MBE原理
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展教材
在各加热炉和衬底之间分别插有单个的活门,可以精确 控制薄膜的生长过程。通过对活门动作的适当安排, 可 以使各射束分别在规定的时间间隔内通过或关断。 单个束源炉中必须使用高纯度原料。
MBE前沿介绍 制备GaNAs基超晶格太阳能电池 理论计算表明,对于GaInP/ GaAs/ Ge 三结电池来说,当在GaAs 电池与Ge 电池之间再增加一个带隙在1 eV左右的子电池将会进 一步提高多结太阳能电池的效率。由于四元合金Ga1-xInxNyAs1-y 带隙可调控至1 eV 且能与GaAs 或Ge 衬底实现晶格匹配(当x≈3y), 于是成为研究多结太阳能电池的热门材料 。
MBE前沿介绍 拓扑绝缘体薄膜微器件
近年来，拓扑绝缘体因其独特的电子结构和性质成为凝聚态物理研究的 热点领域。 三维拓扑绝缘体具有绝缘型的体能带和受时间反演对称性保护的 金属型表面态，这种表面态在动量空间具有狄拉克型的色散关系，并且在狄 拉克点之外的地方是自旋非简并的，这种独特的拓扑表面态有可能导致多种 新奇的量子现象，如表面量子霍尔效应、激子凝聚现象、量子反常霍尔效应 等。 三维拓扑绝缘体己经在很多材料中被预言或发现，其中Bi2Se3家族的化 合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因为其简单的表面态结构、较大的体能隙、较 易制备等优点成为目前研究最多的一类三维拓扑绝缘体材料。 拓扑绝缘体很多独特的输运性质需要在微米尺度甚至亚微米尺度的结构 中才能观测到。因此，必须将其加工成微器件。但是，传统的制备工艺一般 需要对其进行紫外光刻或电子束刻蚀，这样就可能显著改变载流子浓度和迁 移率，从而影响各种量子效应的观测。 为了避免传统制备工艺的缺陷，中科院物理研究所的科研团队借助MBE 设计了新工艺。
MBE前沿介绍 北京科技大学的研究团队设计了如下实验方案：
MBE
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
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
生长过程与生长原原理
第七章作业
1.解释：MOVPE、MBE、CBE、ALE、二步外延 法、双气流MOVPE 2.依据相图， LPE生长GaAs时说明如何从A点 开始外延生长。 3.为什么从70年代初就对GaN开展了研究工作 但一直进展缓慢？ 4.在生长III-V族化合物时指出MBE、MOVPE和 CBE法使用的III族源及各自的生长机理。
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
分子束外延和cvd
分子束外延和cvd分子束外延（MBE）和化学气相沉积（CVD）是两种常用的制备薄膜材料的方法。
它们在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
本文将从人类的视角出发，介绍这两种方法的原理和特点。
一、分子束外延（MBE）分子束外延是一种基于物理气相沉积的方法，通过在真空环境下将原子或分子束束缚在一束高能束流中，使其沉积在衬底表面。
这种方法可以在原子级别上控制材料的生长，因此薄膜的质量和结晶性能很高。
分子束外延通常使用高真空系统来实现，其中包括真空室、热蒸发源、衬底和探测器等组件。
在生长过程中，原子或分子束从热蒸发源中蒸发出来，经过激励和聚焦后，沉积在衬底表面上。
通过控制衬底的温度和束流的能量，可以调节薄膜的生长速率和结晶度。
分子束外延具有很高的生长速率和优秀的晶体质量，尤其适用于生长半导体材料和量子结构。
它可以精确控制材料的厚度和成分，并能够在不同的衬底上生长多层结构。
这使得它在微电子器件、光电子器件和纳米器件等领域有着广泛的应用。
二、化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种在气相中通过化学反应生成材料的方法。
它利用气态前驱体在表面上发生化学反应，形成固态薄膜。
CVD可以分为热CVD和低温CVD两种方式。
热CVD是通过在高温下使气态前驱体分解并沉积在衬底表面上。
这种方法适用于生长高质量的单晶薄膜，但需要高温条件和较长的生长时间。
低温CVD是在较低温度下实现材料的生长，通常在300-900摄氏度之间。
它可以通过增加反应气体的活性来降低生长温度，从而适用于热敏性衬底和复杂结构的生长。
化学气相沉积具有生长速度快、成本低廉和生长均匀性好的特点。
它可以生长多种材料，如金属、半导体和氧化物等。
因此，在光电子、能源和化学传感器等领域有着广泛的应用。
总结：分子束外延和化学气相沉积是两种常用的制备薄膜材料的方法。
它们在材料科学和工程中发挥着重要的作用。
