MBE

分子束外延生长（MBE）MBE技术是在超高真空条件下，用其组元的分子（或原子）束喷射到衬底上生长外延薄层的技术。现代MBE生长系统的背景真空度可达1.33×10-10Pa，分子束与分子束以及分子束与背景分子之间不发生碰撞。MBE技术的关键III,V族元素分别加热到温度Ti,Tj形成的束引入到温度为Ts的衬底上生长薄膜，要仔细选择Ts，使多余的V族元素从衬底表面蒸发以生长化学配比材料合适的生长温度使吸附的原子有足够的能量迁移到合适的平衡位置进行外延生长温度太低：可能生长出多晶或非晶温度过高：会使吸附的原子再次蒸发而脱附MBE设备真空系统、生长系统、监控系统生长系统：进样室、预处理室（衬底存储室）、生长室监控系统：四极质谱仪：真空度检测，监测残余气体和分子束流的成分电离计：测量分子束流量电子衍射仪：观察晶体表面结构以及生长表面光洁平整度俄歇谱仪：检测表面成分、化学计量比和表面沾污等生长过程与生长原原理生长过程：1.源蒸发形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向衬底；2.分子束在衬底上进行外延生长从生长过程看，MBE有三个基本区域：分子束产生区、各分子束交叉混合区、反应和晶化过程区MBE生长的动力学过程1.从源射出的分子束撞击衬底表面被吸附2.被吸附的分子（原子）在表面迁移、分解3.原子进入晶格位置发生外延生长4.未进入晶格的分子因热脱附而离开表面粘附系数粘附系数=生长在衬底上的分子数/入射分子数Ga与GaAs衬底表面发生化学吸附，一般吸附系数为1V族原子（As）先是物理吸附，经过一系列物理化学过程后转为化学吸附，其粘附系数与衬底表面状态及衬底温度有关不同的As源对应不同的物理化学过程Ga源：GaAs源：As或GaAsAs:As4分子束，缺点：束流大，难于控制，特别是对As+P固溶体无法控制比例优点：可分别控制Ga和AsGaAs:As2分子束优点：束流大小合适，易于控制缺点：无法分别控制Ga和AsGaAs源，衬底温度在775k～800k时，按Ga:As=1:10射Ga,As可得到Ga:AS为1:1的GaAs,As2的粘附系数为0.1～0.15As源没有Ga束入射时，As4的粘附系数为0，有Ga束入射时，As4的粘附系数增大450K以下时，As4不分解450k以上时，As4能发生分解而生成AsMBE技术的主要特点1.在超高真空下生长，污染很少，可生长出高纯度外延材料2.生长速度为一般为0.1～10个单原子层/s，通过挡板的快速开关可实现束流的快速切换从而达到外延层厚度、组分、掺杂的精确控制3.衬底温度低，可减少异质结界面的互扩散、易于生长突变结4.MBE生长不是热平衡条件下进行的，可生长按普通热平衡方法难以生长的薄膜材料。易于生长多种新型材料5.MBE生长为二维生长模型，使外延层的表面界面具有原子级的平整度（RHEED强度周期性地对应于单分子层的厚度）6.高真空，可用多种表面分析仪器对外延生长过程进行实时原位监测并随时提供有关生长速度、外延层表面形貌、组分等各种信息，便于进行生长过程和生长机理的研究7.MBE设备可与其他半导体工艺设备实行真空连接，使外延材料生长、蒸发、离子注入及刻蚀等在真空条件下连续进行，提高器件性能及成品率化学束外延生长CBE产生背景：MBE使用固态源，生长相关固溶体时，不易通过加热As，P固态源精确，重复控制其组分比CBE：气态源MBEMO-MBE用III族元素的MO源代替Al,Ga,In等固态源用AsH3,PH3代替V族元素源在MBE生长系统中进行外延生长基本上综合了MBE与MOVPE技术的优点，特别适合于MBE难以生长的具有高蒸气压的磷化物材料。比较MBE、MOVPE与CBE的生长机理MBE：III族元素以原子或分子束形式射向衬底，吸附→晶化（脱附）MOVPE：MO在气流中和衬底表面两处进行热分解的过程，在气流中分解生成的III族原子通过边界层扩散到达衬底表面CBE：MO只在衬底表面热分解，不存在边界层，原子层外延（Atomiclayerepitaxy）、分子层外延MLE组成化合物的两种元素源（气或束流）分别引入生长室，交替在衬底上沉积。每交替（引入）一次就在衬底上外延生长一个单分子层，外延生长的速度取决于组元在衬底上交替吸附所需时间实际生长中可采用脉冲输送源的方式ALE是一种生长“模式”，它没有自己“专用”设备，VPE、MBE、CBE设备均可进行ALE生长1.ALE的生长机理2.ALE的生长自动停止机构（SLM）以Ga、In及As、P元素为源的情况As、P较高的蒸气压起SLM作用以TMG为源的情况TMG为电子的接受体，As是电子的给予体烷基R起SLM作用ALE外延技术的特点1.精确的厚度控制和良好的重复性2.由于是单层生长，易于生长具有原子级突变结界面3.外延层厚度均匀性好，基本不受基座结构和气流形状、流速等参数影响，总厚度只取决于交替生长的周期数，有“数字外延”之称4.表面质量好，可生出镜面式外延层表面第七章作业1.解释：MOVPE、MBE、CBE、ALE、二步外延法、双气流MOVPE2.依据相图，LPE生长GaAs时说明如何从A点开始外延生长。3.为什么从70年代初就对GaN开展了研究工作但一直进展缓慢？4.在生长III-V族化合物时指出MBE、MOVPE和CBE法使用的III族源及各自的生长机理。