epitaksja metodąwiązek molekularnych (mbe)stach/wyklad_ptwk_2009/cgm_w20.pdf · 2010-04-08 ·...
TRANSCRIPT
Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów
Epitaksja metodą wiązek molekularnych (MBE)13 kwiecień 2010
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
Zbigniew R. ŻytkiewiczInstytut Fizyki PAN
02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46tel: 22 843 66 01 ext. 3363
E-mail: [email protected]
Stanisław Krukowski i Michał LeszczyńskiInstytut Wysokich Ciśnień PAN
01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37tel: 22 88 80 244
e-mail: [email protected], [email protected]
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
FLU
OR
ESC
ENT
SCR
EEN
SAM
PLE
MA
NIP
ULA
TOR
HEA
TED
CEL
LS
WIT
H E
LEM
ENTS
:A
s, Sb
, Ga,
In, M
n, ..
.
ELEC
TRO
N
GU
N5-
25 k
VLI
QU
ID
NIT
RO
GEN
PA
NEL
SSH
UTT
ERS
GaA
s SU
BSTR
ATE
O
N H
EATE
DBL
OC
K
SUBS
TRA
TE
TRA
NSF
ERM
ECH
AN
ISM
ULT
RA
-HIG
H V
AC
UU
M C
HA
MBE
R10
-10 -
10-9
Tr
ION
GA
UG
E(F
LUX
MET
ER)
manipulator podłoża
działo elektronowe
kriopanel z LN2
grzane komórki (źródła)
przesłony
ekranfluorescencyjny
podłoże
- 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
- 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
układ pompowy
Podwójny układ MBE dla GaN i ZnO w IF PAN
MBE ZnO MBE GaNkanał transferowy
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
MBE - ultra wysoka próżnia (UHV) – tzn. jak wysoka?
azot; T = 300 K
][][
105 4
cmTrp
−×≈λ
droga swobodna λ w gazie o ciśnieniu p
p = 10-4 Tr ↔ λ = ~50 cmp = 10-7 Tr ↔ λ = ~0.5 kmp = 10-11 Tr ↔ λ = ~5 000 km
w MBE balistyczny transport atomów (bez zderzeń)
warunek 1: średnia droga swobodna atomów > odległość źródło - podłoże
MBE - ultra wysoka próżnia (UHV) – tzn. jak wysoka?
][2
][ 12 −−= scmTmk
TrpJBπ
warunek 2: wysoka czystość warstw
strumień cząstek gazu o ciśnieniu p upadających na 1 cm2 w 1 sekundę
zakładamy, że wszystkie cząstki przyklejają się do powierzchni
jeśli m=40; T=300K to ][102.3][ 2012 TrpscmJ ×=−−
liczba miejsc sieciowych na powierzchni Si 214102.3 −×= cmN
][10][
6
TrpJNs
−
==τczas obsadzenia 1 monowarstwy (ML)
p = 10-6 Tr ↔ τ = 1 sek
p = 10-11 Tr ↔ τ ≈ 28 h
p = 10-11 Tr ⇒ 1 atom zanieczyszczeń na 105 atomów Sikoncentracja zanieczyszczeń ~1017 cm-3
substrateheating block
J
source
p=10-6 Tr
p=10-11 Tr
w praktyce: warstwy bardziej czyste, bo:- współczynnik przyklejania (sticking coefficient) < 1- próżnia tła określona przez stężenie H2, H2O, O2, CO, ……
Lift mechanism
Outgassing station (T = 750C)
Quick access door
up to 8 substrates
Buffer chamber
Magnetic-coupled transfer rod
Isolation gate valve
