分子束外延技术

分子束外延技术目录分子束外延原理分子束外延设备分子束外延工艺国内外进展1引言分子束外延（MolecularBeamEpitaxy,MBE）在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子（原子）束流喷射到衬底，在衬底表面发生反应的过程，由于分子在“飞行”过程中几乎与环境气体无碰撞，以分子束的形式射向衬底，进行外延生长，故此得名。始创：20世纪70年代初期，卓以和，美国Bell实验室应用：外延生长原子级精确控制的超薄多层二维结构材料和器件（超晶格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阱激光器、高电子迁移率晶体管等）；结合其他工艺，还可制备一维和零维的纳米材料（量子线、量子点等）。2分子束外延原理分子束外延原理示意图在超高真空系统中，将组成化合物中的各个元素和掺杂元素分别放入不同的源炉内。加热源炉使它们的分子（原子）以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到衬底表面上，与表面相互作用，进行单晶薄膜的外延生长。各源炉前的挡板用来改变外延层的组份和掺杂。根据设定的程序开关挡板、改变炉温和控制生长时间，就可以生长出不同厚度、不同组份、不同掺杂浓度的外延材料。3分子束外延原理外延表面反应过程4分子束外延原理•（1）从源炉喷出的分子（原子）以“分子束”流形式直线到达衬底表面，可严格控制生长速率。•（2）分子束外延的生长速率较慢，大约0.01~1nm/s。可实现单原子（分子）层外延，具有极好的膜厚可控性。•（3）通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭，可严格控制膜的成分和杂质浓度，也可实现选择性外延生长。•（4）非热平衡生长，衬底温度可低于平衡态温度，实现低温生长，可有效减少互扩散和自掺杂。•（5）配合反射高能电子衍射（RHEED）等装置，可实现原位观察、实时监测。5MBE的典型特点：分子束外延设备MBE系统真空机械电子材料自动控制计算机MBE设备适合于研发具有超精细复杂结构的外延材料，它是一种超高真空的精密仪器，生长室的极限真空可达10-11Torr。6分子束外延设备7分子束外延设备8分子束外延设备计算机真空系统真空腔室真空泵真空阀门真空计控制与监测系统真空度监测烘烤控制RHEED检测残余气体分析挡板控制源炉温度控制9分子束外延设备10分子束外延设备芬兰DCA公司P600型MBE系统11分子束外延设备涡轮分子泵•极限压力为10-9Pa，工作压力范围为10-1～10-8Pa，抽气速率为几十到几千升每秒低温泵•极限压力约为冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力离子泵•极限压力可达10-7～10-9Pa12分子束外延设备涡轮分子泵结构图其工作原理基于气体分子入射到固体表面上一般不做弹性反射，而是停滞一定时间与表面交换能量，然后以与入射方向无关的方向脱离，利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空涡轮分子泵13分子束外延设备在正交的电场及磁场作用下，稀薄状态气体会产生放电，称为潘宁放电。应用这一原理，将阳极分割成若干筒型小室，阴极采用钛板制成。放电产生的气体阳离子在电场作用下加速飞向阴极，气体离子射入阴极与钛形成钛化合物而被固定抽除。离子泵离子泵工作原理图14分子束外延设备低温泵是使用低于20K的金属表面使气体凝结，并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到抽气作用低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空。低温泵15分子束外延设备在低压强气体中，气体分子被电离生成的正离子数与气体压强成正比。电离真空计是基于在一定条件下，待测气体的压力与气体电离产生的离子流呈正比关系的原理制作的真空测量仪器。按照离子产生的方法不同，电离真空计可分为热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计真空计16分子束外延设备RHEED（reflectionhigh-energyelectrondiffraction）：反射高能电子衍射仪，它是MBE)技术中进行原位监测的一个重要手段。从电子枪发射出来的具有一定能量(通常为10-30kev)的电子束以1-2°的掠射角射到样品表面,那么,电子垂直于样品表面的动量分量很小,又受到库仑场的散射,所以电子束的透入深度仅1-2个原子层,因此RHEED所反映的完全是样品表面的结构信息，研究晶体生长、吸附、表面缺陷等方面RHEED监测17分子束外延设备MBE生长时表面覆盖度与RHEED衍射强度对比图18分子束外延设备残余气体分析INFICON公司四极质谱仪Hiden公司四极质谱仪19分子束外延设备四极质谱仪结构示意图20分子束外延设备源炉RiberMBE系统源炉和挡板MBE系统束源炉中装有纯度为99.9999%以上的高纯源材料，比如有Ga、Al、In、Sb、As等。在束源炉内材料会被加热到适当温度，产生气态分子或原子的束流喷射到衬底表面。其中源炉的金属部件采用高纯难熔的金属钽，坩埚和绝缘材料采用热解氮化硼。21分子束外延设备电阻加热式源炉22分子束外延工艺在Load-Lock室装入样品后，进行抽气和低温除气，真空度到达规定时，打开Load-Lock室与准备室之间的真空阀，将贴有衬底的钼托传送到准备室，在一定温度下加热钼托（一般GaAs不超过400℃、InP不超过300℃），使其充分放气。