MBE.ppt
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分子束外延(MBE)结构简介,材料一组罗扩郎,主要内容,MBE的发展简要回顾MBE的一般结构MBE生长过程及特点MBE的发展趋势,一、MBE的发展简要回顾,分子束外延(MolecularBeamEpitaxy,简称MBE)是上世纪70年代在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备极薄的单层或多层单晶薄膜的一种技术,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。
MBE的发展简要回顾,1968年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,AYCho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GaAsAIGaAs超晶格材料,从而引起了人们的关注。
MBE的发展简要回顾,1979年TW,Tsang将MBEGaAsA1GaAsDH激光器的阈值电流密度降到1kAcm2以下,达到LPE水平,这是MBE发展史的第二个里程碑,从此,MBE被公认为是发展新一代半导体器件的关键技术而受到愈来愈广泛的重视,这其中美(IBM)日英走在了前面。
我国于80年代初由半导体所和物理所分别研制出了自己的MBE设备。
二、MBE的一般结构,目前最典型的MBE系统是由进样室、预备分析室、和外延生长室串连而成。
进样室用于换取样品,可同时放入多个衬底片。
预备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、SIMIS、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的一般结构,MBE的一般结构,MBE的一般结构,分子束从束源炉(Knudseneffusioncell)中产生,束源炉温度由PID或者计算机精确控制,并通过热偶提供温度反馈。
分子束流的大小主要由束源炉的温度决定,其稳定度可达1。
束流强度由几何关系推导出,但实际受坩埚的锥度、口径、液面与炉口的距离等因素影响。
MBE的一般结构,MBE的一般结构,RHEED是最重要的设备。
高能电子枪发射电子束以1-3度掠射到基片表面后,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。
三、MBE生长过程及特点,1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面物理化学吸附。
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品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生长过程及特点,MBE的生长速度慢(几微米/时),可在原子尺度范围内精确地控制外延层的厚度、界面平整度和掺杂分布,结合掩膜技术,可以制备具有二维和三维结构的薄膜。
MBE的生长温度远低于热力学平衡态,可随意改变外延层的组分和掺杂。
与其它的外延技术相比,MBE的另一显著的优点是系统处于超高真空,可以进行RHEED、AES等实时监控,便于精确控制生长过程。
MBE生长过程及特点,MBE设备复杂繁多且昂贵。
生长条件苛刻,要在MBE外延生长中取得较好的生长效果,对生长前载入系统的衬底表面平整度要求非常高,需去除表面的有机玷污和某些金属玷污,同时还要进行晶片表面损伤层的去除和表面抛光。
应该在实验使用的样品具体情况下,综合考虑各种相关因数,探索出合适的化学处理步骤,才能得到满意的实验结果。
四、MBE的发展趋势,子束外延法是制备新型器件较为有用的方法,但是有其缺点,例如VA族元素的交叉污染、蒸气压极低或极高的物质均难进行正常的分子束外延。
于是人们结合其他生长技术不断改进MBE:
MBE与VPE并用,就是在分子束外延时难挥发或易挥发的元素的分子源用化合物来代替。
在淀积过程中有化学反应产生,此时生长速度可以大大增加。
MBE与离子束并用,把某些分子离子化,则离子束可以加速和偏转,并可进行扫描,同时也可以增加吸着系数,有利于掺杂过程。
MBE的发展趋势,气态源分子束外延(GSMBE),也称化学束外延(CBE),外延过程中能精确地控制气体,兼有MBE和MOCVD两项技术的优点。
束源炉的改进。
LaserMBE(激光分子束外延),这是80年代末发展起来的一种新型固态薄膜沉积技术,我国也于90年代中期研制出了自己的L-MBE。
它集普通脉冲激光沉积(PulsedLaserDeposition,PLD)和传统分子束外延的优点于一体。
MBE的发展趋势,激光光分子束外延是用生长薄膜的基本过程是,将一束强脉冲紫外激光束聚焦,通过石英窗口进入生长室入射到靶上,使靶面局部瞬间加热蒸发,随之产生含有靶材成份的等离子体羽辉,羽辉中的物质到达与靶相对的衬底表面淀积成膜,并以原子层或原胞层的精度实时控制膜层外延生长。
交替改换靶材,重复上述过程,则可在同一衬底上周期性的淀积多膜层或超晶格。
下图为L-MBE的简单示意图。
MBE的发展趋势(L-MBE),MBE的发展趋势(L-MBE),研究发现,无论激光以什么方向和角度入射,等离子体一般总是以入射点的法线为轴线、呈羽状向外膨胀,如图:
MBE的发展趋势,分子束外延法适宜于研究表面态和制备超薄层和多层的新器件,MBE在基本的电子器件结构上占优势,而MOCVD将在光学器件上占优势,从分子束外延法的发展过程看,分子束外延法在制备新型材料和新型器件,特别是集成光路方面可能成为有效的手段。
MBE和MOCVD是目前最好的外延生长技术,两者各有优势。
但是两者都是在不断发展,相互借鉴,推动着各自的发展。
谢谢,
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