分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展

分子束外延技术（MBE）的原理及其制备先进材料的研究进展学号：XXXXXXXXXX姓名：XX主要内容MBE原理MBE前沿介绍分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，简称MBE)：它是在超高真空的条件下，把一定比例的构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的衬底表面来进行晶体外延生长的技术。注：超高真空(UltrahighVacuum)指的是真空压力至少低于1.33x10-8Pa。外延生长：在一个晶体表面上生长晶体薄膜，并且得到的薄膜和衬底具有相同的晶体结构和取向。MBE原理—定义1968年，美国Bell实验室的Arthur首先进行了Ga和As在GaAs表面的反应动力学研究，奠定了MBE的理论基础。1969-1972年间，Bell实验室的A.Y.Cho进行了MBE的开创性研究，用MBE生长出了高质量的GaAs薄膜单晶及n型、p型掺杂，制备出了多种半导体器件，而且生长出第一个GaAs／AIGaAs超晶格材料，从而引起了人们的关注。1979年T.W.Tsang将MBE法制备的GaAs／AlGaAsDH激光器的阈值电流密度降到1KA／cm2以下，使其能在室温下工作，达到了LPE水平。MBE原理—历史目前最典型的MBE设备是由进样室、预处理和表面分析室、外延生长室三个部分串连构成。M600MBE原理—系统进样室（装样、取样、对衬底进行低温除气）：进样室用于换取样品，可同时放入多个衬底片。预处理和表面分析室：可对衬底片进行除气处理，通常在这个真空室配置AES、XPS、UPS等分析仪器。外延生长室：是MBE系统中最重要的一个真空工作室，配置有分子束源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件。MBE原理—系统MBE系统略图荧光屏MBE原理—系统束源炉反射高能电子衍射仪（ReflectionHigh—EnergeElectronDiffraction，RHEED）是十分重要的设备。高能电子枪发射电子束以1~3°掠射到基片表面后，经表面晶格衍射在荧光屏上产生的衍射条纹可以直接反映薄膜的结晶性和表面形貌，衍射强度随表面的粗糙度发生变化，振荡反映了薄膜的层状外延生长和外延生长的单胞层数。MBE原理—系统MBE生长过程的三个基本区域1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面进行物理或化学吸附。2.吸附分子在表面的迁移和分解。3.组分原子与衬底或外延层晶格点阵的结合或在衬底表面成核。4.未与衬底结合的原子或分子的热脱附。MBE原理—生长的动力学过程衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。生长速率低，大约1μm/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结等，特别适于生长超晶格材料和外延薄膜材料。但是，极低的生长速率也限制了MBE的生产效率，同时考虑到昂贵的设备，使其无法进行大规模生产。受衬底材料的影响较大，要求外延材料与衬底材料的晶格结构和原子间距相互匹配，晶格失配率要≤7%。能独立控制各蒸发源的蒸发和喷射速度，从而能制备合金薄膜。MBE原理—特点总结MBE制膜并不以蒸发温度为控制参数，而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代仪器时时监测分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程与生长速率。另一方面，复杂的设备也增大了生产成本。在各加热炉和衬底之间分别插有单个的活门,可以精确控制薄膜的生长过程。通过对活门动作的适当安排,可以使各射束分别在规定的时间间隔内通过或关断。单个束源炉中必须使用高纯度原料。MBE原理—特点总结MBE前沿介绍制备GaNAs基超晶格太阳能电池理论计算表明,对于GaInP/GaAs/Ge三结电池来说,当在GaAs电池与Ge电池之间再增加一个带隙在1eV左右的子电池将会进一步提高多结太阳能电池的效率。由于四元合金Ga1-xInxNyAs1-y带隙可调控至1eV且能与GaAs或Ge衬底实现晶格匹配(当x≈3y),于是成为研究多结太阳能电池的热门材料。然而,众多研究发现,In和N共存于GaInNAs中会导致成分起伏和应变,并导致In团簇的产生以及与N元素有关的本征点缺陷等,这些问题的存在使得高质量的GaInNAs基电池很难得到。一种解决方法是利用In和N空间分离的GaNAs/InGaAs超晶格替代四元合金GaInNAs材料。这就必须借助于MBE设备工艺。