Epitaxie cu fascicul molecular

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Schema unui sistem MBE.

Epitaxia cu fascicul molecular L (MBE, Molecular Beam Epitaxy English) este o tehnică epitaxială care permite creșterea straturilor subțiri de materiale cristaline . MBE este utilizat pe scară largă la fabricarea dispozitivelor semiconductoare , inclusiv tranzistoare , și este considerat un instrument fundamental în dezvoltarea nanotehnologiilor [1] . MBE este utilizat pentru fabricarea diodelor și MOSFET-urilor care funcționează la frecvențe cu microunde și la fabricarea laserelor utilizate pentru citirea discurilor optice (cum ar fi CD-urile și DVD-urile [2] ).

fundal

Ideea originală a procesului MBE datează din 1958 de Günther [3] , în acest caz filmele depuse nu erau epitaxiale, ci crescute pe un suport de sticlă. Primele filme epitaxiale adevărate sunt obținute zece ani mai târziu odată cu dezvoltarea tehnologiilor de film GaAs în vid crescute pe un singur cristal de GaAs [4] , dar metoda utilizată a fost cea a lui Günther. O îmbunătățire importantă a tehnologiei a fost posibilitatea de a controla cinetica de creștere in situ prin RHEED (o tehnică care exploatează reflexia unui fascicul de electroni incident la unghiuri mici pentru a caracteriza suprafața) [5] [6] .

Descriere

MBE se efectuează în vid ridicat sau ultra vid înalt (10 −6 –10 −10 Pa ). Cel mai important aspect al MBE este rata de depunere (de obicei mai mică de 3000 nm pe oră) care permite filmului să crească epitaxial . În consecință, pentru a preveni contaminarea gazelor reziduale cu filmul care trebuie cultivat, vidul trebuie menținut la niveluri ridicate, astfel încât vidul ridicat este o condiție esențială pentru ca filmele să nu fie contaminate cu gaze reziduale.

Elementele și compușii care trebuie utilizați pentru creșterea cristalului sunt conținuți în camere ermetice care se confruntă cu reactorul prin obloane. Compoziția cristalului rezultat depinde de densitatea fluxului.

În MBE-uri cu surse solide pentru elemente precum galiu și arsenic , se utilizează celule Knudsen (elemente încălzite cu temperatură controlată) sau pistoane electronice, aceste surse permit controlul precis al procesului de sublimare . Elementele gazoase se condensează pe napolitană unde pot reacționa între ele. În exemplul de galiu și arsenic, se formează un singur cristal de arsenidă de galiu . Atunci când elemente precum aurul sau cuprul sunt evaporate, acestea ajung în formă gazoasă lovind suprafața substratului și pot fi adsorbite (după o fereastră de timp în care atomii care lovesc sare pe suprafață) sau reflectate. Atomii de la suprafață pot fi, de asemenea, desorbiți (opusul adsorbției). Controlul temperaturii sursei determină cât de repede afectează materialul suprafața substratului și temperatura substratului afectează mobilitatea în timpul adsorbției sau desorbției. Datorită vidului foarte împins, calea liberă medie a atomilor este cu o magnitudine de multe ordine mai mare decât dimensiunea camerei de vid și, prin urmare, nu interacționează între ele și, prin urmare, se comportă ca un fascicul (fascicul în limba engleză de la care numele tehnicii ).

Tehnica difracției electronice cu energie ridicată (RHEED) este adesea utilizată pentru a controla creșterea straturilor cristaline. De obicei, obloanele din fața fiecărei surse, controlate de un software adecvat, permit controlul precis al grosimii fiecărui strat individual la nivel atomic. Structuri din diferite materiale, chiar și foarte complexe, pot fi fabricate cu această tehnică. Acest control al creșterii permite dezvoltarea de structuri în care electronii sunt limitați în spațiu, de exemplu, necesari pentru puțuri cuantice sau puncte cuantice . Un astfel de control precis al stratului este necesar pentru fabricarea multor dispozitive semiconductoare, cum ar fi laserele cu cascadă cuantice .

O caracteristică importantă a tehnicii este că funcționează în condiții de neechilibru termodinamic , ceea ce permite creșterea aliajelor de materiale nemiscibile în faza lichidă sau gazoasă, lărgind astfel posibilitățile de construire a materialelor artificiale. Din punct de vedere termodinamic, creșterea peliculei subțiri pe substrat este reglată de echilibrul energetic dintre energia de suprafață și tensiunea superficială , dacă de exemplu consider o picătură de lichid pe un substrat solid în echilibru cu vaporii săi atunci pentru a descrie creșterea trebuie să iau în considerare și unghiul de contact .

Există sisteme în care substraturile sunt răcite la temperatura de azot lichid aproximativ -196 ° C (77 K). În acest caz, deoarece suprafețele reci sunt capcane pentru gazele reziduale din sistemul de vid, este în general necesar să existe niveluri de vid cu multe ordine de mărime mai mari decât în ​​sistemele de temperatură a camerei. Există, de asemenea, sisteme în care suporturile sunt încălzite la câteva sute de grade Celsius, în care suportul trebuie să asigure izolarea termică necesară.

