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MBE分子束外延技術

MBE技術是在超高真空條件下,用其組元的分子(或原子)束噴射到襯底上生長外延薄層的技術。

現代MBE生長系統的背景真空度可達 1.33×10-10Pa,分子束與分子束以及分子束與背景分子之間不發生碰撞。


MBE技術的關鍵

III,V族元素分別加熱到溫度Ti,Tj形成的束 引入到溫度為Ts的襯底上生長薄膜,要仔細 選擇Ts,使多余的V族元素從襯底表面蒸發以生長化學配比材料

合適的生長溫度使吸附的原子有足夠的能量 遷移到合適的平衡位置進行外延生長

溫度太低:可能生長出多晶或非晶
溫度過高:會使吸附的原子再次蒸發而脫附


MBE設備

真空系統、生長系統、監控系統

生長系統:進樣室、預處理室(襯底存儲室)、生長室

監控系統:

四極質譜儀:真空度檢測,監測殘余氣體和分子束流的成分
電離計:測量分子束流量
電子衍射儀:觀察晶體表面結構以及生長表面光潔平整度
俄歇譜儀:檢測表面成分、化學計量比和表面沾污等



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生長過程與生長原理


生長過程:
1.源蒸發形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向襯底;
2.分子束在襯底上進行外延生長

從生長過程看,MBE有三個基本區域:
分子束產生區、各分子束交叉混合區、反應和晶化過程區


MBE生長的動力學過程

1.從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附
2.被吸附的分子(原子)在表面遷移、分解
3.原子進入晶格位置發生外延生長
4.未進入晶格的分子因熱脫附而離開表面


粘附系數

粘附系數=生長在襯底上的分子數/入射分子數

Ga與GaAs襯底表面發生化學吸附,一般吸附系數為1
V族原子(As)先是物理吸附,經過一系列物理化學過程后轉為化學吸附,其粘 附系數與襯底表面狀態及襯底溫度有關


不同的As源對應不同的物理化學過程

Ga源:Ga
As源:As 或GaAs

As: As4分子束,
缺點:束流大,難于控制,特別是對As+P固溶體無法控制比例
優點:可分別控制Ga和As


GaAs: As2分子束
優點:束流大小合適,易于控制
缺點:無法分別控制Ga和As


GaAs源
襯底溫度在775k~800k時,按Ga:As=1:10 射Ga,As可得到Ga:AS為1:1的GaAs,As2的粘附 系數為0.1~0.15


As源
沒有Ga束入射時, As4的粘附系數為0,
有Ga束入射時, As4的粘附系數增大
450K以下時,As4不分解
450k以上時, As4能發生分解而生成As



MBE技術的主要特點

1. 在超高真空下生長,污染很少,可生長出高純度外延材料
2. 生長速度為一般為0.1~10個單原子層/s,通 過擋板的快速開關可實現束流的快速切換從而 達到外延層厚度、組分、摻雜的精確控制
3. 襯底溫度低,可減少異質結界面的互擴散、易于生長突變結
4. MBE生長不是熱平衡條件下進行的,可生長按 普通熱平衡方法難以生長的薄膜材料。易于生長多種新型材料

5. MBE生長為二維生長模型,使外延層的表面 界面具有原子級的平整度(RHEED強度周期性 地對應于單分子層的厚度)
6. 高真空,可用多種表面分析儀器對外延生長過 程進行實時原位監測并隨時提供有關生長速度、外延層表面形貌、組分等各種信息,便于進行生長過程和生長機理的研究
7. MBE設備可與其他半導體工藝設備實行真空連 接,使外延材料生長、蒸發、離子注入及刻蝕 等在真空條件下連續進行,提高器件性能及成品率

化學束外延生長CBE

產生背景:MBE使用固態源,生長相關固溶體 時,不易通過加熱As,P固態源精確,重復控制其組分比


CBE:氣態源MBE MO-MBE
用III族元素的MO源代替Al,Ga,In等固態源
用AsH3,PH3代替V族元素源
在MBE生長系統中進行外延生長


基本上綜合了MBE與MOVPE技術的優點,特別適 合于MBE難以生長的具有高蒸氣壓的磷化物材料。


比較MBE、MOVPE與CBE的生長機理

MBE:III族元素以原子或分子束形式射向襯 底,吸附→晶化(脫附)
MOVPE:MO在氣流中和襯底表面兩處進行熱分 解的過程,在氣流中分解生成的III族原子通 過邊界層擴散到達襯底表面
CBE:MO只在襯底表面熱分解,不存在邊界層



原子層外延(Atomic layer epitaxy)、分子層外延MLE

組成化合物的兩種元素源(氣或束流)分別 引入生長室,交替在襯底上沉積。每交替(引入)一次就在襯底上外延生長一個單分 子層,外延生長的速度取決于組元在襯底上 交替吸附所需時間
實際生長中可采用脈沖輸送源的方式
ALE是一種生長“模式”,它沒有自己“專用”設備,VPE、MBE、CBE設備均可進行ALE生長


1.ALE的生長機理
2.ALE的生長自動停止機構(SLM)


以Ga、In及As、P元素為源的情況As、P較高的蒸氣壓起SLM作用

以TMG為源的情況
TMG為電子的接受體,As是電子的給予體烷基R起SLM作用


ALE外延技術的特點

1. 精確的厚度控制和良好的重復性
2. 由于是單層生長,易于生長具有原子級突變結界面
3. 外延層厚度均勻性好,基本不受基座結構和氣流形狀、流速等參數影響,總厚度只 取決于交替生長的周期數,有“數字外延” 之稱
4. 表面質量好,可生出鏡面式外延層表面

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