真空度达到要求后，加热器降温。将除过气的钼托传送到生长室进行生长。当衬底温度升高到某一特定温度时，衬底表面氧化物迅速分解，脱离衬底。该变化可以由RHEED图样的变化观察到。一般的，认为：GaAs脱氧化物温度为580℃，InP脱氧化物温度为540℃。衬底的脱氧现象可用来确定生长时衬底实际温度所对应的表观温度。23国内外成果中科院上海技术物理研究所：碲镉汞红外焦平面技术，课题组在小批量生产大面积、均匀、高性能的碲镉汞材料方面居国内领先水平、InN基全太阳光谱光伏材料的分子束外延生长和物性研究中国科学院西安光学精密机械研究所：ZnO材料中国科学院物理研究所：InAs/GaAsGaNMn3O4filmsgrownonMgO(001)薛其坤（清华大学物理系）从事低维纳米结构(量子点和量子线)的分子束外延(MBE)生长和变温隧道显微镜(VT-STM)研究。主要是利用MBE技术分别在Si(001)和Si(111)衬底上生长有序的金属量子线和全同金属量子点，利用STM和STS并配合理论计算研究原子尺度上的结构及其变化和动力学过程。中国科学院微电子研究所：InGaAsMOSFETs24国内外成果中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室：李存才数十年来负责微系统所四台分子束外延MBE设备的维运。2014年，该所信息功能材料国家重点实验室研制出了InP基无锑量子阱激光器，制备的2.4微米窄条激光器（6µm×0.8mm）在300K时阈值电流仅62mA，单面输出功率超过11mW。此2.4微米InP基无锑量子阱激光器是目前国际上已有报道中室温激射波长最长的。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所：低维纳米结构和器件的设计、加工、组装、集成技术为基础浙江大学硅材料国家重点实验室：从事硅单晶材料及半导体材料的基础科学与应用基础研究，着重拓展硅外延、太阳能硅材料、硅基光电子材料以及纳米硅材料的研究;半导体薄膜领域：在坚持ZnO薄膜生长和掺杂特色的基础上，重点开展半导体薄膜在LED照明领域的应用;哈尔滨工业大学：InAs/GaSb超晶格25国内外成果中国科学院半导体研究所：GaAsGaNGaAs基GaSb体材料及InAs/GaSb超晶格材料的MBE生长，制成高温连续激射2微米波段锑化物量子阱激光器，采用分子束外延技术生长的InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱激光器，实现了高工作温度(T=80℃)连续激射，激射波长2μm出光功率63.7mW，达到国内领先水平。半导体所纳米光电子实验室和超晶格国家重点实验室分子束外延(MBE)课题组在获得了1.7-2.3μm的室温发光量子阱材料基础上，进一步研究了激光器台面腐蚀(刻蚀)、电极制备等工艺，获得的侧壁陡峭的脊型台面、n-GaSb欧姆接触电阻率1×10-4Ωcm2的激光器结构。结合激光器外延生长和锑化物工艺，研制出InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱激光器。激光器采用FP腔窄条8*800μm结构，工作电流450mA时激射波长1.995μm，激射谱半高宽0.35nm。室温连续工作下出光功率达到82.2mW。进一步提高工作温度至80℃时激光器仍可以连续工作，出光功率达到63.7mW。26国内外成果27TheHongKongUniversityofScience&Technology：GaMnAsII-VIsemiconductornanowirestype-IIGaAs/AlAsCrSe/Fe/GaAsthinfilmstructureMBEgrownFe-basednanostructuresironnanowiresUniversityofCalifornia：SiTiO、GaS、GaN、SrTiO3StanfordUniversity：Ge1-xSnxBi2Se3Belllab：GrowthofGaNonSiC(001）Ultra-HighQualityAlGaAs/GaAsHeterostructuresBaSi2epitaxialfilmsIBMT.J.WatsonResearchCenter：singlecrystalSrTiO3grownGeSnheterojunctiondiodesSandiaNationalLaboratories：third-orderdistributedfeedbackterahertzquantum-cascadelasersMichiganUniversity：GaAs/AlGaAsheterostructureRed-Emitting(λ=610nm)In0.51Ga0.49N/GaNlaser结语28MBE作为一种高级真空蒸发形式，在材料化学组分和生长速率控制等方面表现出了卓越的性能，并在金属半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结构场效应晶体管(HFET)、异质结双极晶体管（HBT）等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备中发挥了重要作用。专家认为未来半导体光电子学的重要突破口将是对超晶格、量子阱（点、线）结构材料及器件的研究，而器件和电路的发展一定要依赖于超薄层材料生长技术如分子束外延技术的进步，相信未来分子束外延技术必将为技术的发展做出更加重要的贡献。谢谢