分子束外延通过物理气相沉积的方式实现高质量薄膜的生长，而化学气相沉积则通过化学反应在气相中生成材料。
MBE原理
MBE（分子束外延）结构原理：分子束外延生长法，是在对生长条件严格控制的超高真空下完成单晶薄膜生长的，是真空蒸镀方法的进一步发展。
其晶体生长过程是在非热平衡条件下完成，仅受基片的动力学制约。
这是与在近热平衡状态下进行的液相外延生长的根本区别。
为实现上述功能，必须把从蒸发源蒸发的构成元素变成束状（分子束），并设法使分子束无环境气氛围绕，即蒸发源应由几个克努曾槽型分子束盒和围绕分子束的液氮屏蔽构成。
用加热分子束盒的方法去除杂质气体和残余蒸发分子。
用四极质量分析仪检查分子束的强度和种类，并把测得的结果反馈给蒸发源，以控制各分子束盒的温度和遮蔽板的开、关。
安装在生长室的反射电子衍射仪、俄歇电子谱仪等，则用于对基片、膜结晶性和表面状态等进行原位观察。
分子束盒（源）由坩埚、围绕坩埚的加热器、金属钽/Ta（或氮化硼）制成的热屏蔽、开闭喷出口用的遮蔽板等组成。
整个分子束盒用水冷却，周围装有液氮屏蔽。
用分子束外延生长法，不仅可以制备GaAs单晶膜，还可在较低温度下得到几乎无缺陷的Si单晶膜，并可控制掺杂原子量级杂质分布。
广泛用于薄膜生长机理、材料表面结构、杂质掺入等基础研究。
MBE具有以下几个显著特点：①在超高真空下进行的干式工艺；混入残余气体等杂质很少，表面非常清洁。
②低温下生长。
如GaAs在500~600°C生长，Si在500°C左右生长。
③膜的生长速率慢（一般1~10um/h)，具有极好的膜厚可控性。
④可在大面积上得到均匀的外延生长膜。
⑤在非热平衡状态下生长，可实现II~VI族半导体的p、n型导电；⑥可严格控制组成和杂质浓度，可制备具有急剧变化的杂质浓度和组成的器件；⑦可进行原位观察，可得到晶体生长的薄膜结晶和表面状态数据，并可立即反馈以实时控制结晶生长。
⑧可以在原子量级精度范围内控制膜厚和杂质浓度组成。
⑨可用于三元以上的多元膜生长。
MBE系统一般为三室结构：生长室、分析室和基片交换室。
mbe外延原理及设备结构
mbe外延原理及设备结构
MBE外延原理及设备结构如下：
原理：分子束外延（MBE）是一种化合物半导体多层薄膜的物理淀积技术。
其基本原理是在超高真空条件下，将组成薄膜的各元素在各自的分子束炉中加热成定向分子束入射到加热的衬底上进行薄膜生长。
设备结构：MBE设备主要配置包括进样室、预处理室和生长室三个部分。
1. 进样室与外部环境直接互连，用于衬底或外延片的进出样，以及衬底的预除气过程。
2. 预处理室是进样室和生长室的过渡区域，主要完成衬底的除气过程以及样品的暂存。
3. 生长室是整个MBE系统的核心，主要监测并完成材料的生长过程。
其中配备了真空系统、样品架辅助系统、束源炉、以及实时监控系统等多个装置。
真空系统为生长提供较高的真空环境，使得气体的平均运动自由程远远超过腔体的尺寸，从源炉喷射出来的金属蒸汽不会发生碰撞且能够直接沉积到衬底表面。
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分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展培训讲学
MBE前沿介绍
北京科技大学的研究团队设计了如下实验方案：
设备：Veeco公司生产的Gen20A 全固态MBE 系统； 目标物：GaN0.03As0.97/In0.09 Ga0.91As短周期超晶格结构； 原料：生长过程是在半绝缘GaAs 衬底的(001)面上进行 的,Si和Be分别作为GaAs 的n 型和p 型掺杂源。 工艺：生长之前,需在生长室内对GaAs衬底进行高温( ~ 600 ℃) 脱氧处理10min;然后,将GaAs衬底温度从600℃降 为580 ℃,生长300nm厚度的GaAs缓冲层以获得更好的外 延生长表面;最后,将生长温度降至480℃,进行GaNAs/ InGaAs超晶格的生长和后续电池中10 周期数的 GaNAs/ InGaAs超晶格有源区的生长。（GaNAs/InGaAs 超晶格中阱层和垒层厚度相同,总厚度为0. 2 μm。在总厚 度不变的条件下,周期厚度在6 ~30 nm之间变化。）
MBE前沿介绍
制备GaNAs基超晶格太阳能电池
理论计算表明,对于GaInP/ GaAs/ Ge 三结电池来说,当在GaAs 电池与Ge 电池之间再增加一个带隙在1 eV左右的子电池将会进 一步提高多结太阳能电池的效率。由于四元合金Ga1-xInxNyAs1-y 带隙可调控至1 eV 且能与GaAs 或Ge 衬底实现晶格匹配(当x≈3y), 于是成为研究多结太阳能电池的热门材料 。
注：超高真空(Ultrahigh Vacuum)指的是真空压 力至少低于1.33x10-8Pa。 外延生长：在一个晶体表面上生长晶体薄膜， 并且得到的薄膜和衬底具有相同的晶体结构和 取向。
MBE原理—历史
