(2021)第四章分子束外延完美版PPT
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(工作压强10-8Pa7.510-3Torr/Pa=7.510-11Torr) （4）特别注意原子级干净的表面。
图4-1 硅MBE的工作原理示意图
4.2 硅分子束外延的发展历史背景
相对于CVD缺点而发展起来。
跟真空度有关，温度控制是关键。
监衬测底分 晶子向束与流外有延以温下度C几的V种关D：系。缺陷：衬底高温，1050℃，自掺杂严重（跟高温有关）。
（1）电子束轰击硅靶表面，从而容易产生硅分子束。为 了避免硅分子束散发到旁边去而引起不良影响，大面积屏 蔽和准直是必需的。
（2）电阻加热的硅阴极产生不了强分子束，其它的石墨 坩埚有Si-C玷污，最好的办法是电子束蒸发产生硅源。因 为，硅MBE某些部分温度较高，便于蒸发，硅的低蒸发 压要求蒸发源具有较高温度。
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。
硅分子束外延
4.1 基本概况
硅分子束外延包括同质外延，异质外延。 硅分子束外延是通过原子、分子或离子的物理淀积，在 适当加热的硅衬底上进行硅（或与硅相关材料）的外延 生长。 （1）外延期间，衬底处于较低温度。 （2）同时掺杂。 （3）系统维持高真空。
在杂质吸附系数S、衬底温度Ts一定的条件下，可根
据图4-2定性地பைடு நூலகம்计杂质的浓度。
图4-2 本底杂质浓度和本底压强的关系
外延膜掺杂浓度随掺杂源浓度、生长速率以及衬底温度 的变化有不同的模型，它可用脱附系数，吸附系数，以 及蒸气压来表示。
至今MBE的掺杂仍是一个重要课题。
过去曾得到硅中掺锑的外延膜，摸索并了解得吸附系数 与锑流量及衬底温度之间的关系。
（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。
（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。
4.3 硅分子束外延的重要性
硅MBE是在一个严格控制的低温系统中进行。 （1）能很好地控制杂质浓度，达到原子级。非掺杂浓度
可控在<31013/cm3。 （2）外延可在无缺陷的最佳条件下进行。 （3）外延层厚度可控制在单原子层的厚度内，进行超晶
格外延，几nm~几十nm，从而可实现人工设计，并制 备性能优异的新功能材料。
（1）衬底的温度达到1/3熔点温度，1450℃/3，T=500℃，可 获得足够的表面迁移率。
（2）杂质浓度：取决于系统的真空度，即杂质吸附在表面以 及结合到外延膜中的程度。
硅蒸发技术：1、电阻加热，瞬间蒸发。2、电子轰击蒸发。
在低工作压强中进行，玷污成主要问题。
氧、氢存在，表面只有小部分结合，晶体产生缺陷，衬底温 度TS升高，生长速率增高，1m/min增至1.5m/min， TS=1200℃，但掺杂无法控制。 超高真空系统出现（Ultrahigh Vacuum， UHV），本底真空 度降至10-9Pa，生长速率Re下降，TS下降。
蒸发同时，要对束流密度和扫描参数进行控制。使得硅熔 坑正好处在硅棒内，硅棒成为高纯坩埚。
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。
吸附原子流量Js表示到为：硅衬底上，进行外延生长（1962年）。
同（100）晶面相比，（111）晶向的波导特性很难同时满足全部键合的要求。
2、s>独>立的台分阶析ts 室。生长准则：入射分子充分运动，达到衬底的热表面，并以单晶
纵坐标是任意单位。
形式排列。 有效迁移能（热能）与衬底温度有关。
图4-17 只控制掺杂分子束通量所得到的掺杂分布（掺镓）。
图4-18 用“闪蒸”技术获得掺杂浓度（镓）的高-低过渡区。 （2）电阻加热的硅阴极产生不了强分子束，其它的石墨坩埚有Si-C玷污，最好的办法是电子束蒸发产生硅源。
掺杂剂的表面相对掺原杂过始程的起着分重要子作用束。 外延：硅衬底加热至适当温度，真空下使硅蒸发
一室多功能：样品准备：load lock。 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。
始创：20世纪70年代初期，卓以和，美国Bell实验室
应用：外延生长原子级精确控制的超薄多层二维结构材料和 器件（超晶格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阱激光器、 高电子迁移率晶体管等）；结合其他工艺，还可制备一维和 零维的纳米材料（量子线、量子点等）。
MBE的典型特点：
（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。
第四章分子束外延