MBE前沿介绍北京科技大学的研究团队设计了如下实验方案：设备：Veeco公司生产的Gen20A全固态MBE系统；目标物：GaN0.03As0.97/In0.09Ga0.91As短周期超晶格结构；原料：生长过程是在半绝缘GaAs衬底的(001)面上进行的,Si和Be分别作为GaAs的n型和p型掺杂源。工艺：生长之前,需在生长室内对GaAs衬底进行高温(~600℃)脱氧处理10min;然后,将GaAs衬底温度从600℃降为580℃,生长300nm厚度的GaAs缓冲层以获得更好的外延生长表面;最后,将生长温度降至480℃,进行GaNAs/InGaAs超晶格的生长和后续电池中10周期数的GaNAs/InGaAs超晶格有源区的生长。（GaNAs/InGaAs超晶格中阱层和垒层厚度相同,总厚度为0.2μm。在总厚度不变的条件下,周期厚度在6~30nm之间变化。）MBE前沿介绍实验结论：周期厚度为20nm时，所制备的超晶格电池的短路电流密度达到10.23mA/cm2,大大高于一些已报道的GaInNAs电池。MBE前沿介绍制备高发光性能InN光通讯波段的高性能硅基光电子器件的制备不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要。虽然硅材料的制备和应用技术已经非常成熟，但由于硅材料是间接带隙半导体，其发光效率较低，因此通过在硅衬底上异质外延高发光性能的Ⅲ一VA族半导体材料的方法来获得所需的光性能是一个很好的选择。在所有氮化物半导体中，InN具有最高的饱和电子漂移速度、最小的电子有效质量及最高的电子迁移率，并且InN材料特性受温度的影响非常小。虽然硅基InN材料在性能和应用方面有种种优势，但是目前研究进展并不顺利。一方面，六方InN材料沿a轴方向与Si(111)衬底仍存在约8％的晶格失配，外延过程中会引人大量的缺陷；另一方面，InN材料具有较低的分解温度和较高的氮平衡蒸气压从而导致高质量的InN材料很难制备。此时，利用MBE技术通过低温外延InN或高温外延AlN作为缓冲层是提高InN材料质量的有效途径。MBE前沿介绍吉林大学的研究团队设计了如下实验方案：设备：用德国CREATEC公司的RF—MBE系统进行(本底真空度为3X10-8Pa)；原料：活性氮由5N高纯氮气经纯化器、射频离化后提供，铟束流采用束源炉加热6N高纯铟提供；工艺：在Si(111)衬底上外延制备了一组InN样品，编号为A、B、C、D。首先，分别使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗衬底5min。烘干后的衬底导入生长室中900℃热处理1h，然后沉积厚度分别为0，0.1，0.5，1nm的In插入层，在400℃下生长30nm厚的InN缓冲层，最后提高温度至475℃生长170nm厚的InN外延层。对外延制备的InN样品分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、吸收光谱以及x射线光电子能谱(XPS)等进行测试分析。MBE前沿介绍实验结论：样品C的c轴晶格常数为0.5702nm，与c的理论值(0.5703nm)最为接近，表明样品中应力得到了有效的释放；在没有In插入层的样品中，Si衬底表面会与活性N原子反应形成无定形的SixNy材料，从而降低后续外延InN材料的晶体质量。0.5nm厚的In插入层较为合适，能够有效地抑制衬底表面SixNy材料的形成，有助于提高外延InN样品的晶体质量及光学特性。MBE前沿介绍拓扑绝缘体薄膜微器件近年来，拓扑绝缘体因其独特的电子结构和性质成为凝聚态物理研究的热点领域。三维拓扑绝缘体具有绝缘型的体能带和受时间反演对称性保护的金属型表面态，这种表面态在动量空间具有狄拉克型的色散关系，并且在狄拉克点之外的地方是自旋非简并的，这种独特的拓扑表面态有可能导致多种新奇的量子现象，如表面量子霍尔效应、激子凝聚现象、量子反常霍尔效应等。三维拓扑绝缘体己经在很多材料中被预言或发现，其中Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因为其简单的表面态结构、较大的体能隙、较易制备等优点成为目前研究最多的一类三维拓扑绝缘体材料。拓扑绝缘体很多独特的输运性质需要在微米尺度甚至亚微米尺度的结构中才能观测到。因此，必须将其加工成微器件。但是，传统的制备工艺一般需要对其进行紫外光刻或电子束刻蚀，这样就可能显著改变载流子浓度和迁移率，从而影响各种量子效应的观测。为了避免传统制备工艺的缺陷，中科院物理研究所的科研团队借助MBE设计了新工艺。MBE前沿介绍实验方案简述如下：原料：从合肥科晶购买的STO（111）单晶衬底，将其切成2mmx5mm大小。工艺：将STO衬底利用紫外光预先刻蚀出一个具有Hallbar器件形状、高度为几十纳米的凸平台。以这样的凸平台为模板，利用MBE直接生长出具有Hallbar形状的拓扑绝缘体（BixSb1-x）2Te3薄膜。