आणविक-बीम एपिटॉक्सी

एक आणविक-बीम एपिटॉक्सी सिस्टम में मुख्य घटकों और मोटे लेआउट और मुख्य कक्ष की अवधारणा को दर्शाने वाला एक सरल रेखाचित्र

आणविक-बीम एपिटॉक्सी (एमबीई) एकल क्रिस्टल की पतली-फिल्म जमाव के लिए एक एपिटाक्सी विधि है। MBE का व्यापक रूप से अर्धचालक उपकरणों के निर्माण में उपयोग किया जाता है, जिसमें ट्रांजिस्टर भी शामिल हैं, और इसे नैनोटेक्नोलॉजीज के विकास के लिए मूलभूत उपकरणों में से एक माना जाता है।^[1] MBE का उपयोग माइक्रोवेव फ्रीक्वेंसी पर सेमीकंडक्टर डिवाइस फैब्रिकेशन डायोड और MOSFETs (MOS फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) के लिए किया जाता है, और ऑप्टिकल डिस्क (जैसे सीडी और डीवीडी) को पढ़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर के निर्माण के लिए किया जाता है।^[2]

इतिहास

एमबीई प्रक्रिया के मूल विचार सबसे पहले गुंठर द्वारा स्थापित किए गए थे।^[3] उनके द्वारा जमा की गई फिल्में एपिटैक्सियल नहीं थीं, लेकिन ग्लास सबस्ट्रेट्स पर जमा की गई थीं। वैक्यूम तकनीक के विकास के साथ, डेवी और टाइटस पांके द्वारा एमबीई प्रक्रिया का प्रदर्शन किया गया, जो गुंथर की विधि का उपयोग करके एकल क्रिस्टल GaAs सबस्ट्रेट्स पर GaAs एपिटैक्सियल फिल्मों को विकसित करने में सफल रहे। एमबीई फिल्मों के बाद के प्रमुख विकास को जॉन आर. आर्थर जूनियर द्वारा सक्षम किया गया था। जे.आर. 1960 के दशक के अंत में RHEED का उपयोग करते हुए विकास तंत्र के गतिज व्यवहार की आर्थर की जांच और एमबीई प्रक्रिया के सीटू अवलोकन में अल्फ्रेड वाई चो।^[4]^[5]^[6]

विधि

आणविक-बीम एपिटॉक्सी वैक्यूम # गुणवत्ता या अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (10⁻⁸–10⁻¹² टोर (यूनिट))। एमबीई का सबसे महत्वपूर्ण पहलू वैक्यूम जमाव (आमतौर पर प्रति घंटे 3,000 एनएम से कम) है जो फिल्मों को एपीटैक्सियल रूप से बढ़ने की अनुमति देता है। इन निक्षेपण दरों को अन्य निक्षेपण तकनीकों के समान अशुद्धता के स्तर को प्राप्त करने के लिए आनुपातिक रूप से बेहतर निर्वात की आवश्यकता होती है। वाहक गैसों की अनुपस्थिति, साथ ही अल्ट्रा-हाई वैक्यूम वातावरण, बढ़ी हुई फिल्मों की उच्चतम प्राप्त करने योग्य शुद्धता का परिणाम है।

थर्मल वाष्पीकरण द्वारा पैलेडियम की (111) सतह पर चांदी के एक-परमाणु-मोटे द्वीप जमा हो गए। सब्सट्रेट, भले ही इसे एक दर्पण पॉलिश और वैक्यूम एनीलिंग प्राप्त हुआ, छतों की एक श्रृंखला के रूप में दिखाई देता है। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) का उपयोग करके और क्वांटम वेल के उद्भव से एक पूर्ण मोनोलेयर को पूरा करने के लिए आवश्यक समय को ट्रैक करके कवरेज का अंशांकन प्राप्त किया गया था। क्वांटम-वेल राज्यों में कोण-संकल्पित फोटोमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एआरपीईएस) में सिल्वर फिल्म मोटाई की विशेषता है। . छवि का आकार 250 एनएम x 250 एनएम है।^[7]

