分子束外延技術(shù)

分子束外延技術(shù)目錄分子束外延原理分子束外延設(shè)備分子束外延工藝國內(nèi)外進(jìn)展1引言分子束外延（MolecularBeamEpitaxy,MBE）

在超高真空環(huán)境下，使具有一定熱能的一種或多種分子（原子）束流噴射到襯底，在襯底表面發(fā)生反應(yīng)的過程，由于分子在“飛行”過程中幾乎與環(huán)境氣體無碰撞，以分子束的形式射向襯底，進(jìn)行外延生長，故此得名。始創(chuàng)：20世紀(jì)70年代初期，卓以和，美國Bell實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用：外延生長原子級精確控制的超薄多層二維結(jié)構(gòu)材料和器件（超晶格、量子阱、調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)、量子阱激光器、高電子遷移率晶體管等）；結(jié)合其他工藝，還可制備一維和零維的納米材料（量子線、量子點(diǎn)等）。

2分子束外延原理分子束外延原理示意圖在超高真空系統(tǒng)中，將組成化合物中的各個(gè)元素和摻雜元素分別放入不同的源爐內(nèi)。加熱源爐使它們的分子（原子）以一定的熱運(yùn)動(dòng)速度和一定的束流強(qiáng)度比例噴射到襯底表面上，與表面相互作用，進(jìn)行單晶薄膜的外延生長。各源爐前的擋板用來改變外延層的組份和摻雜。根據(jù)設(shè)定的程序開關(guān)擋板、改變爐溫和控制生長時(shí)間，就可以生長出不同厚度、不同組份、不同摻雜濃度的外延材料。3分子束外延原理外延表面反應(yīng)過程4分子束外延原理（1）從源爐噴出的分子（原子）以“分子束”流形式直線到達(dá)襯底表面，可嚴(yán)格控制生長速率。（2）分子束外延的生長速率較慢，大約0.01~1nm/s?？蓪?shí)現(xiàn)單原子（分子）層外延，具有極好的膜厚可控性。（3）通過調(diào)節(jié)束源和襯底之間的擋板的開閉，可嚴(yán)格控制膜的成分和雜質(zhì)濃度，也可實(shí)現(xiàn)選擇性外延生長。（4）非熱平衡生長，襯底溫度可低于平衡態(tài)溫度，實(shí)現(xiàn)低溫生長，可有效減少互擴(kuò)散和自摻雜。（5）配合反射高能電子衍射（RHEED）等裝置，可實(shí)現(xiàn)原位觀察、實(shí)時(shí)監(jiān)測。5MBE的典型特點(diǎn)：分子束外延設(shè)備MBE系統(tǒng)真空機(jī)械電子材料自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)

MBE設(shè)備適合于研發(fā)具有超精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的外延材料，它是一種超高真空的精密儀器，生長室的極限真空可達(dá)10-11Torr。6分子束外延設(shè)備7分子束外延設(shè)備8分子束外延設(shè)備計(jì)算機(jī)真空系統(tǒng)真空腔室真空泵真空閥門真空計(jì)控制與監(jiān)測系統(tǒng)真空度監(jiān)測烘烤控制RHEED檢測殘余氣體分析擋板控制源爐溫度控制9分子束外延設(shè)備10分子束外延設(shè)備芬蘭DCA公司P600型MBE系統(tǒng)11分子束外延設(shè)備渦輪分子泵極限壓力為10-9Pa，工作壓力范圍為10-1～10-8Pa，抽氣速率為幾十到幾千升每秒低溫泵極限壓力約為冷板溫度下的被冷凝氣體的蒸氣壓力離子泵極限壓力可達(dá)10-7～10-9Pa真空泵12分子束外延設(shè)備渦輪分子泵結(jié)構(gòu)圖其工作原理基于氣體分子入射到固體表面上一般不做彈性反射，而是停滯一定時(shí)間與表面交換能量，然后以與入射方向無關(guān)的方向脫離，利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)而抽氣的真空泵。渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快，能抗各種射線的照射，耐大氣沖擊，無氣體存儲(chǔ)和解吸效應(yīng)，無油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空渦輪分子泵13分子束外延設(shè)備在正交的電場及磁場作用下，稀薄狀態(tài)氣體會(huì)產(chǎn)生放電，稱為潘寧放電。應(yīng)用這一原理，將陽極分割成若干筒型小室，陰極采用鈦板制成。放電產(chǎn)生的氣體陽離子在電場作用下加速飛向陰極，氣體離子射入陰極與鈦形成鈦化合物而被固定抽除。離子泵

