分子束外延生長的原理及特點

分子束外延，就是在超高真空系統(tǒng)中把所需要的結(jié)晶材料放入到噴射爐中，將噴射爐加熱。使結(jié)晶材料形成分子束，從爐中噴出后，沉積在溫度保持在幾百度的單晶基片上。如果設(shè)置幾個噴射爐，就可以制取多元半導(dǎo)體混晶，又可以同時進(jìn)行摻雜。由于采用四極質(zhì)譜儀對分子束的強(qiáng)度、相對比進(jìn)行監(jiān)控，并將測到的信息反饋到各個噴射爐，就可以精確地控制結(jié)晶生長。如果再裝上高能電子衍射儀及其他分析儀器，則可以進(jìn)行沉積系統(tǒng)中結(jié)晶生長過程的研究。

利用分子束外延不僅制取了雙質(zhì)結(jié)激光器、三維介質(zhì)集成光波導(dǎo)，還可以用此法使二種光波導(dǎo)重疊地生長在同一基片上，制成了從一個波導(dǎo)移向另一個波導(dǎo)的錐形輞合器，其耦合系數(shù)接近于100%。

MBE法與其他液相、氣相外延生長法相比較，其特點是，

①分子束外延生長是在超高真空下進(jìn)行的，殘余氣體對膜的污染少，可保持極清潔的表面。

②生長溫度低，如生長GaAs只有500~600℃，Si只有500℃。

③生長速度慢，(1~10μm/h)?？缮L超薄(幾個μm)而乎整的膜，膜層厚度、組分和雜質(zhì)濃度均可進(jìn)行精確地控制。

④可獲得大面積的表面和界面有原子級平整度的外延生長膜。

⑤在同一系統(tǒng)中，可原位觀察單晶薄膜的生長過程，可以進(jìn)行生長機(jī)制的研究。

外延生長的缺點是時間長，大批量生產(chǎn)性差，對真空條件要求高。

影響分子束外延的因素

1、外延溫度

為了引起外延，基片的溫度應(yīng)達(dá)到某一溫度值，即有必要加熱到外延溫度以上，當(dāng)溫度低于外延溫度時則不能引起外延。而且外延溫度還與其他條件有關(guān)，不同條件下的外延溫度是不同的。

2、基片結(jié)晶的臂開

在過去的常規(guī)研究方面，基片結(jié)晶是在大氣下臂開(機(jī)械折斷產(chǎn)生結(jié)晶面)而后放入真空裝置中來制取外延單晶膜。目前已經(jīng)研究了晶面一旦臂開就立刻進(jìn)行制膜的方法。由于這兩種方法不同，其外延溫度也有所不同?；Y(jié)晶在真空下臂開而引起的處延臨界溫度的不同值，如下圖所示。

基片結(jié)晶的臂開

在10 Pa真空度下，臂開的表面，在1秒鐘時間內(nèi)即可被殘余氣體的單原于層所覆蓋，若在10 ~10 Pa真空條件下臂開而立即進(jìn)行蒸鍍，則外延溫度應(yīng)當(dāng)更進(jìn)一步地降低，但實險表明，并非如此。如M和A，在高真空下進(jìn)行外延蒸鍍與在超高真空下進(jìn)行外延蒸鍍，其結(jié)果并沒有多少差別。然而，cu、Ag、Au在超高真空下，使(001)面同基片相平行，則很難生成單晶膜，這說明對Cu、Ag、Au進(jìn)行外延蒸鍍時，基片表面還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈廴尽?/p>

4、蒸發(fā)速度影響

如果降低蒸發(fā)速度，外廷溫度Te也降低，如下圖所示，在NaCl上面蒸鍍外延Au時，NaCl上面的平行方位的蒸鉸速度降低，就可以在較低的基片溫度下進(jìn)行晶體外延。

蒸發(fā)速度影響

分子束外延裝置

MBE裝置由樣品進(jìn)樣室、預(yù)處理分析室和牛K竄等組成。竄間用閘扳閥隔開，以確保生長室的超高真空與清潔。

根據(jù)MBE系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相應(yīng)地配置真空系統(tǒng)。根據(jù)要求，3個室的真空配置的配置泵的系統(tǒng)并非一樣：

(1)進(jìn)樣室。真空度為1.33 x10-6~1 33 x10 Pa。在l 33×10 ~1.33×10 Pa段用吸附泵或渦輪分子加離子泵；1.33×10 Pa時用渦輪分子泵；1.33 x 10 Pa時用渦輪分子泵或其他泵加閉路循環(huán)液氮低溫泵。

(2)預(yù)處理分析室。真空度為1 33×10 Pa，由400L/s抽速的離子泵獲得。

(3)生長室。真空度為1.33 x 10 Pa。要按生長室的容積大小和所用的生長材料的陣質(zhì)來配置。用大抽速帶冷阱的特種油擴(kuò)散泵、大抽速渦輪分子泵、太抽速閉路循環(huán)液氮低溫泵、大抽速離子泵等四種泵為主泵，再輔以鈦升華泵。

分子束外延技術(shù)的發(fā)展

分子束外延自20世紀(jì)60年代末在真空蒸鍍的基礎(chǔ)上產(chǎn)生以來，發(fā)展十分迅速。其中之一是引入氣態(tài)的分子束源，構(gòu)成所謂化學(xué)束外延(CBE)。用砷烷(AsH3)和磷烷(PH)生長InGaAsP等四元材料，或?qū)⒔饘儆袡C(jī)化合物引入分子束源形成所謂金屬有機(jī)化合物分子束外延(MOMBE)。這兩項新技術(shù)是把MBE和目前發(fā)展很快的金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步改進(jìn)了MBE的生長和控制能力。

把分子束外延和脈沖激光結(jié)合起來，發(fā)展成所謂激光分子束外延(L-MBE)技術(shù)。它是用激光照射靶來代替分子(原子)束源，更容易實現(xiàn)對蒸發(fā)過程精確的控制，顯示了比常規(guī)分子束外延更加廣闊的應(yīng)用前景。

分子束外延可能的應(yīng)用領(lǐng)域由：在高溫超導(dǎo)薄膜和器件的研究和應(yīng)用方面將由于L-MBE能夠人工控制原子層的有秩序堆積，可以外延生長發(fā)揮重要作用，出含有幾個原子層組成絕緣層(I)的YBCO/I/YBCO夾心結(jié)構(gòu)，具備研制三層夾心型超導(dǎo)隧道結(jié)的條件；外延生長含有低熔點、易揮發(fā)的多元化合物半導(dǎo)體薄膜，在精確調(diào)整化合物成分比以便調(diào)節(jié)隙寬度方面具有優(yōu)勢；人工合成具有特殊層狀晶體結(jié)構(gòu)的新型材料，探索新型高溫超導(dǎo)體或具有特殊性質(zhì)的新材料；激光分子束外延在研究和發(fā)展多元金屬間化合物、亞穩(wěn)態(tài)材料方面也可能有應(yīng)用的前景。