Dry Pumping system
komora wzrostowa załadunek i przygotowanie podłoża
„Hodowanie” próżni – geometria trójkomorowa
p ~ 10-7 Tr
p ~ 10-11 Tr
p ~ 10-10 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
Helix CTI-10; szybkośćpompowania 3000 l/sek dla N2
• długie wygrzewanie komór w T ~ 200o C pokażdym otwarciu maszyny - usunięcie zaadsorbowanych gazów
szybkość pompowania 1200 l/sek dla N2
Wytwarzanie wiązek molekularnych – komórka Knudsenaprzesłona wiązki - shutter 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
zasilaniepomiar T
termopara
tygiel
grzejnik
materiał osłona termiczna
otwory na źródła i shutteryw kriopanelu maszyny
Compact 21 Riber
Wytwarzanie wiązek molekularnych – komórka Knudsena
Ga
Al
As4
krzywe równowagi para – ciecz/faza stała dla wybranych elementów
p w komórce (wydajnośćźródła) kontrolujemyzmieniając Tźródła
TGa = 1000oCpGa(cell) = 10-3 Tr
założenie: równowaga para – ciecz/faza stała w komórce
Wytwarzanie wiązek molekularnych – źródła specjalne
1. strefa rozkładu As4 → As22. łącznik + zawór igłowy3. flansza4. podłączenie mocy i TC5. strefa generacji par As46. tygiel ze stałym As
valved cracker
Źródło dla elementów, któresublimują w postaci molekuł
wieloatomowych, np.As, P, Sb, Se, S & Te
źródło plazmowe
Stabilne cząsteczki N2, O2, etc.wzbudzane w.cz. we wnęce i
rozbijane na atomy
1. wlot oczyszczonego gazu (MFC)2. wnęka w.cz.3. wylot (płytka pBN z małymi otworkami)
1
2
3
filtr
MFC
injektory gazoweźródła gazowe z zaworami igłowymiw Gas Source MBE (np. SiH4) lubmetaloorganiki w MO MBE
Prędkość wzrostu w MBE – przykład GaAs
substrateheating block
Ga source TGa
wysuwanypróżniomierz
pomiar BEP
BEP = beam equivalent pressure
830 840 850 860 870 880 890 900
2,0x10-7
3,0x10-7
4,0x10-7
5,0x10-7
6,0x10-7
7,0x10-7
8,0x10-7
BEP
Ga
[Tr]
TGa [C]0Ω= JVgr
wzrost w warunkach bogatych w As;Vgr kontrolowana strumieniem Ga;zał.: brak desorpcji Ga
scmatJ 2
151018.1 ×=
3230 1027.2 cm−×=Ω
strumień Ga
objętość wł. GaAs
hmsMLVgr / 0.96/ 1Å/s 67.2 μ===
możliwość kontrolowanego wzrostubardzo cienkich (~1 ML) warstw i
struktur epitaksjalnych
Analiza wzrostu in situ
8000 9000 100000,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
inte
nsity
[arb
. uni
ts]
time [sec]
λ = 650 nmGaN MBEvgr = 0.46 μm/h
reflektometria laserowaprędkość wzrostu, zmiana gładkości, …
λ = 650 nmfotodioda
szafir
GaN
próżnia przezroczysta dla światła, elektronów, …szerokie możliwość obserwacji powierzchni rosnącej warstwy
pyrometria optyczna w IR λ = 1 – 3 µm pomiar T z max. widma ciała doskonale czarnego
interferencje w podczerwieni powodują„sztuczne” oscylacje sygnału IR, a więc i T.