離子泵工作原理圖14分子束外延設(shè)備低溫泵是使用低于20K的金屬表面使氣體凝結(jié)，并保持凝結(jié)物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力，從而達(dá)到抽氣作用低溫泵可以獲得抽氣速率最大、極限壓力最低的清潔真空。低溫泵15分子束外延設(shè)備在低壓強(qiáng)氣體中，氣體分子被電離生成的正離子數(shù)與氣體壓強(qiáng)成正比。電離真空計(jì)是基于在一定條件下，待測氣體的壓力與氣體電離產(chǎn)生的離子流呈正比關(guān)系的原理制作的真空測量儀器。按照離子產(chǎn)生的方法不同，電離真空計(jì)可分為熱陰極電離真空計(jì)和冷陰極電離真空計(jì)真空計(jì)16分子束外延設(shè)備RHEED（reflectionhigh-energyelectrondiffraction）：反射高能電子衍射儀，它是MBE)技術(shù)中進(jìn)行原位監(jiān)測的一個(gè)重要手段。從電子槍發(fā)射出來的具有一定能量(通常為10-30kev)的電子束以1-2°的掠射角射到樣品表面,那么,電子垂直于樣品表面的動(dòng)量分量很小,又受到庫侖場的散射,所以電子束的透入深度僅1-2個(gè)原子層,因此RHEED所反映的完全是樣品表面的結(jié)構(gòu)信息，研究晶體生長、吸附、表面缺陷等方面RHEED監(jiān)測17分子束外延設(shè)備MBE生長時(shí)表面覆蓋度與RHEED衍射強(qiáng)度對比圖18分子束外延設(shè)備殘余氣體分析INFICON公司四極質(zhì)譜儀Hiden

公司四極質(zhì)譜儀19分子束外延設(shè)備四極質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)示意圖20分子束外延設(shè)備源爐RiberMBE系統(tǒng)源爐和擋板MBE系統(tǒng)束源爐中裝有純度為99.9999%以上的高純源材料，比如有Ga、Al、In、Sb、As等。在束源爐內(nèi)材料會(huì)被加熱到適當(dāng)溫度，產(chǎn)生氣態(tài)分子或原子的束流噴射到襯底表面。其中源爐的金屬部件采用高純難熔的金屬鉭，坩堝和絕緣材料采用熱解氮化硼。21分子束外延設(shè)備電阻加熱式源爐22分子束外延工藝在Load-Lock室裝入樣品后，進(jìn)行抽氣和低溫除氣，真空度到達(dá)規(guī)定時(shí)，打開Load-Lock室與準(zhǔn)備室之間的真空閥，將貼有襯底的鉬托傳送到準(zhǔn)備室，在一定溫度下加熱鉬托（一般GaAs不超過400℃、InP不超過300℃），使其充分放氣。真空度達(dá)到要求后，加熱器降溫。將除過氣的鉬托傳送到生長室進(jìn)行生長。當(dāng)襯底溫度升高到某一特定溫度時(shí)，襯底表面氧化物迅速分解，脫離襯底。該變化可以由RHEED圖樣的變化觀察到。一般的，認(rèn)為：GaAs脫氧化物溫度為580℃，InP脫氧化物溫度為540℃。襯底的脫氧現(xiàn)象可用來確定生長時(shí)襯底實(shí)際溫度所對應(yīng)的表觀溫度。23國內(nèi)外成果中科院上海技術(shù)物理研究所：碲鎘汞紅外焦平面技術(shù)，課題組在小批量生產(chǎn)大面積、均勻、高性能的碲鎘汞材料方面居國內(nèi)領(lǐng)先水平、InN基全太陽光譜光伏材料的分子束外延生長和物性研究中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所：ZnO材料中國科學(xué)院物理研究所：InAs/GaAsGaNMn3O4filmsgrownonMgO(001)薛其坤（清華大學(xué)物理系）從事低維納米結(jié)構(gòu)(量子點(diǎn)和量子線)的分子束外延(MBE)生長和變溫隧道顯微鏡(VT-STM)研究。主要是利用MBE技術(shù)分別在Si(001)和Si(111)襯底上生長有序的金屬量子線和全同金屬量子點(diǎn)，利用STM和STS并配合理論計(jì)算研究原子尺度上的結(jié)構(gòu)及其變化和動(dòng)力學(xué)過程。中國科學(xué)院微電子研究所：InGaAsMOSFETs24國內(nèi)外成果中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：李存才數(shù)十年來負(fù)責(zé)微系統(tǒng)所四臺(tái)分子束外延MBE設(shè)備的維運(yùn)。2014年，該所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出了InP基無銻量子阱激光器，制備的2.4微米窄條激光器（6μm×0.8mm）在300K時(shí)閾值電流僅62mA，單面輸出功率超過11mW。此2.4微米InP基無銻量子阱激光器是目前國際上已有報(bào)道中室溫激射波長最長的。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所：低維納米結(jié)構(gòu)和器件的設(shè)計(jì)、加工、組裝、集成技術(shù)為基礎(chǔ)浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：從事硅單晶材料及半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，著重拓展硅外延、太陽能硅材料、硅基光電子材料以及納米硅材料的研究;半導(dǎo)體薄膜領(lǐng)域：在堅(jiān)持ZnO薄膜生長和摻雜特色的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展半導(dǎo)體薄膜在LED照明領(lǐng)域的應(yīng)用;哈爾濱工業(yè)大學(xué)：InAs/GaSb超晶格25國內(nèi)外成果中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

