MBE epitaksja z wiązek molekularnych Tomasz Słupiński Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki, Zakład Fizyki Ciała Stałego (Pracownia Fizyki Wzrostu Kryształów) tomslu@fuw.edu.pl Wykład w PTWK, 4 kwietnia, 2008
1. Definicja MBE, podstawowe cechy PLAN 2. Ultra-wysoka próŝnia (UHV) przypomnienie kilku faktów 3. Opis techniki i urządzenia MBE 4. Rodzaje źródeł wiązek atomowych (Solid Source MBE, GS MBE, MOMBE, CBE, Plasma Source MBE) 5. Techniki pomiarowe in-situ: BEP, RHEED, wybrane techniki optyczne 6. Dynamika wzrostu warstw badana met. dyfrakcji elektronów (RHEED). Morfologia powierzchni. Rekonstrukcja atomowa powierzchni. 7. Podstawowe mody wzrostu: layer-by-layer, step-flow growth, Stransky-Krastanov 8. Przykładowe zastosowania.
Epitaksja = osadzanie cienkich warstw monokrystalicznych na podłoŝach krystalicznych MBE = Molecular Beam Epitaxy = epitaksja z wiązek molekularnych - niezaleŝnie kontrolowane strumienie atomów (molekuł, jonów) w ultra-wysokiej próŝni (mechaniczne przesłony źródeł, kontrola temperatury źródeł = = intensywności strumieni molekuł) - podłoŝe krystaliczne w podwyŝszonej temperaturze T g = ~200 o C - ~1000 o C - główne idee MBE m.in. pomiary in-situ rozwinięte w AT&T Bell Labs (Alfred Cho, J. Arthur i in.), takŝe w Philips Labs (T. Foxon, B.A. Joyce) w latach 1970-tych
Podstawowa idea zastosowania niezaleŝnych źródeł atomowych wynikała z pomiarów równowagowych ciśnień parcjalnych Ga, As 2, As 4 nad GaAs. Utrzymanie równowagi powierzchni GaAs wymaga róŝnych wartości ciśnień par pierwiastków p(ga) i p(as 2 ) nad powierzchnią GaAs (zaleŝnych od temperatury podłoŝa GaAs) J.R. Arthur (1967)
Prędkości wzrostu stosowane w MBE: ~ 0.1 ML/sec ~ 1 ML/sec (~ 0.1 - ~ 1 µm/h) Istotne cechy techniki MBE - MoŜliwość wytwarzania struktur wielowarstwowych złoŝonych ze związków o róŝnych strukturach elektronowych, np. GaAs AlGaAs (band-gap engineering = = inŝynieria przerwy energetycznej) - moŝliwy wysoki stopień czystości chemicznej osadzanych warstw, < ~10-7 =0.1 ppm - dobra kontrola ostrości interfejsu (zmiana składu moŝliwa w jednej warstwie atomowej), moŝliwość otrzymywania pojedyńczej warstwy atomowej (1 ML = 1 mono-layer) - moŝliwość otrzymywania supersieci (np. GaAs-AlGaAs-GaAs- itd.) o okresie od kilku Å. - róŝne moŝliwości domieszkowania, np. dla (Al)GaAs w szerokim zakresie
ULTRA-HIGH VACUUM CHAMBER 10-10 - 10-9 Tr SHUTTERS ELECTRON GUN 5-25 kv LIQUID NITROGEN PANELS GaAs SUBSTRATE ON HEATED BLOCK Ultra-wysoka próŝnia (UHV) w komorze wzrostu, ~ 10-10 -10-9 Tr Zastosowanie wewnętrznego płaszcza z ciekłym azotem obniŝa pozostałość wcześniej uŝytych atomów (zmniejszony memory effect) ION GAUGE (FLUX METER) SUBSTRATE TRANSFER MECHANISM Kontrola ciśnień cząstkowych w wiązkach przez zastosowanie próŝniomierza umieszczanego zamiennie z podłoŝem do epitaksji (BEP = beam equivalent pressure) HEATED CELLS WITH ELEMENTS: As, Sb, Ga, In, Mn,... FLUORESCENT SCREEN SAMPLE MANIPULATOR Niskokątowa dyfrakcja elektronów podczas wzrostu (RHEED = reflection high energy electron diffraction)
Przykład: poziom próŝni ~1x10-10 Tr w komorze wzrostu (warunki: płaszcz wypełniony ciekłym azotem, źródła atomowe w temperaturach stand-by ) Aby uzyskać taki poziom próŝni komora próŝniowa wymaga starannego odgazowania (wygrzewanie całej komory do temp. 150-180 o C przez 1-2 tyg.). TRUDNOŚĆ MBE: zaawansowane techniki próŝniowe
Ultra-wysoka próŝnia (UHV) Tło w komorze wzrostu: 10-10 -10-9 Tr Droga swobodna molekuł: λ 0 = ( const) d 0 przekrój czynny cząsteczki T temperatura p - ciśnienie T p d 0 λ [ m] 0 5 5 10 p[ Tr] p = 10-9 Tr p = 10-6 Tr λ 0 = 50km λ 0 = 50m ~ rząd wartości ciśnień BEP (wiązki) - Są to warunki transportu molekularnego (balistycznego) w próŝni W warunkach UHV większość gazów w komorze jest zaadsorbowana na powierzchniach. Chłodzenie liq. N 2 ma za zadanie ograniczyć desorpcję gazów i par z powierzchni. Pompy UHV: jonowo-sorbcyjne, kriogeniczne, turbomolekularne, sublimacyjne. Komory wzrostu nie otwiera się do atmosfery ładując podłoŝa stosuje się odcinane próŝniowo komory pośrednie (najlepiej dwie kolejno).
