Лекции по наноматериалам и нанотехнологиям
Методы измерения, исследования и формирования наноструктур
жүктеу/скачать 12,63 Mb. Pdf көрінісі
|
Nanomateriali i nanotehnologii bak
| 2.8. Методы измерения, исследования и формирования наноструктур
2.8.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия 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 ячейке содержится свой материал. Испарительные ячейки называются эффузионными ячейками Кнудсена ( эффузия - медленное истечение газа через малое отверстие). Рис. 2.8 (а) Схема эпитаксиального наращивания. (б) Общая схема ростовой камеры. (нумерация элементов камеры отдельная от рис. а) [6] Основные элементы ростовой камеры показаны на рис. 2.8.а 1-источник нагрева подложки 2, 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 показана на рис. 8.б. Камера сконструирована из нержавеющей стали. В ней поддерживается высокий вакуум: давление 10 -10 -10 -12 мм. рт. ст.(10 -8 -10 -10 Па). Каждая ячейка 3 окружена криоэкранами 4, охлаждаемыми жидким азотом 77 К, вторая криопанель расположена по периферии камеры. Имеются заслонки 2 отдельных 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. Контроль вакуума осуществляется измерителем 8. В камере имеются смотровые окна, вакуумный шлюз 9 для 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 108 секунду, примерно 1мкм в час. [6] На растущей поверхности происходят следующие процессы: 1. Адсорбция (поглощение поверхностным слоем) падающих на поверхность атомов . 2. Поверхностная диффузия адсорбированных атомов ( 5 6 10 10 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 рис. 2.8.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. 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. 2.8.б должно производиться 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 слоев, начиная с 109 одного монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами. 3.Возможность получения резких скачков концентрации компонент в слоях. 4.Возможность создания структур со 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 3 5 2 6 , , A B A B SiGe и др. жүктеу/скачать 12,63 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|