ठोस स्रोत एमबीई में, गैलियम और आर्सेनिक जैसे तत्व, अति-शुद्ध रूप में, अलग अर्ध-नुडसेन प्रवाह कोशिकाओं या इलेक्ट्रॉन-बीम बाष्पीकरण में तब तक गर्म होते हैं जब तक कि वे धीरे-धीरे उर्ध्वपातन (रसायन विज्ञान) शुरू नहीं कर देते। गैसीय तत्व तब वेफर पर बाष्पीकरणीय जमाव करते हैं, जहां वे एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं। गैलियम और आर्सेनिक के उदाहरण में सिंगल-क्रिस्टल गैलियम आर्सेनाइड बनता है। जब तांबे या सोने जैसे वाष्पीकरण स्रोतों का उपयोग किया जाता है, तो सतह पर टकराने वाले गैसीय तत्व सोखना हो सकते हैं (एक समय की खिड़की के बाद जहां टकराने वाले परमाणु सतह के चारों ओर कूदेंगे) या परावर्तित हो सकते हैं। सतह पर परमाणु भी उजाड़ सकते हैं। स्रोत के तापमान को नियंत्रित करने से सब्सट्रेट की सतह पर सामग्री के टकराने की दर नियंत्रित होगी और सब्सट्रेट का तापमान hopping या desorption की दर को प्रभावित करेगा। बीम शब्द का अर्थ है कि वाष्पित परमाणु एक-दूसरे या वैक्यूम-कक्ष गैसों के साथ तब तक संपर्क नहीं करते जब तक कि वे परमाणुओं के लंबे औसत मुक्त पथ के कारण वेफर तक नहीं पहुंच जाते।

ऑपरेशन के दौरान, क्रिस्टल परतों के विकास की निगरानी के लिए अक्सर प्रतिबिंब उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (RHEED) का उपयोग किया जाता है। एक कंप्यूटर प्रत्येक औद्योगिक भट्टी के सामने शटर को नियंत्रित करता है, जिससे परमाणुओं की एक परत के नीचे प्रत्येक परत की मोटाई का सटीक नियंत्रण होता है। विभिन्न सामग्रियों की परतों की जटिल संरचना इस तरह गढ़ी जा सकती है। इस तरह के नियंत्रण ने संरचनाओं के विकास की अनुमति दी है जहां इलेक्ट्रॉनों को अंतरिक्ष में सीमित किया जा सकता है, क्वांटम कुएं या क्वांटम डॉट्स भी दे सकते हैं। ऐसी परतें अब कई आधुनिक अर्धचालक उपकरणों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हैं, जिनमें अर्धचालक लेजर और प्रकाश उत्सर्जक डायोड शामिल हैं।

उन प्रणालियों में जहां सब्सट्रेट को ठंडा करने की आवश्यकता होती है, विकास कक्ष के भीतर अल्ट्रा-हाई वैक्यूम वातावरण को क्रायोपंप और क्रायोपैनल की एक प्रणाली द्वारा बनाए रखा जाता है, तरल नाइट्रोजन या ठंडे नाइट्रोजन गैस का उपयोग करके 77 केल्विन (-196 डिग्री सेल्सियस) के करीब तापमान पर ठंडा किया जाता है। ). ठंडी सतहें निर्वात में अशुद्धियों के लिए एक सिंक के रूप में कार्य करती हैं, इसलिए इन परिस्थितियों में फिल्मों को जमा करने के लिए निर्वात स्तरों को परिमाण के कई आदेशों की आवश्यकता होती है। अन्य प्रणालियों में, जिन वेफर्स पर क्रिस्टल उगाए जाते हैं, उन्हें एक घूमने वाले प्लैटर पर रखा जा सकता है, जिसे ऑपरेशन के दौरान कई सौ डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जा सकता है।