1968年，美国Bell实验室的Arthur首先进行了Ga 和As在GaAs表面的反应动力学研究，奠定了 MBE的理论基础。
分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究
分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究一、前言随着纳米材料研究的深入，越来越多的高性能纳米材料被制备出来，并被广泛应用于生物、能源、材料等领域。
其中，分子束外延技术以其特殊的制备方式和优异的材料性能引起了许多科学家的关注和研究。
本文将对分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究进行探讨。
二、分子束外延技术简介分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种通过分子束束流在单晶基底上沉积薄膜的制备方法。
其主要优点在于可以制备出高质量、高纯度、精确控制厚度和界面结构的晶体材料。
其基本原理是利用高温下的分子束束流进行物质的“脱发”和“捕捉”，在单晶基底上生长出所需的薄膜结构。
在MBE制备薄膜时，可以通过控制系统的参数，例如温度、束流强度、基底种类等，来控制薄膜的晶体结构、成分和厚度。
三、MBE制备纳米材料的应用1. 锗纳米线的制备Ge是一种具有重要应用前景的半导体材料。
锗纳米线在柔性电子器件、太阳能电池、传感器等领域具有重要的应用前景。
MBE 技术在制备高质量锗纳米线方面具有很大的优势。
通过MBE技术在氧化锗单晶基底上以GeH4为前驱物质，控制温度和气压，可以获得高质量、大规模、组装良好的锗纳米线。
实验发现，在250-450摄氏度的温度范围内，Ge纳米线的生长速率随温度的升高而增大。
通过控制温度和种类、厚度等参数可以精确控制纳米线的直径和长度。
2. 纳米二维材料的制备MBE技术在纳米二维材料的制备中也具有应用潜力。
石墨烯、磷化硼、二硫化钼等材料是具有媲美传统半导体材料的性质和性能的新兴纳米材料。
MBE技术可以通过控制单层二维材料的生长条件，实现高质量、大尺寸二维材料的制备。
例如，在金属衬底上以化学气相沉积法生长单层石墨烯过程中，MBE在薄膜成核和二维材料晶格平面培养的领域中也有重要应用。
3. 纳米线阵列的制备MBE技术可以通过控制阵列生长条件生长出高密度的纳米线阵列。
在仙人掌状金属表面上生长纳米线阵列时，可以通过控制金属表面的菲涅耳区域，利用VLS(Vapor-Liquid-Solid)机制，实现纳米线阵列的均匀和可控生长。
MBE的工作原理及优缺点
分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)是制备极薄的单层或多层单晶薄膜的一种技术，它是在超高真空的条件下，把一定比例的构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的衬底表面来进行晶体外延生长的技术。
它生长的材料是一种与衬底晶格结构有一定对应关系的单晶层。
这个单晶层称为外延层，而把生长外延层的过程叫做外延生长。
历史：1969-1972年间，A．Y．Cho进行了MBE的开创性研究，用MBE生长出了高质量的GaAs薄膜单晶及n型、p型掺杂，制备出了多种半导体器件，而且生长出第一个GaAs／AIGaAs超晶格材料，从而引起了人们的关注我国于80年代初由半导体所和物理所分别研制出了自己的MBE设备分子束外延设备是一个复杂的系统，它主要涉及如下几个方面的技术：真空、机械、材料、电子、自动控制、计算机设备：☐高真空生长室：源发射炉、衬底夹、加热器☐过程控制系统：闸门、热电偶、加热器控制☐监测、分析系统：高能电子、衍射仪质谱仪、俄歇分析仪MBE的生长系统●进样室（装样、取样、对衬底进行低温除气）进样室用于换取样品，可同时放入多个衬底片。
●预处理与表面分析室（衬底预除气、表面分析XPS、UPS、SIMS、LEED）预备分析室可对衬底片进行除气处理，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，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。
MBE的原理：利用在超高真空（内腔〈10（-10）torr）环境下，加热（对于cell的控温精密掌握）材料源蒸镀其分子，气体分子在成长腔内的平均自由路径大于蒸镀源至基板之间的距离，可视为使蒸镀物质以分子束依直线行走而直接到达连基板2进行磊晶成长。
mbe 分子束外延
mbe 分子束外延
MBE（分子束外延）是一种用于薄膜生长的技术。
在MBE过程中，固态材料通过热蒸发产生分子束，然后这些分子束沉积在衬底表面。
这种技术可以精确地控制薄膜的厚度和成分，因此在半导体和光电领域得到广泛应用。
MBE的工作原理是利用高真空环境中的分子束进行生长。
首先，固态材料（通常是金属、合金或化合物）被加热到高温，使其蒸发成气体态。
