分子束外延（MBE）技术原理及制备过程总结

 分子束外延（MBE）技术原理及制备过程总结

 一、MBE技术概述

•核心地位：高质量材料制备是器件研究核心，本文聚焦MBE原理及制备过程。

•技术定义：MBE是超高真空设备，通过热蒸发将单质元素喷射到衬底表面实现外延生长，属远离平衡态生长模式。

•独特优势：生长温度低，避免界面原子互扩散；生长速度低，可实现原子级沉积；超高真空环境，降低杂质非故意掺杂，提高材料质量纯度。

•应用领域：在单原子层、短周期数字合金、超晶格等新型结构研制中优势显著，广泛应用于光电器件、功率器件等领域。

 二、MBE系统发展与应用拓展

•发展历程：20世纪70年代，美国贝尔实验室卓以和等人研制出MBE系统，实现原子级操纵，他因此被称为“分子束外延之父”。

•技术拓展：从最初用于GaAs/AlGaAs超晶格结构，拓展到III-V族、II-VI族、IV族半导体薄膜，甚至金属膜、超导膜及介质膜生长。

 三、MBE系统组成及原理

 （一）真空系统

•系统构成：由真空腔室、阀门、真空泵、真空检测系统构成，维持超高真空生长环境。

•真空腔室：包括进样腔室、准备腔室、生长腔室，不同腔室真空度要求不同，生长腔室要求最高（低于10⁻¹²torr）。

•真空泵：

    •机械泵：多为无油机械泵，作前级泵，工作范围从大气压到低真空。

    •分子泵：通过高速转子与气体分子碰撞驱离气体，需前级泵，工作于中高真空。

    •离子泵：利用电场和电磁场使气体离子被钛阴极吸附，工作在高真空环境，部分含钛升华泵功能。

    •冷凝泵：利用低温表面冷凝气体，抽气速率大、极限压力低。

•真空检测系统：

    •真空计：电离真空计应用最多，不同真空度需多个真空计联合使用。

    •剩余气体分析系统：用于分析气体成分、检漏。

 （二）生长系统

•样品传输系统：负责衬底进出腔室，衬底经LL腔室、Prep腔室预处理后传入Growth腔室，传送杆采用磁耦合方式。

•源炉系统：

    •热蒸发源（K-cell）：由加热丝、坩埚等组成，坩埚用蓝宝石或热解氮化硼铸造，通过控制温度和shuter调节束流与生长结构。

    •电子束蒸发源：用于低蒸气压材料蒸镀，源材料置于水冷坩埚，电子束轰击加热。

    •等离子体源：用于氮源等，束流可通过质量流量控制器和射频发生器功率调节。

•主台控制系统：对衬底进行升降、加热、旋转等操作，位置与cell口距离和角度需精确计算，配有主开关。

•液氮冷凝系统：由冷阱、液氮系统组成，冷却设备、消除cell热影响、提高真空度。

 （三）原位监测系统

•必备系统：

    •束流监测系统：位于衬底附近，用束流等效压强表示束流大小，通过背景压强差计算。

    •反射高能电子衍射（RHEED）：实时检测薄膜表面原子排列，分析表面形貌，不可长期打开荧光屏shuter。

•选装系统：IS4K、激光反射谱、X射线光电子谱等。

 （四）其他系统

•冷却水循环系统：冷却cell port、主台等，冷泵压缩机也需冷却，需定期清理室外机和更换冷却水。

•机电控制系统：控制设备电气化设备，如阀门开关、泵启停等。

•不间断电源系统（UPS）：遇停电等情况争取停机时间，保护设备。

•气路系统：接入N₂、O₂等气体，N₂使用最多，可作N源和气动阀门气源。

 四、氮化物MBE生长原理

•生长阶段：

    •沉积：活性原子或分子沉积到衬底表面形成吸附原子或分子。

    •扩散：吸附原子或分子在表面扩散迁移。

    •成核：原子在衬底表面晶格平台空位等低表面能位点生长。

    •解吸附：未并入晶格的吸附原子或分子脱离表面。

    •液滴：金属原子团簇形成液滴，改变生长行为。

 五、MBE生长模式

•层状生长模式（LBL）：应力随膜厚增加，通过位错释放，维持二维生长，获平整表面，可实现量子阱等二维结构。

•层状-岛状模式（SK）：初期二维生长，达临界厚度后转为三维岛状生长，释放应力，用于新型纳米结构。

•岛状生长模式（VW）：初期即三维生长，表面粗糙，用于特殊结构。