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分子束外延_图

鏃ユ湡;2019-07-28  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  分子束外延_物理_自然科学_专业资料。分子束外延(英文名称;Molecular Beam Epitaxy) 1、 定义:分子束外延是一种新的晶体生长技术,简记为 MBE。其 方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中,和将需要生长的 单晶物质

  分子束外延(英文名称;Molecular Beam Epitaxy) 1、 定义:分子束外延是一种新的晶体生长技术,简记为 MBE。其 方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中,和将需要生长的 单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中(也在腔体内)。由 分别加热到相应温度形成蒸汽,经小孔准直后形成分子束或原 子束直接喷射到上述衬底上,同时控制分子束对衬底的扫描, 就可以生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶体和几种物 质交替的超晶格结构。 2、 研究对象:分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶 体和超晶格的生长。 3、 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:进样室用于换取样品,是整个设备和外界联系的通道, 也可同时放入多个衬底片。 预备分析室:对衬底片进行除气处理,对样品进行表面成分、电 子结构和杂质污染等分析。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,用于样 品的分子束外延生长。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。 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 ?m 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。 生长室结构: ? 分子束外延中的分子(原子)运动速率非常之高,源分子(原 子) 由束源发出到衬底表面的时间极其短暂, 一般是毫秒量级, 一旦将分子束切断,几乎是在同时,生长表面上源的供应就停 止了,生长也及时停止。不会出现层厚失控。 (1)真空系统 ? 主真空室的本底压强应不高于 10-8Pa。 ? 生长室和分析室除机械泵-分子泵联动抽气装置外, 一般还需要 配置离子泵和钛升华泵,以维持超高真空环境。 ? 在生长室内壁,还加有大面积的液氮冷屏套,对 CO、H2O 等 残余气体有显著的吸附效果。 ? 整个系统要进行烘烤,生长系统内的附属机件应能承受 150-200℃的高温,且具有很高的气密性。 ? (3)束流(蒸发速率)监测装置 ? 石英晶体监测:目前,这一方法已被广泛应用于薄膜沉积过 程中厚度的实时测量。这一方法原理是基于适应晶体片的固有 振动频率随其质量的变化而变化的物理现象。 ? 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题: ? 一,石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移; ? 二,应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。 ? 分子束从束源炉(Knudsen effusion cell)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。 ? ? 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。 MBE 的结构原理如图所示。整个生长过程需要在超真空环境下进 行, 从加热的克努森池中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反 应形成晶体。 在每一个克努森池里的坩锅中装有生长层所需要的一种 元素或化合物,将坩锅设定到合适的温度,使得分子束流正好能在衬 底的表面形成所期望的外延组分。为了保证组分的厚度和均匀性,坩 锅在衬底周围以圆形排列,并在衬底生长的过程中可以进行旋转。在 生长时, 组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩锅的温度来 实现,而组分的突变则是通过在每一个坩锅入口处的机械阀门的开、 关来实现的。 在生长过程中, 坩锅和衬底的附近需要有液氮冷凝装置, 以减少生长层中的非故意掺杂,即减少生长室中的本底掺杂浓度。 图 分子束外延(MBE)设备的结构示意图 MBE 的线 个相互隔开的真空室(生长室、预各室和 速装室)组成。在将衬底样品材料和样品台由外界装入生长室的过程 中,首先要进入速装室,在 100℃加热 10 个小时以上,以去掉大部 分衬底和载体上所吸附的气体。之后,将衬底和样品台送入预备室, 在 400℃加热 2h 以上,去掉残留气体。当预备室内气压降至 P<10 (-10) torr 时,再送入生长室中进行外延生长。 衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、 均匀而且重复性很好的 温场。当衬底加热器两次测量的温度相同时,衬底的实际温差控制在 ±5℃之内。衬底加热器在垂直于分子束流的平面上旋转,以确保外 延层生长均匀。为了防止在生长方向上的成分起伏,需使衬底的旋转 周期与单层的生长时间相对应,这就要求转速要高于 60 转/分。 在生长过程中,需要随时了解材料的生长状况,并在此基础上进 行调整。在衬底加热器的背面装有一台电离规,可以对各个源材料在 衬底处的分子束流强度进行在位测量。 电离规本质上是一个浓度指示 器,用它可以在生长前得出 III、V 族源在衬底处的相对压力比。反 射式高能电子衍射仪(RHEED)用于观察生长层表面的微观结构。 