Comparação entre MBE (Molecular Beam Epitaxy) e MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)

Características comuns da MBE e da MOCVD

Ambiente de trabalho:

Tanto o MBE como oMOCVDOperar em ambientes de salas limpas.

Área de aplicação:

Em certos sistemas de materiais, como os arsênicos, ambas as técnicas podem produzir efeitos epitaxial semelhantes.

Diferenças entre MBE e MOCVD

MBE (Epitaxia do Feixe Molecular) Princípio de Trabalho:

O MBE usa precursores elementais de alta pureza, que são aquecidos em um evaporador para formar feixes moleculares para deposição.Normalmente funciona em condições de vácuo ultra-alto (UHV) para evitar a contaminação por moléculas de ar.

Estrutura do equipamento:

O MBE consiste numa câmara de transferência de amostras e numa câmara de crescimento. A câmara de crescimento é geralmente selada e só aberta durante a manutenção.rodeado por um ecrã frio resfriado com nitrogénio líquido para capturar impurezas e átomos que não são capturados na superfície do substrato.

Ferramentas de controlo:

O MBE utiliza ferramentas de monitorização in situ, como a difração eletrônica de alta energia por reflexão (RHEED) para monitorizar a superfície de crescimento, a reflexão a laser, a termografia,e análise química (espectrometria de massa)Outros sensores medem temperatura, pressão e taxa de crescimento para ajustar os parâmetros do processo em tempo real.

Taxa de crescimento:

Normalmente, a taxa de crescimento é de cerca de um terço de uma monocamada por segundo (0,1 nm, 1 Å).controlada pela temperatura da fonte) e pela temperatura do substrato (que afecta as características de difusão e desorbção dos átomos no substrato)As taxas de crescimento e o fornecimento de material são controlados por sistemas mecânicos de obturação, permitindo o crescimento fiável e repetível de ligas ternárias e quaternárias e estruturas multicamadas.

Características do material:

• De silicone:São necessárias altas temperaturas (> 1000°C) para o crescimento em substratos de silício, para assegurar a dessorção dos óxidos.O desajuste nas constantes da rede e nos coeficientes de expansão térmica torna o crescimento de materiais III-V no silício um tema de investigação ativo.

• Antimônio:Para os semicondutores III-Sb, são necessárias baixas temperaturas do substrato para evitar a dessorção da superfície.- quando uma espécie atómica é preferencialmente evaporada, deixando o material com uma proporção não estoiquiométrica.

• Fósforo:Para as ligas III-P, o fósforo pode depositar-se dentro da câmara, exigindo um longo processo de limpeza, o que poderia tornar impraticáveis corridas de produção curtas.

• Camadas tensas:Normalmente, são necessárias temperaturas de substrato mais baixas para reduzir a difusão atômica na superfície, reduzindo assim a probabilidade de relaxamento da camada.Como a mobilidade atômica reduzida causa vazios na camada epitaxial, que podem encapsular- se e causar falhas.

MOCVD (deposição química de vapores metálicos-orgânicos) Princípio de trabalho:

O MOCVD é um processo químico de vapor que utiliza fontes gasosas ultrapuras para deposição, exigindo o manuseio de gases tóxicos e seu tratamento.Os precursores orgânicos de metais (como o trimetilgállio para os elementos do Grupo III e hidritos como arsina e fosfina para os elementos do Grupo V) são utilizados para a deposição da camada epitaxial.

Estrutura do equipamento:

O MOCVD possui uma câmara de reação refrigerada a água a alta temperatura, onde os substratos são colocados em bases de grafite aquecidas por RF, resistividade ou aquecimento infravermelho.Os gases de reação são injetados verticalmente na câmara de processo acima do substrato.

Ferramentas de controlo:

O MOCVD utiliza termografia com correção de emissividade para medição de temperatura in situ da superfície do substrato; a refletividade é usada para analisar a rugosidade da superfície e a taxa de crescimento epitaxial.A reflexão a laser é usada para medir a flexão do substrato, e a monitorização dos gases por ultra-som ajuda a rastrear a concentração dos precursores de metais orgânicos para melhorar a precisão e a repetibilidade do processo de crescimento.

Condições de crescimento:

A temperatura de crescimento é determinada principalmente pelos requisitos de decomposição térmica dos precursores e, em seguida, otimizada para a migração de superfície.A taxa de crescimento é regida pela pressão de vapor das fontes metal-orgânicas III-V na fase gasosaPara as ligas que contêm alumínio, normalmente são necessárias temperaturas mais elevadas (> 650°C) para o crescimento, enquanto as camadas à base de fósforo crescem a temperaturas mais baixas (< 650°C), embora o AlInP possa ser uma exceção.

Características do material:

• Camadas de alta tensão:Devido à capacidade de usar convencionalmente arsênicos e fósforos, o equilíbrio e a compensação de tensão são alcançáveis, como com barreiras GaAsP e poços quânticos InGaAs (QWs).

• Antimonídeos:O crescimento do MOCVD de materiais antimonídeos é limitado porque faltam fontes de precursores adequadas, o que leva à incorporação inadvertida (e geralmente indesejável) de carbono em AlSb,que limita a escolha de ligas e impede o uso de MOCVD para o crescimento de antimonídeos.

Resumo

Opções de controlo:

O MBE oferece tipicamente mais opções de monitoramento in situ do que o MOCVD, com o crescimento epitaxial sendo ajustado por taxas de fluxo e temperaturas do substrato.A análise dos resultados da investigação e do acompanhamento in situ correlacionado fornece uma, uma compreensão mais directa do processo de crescimento.

Aplicabilidade ao material:

A MOCVD é uma técnica altamente versátil. Ao variar a química do precursor, uma ampla gama de materiais pode ser depositada, incluindo semicondutores compostos, nitritos e óxidos.O tempo de limpeza nas câmaras MOCVD é mais rápido do que na MBE.

Vantagens da aplicação:

O MBE é o método preferido para o crescimento de materiais Sb, enquanto o MOCVD é tipicamente preferido para materiais P. Para materiais à base de arsênico, ambas as técnicas têm capacidades semelhantes.Para estruturas mais avançadas como pontos quânticos e lasers de cascata quânticaO MOCVD é frequentemente preferido para o crescimento epitaxial subsequente devido à sua flexibilidade na gravação e mascaramento.

Aplicações especiais:

O MOCVD é adequado para lasers de feedback distribuído (DFB), dispositivos de heterostrutura enterrados e crescimento de guias de onda acoplados, que podem incluir gravação in situ de semicondutores.O MOCVD também é usado para integração InP de chip únicoEnquanto a integração de um único chip de GaAs ainda está em seus estágios iniciais, o MOCVD pode alcançar o crescimento da área seletiva, ajudando na separação dos comprimentos de onda de emissão/absorção.tem desafios nesta área, uma vez que a deposição policristalina tende a formar-se em máscaras dielétricas.

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