分子束外延技術(shù)(MBE)的原理及其制備先進材料的研究進展資料

1、分子束外延技術(shù)（MBE）的原理及其制備先進(xinjn)材料的研究進展學(xué)號：XXXXXXXXXX姓名(xngmng)：XX共二十一頁主要(zhyo)內(nèi)容MBE原理(yunl)MBE前沿介紹共二十一頁分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，簡稱MBE)：它是在超高真空的條件下，把一定比例的構(gòu)成晶體的各個組分和摻雜原子(分子)以一定的熱運動(yndng)速度噴射到熱的襯底表面來進行晶體外延生長的技術(shù)。注：超高真空(Ultrahigh Vacuum)指的是真空壓力至少低于1.33x10-8Pa。外延生長：在一個晶體表面上生長晶體薄膜，并且得到的薄膜和襯底具有相同(xin tn)的晶

2、體結(jié)構(gòu)和取向。MBE原理定義共二十一頁 1968年，美國Bell實驗室的Arthur首先進行了Ga和As在GaAs表面的反應(yīng)動力學(xué)研究，奠定了MBE的理論基礎(chǔ)。1969-1972年間，Bell實驗室的A. Y. Cho進行了MBE的開創(chuàng)性研究，用MBE生長出了高質(zhì)量的GaAs薄膜單晶及n型、p型摻雜，制備出了多種半導(dǎo)體器件，而且生長出第一個GaAsAIGaAs超晶格材料，從而引起(ynq)了人們的關(guān)注。1979年T. W. Tsang將MBE法制備的GaAsAlGaAs DH激光器的閾值電流密度降到1KAcm2以下，使其能在室溫下工作，達到了LPE水平。MBE原理(yunl)歷史共二十一頁 目

3、前(mqin)最典型的MBE設(shè)備是由進樣室、預(yù)處理和表面分析室、外延生長室三個部分串連構(gòu)成。M600MBE原理(yunl)系統(tǒng)共二十一頁進樣室（裝樣、取樣、對襯底進行低溫除氣）：進樣室用于換取樣品，可同時放入多個襯底片。預(yù)處理和表面分析(fnx)室：可對襯底片進行除氣處理，通常在這個真空室配置AES、XPS、UPS等分析儀器。外延生長室：是MBE系統(tǒng)中最重要的一個真空工作室，配置有分子束源、樣品架、電離記、高能電子衍射儀和四極質(zhì)譜儀等部件。MBE原理(yunl)系統(tǒng)共二十一頁MBE系統(tǒng)(xtng)略圖熒光屏MBE原理(yunl)系統(tǒng)束源爐共二十一頁反射高能電子衍射儀（Reflection Hi

4、ghEnerge Electron Diffraction ，RHEED）是十分重要的設(shè)備。高能電子槍發(fā)射電子束以13掠射到基片表面后，經(jīng)表面晶格衍射在熒光屏上產(chǎn)生的衍射條紋可以直接反映(fnyng)薄膜的結(jié)晶性和表面形貌，衍射強度隨表面的粗糙度發(fā)生變化，振蕩反映(fnyng)了薄膜的層狀外延生長和外延生長的單胞層數(shù)。MBE原理(yunl)系統(tǒng)共二十一頁MBE生長(shngzhng)過程的三個基本區(qū)域1.入射的原子或分子在一定(ydng)溫度襯底表面進行物理或化學(xué)吸附。2.吸附分子在表面的遷移和分解。3.組分原子與襯底或外延層晶格點陣的結(jié)合或在襯底表面成核。4.未與襯底結(jié)合的原子或分子的熱脫附

5、。MBE原理生長的動力學(xué)過程共二十一頁襯底溫度較低，因此降低了界面(jimin)上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層的自摻雜擴散影響。生長速率低，大約1m/h，相當(dāng)于每秒生長一個單原子層，因此有利于實現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)等，特別適于生長超晶格材料和外延薄膜材料。但是，極低的生長速率也限制了MBE的生產(chǎn)效率，同時考慮(kol)到昂貴的設(shè)備，使其無法進行大規(guī)模生產(chǎn)。受襯底材料的影響較大，要求外延材料與襯底材料的晶格結(jié)構(gòu)和原子間距相互匹配，晶格失配率要7%。能獨立控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)和噴射速度，從而能制備合 金薄膜。MBE原理特點總結(jié)共二十一頁MBE制膜并不以蒸發(fā)溫度為控

