Epitaksja metodą wiązek molekularnych

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów
Epitaksja metodą wiązek molekularnych (MBE)
13 kwiecień 2010
Zbigniew R. Żytkiewicz
Instytut Fizyki PAN
02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46
tel: 22 843 66 01 ext. 3363
E-mail: [email protected]
Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN
01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37
tel: 22 88 80 244
e-mail: [email protected], [email protected]
Wykład – 2 godz./tydzień – wtorek 9.15 – 11.00
Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW
Budynek Wydziału Geologii UW – sala 3089
http://www.icm.edu.pl/web/guest/edukacja
http://www.unipress.waw.pl/~stach/wyklad_ptwk_2009
Epitaksja metodą wiązek molekularnych (MBE)
Plan wykładu:
•
idea i podstawy fizyczne MBE
•
realizacja techniczna MBE
•
metody badania in situ procesu wzrostu
•
przykłady wykorzystania techniki MBE
- wzrost niskotemperaturowy
- supersieci
- kropki i druty kwantowe
•
podsumowanie
Idea metody MBE
SAMPLE
MANIPULATOR
manipulator podłoża
FLUORESCENT
SCREEN
ELECTRON
GUN
5-25 kV
ekran
fluorescencyjny
SHUTTERS
ULTRA-HIGH VACUUM CHAMBER
10-10 - 10-9 Tr
kriopanel z
LN2
działo elektronowe
- warunki ultra wysokiej próżni (10-10 – 10-11 Tr)
- kriopanel z ciekłym azotem:
- dodatkowe pompowanie
- wiązanie atomów na ściankach
- redukcja „memory effect”
- separacja termiczna źródeł
przesłony
grzane komórki (źródła)
- niezależne źródła atomów/molekuł;
kontrola strumienia poprzez kontrolę Tźródło
- pomiar intensywności wiązki – flux monitor
- mechaniczne przesłony
(otwieranie/zamykanie źródła)
- podłoże krystaliczne w podwyższonej
T = ~200 oC - ~1000 oC
- duże możliwości obserwacji wzrostu in situ
HEATED CELLS
WITH ELEMENTS:
As, Sb, Ga, In, Mn, ...
LIQUID
NITROGEN
PANELS
podłoże
ION GAUGE
(FLUX METER)
GaAs SUBSTRATE
ON HEATED
BLOCK
SUBSTRATE
TRANSFER
MECHANISM
układ pompowy
Podwójny układ MBE dla GaN i ZnO w IF PAN
MBE ZnO
każda z maszyn:
-10 portów na źródła
- tlen i azot ze źródeł RF
plasma
- podłoże do 3”
- 3 osobne komory
- rozbudowane układy
pompowe
- szeroki wachlarz
technik pomiaru in-situ
- załadunek do 8 podłóż
w pełni wyposażone
zaplecze laboratoryjne i
techniczne
kanał transferowy MBE GaN
MBE - ultra wysoka próżnia (UHV) – tzn. jak wysoka?
warunek 1: średnia droga swobodna atomów > odległość źródło - podłoże
droga swobodna λ w gazie o ciśnieniu p
azot; T = 300 K
5 × 10 −4
λ≈
[cm]
p[Tr ]
p = 10-4 Tr ↔ λ = ~50 cm
p = 10-7 Tr ↔ λ = ~0.5 km
p = 10-11 Tr ↔ λ = ~5 000 km
w MBE balistyczny transport atomów (bez zderzeń)
MBE - ultra wysoka próżnia (UHV) – tzn. jak wysoka?