然后，这些气体态的分子通过使用运动控制的出口孔径进入到真空室中，并被一个电子束或离子束进行解离。
解离后的分子束会通过衬底的孔径进入到衬底表面，然后在衬底表面沉积成薄膜。
最终的薄膜的厚度和成分可以通过调整衬底表面的温度、蒸发速率和解离度来控制。
MBE具有许多优点。
首先，它可以在高真空环境中进行，这使得薄膜几乎没有与空气中的杂质接触，从而减少了薄膜的污染。
其次，由于分子束的精确控制，可以生长非常薄的薄膜（纳米级别），从而使得器件设计更加灵活。
此外，MBE可以生长多层结构，因此适用于复杂的器件设计。
然而，MBE也存在一些挑战。
首先，MBE是一个高成本的技术，需要耗费大量的设备和能量。
其次，由于分子束的束缚效应，薄膜生长的速率相对较低，通常需要几个小时到几天的时间来完成。
此外，MBE对衬底的要求也比较严格，需要高质量的晶体衬底。
总的来说，MBE是一种强大的薄膜生长技术，可以用于制备高质量的晶体薄膜。
它在半导体、光电和纳米材料等领域具有广泛的应用前景。
分子束外延技术MBE的原理及其制备先进材料的研究进展
MBE原理—生长的动力学过程
1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面 进行物理或化学吸附。
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晶格点阵的结
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生长过程的三个基本区域
MBE原理—特点总结
生长速率低，大约1μm/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 分和形成陡峭异质结等，特别适于生长超晶格材料和外延薄膜材料。但是，极低的生长速率也限制了 MBE的生产效率，同时考虑到昂贵的设备，使其无法进行大规模生产。
虽然硅基InN材料在性能和应用方面有种种优势，但是目前研究进展并不顺利。一方面，六方InN材料沿a轴方向与 Si(111)衬底仍存在约8％的晶格失配，外延过程中会引人大量的缺陷；另一方面，InN材料具有较低的分解温度和较高 的氮平衡蒸气压从而导致高质量的InN材料很难制备。
此时，利用MBE技术通过低温外延InN或高温外延AlN作为缓冲层是提高InN材料质量的有效途径。
分子束外延技术MBE的原理及其 制备先进材料的研究进展
主要内容
MBE原理
MBE前沿介绍
MBE原理—定义 分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)：它是在超高真空的条件下，把一定比例的构成
晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的衬底表面来进行晶体外延生长 的技术。
谢谢！
谢谢
MBE前沿介绍
北京科技大学的研究团队设计了如下实验方案：
设备：Veeco公司生产的Gen20A 全固态MBE 系统； 目标物：GaNAs/In GaAs短周期超晶格结构； 原料：生长过程是在半绝缘GaAs 衬底的(001)面上进行的,Si和Be分别作为GaAs 的n 型和p 型掺杂源。 工艺：生长之前,需在生长室内对GaAs衬底进行高温( ~ 600 ℃) 脱氧处理10min;然后,将GaAs衬底温度从 600℃降为580 ℃,生长300nm厚度的GaAs缓冲层以获得更好的外延生长表面;最后,将生长温度降至480℃, 进行GaNAs/ InGaAs超晶格的生长和后续电池中10 周期数的 GaNAs/ InGaAs超晶格有源区的生长。（GaNAs/InGaAs超晶格中阱层和垒层厚度相同,总厚度为0. 2 μm。 在总厚度不变的条件下,周期厚度在6 ~30 nm之间变化。）
MBE介绍
MBE------------分子束外延的英文缩写为ＭＢＥ，这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。
在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。
特点-----------------（1）生长速率极慢，大约1um/小时，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。
（2）外延生长的温度低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。
（3）由于生长是在超高真空中进行的，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。
在分子束外延装置中，一般还附有用以检测表面结构、成分和真空残余气体的仪器，可以随时监控外延层的成分和结构的完整性，有利于科学研究.（4）MBE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。