6、制參數(shù)，而以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等現(xiàn)代儀器時時監(jiān)測分子束的種類和強度，從而嚴格控制生長過程與生長速率。另一方面，復(fù)雜的設(shè)備(shbi)也增大了生產(chǎn)成本。在各加熱爐和襯底之間分別插有單個的活門,可以(ky)精確控制薄膜的生長過程。通過對活門動作的適當(dāng)安排, 可以使各射束分別在規(guī)定的時間間隔內(nèi)通過或關(guān)斷。單個束源爐中必須使用高純度原料。MBE原理特點總結(jié)共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹制備(zhbi)GaNAs基超晶格太陽能電池理論計算表明,對于GaInP/ GaAs/ Ge 三結(jié)電池來說,當(dāng)在GaAs 電池與Ge 電池之間再增加一個帶隙在1 eV左右的子電池將會進一步提高多結(jié)太

7、陽能電池的效率。由于四元合金Ga1-xInxNyAs1-y 帶隙可調(diào)控至1 eV 且能與GaAs 或Ge 襯底實現(xiàn)晶格匹配(當(dāng)x3y),于是成為研究多結(jié)太陽能電池的熱門材料 。然而,眾多研究發(fā)現(xiàn),In和N 共存于GaInNAs 中會導(dǎo)致成分起伏和應(yīng)變,并導(dǎo)致In團簇的產(chǎn)生以及與N 元素有關(guān)的本征點缺陷等,這些問題的存在使得高質(zhì)量的GaInNAs 基電池很難得到。一種解決方法是利用In 和N 空間分離的GaNAs/ InGaAs 超晶格替代四元合金GaInNAs 材料。這就必須借助于MBE設(shè)備工藝。共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹北京科技大學(xué)的研究團隊設(shè)計了如下(rxi)實驗方案：設(shè)備：V

8、eeco公司生產(chǎn)的Gen20A 全固態(tài)MBE 系統(tǒng)；目標(biāo)物：GaN0.03As0.97/In0.09 Ga0.91As短周期超晶格結(jié)構(gòu)；原料：生長過程是在半絕緣GaAs 襯底的(001)面上進行的,Si和Be分別作為GaAs 的n 型和p 型摻雜源。工藝：生長之前,需在生長室內(nèi)對GaAs襯底進行高溫( 600 ) 脫氧處理10min;然后,將GaAs襯底溫度從600降為580 ,生長300nm厚度的GaAs緩沖層以獲得更好的外延生長表面;最后,將生長溫度降至480,進行GaNAs/InGaAs超晶格的生長和后續(xù)電池中10 周期數(shù)的GaNAs/ InGaAs超晶格有源區(qū)的生長。（GaNAs/In

9、GaAs超晶格中阱層和壘層厚度相同,總厚度為0. 2 m。在總厚度不變的條件下,周期厚度在6 30 nm之間變化。）共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹實驗結(jié)論：周期厚度為20nm時，所制備的超晶格電池(dinch)的短路電流密度達到10.23mA/cm2,大大高于一些已報道的GaInNAs電池。共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹制備高發(fā)光(f un)性能InN 光通訊波段的高性能硅基光電子器件的制備不僅是光通信技術(shù)發(fā)展的需要，也是實現(xiàn)硅基光電集成的需要。雖然硅材料的制備和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但由于硅材料是間接帶隙半導(dǎo)體，其發(fā)光效率較低，因此通過在硅襯底上異質(zhì)外延高發(fā)光性能的一VA族半

10、導(dǎo)體材料的方法來獲得所需的光性能是一個很好的選擇。在所有氮化物半導(dǎo)體中，InN具有最高的飽和電子漂移速度、最小的電子有效質(zhì)量及最高的電子遷移率，并且InN材料特性受溫度的影響非常小。 雖然硅基InN材料在性能和應(yīng)用方面有種種優(yōu)勢，但是目前研究進展并不順利。一方面，六方InN材料沿a軸方向與Si(111)襯底仍存在約8的晶格失配，外延過程中會引人大量的缺陷；另一方面，InN材料具有較低的分解溫度和較高的氮平衡蒸氣壓從而導(dǎo)致高質(zhì)量的InN材料很難制備。 此時，利用MBE技術(shù)通過低溫外延InN或高溫外延AlN作為緩沖層是提高InN材料質(zhì)量的有效途徑。共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹吉林大學(xué)的研

