Epitaxie par faisceaux moléculaires - Molecular-beam epitaxy

Un croquis simple montrant les principaux composants et la disposition et le concept approximatifs de la chambre principale dans un système d'épitaxie par faisceau moléculaire

L'épitaxie par faisceau moléculaire ( MBE ) est une méthode d' épitaxie pour le dépôt de couches minces de monocristaux . Le MBE est largement utilisé dans la fabrication de dispositifs semi - conducteurs , dont les transistors , et il est considéré comme l'un des outils fondamentaux pour le développement des nanotechnologies . Le MBE est utilisé pour fabriquer des diodes et des MOSFET ( transistors à effet de champ MOS ) aux fréquences micro- ondes, et pour fabriquer les lasers utilisés pour lire les disques optiques (tels que les CD et les DVD ).

Histoire

Les idées originales du processus MBE ont d'abord été établies par Günther. Les films qu'il a déposés n'étaient pas épitaxiés, mais ont été déposés sur des substrats de verre. Avec le développement de la technologie du vide, le procédé MBE a été démontré par Davey et Pankey qui ont réussi à faire croître des films épitaxiaux de GaAs sur des substrats de GaAs monocristallins en utilisant la méthode de Günther. Développement ultérieur majeur de films MBE a été permis par JR Arthur enquêtes de comportement cinétique des mécanismes de croissance et Alfred Y. Cho « s in situ l' observation du processus MBE utilisant RHEED dans les années 1960.

Méthode

L'épitaxie par faisceaux moléculaires s'effectue sous vide poussé ou ultravide (10 -8 –10 -12  Torr ). L'aspect le plus important du MBE est la vitesse de dépôt (généralement inférieure à 3 000 nm par heure) qui permet aux films de croître par épitaxie . Ces taux de dépôt nécessitent un vide proportionnellement meilleur pour atteindre les mêmes niveaux d' impuretés que les autres techniques de dépôt. L'absence de gaz vecteurs, ainsi que l'environnement à ultra-vide, permettent d'obtenir la pureté la plus élevée possible des films développés.

Îles d'argent d'un atome d'épaisseur déposées sur la surface (111) du palladium par évaporation thermique. Le substrat, même s'il a reçu un poli miroir et un recuit sous vide, apparaît comme une série de terrasses. L'étalonnage de la couverture a été réalisé en suivant le temps nécessaire pour réaliser une monocouche complète à l'aide de la microscopie à effet tunnel (STM) et de l'émergence d' états de puits quantiques caractéristiques de l'épaisseur du film d'argent en spectroscopie de photoémission (ARPES). La taille de l'image est de 250 nm sur 250 nm.

Dans le MBE de source solide, des éléments tels que le gallium et l' arsenic , sous forme ultra-pure, sont chauffés dans des cellules d'effusion quasi- Knudsen séparées ou des évaporateurs à faisceau d'électrons jusqu'à ce qu'ils commencent à se sublimer lentement . Les éléments gazeux se condensent alors sur la plaquette, où ils peuvent réagir entre eux. Dans l'exemple du gallium et de l'arsenic, il se forme de l'arséniure de gallium monocristallin . Lorsque des sources d'évaporation telles que le cuivre ou l'or sont utilisées, les éléments gazeux qui se heurtent à la surface peuvent être adsorbés (après une fenêtre de temps où les atomes entrants sauteront autour de la surface) ou réfléchis. Les atomes à la surface peuvent également se désorber. Le contrôle de la température de la source contrôlera le taux de matériau frappant la surface du substrat et la température du substrat affectera le taux de saut ou de désorption. Le terme "faisceau" signifie que les atomes évaporés n'interagissent pas entre eux ou avec les gaz de la chambre à vide jusqu'à ce qu'ils atteignent la plaquette, en raison des longs parcours libres moyens des atomes.

