Молекулярно-лучевая эпитаксия - формировании квантовых точек посредством самоорганизации при эпитаксии.

В методе Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) пучки атомов направляются в сверхвысоком вакууме на нагретую подложку, где производится синтез соединения и рост эпитаксиального слоя. Источники пучков атомов - испарительные ячейки. В каждой из которых содержится свой материал. Испарительные ячейки называются эффузионными ячейками Кнудсена (эффузия - медленное истечение газа через малое отверстие). Основные элементы ростовой камеры показаны на рис. 204 (нанотех)+

1-источник нагрева подложки2 4-испарительные ячейки для компонентов наращиваемого соединения(Ga, In, As, P). 5-ячейки для испарения лигирующих элементов, I- зона генерации атомных пучков. II- зона смешивания пучков, III-зона эпитаксиального роста. Количество испарительных ячеек равно числу компонент в каждом слое. Концентрация элементов в растущем слое определяется интенсивностью пучков, которая задается температурой в ячейках. Состав можно менять после завершения формирования каждого слоя. С помощью заслонок 3 можно включать и выключать любой атомарный поток, создавая резкий профиль изменения состава в гетеропереходе. Общая схема ростовой +камеры показа на рис 204 с. Камера сконструирована из нержавеющей стали. В ней поддерживается высокий вакуум: давление 10^-10-10^{-12 мм. рт. ст.(10-8}-10^-10Па). Каждая ячейка окружена криоэкранами 4, охлаждаемыми жидким азотом 77К, вторая криопанель расположена по периферии камеры. Имеются заслонки 2отдельных ячеек и общая заслонка 6.Подложка расположена на вращающемся держателе 7, несущем её и устройство подогрева. Повышение однородности растущего слоя достигается вращением подложки. Оно передается от специального двигателя через ось 11.Контрольвакууума осуществляется измерителем 8.В камере имеются смотровые окна, вакуумный шлюз 9для смены образцов, электронная пушка 5 и флуоресцирующий экран 1. Они используются для контроля роста, качества поверхности, ориентации поверхности и постоянной решетки (непосредственно при эпитаксии). Скорость роста равна один монослой в секунду, примерно 1мкм в час.

На растущей поверхности происходят следующие процессы:

1. Адсорбция (поглощение поверхностным слоем) падающих на поверхность атомов.

2. Поверхностная диффузия адсорбированных атомов.( прыжков атомов по поверхности до встраивания в решетку.)

3. Встраивание в кристаллическую решетку адсорбированных атомов основного вещества.

4. Десобция -испарение атомов, не встроившихся в решетку.

Контроль растущей поверхности осуществляется методом дифракции быстрых электронов. Пучок электронов из электронной пушки 5 рис204 б с энергией 10-50 кэв падает на исследуемую поверхность под скользящим углом 1^о- 2^о к поверхности. Электроны проникают только на глубину нескольких поверхностных атомных слоев. Они испытывают дифракционное отражение от монослоев и падают флуоресцирующий экран. Если монослои имеют кристаллическую решетку, то дифракционная картина в виде упорядоченных световых пятен(рефлексов). Если атомарно -гладкая, то картина в виде параллельных полос. На начальном этапе. Когда поверхность подложки покрыта пленкой окисла, наблюдаются размытые рефлексы на диффузионном фоне.

С ростом температуры подложки, по мере десорбции оксида. Уменьшается диффузионный фон и увеличивается интенсивность рефлексов. При последующем отжиге поверхность сглаживается, и рефлексы вытягиваются в полосы - поверхность готова к эпитаксиальному наращиванию слоев.

Другой метод контроля растущей поверхности –это осцилляции интенсивности зеркально отраженного пучка электронов. (не дефрагированных электронов).

При росте монослоя по механизму образования 2-мерных зародышей условия на поверхности периодически меняются со временем, и периодически меняется отражательная способность поверхности. Максимум отражательной способности соответствует полностью заполненному монослою, т.е. отсутствию островков. Минимум отражательной способности соответствует случаю, когда островки занимают половину поверхности. Период осцилляции Т равен времени наращивания одного монослоя.см рис 208.+

По картине осцилляций определяют скорость роста и моменты завершения формирования слоев. При выращивании структур с квантовыми ямами, границами ям должны быть полностью завершенные слои и число слоев в яме строго определено.Поэтому переключение заслонок 2 на рис 81б+ см 204 должно производится точно в моменты максимумов интенсивности. Установка молекулярно лучевой эпитаксии обеспечивает выращивание слоев с контролируемыми параметрами.

Достоинства технологии МЛЭ

1.Возможность формирования атомногладких границ слоев, что принципиально важно для наногетероструктурных приборов.

2.Получение перечисленного количества завершенных слое, начиная с одного монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами.

3.Возможность получения резких скачков концентрации компонент в слоях.

4.Возможность создания структур с о сложным распределением концентрации основных и примесных элементов.

5.Наличие сверхвысокого вакуума в рабочей камере исключает высокий уровень загрязнения подложки и растущих слоев.

6.Низкие температуры роста минимизируют диффузию в границе между слоями.

7.Возможность контроля и коррекции роста непосредственно в ходе процесса, диагностика роста, точный контроль температуры подложки и ячеек, компьютерное управление параметрами процесса.

Недостатки технологии МЛЭ:

Более дорогая по сравнению с газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений, которая реализуется при высоких температурах и приводит к заметной диффузии атомов и размыванию границ слоев.

Технология МЛЭ является главной при получении полупроводниковых наногетероструктур и высококачественных тонких пленок на основе полупроводниковых соединений и др.