11、究團隊設(shè)計了如下(rxi)實驗方案：設(shè)備：用德國CREATEC公司的RFMBE系統(tǒng)進行(本底真空度為3X10-8Pa)；原料：活性氮由5N高純氮氣經(jīng)純化器、射頻離化后提供，銦束流采用束源爐加熱6N高純銦提供；工藝：在Si(111)襯底上外延制備了一組InN樣品，編號為A、B、C、D。首先，分別使用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗襯底5min。烘干后的襯底導(dǎo)入生長室中900熱處理1 h，然后沉積厚度分別為0，0.1，0.5，1nm的In插入層，在400下生長30 nm厚的InN緩沖層，最后提高溫度至475生長170 nm厚的InN外延層。對外延制備的InN樣品分別采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯

12、微鏡(SEM)、吸收光譜以及x射線光電子能譜(XPS)等進行測試分析。共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹實驗結(jié)論(jiln)：樣品C的c軸晶格常數(shù)為0.5702nm，與c的理論值 (0.5703nm)最為接近，表明樣品中應(yīng)力得到了有效的釋放；在沒有In插入層的樣品中，Si襯底表面會與活性N原子反應(yīng)形成無定形的SixNy材料，從而降低后續(xù)外延InN材料的晶體質(zhì)量。0.5nm厚的In插入層較為合適，能夠有效地抑制襯底表面SixNy 材料的形成，有助于提高外延InN樣品的晶體質(zhì)量及光學(xué)特性。共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹拓撲(tu p)絕緣體薄膜微器件 近年來，拓撲絕緣體因其獨特的電子結(jié)

13、構(gòu)和性質(zhì)成為凝聚態(tài)物理研究的熱點領(lǐng)域。 三維拓撲絕緣體具有絕緣型的體能帶和受時間反演對稱性保護的金屬型表面態(tài)，這種表面態(tài)在動量空間具有狄拉克型的色散關(guān)系，并且在狄拉克點之外的地方是自旋非簡并的，這種獨特的拓撲表面態(tài)有可能導(dǎo)致多種新奇的量子現(xiàn)象，如表面量子霍爾效應(yīng)、激子凝聚現(xiàn)象、量子反常霍爾效應(yīng)等。 三維拓撲絕緣體己經(jīng)在很多材料中被預(yù)言或發(fā)現(xiàn)，其中Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因為其簡單的表面態(tài)結(jié)構(gòu)、較大的體能隙、較易制備等優(yōu)點成為目前研究最多的一類三維拓撲絕緣體材料。 拓撲絕緣體很多獨特的輸運性質(zhì)需要在微米尺度甚至亞微米尺度的結(jié)構(gòu)中才能觀測到。因此，必須將

14、其加工成微器件。但是，傳統(tǒng)的制備工藝一般需要對其進行紫外光刻或電子束刻蝕，這樣就可能顯著改變載流子濃度和遷移率，從而影響各種量子效應(yīng)的觀測。 為了避免傳統(tǒng)制備工藝的缺陷，中科院物理研究所的科研團隊借助MBE設(shè)計了新工藝。共二十一頁MBE前沿(qinyn)介紹實驗方案簡述如下：原料：從合肥科晶購買的STO（111）單晶襯底，將其切成2mmx5mm大小。工藝(gngy)：將STO襯底利用紫外光預(yù)先刻蝕出一個具有Hall bar器件形狀、高度為幾十納米的凸平臺。以這樣的凸平臺為模板，利用MBE直接生長出具有Hall bar形狀的拓撲絕緣體（BixSb1-x）2Te3薄膜。共二十一頁謝 謝 ！共二十一頁內(nèi)容摘要分子束外延技術(shù)（MBE）的原理及其制備先進材料的研究進展。注：超高真空(Ultrahigh Vacuum)指的是真空壓力至少低于1