分子線エピタキシー

分子線エピタキシー（MBE）は、単結晶の薄膜堆積のためのエピタキシー法である。MBEは、トランジスタを含む半導体デバイスの製造に広く使用されている。^{[1] MBEは、}マイクロ波周波数でダイオードやMOSFET（MOS電界効果トランジスタ）を製造したり、光ディスク（ CDやDVDなど）の読み取りに使用するレーザーを製造したりするために使用される。^[2]

歴史

MBE プロセスの元々のアイデアは、KG ギュンターによって最初に確立されました。^[3]彼が堆積した膜はエピタキシャルではなく、ガラス基板上に堆積されました。真空技術の発達により、ジョンデイビーとタイタスパンキーによって MBE プロセスが実証され、彼らはギュンターの方法を使用して単結晶GaAs 基板上に GaAs エピタキシャル膜を成長させることに成功しました。その後の MBE 膜の主要な開発は、JR アーサーによる成長メカニズムの運動学的挙動の研究と、 1960 年代後半のアルフレッド Y. チョーによる反射高速電子回折(RHEED)を使用した MBE プロセスのその場観察によって可能になりました。^[4]^[5]^[6]

方法

分子線エピタキシーは、高真空または超高真空(10 ⁻⁸ –10 ⁻¹² Torr ) で行われます。MBE プロセスの最も重要な側面は、膜がエピタキシャルに(既存の結晶の上に層状に) 成長できるようにする堆積速度(通常、1 時間あたり 3,000 nm 未満) です。これらの堆積速度では、他の堆積技術と同じ不純物レベルを達成するために、比例してより高い真空が必要です。キャリアガスが存在せず、超高真空環境であるため、成長した膜の純度は最高に達成可能です。

固体ソース MBE では、ガリウムやヒ素などの元素が超高純度の状態で、別々の準クヌーセン蒸発セルまたは電子ビーム蒸発器で加熱され、ゆっくりと昇華し始めます。次に、気体元素はウェハー上で凝縮し、そこで互いに反応します。ガリウムとヒ素の例では、単結晶のガリウムヒ素が形成されます。銅や金などの蒸発源を使用すると、表面に衝突した気体元素は吸着されるか(衝突した原子が表面を飛び回る時間ウィンドウの後)、反射されます。表面の原子が脱着することもあります。ソースの温度を制御すると、基板表面に衝突する材料の速度が制御され、基板の温度はホッピングまたは脱着の速度に影響します。「ビーム」という用語は、原子の平均自由行程が長いため、蒸発した原子がウェハに到達するまで互いに、または真空チャンバー内のガスと相互作用しないことを意味します。

動作中、反射高速電子回折（RHEED）は結晶層の成長をモニターするためによく使用されます。コンピューターが各炉の前にあるシャッターを制御し、原子の単層に至るまで各層の厚さを正確に制御できます。この方法で、異なる材料の層の複雑な構造を製造できます。このような制御により、電子を空間に閉じ込めることができる構造が開発され、量子井戸や量子ドットが得られます。このような層は現在、半導体レーザーや発光ダイオードなど、多くの最新の半導体デバイスの重要な部分になっています。

基板を冷却する必要があるシステムでは、クライオポンプとクライオパネルのシステムによって成長チャンバー内の超高真空環境が維持され、液体窒素または冷たい窒素ガスを使用して 77ケルビン(-196 ℃ )近くの温度に冷却されます。冷たい表面は真空中の不純物のシンクとして機能するため、このような条件下で膜を堆積するには真空レベルを数桁高くする必要があります。他のシステムでは、結晶が成長するウェーハが回転プラッターに取り付けられ、動作中に数百℃に加熱されることがあります。

分子線エピタキシー（MBE）は、ある種の有機半導体の堆積にも使用されます。この場合、原子ではなく分子が蒸発してウェハ上に堆積されます。その他のバリエーションには、化学蒸着法に似たガスソースMBEがあります。

