Rozdział 3. Szczegóły doświadczalne
3.1 Technologia epitaksji z wiązek molekularnych
Szczegóły doświadczalne Rozdział 3
Rozdział 3
Szczegóły doświadczalne
3.1 Technologia epitaksji z wiązek molekularnych
Większość wyników przedstawiona w tej pracy, została głównie uzyskana w drodze doświadczeń przeprowadzonych na warstwach wyhodowanych metodą epitaksji z wiązek molekularnych w skrócie MBE (Molecular Beam Epitaxy). Historia technologii MBE jest stosunkowo długa i sięga końca lat pięćdziesiątych, kiedy to K. G. Günther opracował metodę trzech temperatur i zastosował ją z powodzeniem do wzrostu warstw InAs i InSb [64]. Do tej pory technika MBE przeszła intensywny rozwój. W latach 80 dokonał się przełom, zaobserwowano oscylacje w obrazie dyfrakcji odbiciowej wysokoenergetycznych elektronów RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) [64-66]. Zjawisko to okazało się bardzo pomocne w precyzyjnym wyznaczeniu prędkości wzrostu, co w konsekwencji umożliwia wzrost warstw o ściśle określonej grubości.
MBE jest bardzo wyrafinowaną techniką osadzania cienkich warstw. Umożliwia ona wytwarzanie warstw o grubości rzędu nanometrów o ściśle określonym składzie chemicznym i kontrolowanym rozkładzie profilu koncentracji domieszki na materiale podłożowym.
Możliwe jest to dzięki doprowadzaniu do podłoża składników warstwy oddzielnymi wiązkami molekularnymi. Epitaksja z wiązek molekularnych jest obecnie jedną z najpowszechniej stosowanych metod wzrostu cienkich warstw półprzewodnikowych, metalicznych jak i dielektrycznych [67,68].
W procesie MBE warstwy krystalizują z wiązek molekularnych bądź atomowych, padających na podgrzane do odpowiedniej temperatury podłoże. Wzrost w technologii MBE odbywa się w warunkach dalekich od równowagi termodynamicznej. Określony jest on głównie przez procesy fizyczne zachodzące przy powierzchni podłoża takie jak: absorpcja i dysocjacja padających molekuł, migracja powierzchniowa, osadzanie w sieci podłoża oraz desorpcja termiczna atomów z powierzchni. Całość procesu wzrostu odbywa się w komorze ultra-wysokiej próżni (Ultra High Vacuum - UHV) - ciśnienie rzędu 10-8 Pa. Wiązki molekularne wytwarzane są w komórkach efuzyjnych wskutek grzania materiałów źródłowych. Krystalizacja warstwy epitaksjalnej następuje w wyniku reakcji zachodzących między cząsteczkami lub atomami z padających wiązek, a atomami tworzącymi powierzchnie podłoża. Skład chemiczny jak i poziom domieszkowania zależą głównie od ilości
poszczególnych składników docierających do podłoża i są regulowane za pomocą temperatury komórki efuzyjnej. Powszechnie stosowane prędkości osadzania nie przekraczają 1 μm/h (ok. 1 monowarstwy atomowej na sekundę) i zapewniają dostateczną dla wzrostu epitaksjalnego mobilność atomów na powierzchni. Tak wolny wzrost umożliwia dyfuzję osadzanych atomów po powierzchni, w efekcie powierzchnia wyhodowanej warstwy jest gładka w skali atomowej. Dodatkowo, dzięki umieszczeniu mechanicznych przesłon bezpośrednio za komórkami efuzyjnymi możliwa jest precyzyjna kontrola momentu rozpoczęcia i zakończenia osadzania konkretnego materiału. Dużo lepsza kontrola zarówno strumieni wiązek jak i warunków wzrostu jest jedną z podstawowych cech odróżniających MBE od innych metod hodowania kryształów (epitaksja z fazy ciekłej albo z fazy gazowej).
