MBE的工作原理及优缺点.ppt

MBE的工作原理及优缺点 陆莹陈嘉岑慧婷牛一峰 概述 分子束外延 MolecularBeamEpitaxy 简称MBE 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 主要用于半导体薄膜制备 超薄膜 多层量子结 超晶格 新一代微波器件和光电子器件的主要技术方法 发展过程 20世纪70年代初由美国BELL实验室开创70年代中期 我国中科院物理所和半导体所开始对MBE的探索 80年出产首台MBE 1986年 GaAs 砷化镓 Al GaAs系材料开始进入器件应用阶段目前 研发人造结构 自然界不存在 MBE设备 高真空生长室 源发射炉 衬底夹 加热器过程控制系统 闸门 热电偶 加热器控制监测 分析系统 高能电子 衍射仪质谱仪 俄歇分析仪 MBE的生长系统 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 基本原理 MBE的原理 利用在超高真空 内腔 10 10 torr 环境下 加热 对于cell的控温精密掌握 材料源蒸镀其分子 气体分子在成长腔内的平均自由路径大于蒸镀源至基板之间的距离 可视为使蒸镀物质以分子束依直线行走而直接到达连基板2进行磊晶成长 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 3 从源射出的分子束撞击衬底表面被吸附4 被吸附的分子 原子 在表面迁移 分解5 原子进入晶格位置发生外延生长6 未进入晶格的分子因热脱附而离开表面 MBE优点 1外延生长的温度较低 是一种有效的低温外延技术 降低了外延的自掺杂和外扩散 有利于提高外延层的纯度和完整性 2外延材料表面形貌好 而且面积较大均匀性较好 3可精确控制掺杂分布 可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构 4利用各种元素的粘附系数的差别 可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜 5 MBE的生长不是在热平衡条件下进行的 可生长按照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 如在GaAs衬底上生长AlGaAs材料 6分子束使用超高真空 a 高真空使原子的平均自由程超过蒸发距离 使淀积率高 膜致密 b 超高真空使外延层缺陷密度降低 c 超高真空才会使膜质高纯 d 高真空 可用多种表面分析仪器 例如四极质谱仪 反射式高能衍射仪 俄歇电子谱仪 二次离子谱仪和X射线光电子能谱仪等 对外延生长表面情况 外延层结晶学和电学性质等进行原位检测和质量评价 这保证了外延层质量 7由于基本能够旋转 保证了外延膜的均匀性 8特别适合于薄层外延 过渡区窄 MBE缺点 维护和设备费用高分子束外延作为已经成熟的技术早已应用到了微波器件和光电器件的制作中 但由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高 所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大量的液氮 因而提高了日常维持的费用 生长速率慢MBE能对半导体异质结进行选择掺杂 大大扩展了掺杂半导体所能达到的性能和现象的范围 调制掺杂技术使结构设计更灵活 但同样对与控制 平滑度 稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求 如何控制晶体生长参数是应解决的技术问题之一 量产最大的是一次7片6英寸的设备 对温度控制要求高温度太低 可能生长出多晶或非晶温度太高 会使吸附的原子再次蒸发而脱落MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展 但在生长III V族化合物超薄层时 常规MBE技术存在两个问题 1 生长异质结时 由于大量的原子台阶 其界面呈原子级粗糙 因而导致器件的性能恶化 2