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MBE分子束外延技术

MBE技术是在超高真空条件下,用其组元的分子(或原子)束喷射到衬底上生长外延薄层的技术。

现代MBE生长系统的背景真空度可达 1.33×10-10Pa,分子束与分子束以及分子束与背景分子之间不发生碰撞。


MBE技术的关键

III,V族元素分别加热到温度Ti,Tj形成的束 引入到温度为Ts的衬底上生长薄膜,要仔细 选择Ts,使多余的V族元素从衬底表面蒸发以生长化学配比材料

合适的生长温度使吸附的原子有足够的能量 迁移到合适的平衡位置进行外延生长

温度太低:可能生长出多晶或非晶
温度过高:会使吸附的原子再次蒸发而脱附


MBE设备

真空系统、生长系统、监控系统

生长系统:进样室、预处理室(衬底存储室)、生长室

监控系统:

四极质谱仪:真空度检测,监测残余气体和分子束流的成分
电离计:测量分子束流量
电子衍射仪:观察晶体表面结构以及生长表面光洁平整度
俄歇谱仪:检测表面成分、化学计量比和表面沾污等




生长过程与生长原理


生长过程:
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


MBE生长的动力学过程

1.从源射出的分子束撞击衬底表面被吸附
2.被吸附的分子(原子)在表面迁移、分解
3.原子进入晶格位置发生外延生长
4.未进入晶格的分子因热脱附而离开表面


粘附系数

粘附系数=生长在衬底上的分子数/入射分子数

Ga与GaAs衬底表面发生化学吸附,一般吸附系数为1
V族原子(As)先是物理吸附,经过一系列物理化学过程后转为化学吸附,其粘 附系数与衬底表面状态及衬底温度有关


不同的As源对应不同的物理化学过程

Ga源:Ga
As源:As 或GaAs

As: As4分子束,
缺点:束流大,难于控制,特别是对As+P固溶体无法控制比例
优点:可分别控制Ga和As


GaAs: As2分子束
优点:束流大小合适,易于控制
缺点:无法分别控制Ga和As


GaAs源
衬底温度在775k~800k时,按Ga:As=1:10 射Ga,As可得到Ga:AS为1:1的GaAs,As2的粘附 系数为0.1~0.15


As源
没有Ga束入射时, As4的粘附系数为0,
有Ga束入射时, As4的粘附系数增大
450K以下时,As4不分解
450k以上时, As4能发生分解而生成As



MBE技术的主要特点

1. 在超高真空下生长,污染很少,可生长出高纯度外延材料
2. 生长速度为一般为0.1~10个单原子层/s,通 过挡板的快速开关可实现束流的快速切换从而 达到外延层厚度、组分、掺杂的精确控制
3. 衬底温度低,可减少异质结界面的互扩散、易于生长突变结
4. MBE生长不是热平衡条件下进行的,可生长按 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

5. MBE生长为二维生长模型,使外延层的表面 界面具有原子级的平整度(RHEED强度周期性 地对应于单分子层的厚度)
6. 高真空,可用多种表面分析仪器对外延生长过 程进行实时原位监测并随时提供有关生长速度、外延层表面形貌、组分等各种信息,便于进行生长过程和生长机理的研究
7. MBE设备可与其他半导体工艺设备实行真空连 接,使外延材料生长、蒸发、离子注入及刻蚀 等在真空条件下连续进行,提高器件性能及成品率

化学束外延生长CBE

产生背景:MBE使用固态源,生长相关固溶体 时,不易通过加热As,P固态源精确,重复控制其组分比


CBE:气态源MBE MO-MBE
用III族元素的MO源代替Al,Ga,In等固态源
用AsH3,PH3代替V族元素源
在MBE生长系统中进行外延生长


基本上综合了MBE与MOVPE技术的优点,特别适 合于MBE难以生长的具有高蒸气压的磷化物材料。


比较MBE、MOVPE与CBE的生长机理

MBE:III族元素以原子或分子束形式射向衬 底,吸附→晶化(脱附)
MOVPE:MO在气流中和衬底表面两处进行热分 解的过程,在气流中分解生成的III族原子通 过边界层扩散到达衬底表面
CBE:MO只在衬底表面热分解,不存在边界层



原子层外延(Atomic layer epitaxy)、分子层外延MLE

组成化合物的两种元素源(气或束流)分别 引入生长室,交替在衬底上沉积。每交替(引入)一次就在衬底上外延生长一个单分 子层,外延生长的速度取决于组元在衬底上 交替吸附所需时间
实际生长中可采用脉冲输送源的方式
ALE是一种生长“模式”,它没有自己“专用”设备,VPE、MBE、CBE设备均可进行ALE生长


1.ALE的生长机理
2.ALE的生长自动停止机构(SLM)


以Ga、In及As、P元素为源的情况As、P较高的蒸气压起SLM作用

以TMG为源的情况
TMG为电子的接受体,As是电子的给予体烷基R起SLM作用


ALE外延技术的特点

1. 精确的厚度控制和良好的重复性
2. 由于是单层生长,易于生长具有原子级突变结界面
3. 外延层厚度均匀性好,基本不受基座结构和气流形状、流速等参数影响,总厚度只 取决于交替生长的周期数,有“数字外延” 之称
4. 表面质量好,可生出镜面式外延层表面

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