MühaziRƏ 4 Epitaksiya

Molekulyar şüa epitaksiyası
ХХ əsrin 2–ci yarısında bərk cisim elektronikasında xarakterik ölçülər ilk tranzistorlarda olan yüzlərlə mkm-dən kvant çuxurları əsasında heteroqoroluşlarda olduğu kimi onlarla nm-ə və ya kvant nöqtələri əsasında heteroquruluşlarda olduğu kimi bir neçə nm-ə qədər azalmışdır. Verilmiş parametrlərə malik belə nanoheteroquruluşların yaradılması molekulyar–şüa epitaksiyasinın (MŞE) köməyilə mümkün olmuşdur. MŞE üsulu ilə nazik təbəqələrin alınmasının praktiki texnologiyası işləndikdən sonra nazik təbəqəli heterokeçidlərin yahadılması sahəsində çox böyük irililəyiş baş verdi.

Ardıcıl yerləşmiş, müxtəlif tərkibli ifrat nazik təbəqələrdən ibarət olan birölçülü periodik quruluşlar – ifrat qəfəslər yaratmaq ideyası MŞE–nın inkişafına əsas təkan olmuşdur. MŞE–da nazik təbəqələrin göyərməsi əsasən ifrat yüksək vakuum şəraitində (p<1,3•10^-8 Pa və ya 10^-10mm.civə sütunu) bir neçə atom və ya molekul dəstəsinin monokristal altlığın qızdırılmış səthi ilə qarşılıqlı təsirinin kinetikası ilə təyin edilir. Maye fazadan epitaksiya və ya kimyəvi çökdürmədən fərqli olaraq bu üsulda proses qeyri–taraz şəraitdə baş verir. MŞE aşağıdakıları təmin edir:

– atom və ya molekul dəstələrinin yüksək təmizliyi və ifrat yüksək vakuum hesabına yüksək təmizliyə malik monokristalların alınması;

– bu üsulla sərhəddə tərkibi kəskin şəkildə dəyişən ifrat nazik quruluşların göyərdilməsi mümkündür. Qeyd edək ki, bu prosesin nisbətən aşağı temperaturlarda aparılması hesabına alınır ki, belə temperaturlarda qarşılıqlı diffuziya baş verə bilmir;

– alınan təbəqələrin səthlərinin hamar və defektsiz alınması;

– göyərmə sürətinin kiçik olması və maddə selinin dəqiq idarə edilməsi hesabına ifrat nazik qalınlıqlı təbəqələr alınması və onların qalınlığına nəzarət edilməsi;

– tərkibi mürəkkəb profilə malik quruluşların yaradılması:

– verilmiş daxili gərginliklərə malik quruluşların yaradılması.

XX əsrin 2–ci yarısında bərk cisim elektronikasının əldə etdiyi nailiyyətlər nəticəsində A³B⁵ birləşmələri optoelektronika və cəld İYT–qurğular üçün əsas yarımkeçiricilər kimi qəbul edilmişdir. Bunlar adətən 3–cü qrup elementləri Ga, Al və ya İn ilə 5–ci qrup elementləri olan As, Sb və P–n əmələ gətirdiyi birləşmələrdir. GaAs, İnP, bəzi başqa birləşmələr və Al_xGa_1-xAs bərk məhlulları timsalında MŞE vasitəsilə A³B⁵ birləşmələrinin alınması daha yaxşı öyrənilmişdir. Məhz bu birləşmələr inteqral sxemlər və heteroquruluşlar əsasında lazerlər kimi YK cihazları yaratmaq üçün əsas materiallardır. Qeyd edək ki, bu növ cihazlar müasir informasiya texnologiyalarının əsas cihazlarıdır. Həqiqətən də, İnP altlıqlar üzərində, 1300 nm və 1500 nm dalğa uzunluqlu şüalar verən YK lazerlər internet kommunikasiyaların;n 70 %-i təmin edir. Göstərilən dalğa uzunluqları optik liflərin şəffaflıq diapazonuna uyğundur. Nisbətən qısa dalğalı YK lazerlərin başqa bir tətbiq sahəsi məlumatın optik yazılmasıdır.

Məlumdur ki, YK nanoheteroquruluşlar yaratmaq üçün iki əsas üsul var: MŞE (molecular beam epitaxy MBE) və metal-üzvi birləşmələrin qaz fazadan epitaksiyası (metal-organic vapor phase epitaxy MOVPE).