warunek 2: wysoka czystość warstw
zakładamy, że wszystkie cząstki przyklejają się do powierzchni
strumień cząstek gazu o ciśnieniu p upadających na 1 cm2 w 1 sekundę
J=
p[Tr ]
[cm − 2 s −1 ]
2πmk BT
J [cm −2 s −1 ] = 3.2 × 10 20 p[Tr ]
jeśli m=40; T=300K to
liczba miejsc sieciowych na powierzchni Si N = 3.2 ×1014 cm −2
czas obsadzenia 1 monowarstwy (ML)
τ [s] =
heating block
substrate
−6
N 10
=
J
p[Tr ]
p=10-6 Tr
J
p = 10-6 Tr ↔ τ = 1 sek
p = 10-11 Tr ↔ τ ≈ 28 h
p = 10-11 Tr ⇒ 1 atom zanieczyszczeń na 105 atomów Si
koncentracja zanieczyszczeń ~1017 cm-3
w praktyce: warstwy bardziej czyste, bo:
- współczynnik przyklejania (sticking coefficient) < 1
- próżnia tła określona przez stężenie H2, H2O, O2, CO, ……
p=10-11 Tr
source
„Hodowanie” próżni – geometria trójkomorowa
komora wzrostowa
załadunek i przygotowanie podłoża
Lift mechanism
Outgassing station (T = 750C)
p ~ 10-10 Tr
Buffer chamber
Magnetic-coupled transfer
rod
Isolation gate valve
Quick access door
up to 8 substrates
Dry Pumping system
p ~ 10-7 Tr
p ~ 10-11 Tr
każda z komór wyposażona w osobny układ pompowy
Wytwarzanie próżni
•
pompy mechaniczne
- wstępne i turbomolekularne (UHV)
pompy kriogeniczne
pompy jonowe i tytanowe
•
•
szybkość pompowania 2800 l/sek dla N2
szybkość pompowania 1200 l/sek dla N2
•
Helix CTI-10; szybkość
pompowania 3000 l/sek dla N2
długie wygrzewanie komór w T ~ 200o C po
każdym otwarciu maszyny - usunięcie
zaadsorbowanych gazów
Wytwarzanie wiązek molekularnych – komórka Knudsena
Własności współczesnych komórek:
• 10 różnych komórek w 1 flanszy (Compact 21 Riber)
• komórki wycentrowane na podłoże ⇒ jednorodność flux
• duża stabilność strumienia;
zmiany < 1%/dzień ⇒ ΔT < 1ºC @ T ~ 1000 ºC
• małe zmiany strumienia gdy ubywa materiału ⇒ geometria
• każda komórka wyposażona w indywidualną przesłonę
przesłona wiązki - shutter
grzejnik
osłona termiczna
materiał
termopara
tygiel
pomiar T
zasilanie
otwory na źródła i shuttery
w kriopanelu maszyny
Compact 21 Riber
Wytwarzanie wiązek molekularnych – komórka Knudsena
założenie: równowaga para – ciecz/faza stała w komórce
krzywe równowagi para – ciecz/faza stała dla wybranych elementów
As4
Ga
p w komórce (wydajność
źródła) kontrolujemy
zmieniając Tźródła
TGa = 1000oC
pGa(cell) = 10-3 Tr
Al
Wytwarzanie wiązek molekularnych – źródła specjalne
valved cracker
1. strefa rozkładu As4 → As2
2. łącznik + zawór igłowy
3. flansza
4. podłączenie mocy i TC
5. strefa generacji par As4
6. tygiel ze stałym As
Źródło dla elementów, które
sublimują w postaci molekuł
wieloatomowych, np.
As, P, Sb, Se, S & Te
źródło plazmowe
1. wlot oczyszczonego gazu (MFC)
2. wnęka w.cz.
3. wylot (płytka pBN z małymi otworkami)
injektory gazowe
źródła gazowe z zaworami igłowymi
w Gas Source MBE (np. SiH4) lub
metaloorganiki w MO MBE
2
3
1
Stabilne cząsteczki N2, O2, etc.
