2 Epitaxie - Institut für Festkörperphysik

Seminar des Instituts für
Festkörperphysik
Technische Universität Berlin
Ausarbeitung zum Vortrag
Epitaxieverfahren
Alissa Wiengarten
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INHALTSVERZEICHNIS
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
4
2 Epitaxie
4
3 Schichtwachstum
6
4 Defekte
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5 Molekularstrahlepitaxie
5.1 Effusionszellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11
6 Metallorganische Gasphasenepitaxie
6.1 Ausgangsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Gassystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Schichtwachstum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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14
16
17
7 Vergleich der MBE und MOVPE
19
8 Zusammenfassung
20
INHALTSVERZEICHNIS
Abkürzungen
Abkürzung
Bedeutung
LED
MBE
UHV
MOVPE
MFC
PC
Light Emitting Diode (Leuchtdiode)
Molecular Beam Epitaxy (Molekularstrahlepitaxie)
Ultrahochvakuum
Metallorganische Gasphasenepitaxie
Massendurchflussregler (mass flow controller)
Druckregler (pressure controller)
3
4
1
2 EPITAXIE
Einleitung
Epitaktisch aufgewachsene Strukturen werden in vielen optoelektronischen Bauelementen, wie zum Beispiel in LEDs, Laserdioden und Solarzellen benötigt. Auch
für die Herstellung anderer Halbleiter-Heterostrukturen ist es wichtig, verschiedene Materialien mit einer großen Genauigkeit aufeinander aufzubringen. Heterostrukturen bestehen aus Schichten verschiedener Zusammensetzung, die teilweise eine Dicke von nur wenigen Nanometern besitzen. Für das Funktionieren
und die Effizienz der Bauelemente ist es von großer Bedeutung, dass diese Schichten sehr präzise hergestellt werden.
Im Folgenden werden zwei wichtige Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten beschrieben. Zunächst wird dazu erläutert, was Epitaxie ist und wie Schichten
im Allgemeinen aufwachsen. Anschließend werden die Verfahren der Molekularstrahlepitaxie und der Metallorganischen Gasphasenepitaxie erklärt.
2
Epitaxie
Das Wort Epitaxie bedeutet auf etwas anordnen“(griech.). In der Festkörperphy”
sik bedeutet das, dass Atome auf einer Oberfläche, dem sogenannten Substrat,
angeordnet werden und zwar so, dass eine Kristallstruktur entsteht. Das Substrat
besitzt eine bestimmte Kristallstruktur und ist in den meisten Fällen einkristallin. Die Atome, die als Schicht auf das Substrat aufgebracht werden, ordnen sich
nach dieser Kristallstruktur. Dieser Vorgang ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Das Substrat ist hier zur Unterscheidung durch eine Linie von der Schicht
getrennt. In Abbildung 1(a) besteht die Schicht aus den gleichen Atomen wie das
Substrat. In diesem Fall spricht man von Homoepitaxie. Besteht die Schicht aus
einem anderen Material als das Substrat (Abbildung 1(b)), so wird das Schichtwachstum als Heteroepitaxie bezeichnet.
(a)
(b)
Abbildung 1: a) Homoepitaxie und b) Heteroepitaxie
5
Beispiele für Heteroepitaxie sind GaN auf Saphir (Al2 O3 ), was oft für LEDs
eingesetzt wird und AlGaAs auf GaAs. Das zweite Beispiel ist von großer Bedeutung, da die Gitterkonstanten der beiden Materialien sehr ähnlich sind. Ein
großes Problem bei der Heteroepitaxie besteht nämlich darin, dass die Gitterkonstanten von Schicht und Substrat sich unterscheiden, die Kristalle also nicht
aufeinander passen. Warum die Heteroepitaxie dennoch von großer Bedeutung
ist, wird anhand der folgenden Abbildung erläutert:
Abbildung 2: Auftragung der Bandlückenenergie und der Wellenlänge der emittierten Photonen über der Gitterkonstante für verschiedene Verbindungen
Die Bandlückenenergie bestimmt bei Halbleitern die Wellenlänge der emittierten Photonen, zum Beispiel von LEDs oder Lasern. In Abbildung 2 sind diese
Energie und die Wellenlänge über der Gitterkonstante für verschiedene Verbindungen aufgetragen. Die Verbindungen bestehen alle aus je einem Element der
III. und der V. Hauptgruppe, sie werden daher III-V-Verbindungen genannt.
Die Abbildung veranschaulicht, wie mit Hilfe des bandgap engineering“gezielt
”
die Bandlücke und damit die emittierte Wellenlänge verändert werden kann.