（5）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，并且利用快门可以对生长和中断进行瞬时控制。
因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
MBE的工作原理及优缺点
高真空生长室： 源发射炉、衬底夹、加热 器 过程控制系统：闸门、热电偶、加热器控 制
监测、分析系统： 高能电子、衍射仪质谱 仪、俄歇分析仪
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 用于换取样品，可同时放入多个衬底片。 预备分析室可对衬底片进行除气处理，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，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。
维护和设备费用高 分子束外延作为已经成熟的技术早已应用到了微波器件和光电 器件的制作中。但由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很 高，所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大 量的液氮，因而提高了日常维持的费用。 生长速率慢 MBE能对半导体异质结进行选择掺杂，大大扩展了掺杂半导体 所能达到的性能和现象的范围。调制掺杂技术使结构设计更灵 活。但同样对与控制、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。量产最大的是一次7片6英寸的设备。
预处理室
缓冲室 生长室
进样室
小车
MBE的原理： 利用在超高真空（内腔〈10（-10）torr）环境下，加热（对于cell的控温精密掌握）材 料源蒸镀其分子，气体分子在成长腔内的平均自由路径大于蒸镀源至基板之间的距 离，可视为使蒸镀物质以分子束依直线行走而直接到达连基板2进行磊晶成长。
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；
1外延生长的温度较低，是一种有效的低温外延技 术,降低了外延的自掺杂和外扩散, 有利于提高外延 层的纯度和完整性； 2外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好； 3 可精确控制掺杂分布,可以制成不同掺杂剂或不同 成份的多层结构； 4利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配 比较好的化合物半导体薄膜。 5.MBE的生长不是在热平衡条件下进行的，可生长 按照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。如在GaAs衬底上生长AlGaAs材料
对 MBE的介绍
对MBE的介绍MBE（Molecular Beam Epitaxy）又叫分子束外延它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的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（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。
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。
该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂。
MBE的典型特点可以分为以下五点：（1）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。
（2）分子束外延的生长速率较慢，大约0.01~1nm/s。
可实现单原子（分子）层外延，具有极好的膜厚可控性。
（3）通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭，可严格控制膜的成分和杂质浓度，也可实现选择性外延生长。
（4）非热平衡生长，衬底温度可低于平衡态温度，实现低温生长，可有效减少互扩散和自掺杂。
（5）配合反射高能电子衍射（RHEED）等装置，可实现原位观察、实时监测。
浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
生长速率比较慢，既是MBE的一个优点，同时也是它的不足，不适于厚膜生长和大量生产。
分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。
随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。