wzbudzane w.cz. we wnęce i
rozbijane na atomy
MFC
filtr
Prędkość wzrostu w MBE – przykład GaAs
-7
8,0x10
-7
7,0x10
wzrost w warunkach bogatych w As;
Vgr kontrolowana strumieniem Ga;
zał.: brak desorpcji Ga
strumień Ga
at
J = 1.18 × 10
cm 2 s
15
objętość wł. GaAs Ω 0 = 2.27 × 10
−23
cm3
BEP Ga [Tr]
-7
6,0x10
-7
5,0x10
-7
4,0x10
-7
3,0x10
-7
2,0x10
830
Vgr = JΩ 0
Vgr = 2.67 Å/s = 1 ML / s = 0.96 μm / h
możliwość kontrolowanego wzrostu
bardzo cienkich (~1 ML) warstw i
struktur epitaksjalnych
840
850
860
870
880
890
TGa [C]
wysuwany
próżniomierz
heating block
substrate
pomiar BEP
BEP = beam equivalent pressure
Ga source
TGa
900
Analiza wzrostu in situ
próżnia przezroczysta dla światła, elektronów, …
szerokie możliwość obserwacji powierzchni rosnącej warstwy
reflektometria laserowa
prędkość wzrostu, zmiana gładkości, …
intensity [arb. units]
0,08
szafir
GaN
GaN MBE
0,07
λ = 650 nm
vgr = 0.46 μm/h
0,06
0,05
0,04
fotodioda
λ = 650 nm
0,03
8000
9000
10000
time [sec]
pyrometria optyczna w IR λ = 1 – 3 µm pomiar T z max. widma ciała doskonale czarnego
Raytek
1.6 µm
interferencje w podczerwieni powodują
„sztuczne” oscylacje sygnału IR, a więc i T.
pomiar pyrometrii i
reflektometrii pozwalają
określić zmiany grubości
warstwy w czasie i
skorygować sztuczne
fluktuacje mierzonej T
elipsometria
Analiza wzrostu in situ - reflection high energy electron diffraction (RHEED)
• analiza stanu powierzchni przy pomocy dyfrakcji wiązki
elektronów pod kątem 1 – 3o do powierzchni
• energia elektronów 5 – 20 keV; długość fali ~0.1Å
• idealna powierzchnia 2D – układ równoległych linii (streaks)
Si(001) RHEED patterns
sputter-cleaned surface
perfect surface
rough surface
Analiza wzrostu in situ - reflection high energy electron diffraction (RHEED)
RHEED
podłoże GaAs po usunięciu tlenku
+ wzrost MBE 15 nm GaAs
+ wzrost MBE 1 µm GaAs
A. Y. Cho, J. Cryst. Growth 201/202 (1999) 1
SEM
Analiza wzrostu in situ – RHEED – rekonstrukcja powierzchni (2x4) GaAs
obraz RHEED zależy od azymutu
azymut [110] (2x)
azymut [-110] (4x)
rekonstrukcja powierzchni – zmiana periodyczności
GaAs(001) - STM
V. P. LaBella et al., PRL 83, 2989 (1999)
RHEED – powierzchniowy wykres fazowy GaAs
obecność różnych rekonstrukcji powierzchni w zależności od T, pokrycia As i Ga, …
•
różne możliwe rekonstrukcje
w zależności od warunków
wzrostu
•
As-stable (2X4): typowe
warunki wzrostu GaAs
metodą MBE
•
rekonstrukcja silnie zależy od
temperatury podłoża –
RHEED jako termometr
powierzchniowy
Analiza wzrostu in situ – RHEED – prędkość wzrostu
RHEED intensity (Arb. Units)
shutters open
GaAs
GaAs
shutters closed
AlAs
AlAs
0
10
20
30
40
50
po zamknięciu shuttera:
GaAs: powrót natężenia ⇒
duża mobilność atomów i
„wygładzanie” powierzchni
AlAs: brak wygładzania
powierzchni ⇒ mała
ruchliwość powierzchniowa
Al
Tim e (s)
start wzrostu
prędkość wzrostu = 1ML/τ
• oscylacje RHEED – obserwacja periodycznej
zmiany szorstkości rosnącej powierzchni
• warunek konieczny: zarodkowanie 2D –
wzrost „warstwa po warstwie”
• brak oscylacji RHEED dla powierzchni z
płynącymi stopniami (step flow)
τ
• warunki wzrostu bogatego w atomy grupy
Vtej (brak dla GaN, bo warunki Ga-rich)
Przykładowe wykorzystanie MBE: przekroczenie limitu rozpuszczalności Mn w III-V
MBE nierównowagowa ⇒ możliwość wzrostu warstw (Ga, In)As z bardzo wysoką koncentracją Mn
!!!!!!
