干货:分子束外延要点解析

干货:分子束外延要点解析

Allen 材料人 2017-10-31
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一、分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy,

MBE)简介

在超高真空环境下, 使具有一定热能的一种或多种分子 (原子) 束流喷射到晶体衬底 ,在衬底表面发生反应的过程,由于分子在 “飞行”过程中几乎与环境气体无碰撞 ,以分 子束的形式射向衬底 ,进行外延生长, 故此而得名。
属性: 一种真空蒸镀方法
始创: 20世纪70年代初期,美国Bell实验室
应用: 外延生长原子级精确控制的超薄多层二维结构材料和器件(超品格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阱激光器 、高电子迁移率晶体管等) ;结合其他工艺,还可制备一维和 零维的纳米材料(量子线、量子点等)。
MBE 的典型特点:
(1) 从源炉喷出的分子(原子)以 “分子束” 流形式直线 到达衬底表面。通过石英晶体膜厚仪监测,可严格控制生长速率。
(2)分子束外延的生长速率较慢 ,大约0.01-1nm/s。可实现单原子(分子)层外延,具有极好的膜厚可控性 。
(3) 通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭 ,可严格控制膜的成分和杂质浓度 ,也可实现选择性外延生长。
(4)非热平衡生长 ,衬底温度可低于平衡态温度,实现低温生长 ,可有效减少互扩散和自掺 杂。
(5) 配合反射高能电子衍射( RHEED ) 等装置 ,可实现原价观察、实时监测。
生长速率比较慢 ,既是MBE的一个优点 ,同时也是它的不足,不适于厚膜生长和大量生产 。

二、硅分子束外延

1 基本概况
硅分子束外延包括同质外延 ,异质外延 。
硅分子束外延是通过原子、分子或离子的物理淀积 ,在适当加热的硅衬底上进行硅(或与硅相关材料)的外延生长。
(1) 外延期间 ,衬底处于较低温度 。
(2) 同时掺杂。
(3) 系统维持高真空。
(4)特别注意原子级干净的表面。
图片[1]-干货:分子束外延要点解析 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)图1 硅MBE的工作原理示意图
2 硅分子束外延的发展历史背景
相对于CVD缺点而发展起来。
CVD缺陷 : 衬底高温 ,1050℃,向掺杂严重(跟高温有关) 。 原始的分子束外延 : 硅衬底加热至适当温度,真空下使硅蒸发 到硅衬底上 ,进行外延生长。
生长准则 : 入射分子充分运动,达到衬底的热 表面 ,并以单晶形式排列。
3 硅分子束外延的重要性
硅MBE是在一个严格控制的低温系统中进行 。
(1) 能很好地控制杂质浓度 ,达到原子级 。非掺杂浓度可控在<3×1013/cm3
(2) 外延可在无缺陷的最佳条件下进行 。
(3) 外延层厚度可控制在单原子层的厚度内 ,进行超晶格外延,几nm~几十nm,从而可实现人工设计 ,并制备性能优异的新功能材料。
(4) 硅的同质外延,类硅的异质外延 。
4 外延生长设备
发展方向 :可靠性、高性能和多功能
缺点: 价格高 、复杂,运行费用高 。
适用范围 : 可用于硅MBE ,化合物MBE ,III-V族MBE ,金属半导体的 MBE正在发展中。
基本的共同特点 :
(1) 基本的超高真空系统 ,外延室 ,努森加热室;
(2) 分析手段 ,LEED 、SIMS,RHEED等;
(3) 进样室。
图片[2]-干货:分子束外延要点解析 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)
图2 硅分子束外延系统示意图
(1)电子束轰击硅靶表面,从而容易产生硅分子束。为了避免硅分子束散发到旁边去而引起不良影响 ,大面积屏屏蔽和准直是必需的 。
(2) 电阻加热的硅阴极产生不了强分子束, 其它的石墨坩锅有Si-C玷污,最好的办法是电子束蒸发产生硅源。因为,硅MBE某些部分温度较高 ,便于蒸发 ,硅的低蒸发压要求蒸发源具有较高温度。蒸发同时,要对束流密度和扫描参数进行控制。使得硅熔坑正好处在硅棒内 ,硅棒成为高纯坩锅。
监测分子束流有以下几种:
(1) 石英晶体常用 于监测束流 ,束流屏蔽和冷却适当,可得满意结果,但噪音影响稳定性。几个μm后 ,石英晶体便失去了线性。调换频繁,主系统经常充气,这不利于工作 。
(2)小型离子表 ,测分子束流压 ,而不是测分子束流通量。 由于系统部件上的淀积而使其偏离标准 。
(3) 低能电子束 ,横穿分子束 ,利用所探测物种的电子激发荧光。原子被激发并很快衰退到基态产生uv荧光,光学聚焦后荧光密度正比于束流密度。可做硅源的反馈控制。不足之处: 切断电子束,大部分红外荧光和背景辐射也会使信噪比恶化到不稳定的程度。 它只测原子类,不能测分子类物质。
(4) 原子吸收谱 ,监测掺杂原子的束流密度 。
用断续束流 ,对Si、Ga分别用251.6nm,294.4nm光辐射进行探测,光束穿过原子束所吸收强度转换成原子束密度,并得到相应比率。
分子束外延 ( MBE ) 衬底底座是一个难点 。
MBE是一个冷壁过程 ,即衬底硅片加热高达 1200℃,环境要常温。此外 ,硅片要确保温度均匀。由电阻耐火金属和石墨阴极,背面辐射加热,而整个加热部件却装在液氮冷却的容器中 ,以减少对真空部件的热辐射。衬底旋转,保证加热均匀。自由偏斜 ,可增强二次注入的掺杂效应 。
本文转自百度文库作者不想麋鹿,链接:https://wenku.baidu.com/view/c8ad5330ee06eff9aef80777.html。
材料人编辑部Allen编辑整理。

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