：GaAsGaNGaAs基GaSb體材料及InAs/GaSb超晶格材料的MBE生長，制成高溫連續(xù)激射2微米波段銻化物量子阱激光器，采用分子束外延技術(shù)生長的InGaSb/AlGaAsSb應(yīng)變量子阱激光器，實(shí)現(xiàn)了高工作溫度(T=80℃)連續(xù)激射，激射波長2μm出光功率63.7mW，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

半導(dǎo)體所納米光電子實(shí)驗(yàn)室和超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子束外延(MBE)課題組在獲得了1.7-2.3μm的室溫發(fā)光量子阱材料基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了激光器臺(tái)面腐蝕(刻蝕)、電極制備等工藝，獲得的側(cè)壁陡峭的脊型臺(tái)面、n-GaSb歐姆接觸電阻率1×10-4Ωcm2的激光器結(jié)構(gòu)。結(jié)合激光器外延生長和銻化物工藝，研制出InGaSb/AlGaAsSb應(yīng)變量子阱激光器。激光器采用FP腔窄條8*800μm結(jié)構(gòu)，工作電流450mA時(shí)激射波長1.995μm，激射譜半高寬0.35nm。室溫連續(xù)工作下出光功率達(dá)到82.2mW。進(jìn)一步提高工作溫度至80℃時(shí)激光器仍可以連續(xù)工作，出光功率達(dá)到63.7mW。26國內(nèi)外成果27TheHongKongUniversityofScience&Technology：GaMnAsII-VIsemiconductornanowirestype-IIGaAs/AlAsCrSe/Fe/GaAsthinfilmstructureMBEgrownFe-basednanostructuresironnanowiresUniversityofCalifornia：SiTiO、GaS、GaN、SrTiO3StanfordUniversity：Ge1-xSnxBi2Se3Belllab：GrowthofGaNonSiC(001）Ultra-HighQualityAlGaAs/GaAsHeterostructuresBaSi2epitaxialfilmsIBMT.J.WatsonResearchCenter：singlecrystalSrTiO3grown

GeSnheterojunctiondiodesSandiaNationalLaboratories：third-orderdistributedfeedbackterahertzquantum-cascadelasersMichiganUniversity：GaAs/AlGaAsheterostructureRed-Emitting(λ=610nm)In0.51Ga0.49N/GaNlaser結(jié)語28MBE作為一種高級真空蒸發(fā)