kriogeniczne
• pompy jonowe i tytanowe
szybkość pompowania 2800 l/sek dla N2
Helix CTI-10; szybkość
pompowania 3000 l/sek dla N2
• długie wygrzewanie komór w T ~ 200o C po
każdym otwarciu maszyny - usunięcie
zaadsorbowanych gazów
szybkość pompowania 1200 l/sek dla N2
Wytwarzanie wiązek molekularnych – komórka Knudsena
przesłona wiązki - shutter Własności współczesnych komórek:
• 10 różnych komórek w 1 flanszy (Compact 21 Riber)
• komórki wycentrowane na podłoże jednorodność flux
• duża stabilność strumienia;
zmiany < 1%/dzień ΔT < 1ºC @ T ~ 1000 ºC
• małe zmiany strumienia gdy ubywa materiału geometria
• każda komórka wyposażona w indywidualną przesłonę
zasilanie pomiar T
termopara
tygiel
grzejnik
materiał osłona termiczna
otwory na źródła i shuttery
w kriopanelu maszyny
Compact 21 Riber
Wytwarzanie wiązek molekularnych – komórka Knudsena
Ga
Al
As4
krzywe równowagi para – ciecz/faza stała dla wybranych elementów
p w komórce (wydajność
źródła) kontrolujemy
zmieniając Tźródła
TGa = 1000oC
pGa(cell) = 10-3 Tr
założenie: równowaga para – ciecz/faza stała w komórce
Wytwarzanie wiązek molekularnych – źródła specjalne
1. strefa rozkładu As4 → As2
2. łącznik + zawór igłowy
3. flansza
4. podłączenie mocy i TC
5. strefa generacji par As4
6. tygiel ze stałym As
valved cracker
Źródło dla elementów, które
sublimują w postaci molekuł
wieloatomowych, np.
As, P, Sb, Se, S & Te
źródło plazmowe
Stabilne cząsteczki N2, O2, etc.
wzbudzane w.cz. we wnęce i
rozbijane na atomy
1. wlot oczyszczonego gazu (MFC)
2. wnęka w.cz.
3. wylot (płytka pBN z małymi otworkami)
1
2
3
filtr
MFC
injektory gazowe
źródła gazowe z zaworami igłowymi
w Gas Source MBE (np. SiH4) lub
metaloorganiki w MO MBE
Prędkość wzrostu w MBE – przykład GaAs
substrate
heating block
Ga source TGa
wysuwany
próżniomierz
pomiar BEP
BEP = beam equivalent pressure
830 840 850 860 870 880 890 900
2,0x10-7
3,0x10-7
4,0x10-7
5,0x10-7
6,0x10-7
7,0x10-7
8,0x10-7
BE
P G
a [T
r]
TGa
[C]
0 JVgr
wzrost w warunkach bogatych w As;
Vgr kontrolowana strumieniem Ga;
zał.: brak desorpcji Ga
scm
atJ
2
151018.1
323
0 1027.2 cm
strumień Ga
objętość wł. GaAs
hmsMLVgr / 0.96/ 1Å/s 67.2
możliwość kontrolowanego wzrostu
bardzo cienkich (~1 ML) warstw i
struktur epitaksjalnych
Analiza wzrostu in situ
8000 9000 100000,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
inte
nsi
ty [
arb. unit
s]
time [sec]
= 650 nmGaN MBE
vgr = 0.23 m/h
reflektometria laserowa prędkość wzrostu, zmiana gładkości, …
λ = 650 nm fotodioda
szafir
GaN
próżnia przezroczysta dla światła, elektronów, …
szerokie możliwość obserwacji powierzchni rosnącej warstwy
pyrometria optyczna w IR λ = 1 – 3 µm pomiar T z max. widma ciała doskonale czarnego
interferencje w podczerwieni powodują
„sztuczne” oscylacje sygnału IR, a więc i T.