Dazu werden die Verbindungen zu Systemen mit drei oder mehr Bestandteilen zusammengesetzt. GaAs emittiert beispielsweise im Infraroten und AlAs im
Sichtbaren des elektromagnetischen Spektrums. Werden diese beiden Verbindun-
6
3 SCHICHTWACHSTUM
gen gemischt, so nimmt die Energie der Bandlücke je nach Zusammensetzung
einen anderen Wert an. Je größer der AlAs-Anteil ist desto mehr verschiebt sich
die emittierte Wellenlänge in den sichtbaren Bereich. Die Verbindungslinien in
Abbildung 2 zeigen die Möglichleiten der Materialkombinationen. Somit können
LEDs und Laser für einen großen Wellenlängenbereich hergestellt werden.
In Abbildung 2 werden zwei Gitterstrukturen, Wurtzit und Zinkblende, unterschieden. Es werden meistens nur Verbindungen der gleichen Gitterstruktur kombiniert.
Durch die Heteroepitaxie lassen sich auch andere Eigenschaften der Kristalle, wie
zum Beispiel die Dotierung, die elektrischen Eigenschaften oder die mechanische
Stabilität beeinflussen.
Da die in Abbildung 2 dargestellten Materialien III-V-Verbindungen sind und
diese sehr bedeutsam in der Herstellung von optoelektronischen Bauelementen
sind, wird im Folgenden das Schichtwachstum und die Herstellung dieser Verbindungen betrachtet.
3
Schichtwachstum
Abbildung 3 zeigt, welche Prozesse auf der Oberfläche eines Substrates stattfinden, wenn eine Schicht aufgebracht wird.
Abbildung 3: Prozesse auf der Oberfläche eines Substrates
Die Atome, welche aufgebracht werden sollen, gelangen zur Oberfläche und
können sich dort anlagern. Außerdem können sich Atome von der Oberfläche
lösen (Desorption). Auf der Oberfläche diffundieren die Teilchen, wobei die Beweglichkeit mit der thermischen Energie, also mit der Temperatur, zunimmt. Der
Einbau in das Substrat kann zum Beispiel durch Anlagerung an Kristallfehlern
des Substrates oder an Stufen in der Oberfläche geschehen. Es können sich auch
Inseln des Schichtmaterials auf der Oberfläche bilden.
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Es werden mehrere Wachstumsmodi von Schichten auf Substraten unterschieden. Drei Wachstumsmodi sind in Abbildung 4 dargestellt. Beim Volmer-WeberWachstum ist die Bindungsenergie zwischen den Schichtatomen größer als zu
den Atomen des Substrates. Daher bilden sich dreidimensionale Inseln auf der
Oberfläche. Ist die Bindungsenergie der Schichtatome zum Substrat größer als
untereinander, so bilden sich Monolagen aus (Frank-van-der-Merve-Wachstum).
Erst wenn die Oberfläche komplett mit einer Monolage des Schichtmaterials bedeckt ist, bildet sich die nächste Monolage. Das Stranski-Krastanov-Wachstum
ist eine Mischform der ersten beiden. Dabei bilden sich zuerst eine oder mehrere
Monolagen und danach wächst die Schicht in Inseln weiter. Zunächst ist es also
energetisch günstiger, wenn die Schicht in Monolagen aufwächst und ab einer bestimmten Schichtdicke ist die Bindungsenergie der Schichtatome untereinander
größer, so dass sich Inseln bilden.
Abbildung 4: Drei verschiedene Wachstumsmodi dünner Schichten
Zwei weitere Wachstumsmodi sind in Abbildung 5 dargestellt. Beim Stufenwachstum lagern sich die ankommenden Teilchen an Stufen in der Oberfläche an.
