MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)課件

MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)陸瑩陳嘉岑慧婷牛一峰MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)概述MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，簡(jiǎn)稱(chēng)MBE)是在超高真空的條件下，把一定比例的構(gòu)成晶體的各個(gè)組分和摻雜原子(分子)以一定的熱運(yùn)動(dòng)速度噴射到熱的襯底表面來(lái)進(jìn)行晶體外延生長(zhǎng)的技術(shù)。主要用于半導(dǎo)體薄膜制備（超薄膜、多層量子結(jié)、超晶格）；新一代微波器件和光電子器件的主要技術(shù)方法MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)發(fā)展過(guò)程20世紀(jì)70年代初由美國(guó)BELL實(shí)驗(yàn)室開(kāi)創(chuàng)70年代中期，我國(guó)中科院物理所和半導(dǎo)體所開(kāi)始對(duì)MBE的探索，80年出產(chǎn)首臺(tái)MBE。1986年，GaAs（砷化鎵）/Al-GaAs系材料開(kāi)始進(jìn)入器件應(yīng)用階段目前，研發(fā)人造結(jié)構(gòu)(自然界不存在)MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)MBE設(shè)備高真空生長(zhǎng)室：

源發(fā)射爐、襯底夾、加熱器過(guò)程控制系統(tǒng)：閘門(mén)、熱電偶、加熱器控制監(jiān)測(cè)、分析系統(tǒng)：

高能電子、衍射儀質(zhì)譜儀、俄歇分析儀MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)MBE的生長(zhǎng)系統(tǒng)目前最典型的MBE系統(tǒng)是由進(jìn)樣室、預(yù)備分析室、和外延生長(zhǎng)室串連而成。進(jìn)樣室用于換取樣品，可同時(shí)放入多個(gè)襯底片。預(yù)備分析室可對(duì)襯底片進(jìn)行除氣處理，通常在這個(gè)真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析儀器。外延生長(zhǎng)室是MBE系統(tǒng)中最重要的一個(gè)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的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)生長(zhǎng)室預(yù)處理室進(jìn)樣室緩沖室小車(chē)MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)基本原理MBE的原理：利用在超高真空（內(nèi)腔〈10（-10）torr）環(huán)境下，加熱（對(duì)于cell的控溫精密掌握）材料源蒸鍍其分子，氣體分子在成長(zhǎng)腔內(nèi)的平均自由路徑大于蒸鍍?cè)粗粱逯g的距離，可視為使蒸鍍物質(zhì)以分子束依直線(xiàn)行走而直接到達(dá)連基板2進(jìn)行磊晶成長(zhǎng)。MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)1.源蒸發(fā)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(jìn)行外延生長(zhǎng)。從生長(zhǎng)過(guò)程看，MBE有三個(gè)基本區(qū)域：分子束產(chǎn)生區(qū)、各分子束交叉混合區(qū)、反應(yīng)和晶化過(guò)程區(qū)。

3.從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附

4.被吸附的分子（原子）在表面遷移、分解

5.原子進(jìn)入晶格位置發(fā)生外延生長(zhǎng)

6.未進(jìn)入晶格的分子因熱脫附而離開(kāi)表面MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)MBE優(yōu)點(diǎn)1外延生長(zhǎng)的溫度較低，是一種有效的低溫外延技術(shù),降低了外延的自摻雜和外擴(kuò)散,有利于提高外延層的純度和完整性；2外延材料表面形貌好，而且面積較大均勻性較好；3可精確控制摻雜分布,可以制成不同摻雜劑或不同成份的多層結(jié)構(gòu)；4利用各種元素的粘附系數(shù)的差別，可制成化學(xué)配比較好的化合物半導(dǎo)體薄膜。5.MBE的生長(zhǎng)不是在熱平衡條件下進(jìn)行的，可生長(zhǎng)按照普通熱平衡方法難以生長(zhǎng)的薄膜材料，易于生長(zhǎng)多種新型材料。如在GaAs襯底上生長(zhǎng)AlGaAs材料MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)6分子束使用超高真空：a.高真空使原子的平均自由程超過(guò)蒸發(fā)距離，使淀積率高，膜致密；b.超高真空使外延層缺陷密度降低；

c.超高真空才會(huì)使膜質(zhì)高純。

d.高真空，可用多種表面分析儀器（例如四極質(zhì)譜儀、反射式高能衍射儀、俄歇電子譜儀、二次離子譜儀和X射線(xiàn)光電子能譜儀等。）對(duì)外延生長(zhǎng)表面情況、外延層結(jié)晶學(xué)和電學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行原位檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)。這保證了外延層質(zhì)量。7由于基本能夠旋轉(zhuǎn)，保證了外延膜的均勻性。8特別適合于薄層外延，過(guò)渡區(qū)窄.MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)MBE缺點(diǎn)維護(hù)和設(shè)備費(fèi)用高分子束外延作為已經(jīng)成熟的技術(shù)早已應(yīng)用到了微波器件和光電器件的制作中。但由于分子束外延設(shè)備昂貴而且真空度要求很高，所以要獲得超高真空以及避免蒸發(fā)器中的雜質(zhì)污染需要大量的液氮，因而提高了日常維持的費(fèi)用。生長(zhǎng)速率慢MBE能對(duì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)進(jìn)行選擇摻雜，大大擴(kuò)展了摻雜半導(dǎo)體所能達(dá)到的性能和現(xiàn)象的范圍。調(diào)制摻雜技術(shù)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更靈活。但同樣對(duì)與控制、平滑度、穩(wěn)定性和純度有關(guān)的晶體生長(zhǎng)參數(shù)提出了嚴(yán)格的要求，如何控制晶體生長(zhǎng)參數(shù)是應(yīng)解決的技術(shù)問(wèn)題之一。量產(chǎn)最大的是一次7片6英寸的設(shè)備。MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)溫度控制要求高溫度太低：可能生長(zhǎng)出多晶或非晶溫度太高：會(huì)使吸附的原子再次蒸發(fā)而脫落MEE技術(shù)自1986年問(wèn)世以來(lái)有了較大的發(fā)展，但在生長(zhǎng)III-V族化合物超薄層時(shí)，常規(guī)MBE技術(shù)存在兩個(gè)問(wèn)題：1.生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于大量的原子臺(tái)階，其界面呈原子級(jí)粗糙，因而導(dǎo)致器件的性能惡化;2.由于生長(zhǎng)溫度高而不能形成邊緣陡峭的雜質(zhì)分布，導(dǎo)致雜質(zhì)原子的再分