MŞE yüksək keyfiyyətli nazik təbəqələr göyərtmək və heteroquruluşlar yaratmaq üçün ən müasir üsuldur. Bu üsul vakuumda termik buxarlandırma və çökdürülmə üsulunun təkmilləşdirilmiş variantıdır. Yuxarıda deyildiyi kimi, burada çökdürülən materialın təmiz mənbələrindən və ifrat yüksək vakuumdan istifadə edilir, altlığın temperaturuna dəqiq nəzarət edilir. Bundan başqa, elektron Oje– spektroskopiya, kütlə–spektroskopiya, elektron mikroskopiya və difraksiya üsuları vasitəsilə təbəqənin göyərməsinin diaqnostikası, prosesin parametrlərini kompüter sistemi vasitəsilə idarə edilməsi həyata keçirilir. Bütün bu deyilənlər yeni nanotexnologiyaların yaranmasına gətirmişdir.

MŞE qaz fazadan çökdürülməyə nisbətən bahalı, lakin daha mükəmməl üsuldur. Bu üsulda təbəqənin göyərdilməsinə nəzarət və bu prosesi idarə etmək imkanları daha genişdir.

Hazırda optoelektronika, İYT-texnikası, işıq texnikası, telekomunikasiya və rabitə üçün elektron texnikasında istifadə edilən cihaz və qurğular əsasən yarımkeçirici heteroquruluşlar və nanoheteroquruluşlar əsasında yaradılır. Optoelektronikada bunlar günəş elementləri, ifrat qəfəslər və kvant çuxurları üzərində çoxlaylı quruluşlar əsasında İQ-fotoqəbuledicilər, ifratqəfəslər üzərində işıq diodları və fotodiodlar, ifratqəfəslər, kvant çuxurları və kvant nöqtələri üzərində lazerlərdir.

MŞE verilmiş qalınlıqlı heteroquruluşların alınmasına imkan verir. Bu zaman monoton hamar heterosərhədləri yaratmaq və verilmiş heteroaşqarlamanı təmin etmək mümkün olur. MŞE qurğusunda bilavasitə göyərmə prosesində nazik təbəqənin keyfiyyətinə nəzarət etmək mümkün olur. Epitaksiya prosesinin aparılması üçün hamar atom səthinə malik və yaxşı təmizlənmiş altlıqlar lazımdır. Altlığın təmiz səthinə düşən atom və molekullar orada adsorbsiya edirlər. Altlığın temperaturu və onun üzərinə düşən maddə selinin intensivliyi düzgün seçildikdə səthdə monokristal təbəqə alınır. Bu təbəqə verilmiş kimyəvi tərkibə və laylı quruluşa malikdir. Alınan quruluşun keyfiyyəti ilk növbədə altlığın düzgün hazırlanmasından asılıdır. GaAs altlıqlar əvvəlcə trixloretilendə qaynadılır; asetonda, metanolda və suda yuyulur; azot turşusunda aşılandırılır; yenidən suda yuyulur; səthdə olan oksid və ya üzvi maddələrin qalıqlarını təmizləmək üçün HCl turşusunda aşılandırılır; yenə də suda yuyulur və təmiz azot axınında qurudulur. Bundan sonra altlıq MŞE qurğusunda yerləşdirilir. İnP altlıqları da eyni qaydada hazırlanır, lakin bu halda HCl əvəzinə KOH istifadə edilir.