In Abbildung 6 sind zwei Richtungen von Stufen zu erkennen (rote Pfeile). Beim
zweidimensionalen Inselwachstum bilden sich Inseln auf den Stufen (weiße Pfeile). Die Diffusion auf der Oberfläche ist dabei geringer, daher können die Teilchen
nicht immer die Stufen erreichen, sondern bilden Inseln auf den Stufen.
8
4 DEFEKTE
Abbildung 5: Zwei weitere Wachstumsmodi
dünner Schichten
Abbildung 6: Schichtwachstum von Silizium auf Silizium (Stufenwachstum und 2DInselwachstum)
Bei der Heteroepitaxie werden oft Materialien mit unterschiedlichen Gitterkonstanten aufeinander aufgewachsen. Dadurch kommt es zu Verspannungen in
der Schicht. Ist die Gitterkonstante der Schicht kleiner als die vom Substrat, so
ist die Schicht tensil verspannt. Wenn die Gitterkonstante der Schicht größer als
die vom Substrat ist, so ist die Schicht kompressiv verspannt. Diese Verspannungen in den Schichten können durch Defekte in der Kristallstruktur ausgeglichen
werden. Im nächsten Kapitel wird näher auf Defekte eingegangen.
4
Defekte
Defekte sind Fehler in der Kristallstruktur. Sie treten in jedem Kristall auf
und können nicht vollständig vermieden werden. Allgemein werden 0- bis 3dimensionale Defekte unterschieden (siehe Abbildung 7). 0-dimenionale Defekte
sind Punktdefekte, also zum Beispiel Fremdatome, das Fehlen eines Atoms an
einem Gitterplatz oder der Einbau eines zusätzlichen Atoms zwischen die Gitterplätze. Versetzungen sind 1-dimensionale Defekte. Dabei enden beispielsweise
Kristallebenen im Kristall oder zwei Ebenen sind gegeneinander verschoben. 2dimensionale Defekte sind Flächendefekte aus Fremdatomen oder Atomen in einer
anderen Kristallstruktur. Für die Volumendefekte gilt das gleiche in 3 Dimensionen.
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Abbildung 7: Beispiele von Defekten
Abbildung 8 zeigt, wie bei der Heteroepitaxie die in den Schichten auftretenden Spannungen ausgeglichen werden können:
Abbildung 8: Misfit-Versetzungen bei unterschiedlichen Gitterkonstanten
Hier ist die Gitterkonstante der Schicht größer als die vom Substrat. Damit die
Schicht die eigene Gitterkonstante beibahlten kann und somit unverspannt ist,
bilden sich an der Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat sogenannte misfitVersetzungen. Einige Kristallebenen des Substrates enden an der Grenzfläche, da
nicht jedes Atom des Substrates eine Bindung mit einem Schichtatom eingeht.
Misfit-Versetzungen sind eine der Hauptursachen für Versetzungsbildung in dünnen
Schichten. Oft sind jedoch geringe Defektdichten für Bauelemente erwünscht. Das
folgende Beispiel zeigt, warum beim Wachstum dünner Schichten möglichst geringe Defektdichten angestrebt werden und welchen Einfluss Defekte auf die Ei-
10
4 DEFEKTE
genschaften von Bauelementen haben.
Es wird ein Substrat bestehend aus 70% Silizium und 30% Germanium (Si0,7 Ge0,3 )
betrachtet. Wird nun eine Schicht mit einer anderen Zusammensetzung, einem
größeren oder kleineren Anteil von Germanium, aufgebracht, so entstehen Verspannungen in der Schicht aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten. Diese Verspannungen führen dazu, dass sich die Energieniveaus der Leitungs- und
Valenzbänder verändern. Die Änderungen der Energieniveaus sind in Abbildung
9 dargestellt.