MBE este, de asemenea, utilizat pentru depunerea semiconductoarelor organice . În acest caz, moleculele, mai degrabă decât atomii, sunt evaporate și depuse pe substrat. Există MBE cu celule ermetice de gaz, în acest caz tehnica seamănă cu depunerea chimică a vaporilor .

Sistemele MBE sunt modificate pe baza surselor. Oxigenul este, de asemenea, utilizat pentru a depune oxizi pentru aplicații speciale în electronică, magnetism și optică, precum și în cercetarea de bază.

Nanostructuri cuantice

Una dintre cele mai importante realizări obținute prin intermediul epitaxiei cu fascicul molecular sunt nanostructurile care permit formarea suprafețelor plane la nivel atomic și cu o interfață clară între diferite materiale. Astfel de structuri au avut o mare importanță în înțelegerea fizicii și electronicii [7] . Mai recent, fabricarea nanofirelor și a structurilor cuantice integrate pe cipuri a permis comunicarea cuantică [8] . Laserele nanofire integrate monolitic pe siliciu sunt fabricate de MBE [9] și astfel de structuri permit manipularea semnalelor la nivelul picosecundei [10] .

Asaro - Tiller - Instabilitate Grinfeld

Asaro - Tiller - Instabilitatea Grinfeld este o instabilitate elastică întâlnită adesea în timpul epitaxiei cu fascicul molecular. Dacă există o nepotrivire între rețeaua filmului care urmează să fie cultivat și materialul substrat, o anumită energie elastică se acumulează pe filmul crescut. La o înălțime critică, energia liberă a filmului poate scădea dacă filmul se sparge în insule, unde tensiunea este relaxată lateral. Înălțimea critică depinde de modulul lui Young , de diferența dintre rețelele de cristal și tensiunea superficială.

Unele aplicații ale acestei instabilități sunt studiate, cum ar fi punctele cuantice auto-asamblate.

Notă

  1. ^ WP McCray, MBE Merită un loc în cărțile de istorie , în Nature Nanotechnology , vol. 2, 2007, pp. 259–261, Bibcode : 2007NatNa ... 2..259M , DOI : 10.1038 / nnano.2007.121 , PMID 18654274 .
  2. ^ Alfred Y. Cho , la National Inventors Hall of Fame .
  3. ^ KG Günther, Aufdampfschidhten aus halbleitenden III-V-Verbindungen , în Zeitschrift für Naturforschung A , vol. 13, 1958, pp. 1081-1089, DOI : 10.1515 / zna-1958-1210 , ISSN 1865-7109 ( WC ACNP ) .
  4. ^ JE Davey și T. Pankey, filme epitaxiale GaAs depuse prin evaporare în vid , în J. Appl. Fizic. , vol. 39, 1968, pp. 1941–1948.
  5. ^ AY Cho, JR Arthur și Jr., Epitaxia cu fascicul molecular , în Prog. Chimie solidă. , vol. 10, 1975, pp. 157–192, DOI : 10.1016 / 0079-6786 (75) 90005-9 .
  6. ^ Gwo-Ching Wang și Toh-Ming Lu, RHEED Transmission Mode and Pole Figures , 2013, DOI : 10.1007 / 978-1-4614-9287-0 , ISBN 978-1-4614-9286-3 .
  7. ^ H. Sakaki, Prospects of advanced quantic nano-structures and roles of molecular molecular epitaxy , in International Conference on Molecular Bean Epitaxy , 2002, p. 5, DOI : 10.1109 / MBE.2002.1037732 , ISBN 978-0-7803-7581-9 .
  8. ^ Maria de la Mata, Xiang Zhou, Florian Furtmayr, Jörg Teubert, Silvija Gradečak, Martin Eickhoff, Anna Fontcuberta i Morral și Jordi Arbiol, O recenzie a structurilor cuantice MBE crescute 0D, 1D și 2D într-un nanofil , în Journal of Materials Chemistry C , vol. 1, 2013, p. 4300, bibcode : 2013JMCC .... 1.4300D , DOI : 10.1039 / C3TC30556B .
  9. ^ B. Mayer și colab., Lasere de nanofire de înaltă β monolitic integrate pe siliciu , în Nano Letters , vol. 16, 2016, pp. 152–156, Bibcode : 2016NanoL..16..152M , DOI : 10.1021 / acs.nanolett.5b03404 , PMID 26618638 .
  10. ^ Mayer, B., și colab. „Blocare pe fază reciprocă pe termen lung a perechilor de impulsuri picosecunde generate de un laser cu semiconductor nanofir” . Nature Communications 8 (2017): 15521

Elemente conexe

Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Hepitassia_from_molecular_beams&oldid=121776771 ”