La epitaxia de haz molecular ( MBE ) o la epitaxia de haz molecular ( MBE ) es el crecimiento epitaxial en condiciones de vacío ultraalto . Permite el crecimiento de heteroestructuras de un espesor dado con heterointerfaces monoatómicamente suaves y con un perfil de dopaje dado . En las instalaciones de MBE, es posible estudiar la calidad de las películas "in situ" (es decir, directamente en la cámara de crecimiento durante el crecimiento). El proceso de epitaxia requiere sustratos especiales bien limpios con una superficie atómicamente lisa.
La tecnología de epitaxia de haz molecular fue desarrollada a fines de la década de 1960 por J. R. Arthur y Alfred Y. Cho.
El método se basa en la deposición de una sustancia evaporada en una fuente molecular sobre un sustrato cristalino . A pesar de una idea bastante simple, la implementación de esta tecnología requiere soluciones técnicas extremadamente complejas. Los principales requisitos para la instalación de epitaxia son los siguientes:
Una característica de la epitaxia es una baja tasa de crecimiento de la película (generalmente menos de 1000 nm por hora).
La cámara está hecha de acero inoxidable de alta pureza . Para garantizar el vacío en la cámara, se calienta a altas temperaturas antes de la operación. En este caso, se produce la desgasificación de la superficie.
En instalaciones modernas se pueden utilizar varias cámaras conectadas por un único sistema de transporte:
Bomba previa - realiza el bombeo inicial de gas de la instalación (hasta una presión de unos 0,5 Pa).
Bomba de absorción : utiliza materiales con una superficie desarrollada (por ejemplo, polvo de zeolita ), que, cuando se enfrían fuertemente (nitrógeno líquido), absorben parte del gas de la instalación .
Bomba de descarga magnética : esta bomba se bombea debido a la presencia de electrodos de titanio pulverizados en ella . El titanio pulverizado se vuelve a depositar en la superficie de trabajo de la bomba, formando una película que "cubre" el gas que ha golpeado la superficie. Se utiliza para lograr un vacío ultraalto.
El manipulador (soporte de sustrato) se utiliza para la fijación del sustrato, su rotación y calentamiento.
El calentador integrado en el manipulador proporciona un calentamiento preliminar de la muestra para limpiarla de la suciedad y eliminar la capa protectora de óxido . Durante el funcionamiento, el calentador mantiene constante la temperatura del sustrato, a la cual los átomos adsorbidos ( adatomos ) de la sustancia depositada migran sobre la superficie ( difusión ). Esto asegura el proceso de autoensamblaje , es decir, la formación de monocapas atómicamente lisas. La tasa de crecimiento está determinada por el flujo de materia hacia la superficie. A flujos bajos, se obtienen películas muy suaves con heterointerfaces claras. Sin embargo, debido a la duración del proceso, aumenta la probabilidad de contaminación superficial, lo que conduce a la aparición de defectos en la estructura final. A mayor caudal, la película monocristalina no crece, sino que se obtiene policristalina o amorfa.
Para eliminar los efectos de la falta de homogeneidad de la estructura debido a la asimetría de los haces moleculares, los manipuladores suelen girar. Sin embargo, en este caso, la asimetría radial aún permanece, que, sin embargo, puede reducirse parcialmente dirigiendo fuentes moleculares que no están en el centro del sustrato.
Las fuentes moleculares se utilizan para evaporar las sustancias necesarias para el crecimiento. Se componen de los siguientes elementos:
La sustancia evaporada en el crisol en forma de haz cae sobre el sustrato. Debido al ultra alto vacío, las moléculas de una sustancia se propagan casi en línea recta sin chocar con las moléculas de gas (es decir, el camino libre medio de las moléculas es igual a la distancia desde la fuente hasta el sustrato).
En el caso de utilizar materiales refractarios o sustancias con alta actividad química, se utiliza el método de evaporación en autocrisol. El haz de electrones entra en la sustancia y funde una pequeña área. Así, la sustancia misma es un crisol. Los dispositivos modernos para controlar un haz de electrones permiten cambiar su dirección, foco, intensidad y otros parámetros para obtener un haz atómico uniforme o aumentar la eficiencia del consumo de material.