Abbildung 9: Änderung der Energieniveaus in einer SiGe-Schicht verschiedener
Zusammensetzung
Auf der x-Achse in Abbildung 9 sind verschiedene Mischungsverhältnisse von
Silizium und Germanium aufgetragen. In der Mitte ist die Schicht nicht verspannt,
da homoepitaktisch aufgewachsen wird. Auf der y-Achse sind die Energieniveaus
angegeben. Die unteren beiden Bänder sind zwei Valenzbänder und die oberen
beiden zwei Leitungsbänder. Mit der Zusammensetzung der Schicht ändern sich
die Energieniveaus der Bänder.
Die Verspannungen können zum Beispiel durch misfit-Versetzungen ausgeglichen
werden. Wenn die Verspannungen abgebaut sind, kann im Bereich darüber eine
Schicht mit wenigen Defekten gewachsen werden.
Dieses Beispiel zeigt, dass es von großer Bedeutung ist, die Entstehung und das
Verhalten von Defekten zu kennen und gezielt auszunutzen.
11
5
Molekularstrahlepitaxie
Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung
von epitaktischen Schichten. Das Prinzip dieses Verfahrens ist in Abbildung 10
dargestellt. Die aufzubringenden Materialien werden in Effusionszellen erhitzt
und verdampft. Die Zellen besitzen Öffnungen, durch welche der Strahl aus Atomen oder Molekülen auf das Substrat gerichtet wird. Der gesamte Aufbau befindet
sich im Ultrahochvakuum (UHV). Daher treffen die Atom- und Molekülstrahlen
aus den Effusionszellen auf dem Substrat auf und bilden dort eine epitaktische
Schicht. Da es mehrere Effusionszellen gibt, können Systeme mit mehreren Bestandteilen hergestellt werden.
Abbildung 10: Prinzip der Molekularstrahlepitaxie
5.1
Effusionszellen
In den Effusionszellen werden die einzelnen Materialien, aus denen die Schicht
bestehen soll, durch Heizen der Zellen verdampft. Daher ist es sehr wichtig, dass
das Material, aus dem die Zellen bestehen, auch noch bei sehr hohen Temperaturen (bis zu 1400°C) chemisch stabil ist und nicht verdampft. Oft wird dafür
Bornitrid eingesetzt. Außerdem sollten die Materialien, die sich in den Effusionszellen befinden sehr rein sein, um Fremdatome in der aufzubringenden Schicht zu
vermeiden.
Der Fluss der Atome wird durch Öffnen und Schließen eines Shutters, ein Tor
vor der Öffnung der Zelle, geregelt. Die Schließzeit des Shutters beträgt ca. 0,1s.
Da die Wachstumsraten bei der MBE im Bereich von einer Monolage in 1 bis 5
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5 MOLEKULARSTRAHLEPITAXIE
Sekunden liegt, kann bei der kleinen Schließzeit der Shutter für jede Monolage
eingestellt werden, welche Materialien auf die Schicht aufgebracht werden.
Die Verdampfungsrate eines Materials in einer Effusionszelle wird durch folgende
Gleichung beschrieben:
s
NA
dN
= aV (pG − p)
Adt
2πM kB T
(1)
ist die Verdampfungsrate pro Zeit und Flächenelement A. aV ist der Verdampfungskoeffizient und gibt an, welcher Anteil der theoretisch möglichen Menge verdampft, pG ist der Gleichgewichtsdampfdruck, von dem der hydrostatische Druck
p der Gasphase abgezogen wird, da es einen gewissen Rückfluss an Material gibt.
NA ist die Avogadrokonstante, M das Atomgewicht, kB die Boltzmannkonstante
und T die Temperatur.
Beim Bau der Effusionszellen muss beachtet werden, wie die Winkelverteilung
der Abstrahlung der Zelle ist. Abbildung 11 zeigt beispielhaft die Form einer
Effusionszelle und die Abstrahlcharakteristik. Für verschiedene Verhältnisse der
Länge und des Durchmessers kann die Abstrahlung besser fokussiert werden.
Die in Abbildung 11 gezeigte Form der Effusionszelle ist nur ein Beispiel, es gibt
viele verschiedene Formen der Zellen mit unterschiedlicher Winkelverteilung der
Abstrahlung.
Um einen gleichmäßigen Fluss der Atome oder Moleküle aus den Effusionszellen
zu gewährleisten, muss die Temperatur der Zellen sehr genau kontrolliert werden.