folia z wykładu PTWK 2007 - T. Slupinski
T. Slupinski i in. APL (2002)
Quantum Wire (1D)
DOS
Quantum Dot (0D)
DOS
Quantum Well (2D)
DOS
Bulk (3D)
DOS
Struktury niskowymiarowe
Energy
mała prędkość wzrostu i precyzyjna kontrola zjawisk na powierzchni
rosnącego kryształu umożliwiają otrzymywanie techniką MBE
niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych
Przykładowe wykorzystanie MBE: supersieci w strukturach optycznych
konwencjonalny laser
laser kaskadowy GaAs/AlGaAs (~9µm)
TEM
laser kaskadowy
ITE Warszawa - Kosiel et al. EuroMBE 2009, Zakopane
„wodospad elektronów”
emisja fotonu na każdym „progu”
www.bell-labs.com/org/physicalsciences/
projects/qcl/qcl2.html
MBE pozwala otrzymywać skomplikowane układy supercienkich
warstw epitaksjalnych o doskonałych własnościach
⇓
nowe zjawiska; nowe zastosowania
Przykładowe wykorzystanie MBE: domieszkowanie modulacyjne (δ-doping)
problem: domieszkowanie niezbędne dla dobrego przewodnictwa elektrycznego
ALE
domieszki rozpraszają nośniki ⇒ ograniczenie ruchliwości w niskich T
rozwiązanie: przestrzenne odseparowanie źródła nośników (domieszek) i kanału
przewodnictwa elektrycznego (domieszkowanie modulacyjne)
koniec lat 70tych, Art Gossard i Horst Störmer z Bell Labs.
modulation doping
(δ doping)
GaAs
GaAs
substrate epilayer
AlGaAs
e-
GaAs
cap
+
Energy
transfer nośników do kanału 2-d
i ich separacja od domieszek
⇒ wzrost µ
conduction band
EF
2 DEG
H. Störmer, Surf. Sci.132 (1983) 519
http://www.bell-labs.com/org/physicalsciences/projects/correlated/pop-up2-1.html;
L. Pfeiffer and K. West, Physica E 20, 57 (2003).
Przykładowe wykorzystanie MBE: samoorganizujące się kropki kwantowe (QD)
InAs/(001) GaAs
azymut [1-10]
wykład 12.03.2009 - deformacja powierzchni
jako sposób relaksacji niedopasowania sieciowego
InAs/GaAs 7% niedopasowania sieciowego
mody wzrostu:
Frank-van der Merwe (layer-by-layer)
Stranski-Krastanov (layer + island)
Volmer-Weber (island)
po 1 ML InAs
po 2 ML InAs
wetting layer
InAs
po 3 ML InAs
po 30 ML InAs
wzrost 3D
GaAs
kropki InAs na GaAs:
• brak dyslokacji
• szerokość ~20nm
• wysokość kilka nm
• rozrzut wymiarów
• losowe ułożenie na powierzchni
(samoorganizacja)
H. Yamaguchi et al. APL (1996)
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane kropki kwantowe
E. Uccelli et al. EuroMBE 2009, Zakopane
1. growth of AlAs/GaAs
(001) layers
2. In situ cleavage: (110)
flat surface
3. growth of InAs on the
cleaved (110) surface
[110]
_
[110]
[001]
AlAs
GaAs
[110]
blaszka shuttera tnie płytkę
[001]
_
[110]
druty dla cienkich warstw AlAs
QD dla grubszych warstw AlAs
rstwy
a
w
ć
ś
grubo
AlAs
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane kropki kwantowe
Zalety uporządkowania:
G. Chen (EuroMBE 2009, Zakopane)
E-beam lithography + RIE
• lepsza jednorodność wymiarów QDs (mniejszy rozrzut λ światła)
• możliwość adresowania pojedynczych kropek
• możliwość „zabudowy” pojedynczych kropek (np. w nanodrut)
•…
kropki Ge na podłożu Si
• podłoże naświetlane technikami
litografii (E-beam lub X-Ray)
