Термическая лазерная эпитаксия

Термическая лазерная эпитаксия (TLE) — это метод физического осаждения из паровой фазы , который использует облучение непрерывными лазерами для локального нагрева источников для выращивания пленок на подложке. [1] [2] Этот метод может быть реализован в условиях сверхвысокого вакуумного давления или в присутствии фоновой атмосферы, такой как озон , для осаждения оксидных пленок. [3]

Схема камеры TLE. Лазеры непрерывного излучения фокусируются на источниках внутри вакуумной камеры. Локализованный нагрев, вызванный этими лазерами, создает поток пара из каждого источника, который затем осаждается на нагретую подложку. Газообразная атмосфера может быть введена через газовый вход для выращивания соединений, таких как оксиды. [1]

TLE работает при плотности мощности от 10 4 до 10 6  Вт/см 2 , что приводит к испарению или сублимации исходного материала, без образования плазмы или частиц высокой энергии. Несмотря на работу при сравнительно низкой плотности мощности, TLE способен осаждать многие материалы с низким давлением паров , включая тугоплавкие металлы , процесс, который сложно осуществить с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии . [4]

Физический процесс

Фотография отдельно стоящего кремниевого диска, локально нагреваемого лазером в камере TLE. [4]

TLE использует лазеры непрерывного действия (обычно с длиной волны около 1000 нм), расположенные вне вакуумной камеры, для нагрева источников материала с целью создания потока пара посредством испарения или сублимации. [1] Благодаря локализованной природе тепла, индуцируемого лазером, часть источника может быть преобразована в жидкое состояние, в то время как остальная часть остается твердой, так что источник действует как свой собственный тигель. Сильное поглощение света приводит к тому, что лазерно-индуцированное тепло оказывается сильно локализованным через малый диаметр лазерного луча, что также может иметь эффект ограничения тепла осью источника. Результирующее поглощение соответствует типичной глубине проникновения фотона порядка 2 нм из-за высоких коэффициентов поглощения α ~ 10 5  см −1 многих материалов. Потеря тепла через проводимость и излучение дополнительно локализует высокотемпературную область вблизи облучаемой поверхности источника. Локализованный характер нагрева позволяет выращивать многие материалы с помощью TLE из автономных источников без тигля. Благодаря прямой передаче энергии от лазера к источнику, TLE более эффективен, чем другие методы испарения, такие как испарение и молекулярно-лучевая эпитаксия , которые обычно используют проволочные джоулевые нагреватели для достижения высоких температур.

При нагревании источника создается поток пара, давление которого часто имеет приблизительно экспоненциальную зависимость от температуры. Затем пар осаждается на нагреваемую лазером подложку. Очень высокие температуры подложки, достигаемые при лазерном нагреве, позволяют использовать режимы роста, контролируемые адсорбцией , аналогичные молекулярно-лучевой эпитаксии , обеспечивая точный контроль стехиометрии и температуры осаждаемой пленки. Этот точный контроль ценен для выращивания тонкопленочных гетероструктур сложных материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники . [5] [6] Располагая все лазеры вне испарительной камеры, можно уменьшить загрязнение по сравнению с использованием нагревателей in situ , что приводит к получению высокочистых осаждаемых пленок .

Скорость осаждения паров, падающих на подложку, контролируется путем регулировки мощности падающего лазера источника. Скорость осаждения часто увеличивается экспоненциально с температурой источника, которая, в свою очередь, увеличивается линейно с мощностью падающего лазера. [4]

Газ в камере может быть включен в пленку осаждения. С добавлением атмосферы кислорода или озона оксидные пленки могут быть легко выращены с помощью TLE при давлениях до 10−2 гПа  . [3] [7]

История

Вскоре после изобретения лазера Теодором Майманом в 1960 году [8] было быстро признано, что лазер может действовать как точечный источник для испарения исходного материала в вакуумной камере для изготовления тонких пленок. [9] [10] В 1965 году Смит и Тернер [10] преуспели в осаждении тонких пленок с использованием рубинового лазера, после чего Грох осаждал тонкие пленки с использованием непрерывного CO 2 -лазера в 1968 году. [11] Дальнейшие работы показали, что лазерно-индуцированное испарение является эффективным способом осаждения диэлектрических и полупроводниковых пленок. Однако возникли проблемы, связанные со стехиометрией и однородностью осажденных пленок, что ухудшило их качество по сравнению с пленками, осажденными другими методами. [12] [13] Эксперименты по исследованию осаждения тонких пленок с использованием импульсного лазера при высоких плотностях мощности заложили основу для импульсного лазерного осаждения , чрезвычайно успешного метода роста, который широко используется сегодня.

Эксперименты с использованием лазеров с непрерывной волной продолжались на протяжении всей второй половины двадцатого века, подчеркивая многочисленные преимущества испарения лазером с непрерывной волной, включая низкие плотности мощности, которые могут уменьшить повреждение поверхности чувствительных пленок. Достичь конгруэнтного испарения из составных источников с использованием лазеров с непрерывной волной оказалось сложной задачей, а осаждение пленок обычно ограничивалось источниками с высоким давлением паров из-за низких доступных плотностей мощности непрерывной волны. [14] [15] [16]

В 2019 году испарение источников с использованием непрерывно-волновых лазеров было заново открыто в Институте исследований твердого тела Макса Планка и названо «термической лазерной эпитаксией». Эта новая технология использует элементарные источники, освещенные высокомощными непрерывно-волновыми лазерами (обычно с пиковой мощностью около 1 кВт на длине волны 1000 нм), что позволяет осаждаться материалам с низким давлением паров, таким как углерод и вольфрам, избегая при этом проблем с конгруэнтным испарением из составных источников. [1] [2]