Bei einer Temperatur von 1000°C sollte die Temperaturstabilität bei ±1°C liegen.
dN
Adt
5.1 Effusionszellen
13
Abbildung 11: Winkelverteilung der Abstrahlung einer Effusionszelle
Trotzdem ist der Fluss der Atome nicht immer stabil. Wie in Abbildung 11 zu
erkennen ist, ändert sich die Winkelverteilung der Abstrahlung, wenn die Effusionszelle leerer wird. Der Fluss der Atome kann also nicht ganz konstant gehalten
werden, was zu einer unregelmäßigen Wachstumsrate führt.
Wie in Abbildung 10 dargestellt, wird das Substrat beheizt, um eine größere
Oberflächendiffusion zu ermöglichen. Ein Vorteil der MBE (gegenüber der MOVPE, siehe Kapitel 6) ist, dass diese Temperatur unabhängig von der Temperatur
in den Effusionszellen einstellbar ist, was das Aufwachsen bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der MBE ist, dass fast alle Materialien in
den Effusionszellen verdampft werden können. Ein Nachteil der MBE ist jedoch,
dass die Größe der Proben auf ca. 10cm im Durchmesser begrenzt ist. Die Atom/Molekülstrahlen aus den Effusionszellen können nämlich nicht gleichmäßig auf
eine größere Fläche gerichtet werden.
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6
6 METALLORGANISCHE GASPHASENEPITAXIE
Metallorganische Gasphasenepitaxie
Die Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, MOCVD) ist ein Epitaxieverfahren, was auf einer chemischen Reaktion auf der Oberfläche basiert.
In Abbildung 12 ist der prinzipielle Aufbau einer MOVPE-Anlage dargestellt.
Abbildung 12: Prinzipieller Aufbau einer MOVPE-Anlage
Die Ausgangsstoffe (auch Precursor) werden zunächst durch die Bindung an
andere Elemente in die Gasphase gebracht und durch ein Gasmischsystem in die
Reaktionskammer geleitet. Erst am Eingang der Reaktionskammer werden die
verschiedenen Materialien miteinander gemischt. Das Substrat befindet sich auf
einem geheizten Suszeptor. Die Gase strömen über die Probe und durch eine
chemische Reaktion zersetzen sie sich wieder in ihre Bestandteile. Die Schichtmaterialien können nun epitaktisch auf dem Substrat aufwachsen. Die Restgase
werden aus der Reaktionskammer abgepumpt.
In den folgenden Abschnitten wird auf die einzelnen Schritte genauer eingegangen.
6.1
Ausgangsstoffe
Um die Schichtmaterialien in die Gasphase zu bringen, werden sie an andere Elemente gebunden. Hier werden die III-V-Verbindungen betrachtet, da diese die
meiste Verwendung besitzen.
6.1 Ausgangsstoffe
Abbildung 13: Bubblersystem
Abbildung 14: Hydrid N H3
15
An Elemente der Hauptgruppe V
werden häufig 3 Wasserstoffatome gebunden, so dass Hydride
entstehen (siehe Abbildung 14).
Die Elemente der III Hauptgruppe werden an organische Verbindungen, zum Beispiel (CH3 )3 gebunden (siehe Abbildung 15). Somit könnten beispielsweise AsH3
und Ga(CH3 )3 als Ausgangsstoffe dienen. Diese Verbindungen
sollten unter normalen Bedingungen (Raumtemperatur) stabil sein
und sich bei hohen Temperaturen wieder zersetzen, damit die
chemische Reaktion auf der Oberfläche des Substrates stattfinden
kann.
Die Ausgangsstoffe sind meist
flüssig und werden über sogenannte Bubbler (siehe Abbildung
13) in die Gasphase gebracht.
Dabei strömt ein Trägergas von
unten durch die Flüssigkeit. Die
aufsteigenden Gasbläschen nehmen die Ausgangsverbindungen
mit und bringen diese somit in
gasförmiger Phase in die Reaktionskammer.