MBE システムは必要に応じて変更することもできます。たとえば、酸素源を組み込むことで、高度な電子、磁気、光学アプリケーション用の酸化物材料を堆積できます。この場合、酸化剤の分子ビームを使用して、多成分酸化物の目的の酸化状態を実現します。

量子ナノ構造

分子線エピタキシーの成果の1つは、原子レベルで平坦で急峻なヘテロ界面の形成を可能にするナノ構造です。最近では、ナノワイヤとその中に構築された量子構造の構築により、情報処理が可能になり、量子通信とコンピューティング用のオンチップアプリケーションとの統合が可能になります。^[8]これらのヘテロ構造ナノワイヤレーザーは、高度なMBE技術を使用してのみ構築可能であり、シリコン上のモノリシック統合^[9]とピコ秒信号処理を可能にします。^[10]

アサロ・ティラー・グリンフェルド不安定性

アサロ・ティラー・グリンフェルド (ATG) 不安定性は、グリンフェルド不安定性とも呼ばれ、分子線エピタキシー中によく発生する弾性不安定性です。成長するフィルムと支持結晶の格子サイズに不一致がある場合、成長するフィルムに弾性エネルギーが蓄積されます。ある臨界高さで、フィルムが孤立した島に分かれて張力が横方向に緩和されると、フィルムの自由エネルギーを下げることができます。臨界高さは、ヤング率、不一致サイズ、および表面張力に依存します。

この不安定性の応用として、量子ドットの自己組織化などが研究されています。一部のコミュニティでは、 ATG を Stranski-Krastanov 成長と呼んでいます。

参照

人々

技術トピック

注記

^ McCray, WP (2007). 「MBE は歴史に名を残すに値する」. Nature Nanotechnology . 2 (5): 259–261. Bibcode :2007NatNa...2..259M. doi :10.1038/nnano.2007.121. PMID 18654274. S2CID 205442147.
^ 「アルフレッド・Y・チョー」全米発明家の殿堂。 2019年8月17日閲覧。
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^ Davey, John E.; Pankey, Titus (1968). 「真空蒸着法によるエピタキシャル GaAs 膜の堆積」J. Appl. Phys . 39 (4): 1941–1948. Bibcode :1968JAP....39.1941D. doi :10.1063/1.1656467.
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^ グォチン・ワン;ルー・トーミン (2013)。RHEED の透過モードと極点図。土井：10.1007/978-1-4614-9287-0。ISBN 978-1-4614-9286-3。
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^ Mayer, B.; Janker, L.; Loitsch, B.; Treu, J.; Kostenbader, T.; Lichtmannecker, S.; Reichert, T.; Morkötter, S.; Kaniber, M.; Abstreiter, G.; Gies, C.; Koblmüller, G.; Finley, JJ (2016). 「シリコン上にモノリシックに統合された高βナノワイヤレーザー」. Nano Letters . 16 (1): 152–156. Bibcode :2016NanoL..16..152M. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03404. PMID 26618638.
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参考文献

Jaeger, Richard C. (2002)。「フィルム堆積」。マイクロエレクトロニクス製造入門(第 2 版)。アッパーサドルリバー: Prentice Hall。ISBN 978-0-201-44494-0。
McCray, WP (2007). 「MBE は歴史に名を残す価値がある」. Nature Nanotechnology . 2 (5): 259–261. Bibcode :2007NatNa...2..259M. doi :10.1038/nnano.2007.121. PMID 18654274. S2CID 205442147.
Shchukin, Vitaliy A.; Dieter Bimberg (1999). 「結晶表面におけるナノ構造の自発的秩序」. Reviews of Modern Physics . 71 (4): 1125–1171. Bibcode :1999RvMP...71.1125S. doi :10.1103/RevModPhys.71.1125.
Stangl, J.; V. Holý; G. Bauer (2004). 「自己組織化半導体ナノ構造の構造特性」(PDF) . Reviews of Modern Physics . 76 (3): 725–783. Bibcode :2004RvMP...76..725S. doi :10.1103/RevModPhys.76.725.