MŞE–nın mahiyyətini blok sxemi şəkil 1-də verilmiş qurğunun köməyi ilə aydınlaşdırmaq olar. Atom və ya molekul seli generasiya zonasında (1) qapalı effuziya yuvacıqlarına yerləşdirilmiş mayenin buxarlandırılması və ya bərk materialın sublimasiyası hesabına yaradılır. Bu məqsədlə effuziya yuvacıqları qızdırıcı ilə təchiz edilir. Effuziya yuvası silindrik və ya konik tiqel şəklində olub çıxışında dairəvi yarıq – diafraqma vardır. Tiqellərin hazırlanması üçün yüksək təmizliyə malik olan pirolitik qrafitdən və ya bor nitriddən BN istifadə edilir. Atom və ya molekullar seli qarışma zonasını (II) keçərək oradan göyərdilmə zonasına (III) çökürlər və tələb olunan maddənin nazik təbəqəsi alınır. Göyərdilmə zonasını üç hissəyə bölmək olar. Birinci hissə altlıq və ya növbəti göyərdilən materialın monoton təbəqəsindən ibarət olur. İkinci hissə yuxarı səthdə hetrostrukturun komponentlərinin qaz qarışığından ibarət olur. Üçüncü hissə keçid təbəqəsi olub həndəsi ölçüləri onda baş verən proseslər və göyərdilmə şəraitinin seçilməsindən asılıdır. MŞE–da istifadə olunan effuziya yuvaçıqlarının sayı göyərdilən nazik təbəqənin tərkibi və aşqarlayıcı elementlərin miqdarı ilə müəyyənləşdirilir. Belə ki, hər bir yuvacıqda göyərdilən təbəqənin bir komponenti yerləşdirilir. Bu yuvacıqlarda həmçinin aşqarlayıcı elementlər yerləşdirilir. Məsələn, təmiz Si və Ge yarımkeçiricilərini almaq üçün yalnız bir yuvadan istifadə etmək kifayətdir.

Qızdırıcıların temperaturu elə seçilir ki, buxarlandırılan maddələrin buxarının təzyiqi uyğun molekulyar dəstənin formalaşması üçün kifayət qədər olsun. Buxarlanan maddə kifayət qədər yüksək sürətlə yüksək vakuumda altlığın üzərinə çökür. Qızdırıcılar elə yerləşdirilir ki, atom və ya molekullar dəstəsinin paylanmasının maksimumu altlıq üzərində kəsişsin. Qızdırıcıların və altlığın temperaturlarını seçməklə mürəkkəb kimyəvi tərkibə malik tədəqələr almaq mümkündür.

Arakəsmələrin köməyi ilə göyərdilən materialın tərkibi və aşqarların konsentrasiyası əlavə olaraq idarə olunur. Bu zaman arakəsmə vasitəsilə bu və ya digər zərrəciklər selinin qarşısı kəsilir. Əgər göyərdilmə zamanı hər hansı aşqarın konsentrasiyasını kəskin dəyişmək lazımdırsa müxtəlif temperatura qədər qızdırılmış və aşqarlayıcı maddə ilə doldurulmuş bir neçə effuziya yuvacığından istifadə edilir. Nazik təbəqənin tərkibinin səth boyunca bircins olması və onun kristal quruluşu molekulyar dəstənin bicinsliliyindən asılıdır. MŞE üsulu göyərdilmə zonasında baş verən aşağıdakı sadə proseslərdən ibarətdir.

– birləşməni təşkil edən atom və molekulların altlıq üzərinə adsorbsiyası;

– adsorbsiya olunmuş atomların altlıq üzərində miqrasiyası–səthi diffuziyası;

– altlığın kristal qəfəsinin üzərinə heterostrukturu təşkil edən atomların düzülməsi;

– qəfəsə düzülməyən atomlarin termik desorbsiyasi– səthdən qopmasi;

– altlıq üzərində kristalın ikiölçülü özəklərinin yaranması və sonrakı göyərməsi;

– kristal qəfəsə düzülən atomların qarşılıqlı diffuziyası.

Səthdəki adsorbsiya və miqrasiya nəticəsində atomlar kristal qəfəsdə tam müəyyən olunmuş yerləri tutur. Bir monoatom təbəqənin böyüməsi zamanı (təxminən 1 saniyə ərzində) hər bir atom qəfəsdə öz yerini tam tutana qədər bir neçə min diffuziya sışrayışı edir. Nəticədə göyərdilən quruluşun özünütəşkil prosesi baş verir. Hər bir bərk material fiksə olunmuş göyərmə sürətilə təbəqə şəklində yetişdirilə bilər. Altlığın temperaturu verilmiş birləşmə üçün optimal səth diffuziyasının sürətini təmin edir.