Abbildung 15: Metallorganische Verbindung Ga(CH3 )3
16
6.2
6 METALLORGANISCHE GASPHASENEPITAXIE
Gassystem
Abbildung 16 zeigt den Aufbau einer MOVPE-Anlage mit den Gasleitungen zur
Reaktionskammer. Über verschiedene Ventile und Druckregler kann das Wachstum kontrolliert werden.
Abbildung 16: Aufbau einer MOVPE-Anlage mit Gassystem
Der Partialdruck pM O einer metallorganischen Ausgangsverbindung hängt folgendermaßen mit den Flüssen im System zusammen:
pM O =
Qin pV
ptot
Qtot pQ
(2)
wobei Qin der Eingangsfluss in die Quelle und Qtot der Gesamtfluss aus der Quelle
in den Reaktor sind. pV ist der Dampfdruck der Verbindung, pQ der Druck im
Bubbler und ptot der Druck im Reaktor. Es ist also wichtig die Partialdrücke der
Verbindungen und auch die anderen Drücke im System zu kontrollieren.
In den Leitungen, durch die die Ausgangsstoffe transportiert werden (siehe Abbildung 16), sind Massendurchflussregler (MFC - mass flow controller) angebracht.
Diese regeln welche Menge des Gases durch die Zuleitung strömt. Mit Hilfe von
Druckreglern (PC - pressure controller) können die Partialdrücke der Gase geregelt werden. Über Ventile gelangen die verschiedenen Gase in die Reaktionskammer, wo eine möglichst homogene Mischung der Gase stattfindet.
17
6.3 Schichtwachstum
Außerdem ist es wichtig die Temperatur in den Bubblern genau zu steuern, da der
Massenfluss und somit auch die Wachstumsrate von der Temperatur abhängen.
Für den Massenfluss Ji einer Komponente i gilt:
Ji =
Di
(pi − poi )
kT d
(3)
Di ist hier die Diffusionskonstante, d die Dicke der Diffusionsschicht, pi der Partialdruck in der Gasphase und poi der Partialdruck an der Oberfläche.
Die Wachstumsrate ist proportional zum Massenfluss.
6.3
Schichtwachstum
Abbildung 17 zeigt, welche Prozesse auf der Oberfläche des Substrates stattfinden.
Abbildung 17: Prozesse auf der Oberfläche des Substrates
Die Ausgangsverbindungen werden am Anfang der Reaktionskammer gemischt
und strömen dann in einem laminaren Fluss über das Substrat. Im oberen Bereich
kann es zur Gasphasenreaktion, also zur Zersetzung der Ausgangsstoffe, kommen,
was jedoch in diesem oberen Bereich nicht erwünscht ist.
Da das Substrat geheizt wird, existiert ein Temperaturgradient zwischen dem
oberen Bereich und dem Substrat im unteren Bereich. Daher kommt es zur Diffusion der einströmenden Moleküle in Richtung des Substrates. Auf der Oberfläche
können sich die Moleküle anlagern und aufgrund der hohen Temperaturen kommt
18
6 METALLORGANISCHE GASPHASENEPITAXIE
es zur Zersetzung der Ausgangsverbindungen. Die chemische Reaktion sieht für
GaAs folgendermaßen aus:
Ga(CH3 )3 + AsH3 → GaAs + organischeV erbindungen
Die Elemente der III und V Hauptgruppe diffundieren auf der Oberfläche und
werden in die Kristallstruktur eingebaut (siehe auch Kapitel 3). Die restlichen
Reaktionsprodukte lösen sich wieder von der Oberfläche und werden mit dem
Gasstrom aus der Reaktionskammer heraustransportiert.
Das Wachstum der Schichten hängt von der Temperatur ab. In Abbildung 18
ist die Wachstumsrate über T1 aufgetragen (Arrhenius-Darstellung), wobei T die
Temperatur des Substrates ist.
Abbildung 18: Wachstumsrate der Schicht in Abhängigkeit der Substrattemperatur bei der MOVPE
Das Wachstum kann in drei Bereiche eingeteilt werden. Bei niedrigen Temperaturen (Bereich 1) ist das Wachstum durch die Geschwindigkeit der Reaktion
auf der Oberfläche des Substrates begrenzt. Es stehen genügend Moleküle auf der
Oberfläche zur Verfügung, aber die chemische Reaktion verläuft zu langsam, um
alle ankommenden Moleküle sofort zu zersetzen.