आणविक-बीम एपिटॉक्सी (MBE) का उपयोग कुछ प्रकार के कार्बनिक अर्धचालकों के निक्षेपण के लिए भी किया जाता है। इस मामले में, परमाणुओं के बजाय अणु वाष्पित हो जाते हैं और वेफर पर जमा हो जाते हैं। अन्य विविधताओं में रासायनिक बीम एपिटॉक्सी | गैस-स्रोत एमबीई शामिल है, जो रासायनिक वाष्प जमाव जैसा दिखता है।

MBE सिस्टम को जरूरत के हिसाब से संशोधित भी किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन स्रोतों को उन्नत इलेक्ट्रॉनिक, चुंबकीय और ऑप्टिकल अनुप्रयोगों के साथ-साथ मौलिक शोध के लिए ऑक्साइड सामग्री जमा करने के लिए शामिल किया जा सकता है। यहां, एक बहुघटक ऑक्साइड के वांछित ऑक्सीकरण राज्य को प्राप्त करने के लिए एक ऑक्सीडेंट के एक आणविक बीम का उपयोग किया जाता है।

क्वांटम नैनोस्ट्रक्चर

आणविक-बीम एपिटॉक्सी की सबसे निपुण उपलब्धियों में से एक नैनो-संरचनाएं हैं जो परमाणु रूप से फ्लैट और अचानक हेटेरो-इंटरफेस के गठन की अनुमति देती हैं। ऐसी संरचनाओं ने भौतिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स के ज्ञान के विस्तार में अभूतपूर्व भूमिका निभाई है।^[8] हाल ही में नैनोवायरों और उनके भीतर निर्मित क्वांटम संरचनाओं का निर्माण जो सूचना प्रसंस्करण और क्वांटम संचार और कंप्यूटिंग के लिए ऑन-चिप अनुप्रयोगों के साथ संभावित एकीकरण की अनुमति देता है।^[9] ये हेट्रोस्ट्रक्चर नैनोवायर लेजर केवल उन्नत एमबीई तकनीकों का उपयोग करके निर्माण करना संभव है, जिससे सिलिकॉन पर मोनोलिथिकल एकीकरण की अनुमति मिलती है^[10] और पिकोसेकंड सिग्नल प्रोसेसिंग।^[11]

असारो-टिलर-ग्रिनफेल्ड अस्थिरता

असारो-टिलर-ग्रिनफेल्ड (एटीजी) अस्थिरता, जिसे ग्रिनफेल्ड अस्थिरता के रूप में भी जाना जाता है, आणविक-बीम एपिटॉक्सी के दौरान अक्सर एक लोचदार अस्थिरता होती है। यदि बढ़ती फिल्म और सहायक क्रिस्टल के जाली आकार के बीच कोई बेमेल है, तो बढ़ती फिल्म में लोचदार ऊर्जा जमा हो जाएगी। कुछ महत्वपूर्ण ऊंचाई पर, फिल्म की मुक्त ऊर्जा को कम किया जा सकता है अगर फिल्म अलग-थलग द्वीपों में टूट जाती है, जहां बाद में तनाव को कम किया जा सकता है। महत्वपूर्ण ऊंचाई यंग के मापांक, बेमेल आकार और सतह के तनाव पर निर्भर करती है।

इस अस्थिरता के लिए कुछ अनुप्रयोगों पर शोध किया गया है, जैसे कि क्वांटम डॉट्स का स्व-विधानसभा। यह समुदाय एटीजी के लिए स्ट्रांस्की-क्रस्तनोव विकास के नाम का उपयोग करता है।

यह भी देखें

स्पंदित लेजर बयान
मेटलऑर्गेनिक वाष्प चरण एपिटॉक्सी
कॉलिन पी. फ्लिन
आर्थर गोस्सार्ड
उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रांजिस्टर (एचईएमटी)
हेटेरोजंक्शन बाइपोलर ट्रांजिस्टर
हर्बर्ट क्रॉमर
क्वांटम कैस्केड लेजर
सौर सेल
बेन जी स्ट्रीटमैन
गीली परत
थर्मल लेजर एपिटॉक्सी

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संदर्भ

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अग्रिम पठन

Frigeri, P.; Seravalli, L.; Trevisi, G.; Franchi, S. (2011). "3.12: Molecular Beam Epitaxy: An Overview". In Pallab Bhattacharya; Roberto Fornari; Hiroshi Kamimura (eds.). Comprehensive Semiconductor Science and Technology. Vol. 3. Amsterdam: Elsevier. pp. 480–522. doi:10.1016/B978-0-44-453153-7.00099-7. ISBN 9780444531537.