分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。
其相关技术有晶体生长技术；化学束外延；半导体材料技术等技术。
mbe分束外延
mbe分束外延
MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）是一种先进的半导体薄膜生长技术，通过精确控制各种元素或化合物的纯度极高、能量可控的分子束，逐层沉积在洁净的衬底表面上，实现原子级别的精确生长。
该技术适用于制备高性能的超薄半导体异质结构，如量子阱、超晶格等，广泛应用于半导体器件如激光器、高速电子器件以及量子计算等前沿领域的研究与开发。
在MBE过程中，通过对分子束的流量、沉积速率以及生长温度的精确控制，可以实现对薄膜厚度、组分和界面质量的精准调控。
mbe 分子束外延 论证
mbe 分子束外延论证
分子束外延（MBE）是在超高真空条件下，将几个分子束喷射炉置于液氮屏蔽罩下，高纯Ga、In、Al等生长源分别装入各喷射炉中，将炉温升到各自的蒸发温度产生相应的分子束，连续打在适当温度的衬底上，实现单晶薄膜的生产。
作为新外延制膜方法，分子束外延具有束流强度易控制、衬底温度低、膜层生长速率慢、可实现选择性外延生长等优势。
分子束外延技术结合能带工程，生长出了符合需要的异质结、超晶格、量子阱、量子点等各种低维半导体结构，从而推动了半导体微电子学、光电子学的发展。
通过深入了解和研究分子束外延技术，可以更好地理解材料的结构和性质之间的关系，为开发和设计新型半导体材料提供指导和支持。
MBE的工作原理及优缺点
预处理室
缓冲室 生长室
进样室
小车
MBE的原理： 利用在超高真空（内腔〈10（-10）torr）环境下，加热（对于cell的控温精密掌握）材 料源蒸镀其分子，气体分子在成长腔内的平均自由路径大于蒸镀源至基板之间的距 离，可视为使蒸镀物质以分子束依直线行走而直接到达连基板2进行磊晶成长。
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；
对温度控制要求高 温度太低：可能生长出多晶或非晶 温度太高：会使吸附的原子再次蒸发而脱落 MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展， 但在生长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。
监测、分析系统： 高能电子、衍射仪质谱 仪、俄歇分析仪
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 用于换取样品，可同时放入多个衬底片。 预备分析室可对衬底片进行除气处理，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，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。
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。 3. 从源射出的分子束撞击衬底表面被 吸附 4. 被吸附的分子（原子）在表面迁移、 分解 5. 原子进入晶格位置发生外延生长 6. 未进入晶格的分子因热脱附而离开 表面
分子束外延
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，对样品进行外表成分、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〕由束源发出到衬底外表的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长外表上源的供给就停止了，生长也及时停止。
mbe分子束
mbe分子束MBE分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种重要的半导体材料生长技术，它通过控制分子束的束流来在晶体衬底上生长单晶薄膜。
MBE技术广泛应用于半导体器件制造、光电子学、量子器件等领域。
MBE分子束外延技术的原理是利用分子束瞄准和定向生长方法，在真空环境中对衬底表面原子进行精确控制的沉积，形成具有特定晶向的单晶薄膜。
它通过控制衬底温度、分子束流速和衬底表面的原子结构等参数，实现了对材料生长过程的精确控制。
MBE技术具有许多优点。
首先，MBE能够实现高度纯净的材料生长，因为它在高真空环境中进行，减少了外界杂质的污染。
其次，MBE 生长的薄膜具有优良的结晶质量和界面品质，能够实现高度均匀和低缺陷的单晶材料。
此外，MBE具有高度可控性，可以精确控制薄膜的厚度、组分和结构，满足不同应用领域的需求。
MBE技术的应用非常广泛。
在半导体器件制造方面，MBE可以用于生长各种功能性材料，如高电迁移率材料、III-V族化合物半导体、磁性材料等。