El número y tipo de fuentes está determinado por las sustancias utilizadas para el crecimiento. Por ejemplo, para crear estructuras de GaAs/AlGaAs, se necesitan tres fuentes: galio , aluminio y arsénico . Normalmente, las instalaciones proporcionan espacio para la instalación de varias fuentes (normalmente seis), lo que permite una apertura menos frecuente de la instalación para llenar las fuentes con una sustancia.
Para mejorar el vacío y congelar las moléculas de la sustancia evaporada que no caía sobre el sustrato, se instalaron criopaneles alrededor del manipulador, contenedores llenos de nitrógeno líquido . También se utilizan para separar fuentes moleculares entre sí por temperatura.
El uso de unidades de control y computadoras con software especial permite acelerar los procesos de epitaxia y simplificar la instalación y el mantenimiento.
El sustrato es un disco de silicio monocristalino , arseniuro de galio u otra estructura con un diámetro de 40, 60 o 102 mm .
La difracción de electrones de alta energía de reflexión ( RHEED ,High Energy Electron Difraction ) es un método basado en la observación del patrón de difracción de los electrones reflejados en la superficie de la muestra.
Este método le permite monitorear los siguientes parámetros de crecimiento en tiempo real:
El sistema consta de:
REED
AES
El método se usa con mayor frecuencia para cultivar heteroestructuras de semiconductores a partir de soluciones ternarias o soluciones cuaternarias basadas en elementos del tercer y quinto grupo del sistema periódico de elementos, aunque también se cultivan compuestos A II B VI , así como silicio , germanio , metales , etc. En Rusia, el único fabricante en serie de instalaciones MBE es CJSC NTO ( SemiTEq ).
Un transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) es un dispositivo semiconductor, una de las variedades de un transistor de efecto de campo . Los principales materiales para fabricar HEMT son GaAs y AlGaAs .
MPE permite obtener las siguientes estructuras con una dimensión reducida:
La calidad de las películas cultivadas depende de la coincidencia de las constantes de red del material y el sustrato. Además, cuanto mayor sea el desajuste, menor será el espesor de una película libre de defectos que se puede hacer crecer. La película en crecimiento trata de adaptarse a la estructura cristalina del sustrato. Si la constante de red del material en crecimiento difiere de la constante de red del sustrato, surgen tensiones en la película, que aumentan al aumentar el espesor de la película. Esto puede dar lugar a la aparición de numerosas dislocaciones en la interfaz sustrato-película, que empeoran las propiedades eléctricas del material. Esto generalmente se evita. Por ejemplo, un par perfecto de compuestos de GaAs y una solución ternaria de AlGaAs se usa muy a menudo para producir estructuras de gas de electrones 2D . Para la obtención de puntos cuánticos (InAs) se utiliza el fenómeno de autoorganización, cuando se cultiva un par de monocapas de una película de InAs sobre un sustrato de GaAs, y dado que el desajuste de las constantes volumétricas de la red llega al 7%, esta película se rompe y el InAs se recoge en islas, que por su tamaño reciben el nombre de puntos cuánticos.
Por ejemplo, mediante el crecimiento selectivo, es posible hacer crecer un nanocable en el borde de un sustrato con una heteroestructura precreada .
Es posible hacer crecer una estructura para un láser sobre una doble heteroestructura. Los espejos en tales estructuras son heteroestructuras periódicas con un índice de refracción variable (espejos dieléctricos) y se hacen crecer con precisión en espesor.
La principal ventaja del método es la posibilidad de crear nanoestructuras únicas con muy alta pureza, uniformidad y un pequeño número de defectos . Las desventajas del método incluyen el alto precio del equipo y las materias primas, la baja tasa de crecimiento y la dificultad de mantener un alto vacío.
Cabe señalar que el término "epitaxia de haz molecular" es una traducción inexacta del equivalente inglés epitaxia de haz molecular . En la literatura científica en idioma ruso, a menudo se encuentra otro nombre "epitaxia de haz molecular".
B. A. Joyce, R. Heckingbottom, W. Moench, et al., Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures. - Ed. L. Cheng, K. Ploga. Por. De inglés. edición Zh. I. Alferova, Yu. V. Shmartseva. - Moscú: Mir, 1989. - 582 p. — ISBN 5-03-000737-7 .