Ссылки

  1. ^ abcd Браун, Вольфганг; Маннхарт, Йохен (2019-08-14). "Осаждение пленок термическим лазерным испарением". AIP Advances . 9 (8): 085310. Bibcode : 2019AIPA....9h5310B. doi : 10.1063/1.5111678 . S2CID  202065503.
  2. ^ ab Braun, Wolfgang (2018). «Адсорбционно-контролируемая эпитаксия перовскитов». arXiv : 2405.04075 [cond-mat.mtrl-sci].
  3. ^ ab Kim, Dong Yeong; Mannhart, Jochen; Braun, Wolfgang (2021-08-13). "Термическое лазерное испарение для роста оксидных пленок". APL Materials . 9 (8): 081105. Bibcode : 2021APLM....9h1105K. doi : 10.1063/5.0055237. S2CID  238646816. Получено 2021-09-08 .
  4. ^ abc Smart, Thomas J.; Mannhart, Jochen; Braun, Wolfgang (2021-03-09). "Термическое лазерное испарение элементов из периодической таблицы". Journal of Laser Applications . 33 (2): 022008. arXiv : 2103.12596 . Bibcode :2021JLasA..33b2008S. doi :10.2351/7.0000348. S2CID  232320531 . Получено 2021-09-08 .
  5. ^ Браун, Вольфганг; Ягер, Марен; Ласкин, Геннадий; Нгабонзиза, Проспер; Фёш, Вольфганг; Виттлих, Паскаль; Маннхарт, Йохен (16 июля 2020 г.). «Термическая подготовка оксидных поверхностей in situ». Материалы АПЛ . 8 (7): 071112. Бибкод : 2020APLM....8g1112B. дои : 10.1063/5.0008324 . S2CID  225595599.
  6. ^ Ким, Донг Ёнг; Маннхарт, Йохен; Браун, Вольфганг (2021-08-04). "Рост эпитаксиальной пленки методом термического лазерного испарения". Журнал вакуумной науки и технологий A. 39 ( 5): 053406. Bibcode : 2021JVSTA..39e3406K. doi : 10.1116/6.0001177 .
  7. ^ Smart, Thomas J.; Hensling, Felix VE; Kim, Dong Yeong; Majer, Lena N.; Suyolcu, Y. Eren; Dereh, Dominik; Schlom, Darrell G.; Jena, Dubdeep; Mannhart, Jochen; Braun, Wolfgang (2023-05-08). «Почему источники термической лазерной эпитаксии алюминия дают воспроизводимые потоки в окислительных средах». Journal of Vacuum Science and Technology A. 41 ( 4): 042701. Bibcode : 2023JVSTA..41d2701S. doi : 10.1116/6.0002632 . ISSN  0734-2101.{{cite journal}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  8. ^ Maiman, TH (1960). "Стимулированное оптическое излучение в рубине". Nature . 187 (4736): 493–494. Bibcode :1960Natur.187..493M. doi :10.1038/187493a0. S2CID  4224209.
  9. ^ Николс, К. Г. (1965). «Лазеры и микроэлектроника». British Communications and Electronics . 12 (4): 368.
  10. ^ ab Смит, Ховард М.; Тернер, А.Ф. (1965). «Тонкие пленки, осажденные в вакууме с использованием рубинового лазера». Appl. Opt . 4 (1): 147–148. Bibcode : 1965ApOpt...4..147S. doi : 10.1364/AO.4.000147.
  11. ^ Грох, Г. (1968). «Вакуумное осаждение тонких пленок с помощью CO2-лазера». Журнал прикладной физики . 39 (12): 5804–5805. Bibcode : 1968JAP....39.5804G. doi : 10.1063/1.1656056.
  12. ^ Хасс, Г.; Рэмси, Дж. Б. (1969). «Вакуумное осаждение диэлектрических и полупроводниковых пленок с помощью CO2-лазера». Appl. Opt . 8 (6): 1115–1118. doi :10.1364/AO.8.001115. PMID  20072385.
  13. ^ Ban, VS; Kramer, DA (1970). «Тонкие пленки полупроводников и диэлектриков, полученные лазерным испарением». Journal of Materials Science . 5 (11): 1573–4803. Bibcode : 1970JMatS...5..978B. doi : 10.1007/BF00558179. S2CID  137145469.
  14. ^ Санкур, Х.; Холл, Р. (1985). «Осаждение тонких пленок методом испарения с помощью лазера». Appl. Opt . 24 (20): 3343–3347. Bibcode : 1985ApOpt..24.3343S. doi : 10.1364/AO.24.003343. PMID  18224054.
  15. ^ Sankur, H.; Cheung, JT (1988). «Формирование тонких диэлектрических и полупроводниковых пленок методом испарения с помощью лазера». Appl. Phys. A. 47 ( 3): 271–284. Bibcode :1988ApPhA..47..271S. doi :10.1007/BF00615933. S2CID  98006904.
  16. ^ Трухильо, О.; Мосс, Р.; Вуонг, К.Д.; Ли, Д.Х.; Нобл, Р.; Финниган, Д.; Орлофф, С.; Тенпас, Э.; Парк, К.; Фаган, Дж.; Ванг, XW (1996). "Осаждение тонкой пленки CdS с помощью непрерывного лазера Nd:YAG". Тонкие твердые пленки . 290–291: 13–17. Bibcode : 1996TSF...290...13T. doi : 10.1016/S0040-6090(96)09065-7.

Термическая лазерная эпитаксия - Институт Макса Планка по исследованию твердого тела

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Термальная_лазерная_эпитаксия&oldid=1247415153"