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बाहरी संबंध

[1] McCray, W.P. (2007). "एमबीई इतिहास की किताबों में जगह पाने का हकदार है". Nature Nanotechnology. 2 (5): 259–261. Bibcode:2007NatNa...2..259M. doi:10.1038/nnano.2007.121. PMID 18654274. S2CID 205442147.

[2] "अल्फ्रेड वाई चो". National Inventors Hall of Fame. Retrieved 17 August 2019.

[3] Günther, K. G. (1958-12-01). "III-V यौगिकों के अर्धचालक से बने वाष्पीकरण कोटिंग्स". Zeitschrift für Naturforschung A. 13 (12): 1081–1089. Bibcode:1958ZNatA..13.1081G. doi:10.1515/zna-1958-1210. ISSN 1865-7109. S2CID 97543040.

[4] Davey, John E.; Pankey, Titus (1968). "निर्वात वाष्पीकरण द्वारा जमा की गई एपिटैक्सियल GaAs फिल्में". J. Appl. Phys. 39 (4): 1941–1948. Bibcode:1968JAP....39.1941D. doi:10.1063/1.1656467.

[5] Cho, A. Y.; Arthur, J. R. Jr. (1975). "आणविक किरण एपिटॉक्सी". Prog. Solid State Chem. 10: 157–192. doi:10.1016/0079-6786(75)90005-9.

[6] Gwo-Ching Wang, Toh-Ming Lu (2013). RHEED ट्रांसमिशन मोड और पोल फिगर्स. doi:10.1007/978-1-4614-9287-0. ISBN 978-1-4614-9286-3.{{cite book}}: CS1 maint: uses authors parameter (link)

[7] Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I.; Milun, M.; Pervan, P.; Lazić, P.; Šokčević, D.; Brako, R. (2005-12-16). "पीडी (111) पर सबानोमीटर मोटी एजी फिल्मों के संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों का प्रायोगिक और प्रारंभिक अध्ययन". Physical Review B. 72 (23): 235418. Bibcode:2005PhRvB..72w5418T. doi:10.1103/PhysRevB.72.235418.

[8] Sakaki, H. (2002). "Prospects of advanced quantum nano-structures and roles of molecular beam epitaxy". आणविक बीन एपिटैक्सी पर अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन. p. 5. doi:10.1109/MBE.2002.1037732. ISBN 978-0-7803-7581-9. S2CID 29612904.

[9] Mata, Maria de la; Zhou, Xiang; Furtmayr, Florian; Teubert, Jörg; Gradečak, Silvija; Eickhoff, Martin; Fontcuberta i Morral, Anna; Arbiol, Jordi (2013). "एक नैनोवायर में MBE के विकसित 0D, 1D और 2D क्वांटम संरचनाओं की समीक्षा". Journal of Materials Chemistry C. 1 (28): 4300. Bibcode:2013JMCC....1.4300D. doi:10.1039/C3TC30556B.

[10] 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, J. J. (2016). "सिलिकॉन पर मोनोलिथिकली इंटीग्रेटेड हाई-β नैनोवायर लेजर". Nano Letters. 16 (1): 152–156. Bibcode:2016NanoL..16..152M. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03404. PMID 26618638.

[11] Mayer, B., et al. "Long-term mutual phase locking of picosecond pulse pairs generated by a semiconductor nanowire laser". Nature Communications 8 (2017): 15521.

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