这些材料在高速电子器件、光电子器件、磁性器件等领域具有重要应用。
在光电子学领域，MBE可以用于生长激光器、光电探测器、太阳能电池等器件。
此外，MBE还可以用于生长量子器件，如量子阱、量子点等，这些器件在量子计算、量子通信等领域有着重要的应用前景。
MBE技术的发展也面临一些挑战。
首先，MBE的生长速度相对较慢，生长大面积的薄膜需要较长时间。
其次，MBE生长过程中的温度和压力等参数需要精确控制，技术要求较高。
此外，MBE技术还需要对衬底进行预处理，以确保薄膜的良好结晶质量。
为了克服这些挑战，研究人员不断改进MBE技术。
他们通过改进分子束源、优化衬底表面处理、控制生长条件等手段，提高了MBE的生长速度和生长质量。
此外，还发展了一些新的技术，如金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延自组装技术（MBE-SK）等，扩大了MBE技术的应用范围。
mbe公式
mbe公式MBE公式是指麦克斯韦-玻尔兹曼公式（Maxwell-Boltzmann Equation），它描述了气体分子的速度分布。
该公式是物理学中的一个重要公式，被广泛应用于研究和解释气体分子的运动行为。
MBE公式可以用于推导和计算气体分子的速度分布。
根据该公式，气体分子的速度分布满足一个特定的函数关系，即速度分布函数。
该函数描述了不同速度下气体分子的数量分布情况。
MBE公式的具体形式为：f(v) = 4π( (m/2πkT)^(3/2) ) * v^2 * e^(-mv^2/2kT)其中，f(v)表示速度为v的气体分子的数量分布；m表示气体分子的质量；k表示玻尔兹曼常数；T表示气体的温度。
根据MBE公式，我们可以得到气体分子的速度分布曲线。
在高温下，曲线会呈现出较为平坦的形状，说明气体分子的速度分布较为均匀。
而在低温下，曲线会呈现出较为尖锐的形状，说明气体分子的速度分布较为集中。
通过MBE公式，我们可以进一步研究气体分子的平均速度、最概然速度和平均平方速度等参数。
这些参数对于理解和描述气体分子的运动行为非常重要。
MBE公式在实际应用中具有广泛的意义。
在物理学、化学和工程学等领域，研究气体分子的运动行为对于解决实际问题具有重要意义。
例如，通过MBE公式，我们可以预测和计算气体分子的传递速率、扩散速率和反应速率等。
这些参数对于工业生产、环境保护和能源利用等方面都具有重要的应用价值。
总结一下，MBE公式是描述气体分子速度分布的重要公式。
它通过一个速度分布函数，描述了不同速度下气体分子的数量分布情况。
在实际应用中，MBE公式被广泛应用于研究和解释气体分子的运动行为，为解决实际问题提供了重要的理论基础。
通过对MBE公式的研究，我们可以更深入地了解气体分子的运动行为，为科学研究和工程应用提供有益的参考。
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⑨ 可用于三元以上的多元膜生长。
MBE系统一般为三室结构：生长室、分析室和基片交换室。还有超高真空机组和控制系统。
③ 膜的生ห้องสมุดไป่ตู้速率慢（一般1~10um/h)，具有极好的膜厚可控性。
④ 可在大面积上得到均匀的外延生长膜。
⑤ 在非热平衡状态下生长，可实现II~VI族半导体的p、n型导电；
⑥ 可严格控制组成和杂质浓度，可制备具有急剧变化的杂质浓度和组成的器件；
⑦ 可进行原位观察，可得到晶体生长的薄膜结晶和表面状态数据，并可立即反馈以实时控制结晶生长。
用分子束外延生长法，不仅可以制备GaAs单晶膜，还可在较低温度下得到几乎无缺陷的Si单晶膜，并可控制掺杂原子量级杂质分布。广泛用于薄膜生长机理、材料表面结构、杂质掺入等基础研究。
MBE具有以下几个显著特点：
① 在超高真空下进行的干式工艺；混入残余气体等杂质很少，表面非常清洁。
② 低温下生长。如GaAs在500~600°C生长，Si在500°C左右生长。
MBE（分子束外延）结构原理：
分子束外延生长法，是在对生长条件严格控制的超高真空下完成单晶薄膜生长的，是真空蒸镀方法的进一步发展。其晶体生长过程是在非热平衡条件下完成，仅受基片的动力学制约。这是与在近热平衡状态下进行的液相外延生长的根本区别。
为实现上述功能，必须把从蒸发源蒸发的构成元素变成束状（分子束），并设法使分子束无环境气氛围绕，即蒸发源应由几个克努曾槽型分子束盒和围绕分子束的液氮屏蔽构成。用加热分子束盒的方法去除杂质气体和残余蒸发分子。用四极质量分析仪检查分子束的强度和种类，并把测得的结果反馈给蒸发源，以控制各分子束盒的温度和遮蔽板的开、关。安装在生长室的反射电子衍射仪、俄歇电子谱仪等，则用于对基片、膜结晶性和表面状态等进行原位观察。分子束盒（源）由坩埚、围绕坩埚的加热器、金属钽/Ta（或氮化硼）制成的热屏蔽、开闭喷出口用的遮蔽板等组成。整个分子束盒用水冷却，周围装有液氮屏蔽。