Źródła strumieni atomowych, natęŝenia strumieni ULTRA-HIGH VACUUM CHAMBER 10-10 - 10-9 Tr SHUTTERS ELECTRON GUN 5-25 kv LIQUID NITROGEN PANELS GaAs SUBSTRATE ON HEATED BLOCK ION GAUGE (FLUX METER) SUBSTRATE TRANSFER MECHANISM HEATED CELLS WITH ELEMENTS: FLUORESCENT As, Sb, Ga, In, Mn,... SCREEN SAMPLE MANIPULATOR
Źródła wiązek molekularnych Komórki efuzyjne, komórki Knudsena - piecyki o stabilizowanej temperaturze (w pewnym punkcie grzejnika), z których wysyłane są pary pierwiastka, pierwiastek umieszczony w tyglu w grzejniku komórki Zakres BEP zwykle stosowany: BEP = 10-9 10-6 Tr Inne rodzaje źródeł: gazowe (np. CBr 4 ) lub np. plazmowe (np. plasma N 2 )
Komórka efuzyjna Tygiel p-bn (z pyrolitycznie osadzanego BN)
PręŜności w strumieniu molekularnym (BEP) ze źródła atomowego T. Słupiński, Wydział Fizyki UW Wykład w PTWK, 4.04.2008
F = Strumień molekuł w wiązce ze źródła: ilość molekuł padająca na podłoŝe (1 cm 2 ) w jedn. czasu p ( ) π L 2 (2π m k T ) const B [ molekuł / cm 2 sec ] p pręŝność par pierwiastka w komórce o temperaturze T L odległość komórka podłoŝe m masa molekularna stała const zaleŝy od budowy źródła Jeśli wszystkie molekuły pozostaną na podłoŝu (sticking coefficient α = 1), to prędkość wzrostu (dla sieci fcc) mierzona w atomowych monowarstwach/sek : F V [ ML / sec] = gdzie: 2 / (a 2 0 ) 2 - powierzchniowa gęstość ( a ) 2 0 pozycji atomowych dla sieci blendy cynkowej, np. GaAs
Prędkość wzrostu: V [ ML / sec] = F 2 ( a ) 2 0 Zwykle tylko niektóre pierwiastki mają α =1, (np. Ga w GaAs dla T<600 o C), wtedy one wyznaczają prędkość wzrostu, pozostałe składniki (np. As w GaAs) są dostarczane na powierzchnię w nadmiarze i część niewbudowana desorbuje. Np. przy wzroście GaN met. MBE, cały N wbudowuje się, a część Ga desorbuje z powierzchni wzrost w warunkach nadmiaru Ga. Prędkość wzrostu moŝe być wyznaczona przez natęŝenie molekuł w wiązce padającej (poŝądana sytuacja) lub przez efekty kinetyczne na powierzchni. Zwykle wzrost następuje w warunkach odległych od równowagi termodynamicznej na powierzchni (np. natęŝenie desorpcji << równowagowego). Warunki te mogą być bardzo odległe od równowagowych: - wzrost MBE w niskich temperaturach, LT MBE (200 o C zamiast 600 o C dla GaAs).
Maszyna MBE: komora wzrostów
Komora załadowcza, komora przygotowawcza T. Słupiński, Wydział Fizyki UW Wykład w PTWK, 4.04.2008
Przesłony komórek efuzyjnych Przesłony komórek są poruszane dzięki mechanicznym przepustom w komorze UHV: - obrotowe typu mieszkowego lub - ze sprzęŝeniem magnetycznym (przekazywanie ruchu do wnętrza komory UHV musi być doskonale szczelne próŝniowo) Materiał osadzony na przesłonach moŝe być źródłem zanieczyszczeń krzyŝowych sąsiednich komórek przy niepoprawnie zaprojektowanym układzie komórek.!!!