pomiar pyrometrii i
reflektometrii pozwalają
określić zmiany grubości
warstwy w czasie i
skorygować sztuczne
fluktuacje mierzonej T
1.6 µm
Raytek
elipsometria
Analiza wzrostu in situ - reflection high energy electron diffraction (RHEED)
• analiza stanu powierzchni przy pomocy dyfrakcji wiązki
elektronów pod kątem 1 – 3o do powierzchni
• energia elektronów 5 – 20 keV; długość fali ~0.1Å
• idealna powierzchnia 2D – układ równoległych linii (streaks)
rough surface
Si(001) RHEED patterns
sputter-cleaned surface
perfect surface
Analiza wzrostu in situ - reflection high energy electron diffraction (RHEED)
A. Y. Cho, J. Cryst. Growth 201/202 (1999) 1
RHEED SEM
podłoże GaAs po usunięciu tlenku
+ wzrost MBE 15 nm GaAs
+ wzrost MBE 1 µm GaAs
azymut [110] (2x) azymut [-110] (4x)
Analiza wzrostu in situ – RHEED – rekonstrukcja powierzchni (2x4) GaAs
obraz RHEED zależy od azymutu
rekonstrukcja powierzchni – zmiana periodyczności
V. P. LaBella et al., PRL 83, 2989 (1999)
GaAs(001) - STM
[-110]
[110]
RHEED – powierzchniowy wykres fazowy GaAs
obecność różnych rekonstrukcji powierzchni w zależności od T, pokrycia As i Ga, …
• różne możliwe rekonstrukcje w zależności od warunków wzrostu
• As-stable (2X4): typowe warunki wzrostu GaAs metodą MBE
• rekonstrukcja silnie zależy od temperatury podłoża – RHEED jako termometr powierzchniowy
Analiza wzrostu in situ – RHEED – prędkość wzrostu
0 10 20 30 40 50
RH
EE
D i
nte
ns
ity (
Arb
. U
nit
s)
Time (s)
shutters openshutters closed
GaAs
AlAs
po zamknięciu shuttera:
GaAs: powrót natężenia duża mobilność atomów i „wygładzanie” powierzchni
AlAs: brak wygładzania powierzchni mała ruchliwość powierzchniowa Al
GaAs
AlAs
• oscylacje RHEED – obserwacja periodycznej
zmiany szorstkości rosnącej powierzchni
• warunek konieczny: zarodkowanie 2D –
wzrost „warstwa po warstwie”
• brak oscylacji RHEED dla powierzchni z
płynącymi stopniami (step flow)
• warunki wzrostu bogatego w atomy grupy
Vtej (brak dla GaN, bo warunki Ga-rich)
start wzrostu
τ prędkość wzrostu = 1ML/τ
Przykładowe wykorzystanie MBE: przekroczenie limitu rozpuszczalności Mn w III-V
T. Slupinski i in. APL (2002) folia z wykładu PTWK 2007 - T. Slupinski
MBE nierównowagowa możliwość wzrostu warstw (Ga, In)As z bardzo wysoką koncentracją Mn
!!!!!!
Struktury niskowymiarowe
Bulk (3D)
Quantum Well (2D)
Quantum Wire (1D)
Quantum Dot (0D)
DO
S
DO
S
DO
S
DO
S
Energy
mała prędkość wzrostu i precyzyjna kontrola zjawisk na powierzchni
rosnącego kryształu umożliwiają otrzymywanie techniką MBE
niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych
Przykładowe wykorzystanie MBE: supersieci w strukturach optycznych
laser kaskadowy GaAs/AlGaAs (~9µm) konwencjonalny laser
TEM
ITE Warszawa - Kosiel et al. EuroMBE 2009, Zakopane
MBE pozwala otrzymywać skomplikowane układy supercienkich
warstw epitaksjalnych o doskonałych własnościach
nowe zjawiska; nowe zastosowania
www.bell-labs.com/org/physicalsciences/
projects/qcl/qcl2.html
laser kaskadowy
„wodospad elektronów”
emisja fotonu na każdym „progu”
problem: domieszkowanie niezbędne dla dobrego przewodnictwa elektrycznego
ALE
domieszki rozpraszają nośniki ograniczenie ruchliwości w niskich T
Przykładowe wykorzystanie MBE: domieszkowanie modulacyjne (δ-doping)
H. Störmer, Surf. Sci.132 (1983) 519
transfer nośników do kanału 2-d
i ich separacja od domieszek
wzrost µ
http://www.bell-labs.com/org/physicalsciences/projects/correlated/pop-up2-1.html;
L. Pfeiffer and K. West, Physica E 20, 57 (2003).
rozwiązanie: przestrzenne odseparowanie źródła nośników (domieszek) i kanału
przewodnictwa elektrycznego (domieszkowanie modulacyjne)
GaAs substrate
GaAs epilayer
e -
AlGaAs
+
GaAs cap
modulation doping ( d doping)
koniec lat 70tych, Art Gossard i Horst Störmer z Bell Labs.