さらに読む

フリゲリ、P.セラヴァリ、L.トレビシ、G.フランキ、S. (2011)。「3.12: 分子線エピタキシー: 概要」。パラブ・バタチャリヤにて。ロベルト・フォルナリ;上村洋（編）総合的な半導体科学技術。 Vol. 3. アムステルダム：エルゼビア。 480–522ページ。土井：10.1016/B978-0-44-453153-7.00099-7。ISBN 978-0-444-53153-7。

外部リンク

分子線エピタキシー法によるシリコンおよびゲルマニウムナノワイヤ
テキサス大学 MBE グループ (MBE 成長の入門)
薄膜物理学：分子線エピタキシー（授業ノート）
CrystalXE: エピタキシーに特化したソフトウェア

[1] McCray, WP (2007). 「MBE は歴史に名を残すに値する」. Nature Nanotechnology . 2 (5): 259–261. Bibcode :2007NatNa...2..259M. doi :10.1038/nnano.2007.121. PMID 18654274. S2CID 205442147.

[2] 「アルフレッド・Y・チョー」全米発明家の殿堂。 2019年8月17日閲覧。

[3] ギュンター、KG (1958-12-01)。「Aufdampfschidhten aus halbleitenden III-V-Verbindungen」。Zeitschrift für Naturforschung A。13 (12): 1081–1089。ビブコード:1958ZNatA..13.1081G。土井: 10.1515/zna-1958-1210。ISSN 1865-7109。S2CID 97543040。

[4] Davey, John E.; Pankey, Titus (1968). 「真空蒸着法によるエピタキシャル GaAs 膜の堆積」J. Appl. Phys . 39 (4): 1941–1948. Bibcode :1968JAP....39.1941D. doi :10.1063/1.1656467.

[5] チョー、AY;アーサー・JR・ジュニア（1975年）。「分子線エピタキシー」。プログレ。固体化学。10：157–192。土井：10.1016/0079-6786(75)90005-9。

[6] グォチン・ワン;ルー・トーミン (2013)。RHEED の透過モードと極点図。土井：10.1007/978-1-4614-9287-0。ISBN 978-1-4614-9286-3。

[7] Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I.; Milun, M.; Pervan, P.; Lazić, P.; Šokčević, D.; Brako, R. (2005-12-16). 「Pd(111) 上のサブナノメートル厚 Ag 膜の構造および電子特性に関する実験的および ab initio 研究」. Physical Review B . 72 (23): 235418. Bibcode :2005PhRvB..72w5418T. doi :10.1103/PhysRevB.72.235418.

[8] マタ、マリア・デ・ラ;周、翔。フルトマイヤー、フロリアン。トイベルト、ヨルク。グラデチャク、シルヴィヤ;アイコフ、マーティン。Fontcuberta i Morral, アンナ;アルビオル、ジョルディ (2013)。「MBE で成長させたナノワイヤ内の 0D、1D、および 2D 量子構造のレビュー」。材料化学ジャーナル C。1 (28): 4300。ビブコード:2013JMCC....1.4300D。土井：10.1039/C3TC30556B。

[9] Mayer, B.; Janker, L.; Loitsch, B.; Treu, J.; Kostenbader, T.; Lichtmannecker, S.; Reichert, T.; Morkötter, S.; Kaniber, M.; Abstreiter, G.; Gies, C.; Koblmüller, G.; Finley, JJ (2016). 「シリコン上にモノリシックに統合された高βナノワイヤレーザー」. Nano Letters . 16 (1): 152–156. Bibcode :2016NanoL..16..152M. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03404. PMID 26618638.

[10] Mayer, B., et al. 「半導体ナノワイヤレーザーによって生成されたピコ秒パルスペアの長期相互位相ロック」Nature Communications 8 (2017): 15521。