Istotne cechy epitaksji z wiązek molekularnych to:
możliwość wytwarzania struktur wielowarstwowych złożonych ze związków o różnych składach chemicznych, np. GaAs – AlGaAs,
możliwy wysoki stopień czystości chemicznej osadzanych warstw, < 10-7 = 0.1 ppm,
dobra kontrola ostrości interfejsu, możliwość otrzymywania pojedynczej warstwy atomowej,
możliwość kontroli procesu wzrostu (RHEED),
bardzo dobra jakość powierzchni,
możliwość otrzymywania supersieci o okresie od kilku Å,
możliwość domieszkowania w szerokim zakresie.
W precyzyjnym wyznaczaniu prędkości wzrostu, a w konsekwencji wzrost warstw o ściśle określonej grubości, bardzo pomocna jest obserwacja oscylacji warstw w obrazie dyfrakcji odbiciowej wysokoenergetycznych elektronów RHEED [69]. Metoda ta pozwala również określić morfologię powierzchni wzrostu warstwy. W metodzie RHEED wiązka elektronów o energii od kilku do kilkudziesięciu kiloelektronowoltów pada pod małym kątem na powierzchnie hodowanej próbki ulegając dyfrakcji. Następnie na ekranie fluorescencyjnym rejestrowany jest obraz dyfrakcyjny. Ponieważ kąt padania elektronów na powierzchnie warstwy jest bardzo mały, zatem głębokość wnikania wiązki elektronów pierwotnych w głąb kryształu nie przekracza kilku monowarstw. Obraz dyfrakcyjny (rys. 3.1.1), który powstaje na ekranie fluorescencyjnym wskutek oddziaływania wiązki elektronów z powierzchnią krystalizowanej warstwy pozwala uzyskać podstawowe informacje zarówno o jakości warstwy jak i o przebiegu procesu wzrostu [67].
33
Szczegóły doświadczalne Rozdział 3
Rys. 3.1.1 Dyfrakcja wiązki elektronowej RHEED od powierzchni próbki. Wiązka wnika na głębokość około 10 Å (kąt θ jest rzędu 1° - 3°) i oddziałuje z powierzchnią próbki na długości kilku mm. Na ekranie fluorescencyjnym widoczne są refleksy dyfrakcyjne w formie prążków interferencyjnych, odchylonych o kąt Φ od prążka środkowego oraz widoczna jest na ekranie plamka odbita oraz granica cienia.
Istnieją cztery podstawowe typy obrazu dyfrakcyjnego, które odpowiadają różnym modom wzrostu:
gdy powierzchnia jest amorficzna, obraz RHEED nie wykazuje żadnej struktury, widoczne jest tylko mleczne tło,
gdy hodowana warstwa jest krystaliczna i gładka w skali atomowej, obraz RHEED składa sie z równoległych prążków,
gdy hodowana warstwa krystalizuje w postaci trójwymiarowych wysp, obraz RHEED składa sie z kropek,
gdy osadzany materiał jest polikryształem, obraz RHEED na ekranie fluorescencyjnym składa się z pierścieni (obręczy).
Analiza obrazu RHEED, pozwala także na wyznaczenie czasu potrzebnego na wyhodowanie jednej monowarstwy, takim elementem analizy jest pomiar oscylacji intensywności plamki zwierciadlanie odbitej (specular spot). Rozpoczynając wzrost warstwy na atomowo płaskim podłożu w początkowym etapie wzrostu powstają wyspy i klastry, które w dalszej kolejności tworzą pełną monowarstwę. Zmiana od gładkiej do pofałdowanej powierzchni odbywa się, zatem w sposób periodyczny. Zakładając, że plamka zwierciadlana jest najbardziej intensywna w przypadku atomowo gładkiej powierzchni niż w przypadku powierzchni pokrytej atomami niecałkowicie, intensywność jej
będzie oscylować w czasie. Odległość zaś pomiędzy sąsiednimi maksimami czy też minimami intensywności odpowiada czasowi wzrostu jednej monowarstwy. Właśnie ta metoda została wykorzystana do określania grubości warstw badanych w tej pracy.
Dokładne omówienie technologii MBE wykracza poza ramy niniejszej pracy. Jest ona natomiast przedmiotem wielu opracowań [68,70].