Im zweiten Bereich verläuft die chemische Reaktion aufgrund der höheren Temperatur schneller und die Diffusion der Moleküle begrenzt das Wachstum. In diesem
Bereich ist die Wachstumsrate nahezu unabhängig von der Temperatur.
Bei noch höheren Temperaturen nimmt die Wachstumsrate wieder ab und ist
durch die Desorption von Atomen aus der Oberfläche begrenzt.
19
Da die Größe der Reaktionskammer nicht eingeschränkt ist (vergleiche Kapitel 5), können mit dem Verfahren der MOVPE Bauelemente in Massenproduktion
hergestellt werden. Abbildung 19 zeigt eine Anlage, in der Schichten auf 42 Wafer
aufgebracht werden können. Wafer sind die einkristallinen Substrate.
Abbildung 19: Planetenreaktor für MOVPE mit 42 Wafern
7
Vergleich der MBE und MOVPE
Die beiden vorgestellten Epitaxieverfahren werden im Folgenden hinsichtlich verschiedener Kriterien miteinander verglichen.
Bei der MOVPE werden die Schichten bei höheren Temperaturen aufgewachsen,
was zu einer hohen Wachstumsrate im Vergleich zur MBE führt. Bei der MBE
ist es jedoch möglich die Temperatur des Substrates und in den Effusionszellen
unabhängig voneinander einzustellen. Daher besitzt das Substrat meist eine geringere Temperatur als bei der MOVPE, was jedoch den Vorteil hat, dass das
Wachstum besser kontrolliert werden kann. Je nach Anforderung an die Schicht
sollte also bei hohen oder niedrigen Temperaturen (also mit MOVPE oder MBE)
aufgewachsen werden.
Die MOVPE besitzt den Vorteil, dass die Wachstumsraten reproduzierbar sind.
Bei der MBE schwanken die Wachstumsraten beim Leeren der Effusionszellen.
Da alle Materialien in den Effusionszellen verdampft werden können, ist es bei der
MBE möglich alle Materialkombinationen herzustellen. Bei der MOVPE dagegen
müssen die Schichtmaterialien zunächst an andere Moleküle gebunden werden,
was für einige Elemente sehr aufwändig ist.
Die MOVPE ist prinzipiell nicht in der Größe der Anlage beschränkt. Es muss
gewährleistet sein, dass über jedem Substrat ein laminarer Gasstrom fließt. Dies
wird in großen Anlagen mit bis zu 42 Substraten durch Rotation der Substrate
20
8 ZUSAMMENFASSUNG
erreicht. Daher eignet sich diese Methode zur Massenproduktion. Die MBE dagegen wird häufig in der Forschung eingesetzt, da die Proben während und nach
des Wachstums mit Analysemethoden im UHV untersucht werden können. Die
Substratgröße ist hier jedoch auf etwa 10cm begrenzt.
8
Zusammenfassung
Zur Hertstellung vieler optoelektronischer Bauelemente werden möglichst reine
und defektfreie Schichtstrukturen benötigt, die teilweise eine Dicke von nur wenigen Nanometern besitzen. Diese Schichten werden epitaktisch, also in geordneter
Struktur auf Subtraten aufgebracht.
In dieser Ausarbeitung wurde der Unterschied zwischen Homo- und Heteroepitaxie erläutert. Außerdem wurden verschiedene Wachstumsmodi von Schichten beschrieben. Anschließend wurde kurz auf Defekte in Schichten eingegangen.
Nach dieser theoretischen Einleitung wurden die zwei Epitaxieverfahren der Molekularstrahlepitaxie und der Metallorganische Gasphasenepitaxie vorgestellt und
miteinander verglichen.
21
Literatur
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CdSe/Zn(S, Se) Quantenpunkten, Dissertation, TU Berlin, 2000
Günter Gottstein. Physikalische Grundlagen der Materialkunde, Springer, 2007
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Springer, 2003
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WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. 2008
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2004
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