Molekulyar-şüa epitaksiya (MŞE) metodu özünü ifrat yüksək vakuum şəraitində termik tozlama üsulunun təkmilləşdirilmiş bir növü kimi göstərir. Qalıq qazların təzyiqi vakuum kamerasında 10^-8 Pa-dan aşağı (10^-10 mm c.st.) həddə saxlanılır. Atomlar axını, yaxud molekullar, mənbədə - effuzion özəkdə yerləşən mayelərin buxarlanması, bərk materialların sublimasiyası hesabına əmələ gəlir. Effuziya özəyi diametri 1-2sm və 5-10sm olan silindrik, ya da konik tigeldir. Özək öz çıxışında diametri 5-8mm olan dairəvi deşiyə malikdir. Tigel hazırlamaq üçün yüksək təmiz pirolitik qrafit, yaxud bor nitrid BN istifadə olunur. Zəruri elementlərin atomlarının(yaxud molekul) selləri altlığa yönəldilərək, orada tələb olunan tərkibli maddə yaratmaqla çökdürülür. MŞE qurğusunun əsas qovşaqlarının(düyünlərinin) sxematik təsviri şəkildə verilmişdir. Effuzion özəklərin sayı örtüyün (plyonkanın) tərkibindən və legirləyici aşqarın olmasından asılıdır. Elementar Si, Ge yarımkeçiricilərinin yetişdirilməsi üçün əsas material xammalı və n- və p- tipli legirləyici aşqarlar xammalı tələb olunur. Mürəkkəb yarımkeçiricilər (ikiqat, üçqat birləşmələr) halında örtüyün hər bir komponentinin buxarlandırılması üçün ayrıca mənbə tələb olunur. Effuzion özəyin temperaturu altlığa daxil olan hissəciklər selinin qiymətini müəyyənləşdirir və ona ciddi nəzarət olunur. Əsas materialların və legirləyici aşqarların tərkibinin idarə olunması bu və ya digər selin qabağını kəsən qapaqların vasitəsilə həyata keçirilir. Əgər strukturun yetişdirilməsi gedişində eyni aşqarın konsentrasiyasını dəyişmək tələb olunursa, onda effuzion özəyin müxtəlif temperaturlarında bu aşqarın bir neçə mənbələrini istifadə edirlər. Örtüyün tərkibinin sahəyə görə bircinsliyi və onun kristallik quruluşu molekul dəstəsinin bircinsliyi ilə təyin olunur. Bir neçə hallarda bircinsliyin artırılması üçün artan(böyüyən) örtüklü altlıq daim fırlanır. Yüksək keyfiyyətli epitaksial təbəqələrin MŞE metodu ilə yetişdirilməsi altlığın hazırlanmasında dəqiqlik tələb edir, çünki MŞE metodunda bir qayda olaraq böyümə kamerasında oksid təbəqələrinin təmizlənməsini çıxmaq şərti ilə, səthin başqa bir növ təmizlənməsi istifadə olunmur. Yarımkeçirici birləşmələrin təbəqələrinin epitaksial böyüdülməsi ən vacibləri aşağıda verilmiş bir sıra ardıcıl əməliyyatdan ibarətdir:

- maddələri təşkil edən atom və molekulların adsorbsiyası; - adsorbsiya etmiş hissəciklərin miqrasiyası(köçməsi) və dissosasiyası (parçalanma);

- əsasın yaranmasına və təbəqənin böyüməsinə gətirib çıxaran təşkiledici atomların altlığa qatışması. Böyüyən nazik örtük altlıqla təyin olunan kristallik quruluşa malikdir. Altlığın səthinə düşən atomlar səthdə adsorbsiya olunur. Birinci mərhələdə bu özündən zəif van-der-vals və (yaxud) elektrostatik qüvvələr kimi özünü göstərir. Bu mərhələ fizsorbsiya adlanır. İkinci mərhələdə maddənin molekulları kimyəvi sorbiyalayan hala keçir ki, burada elektron ötürməsi, yəni, səthdəki atomlarla yenidən daxil olmuş maddənin atomları arasında kimyəvi reaksiya baş verir. Kimyəvi adsorbsiya zamanı rabitə enerjisi fiziki enerjidən çoxdur.



İ –hər özəyin yaratdığı molekulyar şüa; İİ – ümumi molekulyar şüa; İİİ – artan (böyüdülən) örtük. 1-qızdırıcı blok; 2 - altlıq; 3 – ayrı-ayrı özəklərin qapıları (zaslonkaları); 4 -əsas komponentlərin effuzion özəkləri; 5 – legirləyici qarışıqların effuzion özəkləri.