Pendant le fonctionnement, la diffraction électronique à haute énergie par réflexion (RHEED) est souvent utilisée pour surveiller la croissance des couches cristallines. Un ordinateur contrôle des volets devant chaque four , permettant un contrôle précis de l'épaisseur de chaque couche, jusqu'à une seule couche d'atomes. Des structures complexes de couches de différents matériaux peuvent être fabriquées de cette manière. Un tel contrôle a permis le développement de structures où les électrons peuvent être confinés dans l'espace, donnant des puits quantiques ou même des boîtes quantiques . De telles couches sont désormais un élément essentiel de nombreux dispositifs à semi-conducteurs modernes , y compris les lasers à semi-conducteurs et les diodes électroluminescentes .

Dans les systèmes où le substrat doit être refroidi, l'environnement à ultra-vide à l'intérieur de la chambre de croissance est maintenu par un système de pompes cryogéniques et de panneaux cryogéniques, refroidis à l'aide d'azote liquide ou d'azote gazeux froid à une température proche de 77  kelvins (−196  degrés Celsius ). Les surfaces froides agissent comme un puits pour les impuretés dans le vide, de sorte que les niveaux de vide doivent être supérieurs de plusieurs ordres de grandeur pour déposer des films dans ces conditions. Dans d'autres systèmes, les plaquettes sur lesquelles les cristaux sont cultivés peuvent être montées sur un plateau rotatif, qui peut être chauffé à plusieurs centaines de degrés Celsius pendant le fonctionnement.

L'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) est également utilisée pour le dépôt de certains types de semi-conducteurs organiques . Dans ce cas, des molécules, plutôt que des atomes, sont évaporées et déposées sur la plaquette. D'autres variations incluent le MBE de source gazeuse , qui ressemble au dépôt chimique en phase vapeur .

Les systèmes MBE peuvent également être modifiés selon les besoins. Des sources d'oxygène, par exemple, peuvent être incorporées pour le dépôt de matériaux d'oxyde pour des applications électroniques, magnétiques et optiques avancées, ainsi que pour la recherche fondamentale.

Nanostructures quantiques

L'une des réalisations les plus accomplies de l'épitaxie par faisceau moléculaire est la nanostructure qui a permis la formation d'hétéro-interfaces atomiquement plates et abruptes. De telles structures ont joué un rôle sans précédent dans l'élargissement des connaissances en physique et en électronique. Plus récemment, la construction de nanofils et de structures quantiques construites en leur sein qui permettent le traitement de l'information et l'intégration possible avec des applications sur puce pour la communication et l'informatique quantiques. Ces lasers à nanofils à hétérostructure ne peuvent être construits qu'à l'aide de techniques MBE avancées, permettant une intégration monolithique sur le silicium et le traitement du signal picoseconde.

Instabilité Asaro-Tiller-Grinfeld

L'instabilité Asaro-Tiller-Grinfeld (ATG), également connue sous le nom d'instabilité de Grinfeld, est une instabilité élastique souvent rencontrée lors de l'épitaxie par faisceau moléculaire. S'il y a un décalage entre les tailles de réseau du film en croissance et du cristal de support, de l'énergie élastique sera accumulée dans le film en croissance. A une certaine hauteur critique, l'énergie libre du film peut être abaissée si le film se brise en îlots isolés, où la tension peut être relâchée latéralement. La hauteur critique dépend du module de Young , de la taille du décalage et de la tension superficielle.

Certaines applications de cette instabilité ont été recherchées, comme l' auto-assemblage de boîtes quantiques. Cette communauté utilise le nom de croissance Stranski-Krastanov pour ATG.

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

  • Frigeri, P.; Seravalli, L.; Trévise, G. ; Franchi, S. (2011). "3.12 : Epitaxie par faisceaux moléculaires : une vue d'ensemble". À Pallab Bhattacharya ; Roberto Fornari ; Hiroshi Kamimura (éd.). Science et technologie complètes des semi-conducteurs . 3 . Amsterdam : Elsevier. p. 480-522. doi : 10.1016/B978-0-44-453153-7.00099-7 . ISBN 9780444531537.

Liens externes