2 DEG
conduction band
Energy
E F
Przykładowe wykorzystanie MBE: samoorganizujące się kropki kwantowe (QD)
po 1 ML InAs
po 3 ML InAs
po 30 ML InAs
po 2 ML InAs
InAs/(001) GaAs
azymut [1-10]
H. Yamaguchi et al. APL (1996)
wzr
ost
3D
kropki InAs na GaAs:
• brak dyslokacji
• szerokość ~20nm
• wysokość kilka nm
• rozrzut wymiarów
• losowe ułożenie na powierzchni
(samoorganizacja)
wykład 12.03.2009 - deformacja powierzchni
jako sposób relaksacji niedopasowania sieciowego InAs/GaAs 7% niedopasowania sieciowego
GaAs
InAs wetting layer
mody wzrostu:
Frank-van der Merwe (layer-by-layer)
Stranski-Krastanov (layer + island)
Volmer-Weber (island)
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane kropki kwantowe
E. Uccelli et al. EuroMBE 2009, Zakopane
[001]
_
[110] [110]
1. growth of AlAs/GaAs (001) layers
[110]
_
[110] [001]
3. growth of InAs on the
cleaved (110) surface
GaAs
AlAs
2. In situ cleavage: (110)
flat surface
blaszka shuttera tnie płytkę druty dla cienkich warstw AlAs
QD dla grubszych warstw AlAs
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane kropki kwantowe
G. Chen (EuroMBE 2009, Zakopane)
E-beam lithography + RIE
Periodicity : 250 nm
Scale: 10 µm × 10 µm
kropki Ge na podłożu Si
• lepsza jednorodność wymiarów QDs (mniejszy rozrzut λ światła)
• możliwość adresowania pojedynczych kropek
• możliwość „zabudowy” pojedynczych kropek (np. w nanodrut)
• …
Zalety uporządkowania:
• podłoże naświetlane technikami
litografii (E-beam lub X-Ray)
• trawienie wzoru (RIE)
• wzrost kropek metodą MBE
kryształ kropek Ge
G. Mussler (EuroMBE 2009, Zakopane)
X-ray lithography + RIE
• położenie kropek w kolejnej
warstwie odwzorowuje ich
rozkład w warstwie poprzedniej
(sprzężenie poprzez pole naprężeń)
Molecular beams
Au
Zn (Cd) Te
GaAs / Si
gro
wth
GaAs / Si
Au
Grza
nie (6
00°C
)
Au
GaAs / Si
Przykładowe wykorzystanie MBE: samoorganizujące się nanodruty (NW)
200 nm
(110) (e)
_ [111]B [111]A
60.0o
E. Janik, et al. APL 89, 133114 (2006)
ZnTe NW na GaAs
HRTEM
kulka Au
mechanizm wzrostu:
vapor – liquid – solid
Ldiff
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane NWs (białe nanoLEDs)
nanodziurki o różnych
średnicach w masce Ti
nanodziurki porządkują
położenie kolumn
H. Sekiguchi et al., IWNS 2008 Montreux, Switzerland
emisja z nanokolumn InGaN/GaN wzrastanych na tej samej płytce
z różnym wzorem nanodziurek w masce Ti
średnica nanodziurki średnica nanokolumny długość fali emitowanego światła
III/V > 1
III/V < 1
(d)
0.0 2.0x10-7
4.0x10-7
6.0x10-7
8.0x10-7
1.0x10-6
1.2x10-6
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
b)
Ga
N g
row
th r
ate
(m
/h)
Ga flux (Torr)
a)
c)
d)
Stoichiometry Conditions N- limited (Ga-rich)
Ga-limited (N-rich)
Fixed growth T
Fixed atomic N flux
III/V ≈ 1
(a)
(b)
(c)
E. Calleja, EuroMBE 2009, Zakopane
Przykładowe wykorzystanie MBE: wzrost planarny vs.nanodruty PAMBE GaN
zmieniając stosunek III/V zmieniamy mod wzrostu
clean Si (7 x 7)
GaN NWs growth TGa= 800C Tsub=740C
PAMBE wzrost GaN NWs na Si(111): RHEED
TGa ↑ Tsub ↓
(Ga-rich)
planaryzacja powierzchni
GaN NWs na Si: planaryzacja powierzchni
ważne:
dobra jednorodność długości drutów
wysoka koherencja twistu NWs
potrzebna wysoka lateralna prędkość
wzrostu (Mg doping?)
łatwiejsze zarastanie w MOVPE lub
HVPE
Nowe generacje maszyn MBE - clusters
• wzrost na podłożach 1x4” lub 3x2”
• 12 portów na źródła + porty dodatkowe
• budowa klusterowa – niezależne komory załadowcza i preparacyjna
• możliwość podłączenia dodatkowych modułów analitycznych
• transfer podłoży i wzrost epitaksjalny całkowicie automatyczne
Etch Module (ICP)
for Clusterlab 600
Deposition Module
(RF Magnetron Sputter)
for Clusterlab 600
Epitaxial Growth Module
(MBE V60) for
Clusterlab600
Nowe generacje maszyn MBE - clusters
Podsumowanie
zalety MBE:
• wysoka czystość warstw
• bardzo precyzyjna kontrola procesu wzrostu
• duże możliwości wzrostu struktur niskowymiarowych
• szerokie możliwości badań in situ
• szeroki zakres możliwych związków/pierwiastków
• wzrost mocno nierównowagowy – możliwość przekroczenia limitu rozpuszczalności
wady MBE:
• b. trudny pomiar REALNEJ temperatury podłoża
• wysoki koszt (zakupu i eksploatacji)
• awaryjność urządzeń (typowa dla b. skomplikowanego sprzętu UHV)
Most Broken Equipment
Multi Bucks Evaporator …..
• mała (w porównaniu z MOVPE) wydajność
• selektywny wzrost epitaksjalny bardzo trudny
Do czytania o MBE
1) M.A. Herman, H. Sitter ”Molecular Beam Epitaxy, Fundamentals and Current
Status”, Springer, 1996
2) ed. A. Cho ”Molecular Beam Epitaxy”, AIP, 1994
3) bardzo wiele artykułów przeglądowych autorstwa: T. Foxon; B.A. Joyce; i in.