• trawienie wzoru (RIE)
• wzrost kropek metodą MBE
Periodicity : 250 nm
Scale: 10 µm × 10 µm
• położenie kropek w kolejnej
warstwie odwzorowuje ich
rozkład w warstwie poprzedniej
(sprzężenie poprzez pole naprężeń)
G. Mussler (EuroMBE 2009, Zakopane)
X-ray lithography + RIE
kryształ kropek Ge
Przykładowe wykorzystanie MBE: samoorganizujące się nanodruty (NW)
ZnTe NW na GaAs
Au
GaAs / Si
kulka Au
Grzanie (600°C)
Au
HRTEM
GaAs / Si
E. Janik, et al. APL 89, 133114 (2006)
Molecular beams
Zn
(Cd)
Au
Ldiff
Te
(e)
growth
mechanizm wzrostu:
vapor – liquid – solid
_
[111]B
[111]A
60.0
GaAs / Si
(110)
o
200 nm
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane NWs (białe nanoLEDs)
H. Sekiguchi et al., IWNS 2008 Montreux, Switzerland
nanodziurki o różnych
średnicach w masce Ti
nanodziurki porządkują
położenie kolumn
średnica nanodziurki ⇒ średnica nanokolumny ⇒ długość fali emitowanego światła
emisja z nanokolumn InGaN/GaN wzrastanych na tej samej płytce
z różnym wzorem nanodziurek w masce Ti
Przykładowe wykorzystanie MBE: wzrost planarny vs.nanodruty PAMBE GaN
GaN growth rate (μm/h)
0.55
0.50
N- limited
0.45
(Ga-rich)
Stoichiometry Conditions
a)
b)
III/V > 1
0.40
0.35
Ga-limited
0.30
(N-rich)
c)
0.25
(a)
0.20
0.15
d)
0.10
0.05
0.00
0.0
III/V ≈ 1
Fixed growth T
Fixed atomic N flux
-7
2.0x10
-7
4.0x10
-7
6.0x10
-7
8.0x10
Ga flux (Torr)
-6
1.0x10
-6
1.2x10
(b)
III/V < 1
(d)
(c)
zmieniając stosunek III/V zmieniamy mod wzrostu
E. Calleja, EuroMBE 2009, Zakopane
Nowe generacje maszyn MBE - clusters
• wzrost na podłożach 1x4” lub 3x2”
• 12 portów na źródła + porty dodatkowe
• budowa klusterowa – niezależne komory załadowcza i preparacyjna
• możliwość podłączenia dodatkowych modułów analitycznych
• transfer podłoży i wzrost epitaksjalny całkowicie automatyczne
Nowe generacje maszyn MBE - clusters
Etch Module (ICP)
for Clusterlab 600
Deposition Module
(RF Magnetron Sputter)
for Clusterlab 600
Epitaxial Growth Module
(MBE V60) for
Clusterlab600
Podsumowanie
zalety MBE:
• wysoka czystość warstw
• bardzo precyzyjna kontrola procesu wzrostu
• duże możliwości wzrostu struktur niskowymiarowych
• szerokie możliwości badań in situ
• szeroki zakres możliwych związków/pierwiastków
• wzrost mocno nierównowagowy – możliwość przekroczenia limitu rozpuszczalności
wady MBE:
• b. trudny pomiar REALNEJ temperatury podłoża
• wysoki koszt (zakupu i eksploatacji)
• awaryjność urządzeń (typowa dla b. skomplikowanego sprzętu UHV)
Most Broken Equipment
Multi Bucks Evaporator …..
• mała (w porównaniu z MOVPE) wydajność
• selektywny wzrost epitaksjalny bardzo trudny
Do czytania o 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 przeglądowych autorstwa: T. Foxon; B.A. Joyce; i in.
Epitaksja z wiązek molekularnych MBE
Zbigniew R. Żytkiewicz
Poszukujemy kandydatów do pracy
lub kontynuacji studiów w nowym
Laboratorium MBE IF PAN.
Tematyka: wzrost techniką MBE
warstw i struktur epitaksjalnych
(GaInAl)N i (MgZn)O oraz struktur
hybrydowych GaN/ZnO.
Zapraszamy!
http://www.ifpan.edu.pl/msdifpan/doktorant-ON47.pdf