Warianty MBE: Solid Source MBE, GS MBE, MOMBE, CBE Solid Source MBE: źródłami strumieni atomowych są komórki efuzyjne, materiałem odparowywanym są pierwiastki (lub proste związki w przypadku niektórych domieszek, np. GaTe jako Ŝródło donorów Te w III-V) GS MBE: uŝywane np. do Si / SiGe źródłami są gazy np. SiH 4, GeH 4 wprowadzane do komory UHV wzrostu poprzez mikrozawory, dobór natęŝeń technikami mass flow controllers (jak w MOCVD) MOMBE, CBE: źródła gazowe, związki metal-organiczne W Solid State MBE z czasem zmieniają się BEP=f(T komórek ), bo zmienia się ilość pierwiastka w tyglu (czyli zmiana temperatury powierzchni pierwiastka). Maszyny Sol.St. MBE wymagają co pewien czas uzupełniania pierwiastków w tyglach komórek (tzn. otwierania komory wzrostu na powietrze), potem przywrócenie UHV jest długotrwałe wygrzewania próŝni.
Techniki pomiarowe w komorze MBE: BEP Flux meter (BEP measurement) Sample holder (Mo-block)
RHEED reflection high energy electron diffraction Niskokątowa dyfrakcja elektronów θ = 1-3 o Energia elektronów: 5-20 kev długość fali elektronów: λ ~ 0.1 Å
Dyfrakcja na powierzchni / w objętości r I( k ) = A j f j e r r i k R j 2 R r - połoŝenia atomów w krysztale j r R j = j r r r 1 a1 + j2 a2 + j3 a3 Wektor rozpraszania: r k r = h b r r * * * 1 + k b2 + l b3 Jeśli sumowanie atomów tylko w płaszczyźnie (np. j 3 =0), to r natęŝenie rozpraszania I( k ) nie zaleŝy od wskaznika l - jest stałe wzdłuŝ kierunku sieci odwrotnej * b r 3 prostopadłego do płaszczyzny i obraz dyfrakcyjny ma postać prętów (jest to obraz przybliŝony dla dyfrakcji elektronów, real space reciprocal space zaniedbuje wielokrotne rozproszenia elektronów)
- dyfrakcja 3-wym. na nierównościach powierzchni (transmisja przez wierzchołki) - dyfrakcja 2-wym. Wniosek: RHEED pozwala określać morfologię powierzchni wzrostu Źródło: A. Cho (1975)
Rekonstrukcja atomowa powierzchni (GaAs) w warunkach UHV Obraz dyfrakcyjny dla GaAs (001) przy róŝnych azymutach: a) [1 1 0] b) [0 1 0] c) [1 1 0] widoczna podstawowa periodyczność powierzchni w kierunku [1 1 0], 2-krotnie większa w [0 1 0] oraz 4-krotnie większa w [1 1 0] Rekonstrukcja c(2x8) Źródło: A. Cho (1975) T. Słupiński, Wydział Fizyki UW Wykład w PTWK, 4.04.2008
Rekonstrukcja atomowa powierzchni (GaAs) B.A. Joyce i in, PRB (1984)
Rekonstrukcja atomowa powierzchni (GaAs) Obserwacje rekonstrukcji powierzchni dają informacje o: - temperaturze podłoŝa - stechiometrii wiązek padających 4x2 pattern 2x4 pattern A. Cho, TSF, (1983)
Dynamika wzrostu GaAs
RHEED w przypadku wzrostu warstw niedopasowanych sieciowo ok. 7% Wzrost InAs na GaAs(001) Przy ok. 2 ML wzrost przechodzi w mod Stransky-Krastanov a (np. wzrost kropek kwantowych) H. Yamaguchi, M.R. Fahy, B.A. Joyce, APL (1996)
RHEED oscylacje natęŝenia Ślad wiązki padającej Wiązka odbita J.H. Neave, B.A. Joyce, P.J. Dobson, N.Norton, APL (1983)
Mod wzrostu: warstwa po warstwie (layer-by-layer) B.A. Joyce i in. (1986)
Oscylacji RHEED-u nie widać w przypadku wzrostu w modzie płynięcia stopni atomowych (step-flow growth) Wzrost GaSb na GaAs(001) - stopnie atomowe wokół dyslokacji S.J. Brown i in, APL (1996)
Przykład: modulation doping, delta-doping R. Dingle, H.L. Störmer, A.C. Gossard, W. Wiegmann, APL (1978)
Delta-domieszkowanie: najwyŝsze ruchliwości elektronów L. Pfeiffer, K.W. West, H.L. Stormer, K.W. Baldwin, APL (1989) Delta-domieszkowanie w MBE jest stosowane do otrzymywania tranzystorów HEMT o wysokich częstotliwościach pracy (np. komunikacja satelitarna)
Przykład: Low Temperature MBE T. Slupinski i in. APL (2002)
Literatura nt. 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 przegladowych autorstwa: T. Foxon; B.A. Joyce; i in.