pomiar pyrometrii i reflektometrii pozwalająokreślić zmiany grubości warstwy w czasie i skorygować sztuczne fluktuacje mierzonej T
1.6 µm
Raytek
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)
rough surface
Si(001) RHEED patternssputter-cleaned surface
perfect surface
Analiza wzrostu in situ - reflection high energy electron diffraction (RHEED)
A. Y. Cho, J. Cryst. Growth 201/202 (1999) 1
RHEED SEM
podłoże GaAs po usunięciu tlenku
+ wzrost MBE 15 nm GaAs
+ wzrost MBE 1 µm GaAs
azymut [110] (2x) azymut [-110] (4x)
Analiza wzrostu in situ – RHEED – rekonstrukcja powierzchni (2x4) GaAs
obraz RHEED zależy od azymutu
rekonstrukcja powierzchni – zmiana periodyczności
V. P. LaBella et al., PRL 83, 2989 (1999)
GaAs(001) - STM
RHEED – powierzchniowy wykres fazowy GaAsobecność 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 GaAsmetodą MBE
• rekonstrukcja silnie zależy od temperatury podłoża –RHEED jako termometr powierzchniowy
Analiza wzrostu in situ – RHEED – prędkość wzrostu
0 10 20 30 40 50
RH
EE
D in
ten
sity
(Arb
. Uni
ts)
Time (s)
shutters openshutters closed
GaAs
AlAs
po zamknięciu shuttera:GaAs: powrót natężenia ⇒duża mobilność atomów i „wygładzanie” powierzchni
AlAs: brak wygładzania powierzchni ⇒ mała ruchliwość powierzchniowa Al
GaAs
AlAs
• 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)
• warunki wzrostu bogatego w atomy grupy Vtej (brak dla GaN, bo warunki Ga-rich)
start wzrostu
τprędkość wzrostu = 1ML/τ
Przykładowe wykorzystanie MBE: przekroczenie limitu rozpuszczalności Mn w III-V
T. Slupinski i in. APL (2002)folia z wykładu PTWK 2007 - T. Slupinski
MBE nierównowagowa ⇒ możliwość wzrostu warstw (Ga, In)As z bardzo wysoką koncentracją Mn
!!!!!!
Struktury niskowymiarowe
Bulk (3D)Bulk (3D)
Quantum Well (2D)Quantum Well (2D)
Quantum Wire (1D)Quantum Wire (1D)
Quantum Dot (0D)Quantum Dot (0D)
DO
SD
OS
DO
SD
OS
DO
SD
OS
DO
SD
OS
EnergyEnergy
mała prędkość wzrostu i precyzyjna kontrola zjawisk na powierzchni rosnącego kryształu umożliwiają otrzymywanie techniką MBE
niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych
Przykładowe wykorzystanie MBE: supersieci w strukturach optycznychlaser kaskadowy GaAs/AlGaAs (~9µm)
konwencjonalny laser
TEM
ITE Warszawa - Kosiel et al. EuroMBE 2009, Zakopane
MBE pozwala otrzymywać skomplikowane układy supercienkichwarstw epitaksjalnych o doskonałych własnościach
⇓nowe zjawiska; nowe zastosowania
www.bell-labs.com/org/physicalsciences/projects/qcl/qcl2.html
laser kaskadowy
„wodospad elektronów”emisja fotonu na każdym „progu”
problem: domieszkowanie niezbędne dla dobrego przewodnictwa elektrycznegoALE
domieszki rozpraszają nośniki ⇒ ograniczenie ruchliwości w niskich T
Przykładowe wykorzystanie MBE: domieszkowanie modulacyjne (δ-doping)
H. Störmer, Surf. Sci.132 (1983) 519
transfer nośników do kanału 2-d i ich separacja od domieszek
⇒ wzrost µ
http://www.bell-labs.com/org/physicalsciences/projects/correlated/pop-up2-1.html;L. Pfeiffer and K. West, Physica E 20, 57 (2003).
rozwiązanie: przestrzenne odseparowanie źródła nośników (domieszek) i kanału przewodnictwa elektrycznego (domieszkowanie modulacyjne)
GaAssubstrate
GaAsepilayer
e-
AlGaAs
+
GaAscap
modulation doping (δ doping)
koniec lat 70tych, Art Gossard i Horst Störmer z Bell Labs.