使用 RHEED 时,电子枪出射的高能电子束(E+10~15KeV)与衬 底表面的夹角为 1°~2°,与坩锅产生的分子束流近乎垂直,这样 可以保证在生长时也使用 RHEED,而且还可以保证电子射到材料的 表面时,进入 1~2 层之后就会被反弹出来。如此,可以获得大量的 表面信息。因此可以用这种方法监视材料生长初期的生长速率。 RHEED 的作用总结为以下几点: (1)在生长前,监视生长层表面的氧化物解吸附过程,校准衬 底加热器的热电偶。 (2)通过观察生长层表面的再构(2×4)→(4×2)的相变, 确定生长时所需要的 III/V 比。 (3)在生长过程中利用 RHEED 的强度振荡校准生长速率。 (4)生长后观察生长层表面的结构与平整度。 4、 MBE 的生长 (1)外延的基本物理过程: 1. 表面成核——对外延材料结构有最大影响的阶段是生长的 最初阶段,这个阶段叫成核。当衬底表面只吸附少量生长物 原子时, 这些原子是不稳定的, 很容易挣脱衬底原子的吸引, 离开衬底表面。 所以, 要想在衬底表面实现外延材料的生长, 首先由欲生长材料的原子(或分子)形成原子团,然后这些 原子团不断吸收新的原子加入而逐渐长大成晶核。 它们再进 一步相互结合形成连续的单晶薄层。 2.表面动力学:反应物到衬底后,通常发生下列过程: ①反应物扩散到衬底表面; ②反应物吸附到衬底表面; ③表面过程(化学反应、迁移及并入晶格等; ④反应附加产物从表面脱附; ⑤附加产物扩散离开表面。每个步骤都 有特定的激活能, 因此,在不同外延温度下对生长速率的影响不同。 ? 表面过程:如果不考虑生长速率,仅从外延质量来看上述过程 ③表面过程非常重要。 ? 沉积到衬底表面上的原子通常去寻找合适的位置落入,使得系 统的总能量降至最低。对于实际表面,像表面台阶之类的表面 缺陷是原子并入晶格的最佳位置。(见下图) 生长机制:对于表面上存在许多淀积原子的情况,它们除了在 表面处键合外,还相互结合以进一步减少自由键的数目。外来 的淀积原子不断加入小的原子群并形成大的聚集体。显然,当 这些原子团继续生长时,它们自己就被看作是提供高结合能位 置的表面缺陷,在淀积过程中进一步聚集原子生长。 (2)MBE 生长原理及方法: ? 生长原理:MBE 的生长方式是按动力学方式进行的。从分子束 喷射出的分子到达衬底表面时,由于受到表面力场的作用而被 吸咐于衬底表面,经过表面上的迁移、再排列等,最后在适当 的位置上释放出汽化热,形成晶核或嫁接到晶格结点上,形成 外延薄膜。 ? 生长过程: 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 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 生长的特点: ? 线Pa,衬底表面经过处理可成为完全清洁的,在 外延过程中可避免沾污,因而能生长出质量极好的外延层。 ? 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。 ? 生长速率极慢,大约 1um/h,相当于每秒生长一个单原子层, 因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质 结构等。实际上是一种原子级的加工技术,因此 MBE 特别适 于生长超晶格材料。 ? 衬底温度较低,因此降低了界面上热膨胀引起的晶格失配效应 和衬底杂质向外延层中的扩散的影响,所以外延材料表面形貌 好,而且面积较大均匀性较好,外延层清晰,可以形成界面处 突变的超精细结构。 ? 可以在喷射室内安放多个喷射炉,分别调制各组分的分子流, 可同时精确控制生长层的厚度、组分和掺杂分布。因此再结合 适当的控制技术,可生长二维和三维图形结构的薄膜或器件。 ? MBE 是在超高真空环境中进行的,且衬底与分子束源相隔较 远,因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分、结 晶结构和生长过程,进行生长机制的研究和实现实时监控和监 测。 ? MBE 生长是一个动力学过程,即将入射的中性粒子(原子或分 子)一个一个地堆积在衬底上进行生长,而不是一个热力学过 程, 所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。 ? MBE 是一个超高真空的物理沉积过程, 既不需要考虑中间化学 反应,又不受质量传输的影响,并且利用喷射炉前的快门可以 对生长和中断进行瞬时控制, 因为分子束外延中的分子 (原子) 运动速率非常之高,源分子(原子)由束源发出到衬底表面的 时间极其短暂,一般是毫秒量级,一旦将分子束切断,几乎是 在同时,生长表面上源的供应就停止了,生长也及时停止。不 会出现层厚失控。因此,膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而 迅速调整。 存在问题: ? 设备复杂、投资大、外延生长速度慢、经济效益差; ? 外延膜表面缺陷密度大(可能是衬底表面的缺陷或杂质污染引 起的) ? MBE 的生长速度比较慢,既是优点也是不足: MBE 从诞生的 开始就不是作为厚膜生长技术出现的,而是针对几纳米乃至几 埃的超薄层外延,因此不适于大量生产。 ? MBE:是在相对低温度下由原子碰撞进入到外延层,而发生重 新排列,只有表面原子级清洁时,该过程才能有效发生。 ? 对半导体异质结进行选择掺杂时,虽然调制掺杂技术使结构设 计更灵活,但对与控制、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。如在生长 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.由于生长温 度高而不能形成边缘陡峭的杂质分布,导致杂质原子的再分布 (尤其是 p 型杂质)。其关键性的问题是控制镓和砷的束流强 度,否则都会影响表面的质量。这也是技术难点之一。 5、发展趋势: ? 分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。 ? 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。 ? 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。


 
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