MBE的工作原理及優(yōu)缺點

MBE的工作原理及優(yōu)缺點1編輯課件概述2編輯課件分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，簡稱MBE)是在超高真空的條件下，把一定比例的構(gòu)成晶體的各個組分和摻雜原子(分子)以一定的熱運動速度噴射到熱的襯底表面來進(jìn)行晶體外延生長的技術(shù)。主要用于半導(dǎo)體薄膜制備（超薄膜、多層量子結(jié)、超晶格）；新一代微波器件和光電子器件的主要技術(shù)方法3編輯課件發(fā)展過程20世紀(jì)70年代初由美國BELL實驗室開創(chuàng)70年代中期，我國中科院物理所和半導(dǎo)體所開始對MBE的探索，80年出產(chǎn)首臺MBE。1986年，GaAs（砷化鎵）/Al-GaAs系材料開始進(jìn)入器件應(yīng)用階段目前，研發(fā)人造結(jié)構(gòu)(自然界不存在)4編輯課件MBE設(shè)備高真空生長室：

源發(fā)射爐、襯底夾、加熱器過程控制系統(tǒng)：閘門、熱電偶、加熱器控制監(jiān)測、分析系統(tǒng)：

高能電子、衍射儀質(zhì)譜儀、俄歇分析儀5編輯課件MBE的生長系統(tǒng)目前最典型的MBE系統(tǒng)是由進(jìn)樣室、預(yù)備分析室、和外延生長室串連而成。進(jìn)樣室用于換取樣品，可同時放入多個襯底片。預(yù)備分析室可對襯底片進(jìn)行除氣處理，通常在這個真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析儀器。外延生長室是MBE系統(tǒng)中最重要的一個真空工作室，配置有分子束源、樣品架、電離記、高能電子衍射儀和四極質(zhì)譜儀等部件。6編輯課件生長室預(yù)處理室進(jìn)樣室緩沖室小車7編輯課件基本原理MBE的原理：利用在超高真空（內(nèi)腔〈10（-10）torr）環(huán)境下，加熱（對于cell的控溫精密掌握）材料源蒸鍍其分子，氣體分子在成長腔內(nèi)的平均自由路徑大于蒸鍍源至基板之間的距離，可視為使蒸鍍物質(zhì)以分子束依直線行走而直接到達(dá)連基板2進(jìn)行磊晶成長。8編輯課件1.源蒸發(fā)形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向襯底；

2.分子束在襯底上進(jìn)行外延生長。從生長過程看，MBE有三個基本區(qū)域：分子束產(chǎn)生區(qū)、各分子束交叉混合區(qū)、反應(yīng)和晶化過程區(qū)。

3.從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附

4.被吸附的分子（原子）在表面遷移、分解

5.原子進(jìn)入晶格位置發(fā)生外延生長

6.未進(jìn)入晶格的分子因熱脫附而離開表面9編輯課件MBE優(yōu)點

1外延生長的溫度較低，是一種有效的低溫外延技術(shù),降低了外延的自摻雜和外擴(kuò)散,有利于提高外延層的純度和完整性；2外延材料表面形貌好，而且面積較大均勻性較好；3可精確控制摻雜分布,可以制成不同摻雜劑或不同成份的多層結(jié)構(gòu)；4利用各種元素的粘附系數(shù)的差別，可制成化學(xué)配比較好的化合物半導(dǎo)體薄膜。5.MBE的生長不是在熱平衡條件下進(jìn)行的，可生長按照普通熱平衡方法難以生長的薄膜材料，易于生長多種新型材料。如在GaAs襯底上生長AlGaAs材料10編輯課件6分子束使用超高真空：a.高真空使原子的平均自由程超過蒸發(fā)距離，使淀積率高，膜致密；b.超高真空使外延層缺陷密度降低；

c.超高真空才會使膜質(zhì)高純。

d.高真空，可用多種表面分析儀器（例如四極質(zhì)譜儀、反射式高能衍射儀、俄歇電子譜儀、二次離子譜儀和X射線光電子能譜儀等。）對外延生長表面情況、外延層結(jié)晶學(xué)和電學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行原位檢測和質(zhì)量評價。這保證了外延層質(zhì)量。7由于基本能夠旋轉(zhuǎn)，保證了外延膜的均勻性。8特別適合于薄層外延，過渡區(qū)窄.11編輯課件MBE缺點維護(hù)和設(shè)備費用高分子束外延作為已經(jīng)成熟的技術(shù)早已應(yīng)用到了微波器件和光電器件的制作中。但由于分子束外延設(shè)備昂貴而且真空度要求很高，所以要獲得超高真空以及避免蒸發(fā)器中的雜質(zhì)污染需要大量的液氮，因而提高了日常維持的費用。生長速率慢MBE能對半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)進(jìn)行選擇摻雜，大大擴(kuò)展了摻雜半導(dǎo)體所能達(dá)到的性能和現(xiàn)象的范圍。調(diào)制摻雜技術(shù)使結(jié)構(gòu)設(shè)計更靈活。但同樣對與控制、平滑度、穩(wěn)定性和純度有關(guān)的晶體生長參數(shù)提出了嚴(yán)格的要求，如何控制晶體生長參數(shù)是應(yīng)解決的技術(shù)問題之一。量產(chǎn)最大的是一次7片6英寸的設(shè)備。12編輯課件對溫度控制要求高溫度太低：可能生長出多晶或非晶溫度太高：會使吸附的原子再次蒸發(fā)而脫落MEE技術(shù)自1986年問世以來有了較大的發(fā)展，但在生長III-V族化合物超薄層時，常規(guī)MBE技術(shù)存在兩個問題：1.生長異質(zhì)結(jié)時，由于大量的原子臺階，其界面呈原子級粗糙，因而導(dǎo)致器件的性能惡化;2.由于生長溫度