2 DEG
conduction band
Energy
EF
Przykładowe wykorzystanie MBE: samoorganizujące się kropki kwantowe (QD)
po 1 ML InAs
po 30 ML InAs
po 3 ML InAs
po 2 ML InAs
InAs/(001) GaAsazymut [1-10]
H. Yamaguchi et al. APL (1996)
wzr
ost 3
D
kropki InAs na GaAs:• brak dyslokacji• szerokość ~20nm• wysokość kilka nm• rozrzut wymiarów• losowe ułożenie na powierzchni
(samoorganizacja)
wykład 12.03.2009 - deformacja powierzchni jako sposób relaksacji niedopasowania sieciowegoInAs/GaAs 7% niedopasowania sieciowego
GaAs
InAswetting layer
mody wzrostu:Frank-van der Merwe (layer-by-layer)Stranski-Krastanov (layer + island)Volmer-Weber (island)
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane kropki kwantoweE. Uccelli et al. EuroMBE 2009, Zakopane
[001]
_[110] [110]
1. growth of AlAs/GaAs(001) layers
[110]
_[110] [001]
3. growth of InAs on thecleaved (110) surface
GaAsAlAs
2. In situ cleavage: (110) flat surface
blaszka shuttera tnie płytkę druty dla cienkich warstw AlAsQD dla grubszych warstw AlAs
grubość warstwy AlAs
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane kropki kwantowe
G. Chen (EuroMBE 2009, Zakopane)E-beam lithography + RIE
Periodicity : 250 nm Scale: 10 µm × 10 µm
kropki Ge na podłożu Si
• lepsza jednorodność wymiarów QDs (mniejszy rozrzut λ światła)• możliwość adresowania pojedynczych kropek• możliwość „zabudowy” pojedynczych kropek (np. w nanodrut)• …
Zalety uporządkowania:
• podłoże naświetlane technikami litografii (E-beam lub X-Ray)
• trawienie wzoru (RIE)• wzrost kropek metodą MBE
kryształ kropek Ge
G. Mussler (EuroMBE 2009, Zakopane)X-ray lithography + RIE
• położenie kropek w kolejnejwarstwie odwzorowuje ich rozkład w warstwie poprzedniej(sprzężenie poprzez pole naprężeń)
Molecular beams
Au
Zn (Cd) Te
GaAs / Si
grow
th
GaAs / SiAu
Grzanie
(600°C)
AuGaAs / Si
Przykładowe wykorzystanie MBE: samoorganizujące się nanodruty (NW)
200 nm
(110)(e)
_[111]B
[111]A60.0o
E. Janik, et al. APL 89, 133114 (2006)
ZnTe NW na GaAs
HRTEM
kulka Au
mechanizm wzrostu:vapor – liquid – solid
Ldiff
Przykładowe wykorzystanie MBE: uporządkowane NWs (białe nanoLEDs)
nanodziurki o różnych średnicach w masce Ti
nanodziurki porządkująpołożenie kolumn
H. Sekiguchi et al., IWNS 2008 Montreux, Switzerland
emisja z nanokolumn InGaN/GaN wzrastanych na tej samej płytcez różnym wzorem nanodziurek w masce Ti
średnica nanodziurki ⇒ średnica nanokolumny ⇒ długość fali emitowanego światła
III/V > 1
III/V < 1
(d)
0.0 2.0x10-7 4.0x10-7 6.0x10-7 8.0x10-7 1.0x10-6 1.2x10-60.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
b)
GaN
gro
wth
rate
(μm
/h)
Ga flux (Torr)
a)
c)
d)
Stoichiometry ConditionsN- limited(Ga-rich)
Ga-limited(N-rich)
Fixed growth TFixed atomic N flux
III/V ≈ 1
(a)
(b)
(c)
Przykładowe wykorzystanie MBE: wzrost planarny vs.nanodruty PAMBE GaN
E. Calleja, EuroMBE 2009, Zakopanezmieniając stosunek III/V zmieniamy mod wzrostu
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
Etch Module (ICP) for Clusterlab 600
Deposition Module(RF Magnetron Sputter)
for Clusterlab 600
Epitaxial Growth Module(MBE V60) for Clusterlab600
Nowe generacje maszyn MBE - clusters
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 EquipmentMulti 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 CurrentStatus”, Springer, 1996
2) ed. A. Cho ”Molecular Beam Epitaxy”, AIP, 1994
3) bardzo wiele artykułów przeglądowych autorstwa: T. Foxon; B.A. Joyce; i in.
Zbigniew R. Żytkiewicz
Epitaksja z wiązek molekularnych MBE
http://www.ifpan.edu.pl/msdifpan/doktorant-ON47.pdf
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!