分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）
在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子 （原子）束流喷射到晶体衬底，在衬底表面发生反应的过程 ，由于分子在“飞行”过程中几乎与环境气体无碰撞，以分 子束的形式射向衬底，进行外延生长，故此得名。
属性：一种真空蒸镀方法
（4）硅的同质外延，类硅的异质外延。
4.4 外延生长设备
发展方向：可靠性、高性能和多功能 缺点：价格高、复杂，运行费用高。 适用范围：可用于硅MBE，化合物MBE，III-V族MBE， 金属半导体的MBE正在发展中。 基本的共同特点： （1）基本的超高真空系统，外延室，努森加热室； （2）分析手段，LEED、SIMS，RHEED等； （3）进样室。 基本结构见图4-3。
图4-1 硅MBE的工作原理示意图
4.2 硅分子束外延的发展历史背景
相对于CVD缺点而发展起来。
跟真空度有关，温度控制是关键。
监衬测底分 晶子向束与流外有延以温下度C几的V种关D：系。缺陷：衬底高温，1050℃，自掺杂严重（跟高温有关）。
（1）电子束轰击硅靶表面，从而容易产生硅分子束。为 了避免硅分子束散发到旁边去而引起不良影响，大面积屏 蔽和准直是必需的。
（2）电阻加热的硅阴极产生不了强分子束，其它的石墨 坩埚有Si-C玷污，最好的办法是电子束蒸发产生硅源。因 为，硅MBE某些部分温度较高，便于蒸发，硅的低蒸发 压要求蒸发源具有较高温度。
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。
硅分子束外延
4.1 基本概况
硅分子束外延包括同质外延，异质外延。 硅分子束外延是通过原子、分子或离子的物理淀积，在 适当加热的硅衬底上进行硅（或与硅相关材料）的外延 生长。 （1）外延期间，衬底处于较低温度。 （2）同时掺杂。 （3）系统维持高真空。
在杂质吸附系数S、衬底温度Ts一定的条件下，可根
据图4-2定性地பைடு நூலகம்计杂质的浓度。
图4-2 本底杂质浓度和本底压强的关系
外延膜掺杂浓度随掺杂源浓度、生长速率以及衬底温度 的变化有不同的模型，它可用脱附系数，吸附系数，以 及蒸气压来表示。
至今MBE的掺杂仍是一个重要课题。
过去曾得到硅中掺锑的外延膜，摸索并了解得吸附系数 与锑流量及衬底温度之间的关系。
（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。
（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。
4.3 硅分子束外延的重要性
硅MBE是在一个严格控制的低温系统中进行。 （1）能很好地控制杂质浓度，达到原子级。非掺杂浓度
可控在<31013/cm3。 （2）外延可在无缺陷的最佳条件下进行。 （3）外延层厚度可控制在单原子层的厚度内，进行超晶
格外延，几nm~几十nm，从而可实现人工设计，并制 备性能优异的新功能材料。
（1）衬底的温度达到1/3熔点温度，1450℃/3，T=500℃，可 获得足够的表面迁移率。
（2）杂质浓度：取决于系统的真空度，即杂质吸附在表面以 及结合到外延膜中的程度。
硅蒸发技术：1、电阻加热，瞬间蒸发。2、电子轰击蒸发。
在低工作压强中进行，玷污成主要问题。
氧、氢存在，表面只有小部分结合，晶体产生缺陷，衬底温 度TS升高，生长速率增高，1m/min增至1.5m/min， TS=1200℃，但掺杂无法控制。 超高真空系统出现（Ultrahigh Vacuum， UHV），本底真空 度降至10-9Pa，生长速率Re下降，TS下降。
蒸发同时，要对束流密度和扫描参数进行控制。使得硅熔 坑正好处在硅棒内，硅棒成为高纯坩埚。
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。
吸附原子流量Js表示到为：硅衬底上，进行外延生长（1962年）。
同（100）晶面相比，（111）晶向的波导特性很难同时满足全部键合的要求。
2、s>独>立的台分阶析ts 室。生长准则：入射分子充分运动，达到衬底的热表面，并以单晶
纵坐标是任意单位。
形式排列。 有效迁移能（热能）与衬底温度有关。
图4-17 只控制掺杂分子束通量所得到的掺杂分布（掺镓）。
图4-18 用“闪蒸”技术获得掺杂浓度（镓）的高-低过渡区。 （2）电阻加热的硅阴极产生不了强分子束，其它的石墨坩埚有Si-C玷污，最好的办法是电子束蒸发产生硅源。
掺杂剂的表面相对掺原杂过始程的起着分重要子作用束。 外延：硅衬底加热至适当温度，真空下使硅蒸发
一室多功能：样品准备：load lock。 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。
始创：20世纪70年代初期，卓以和，美国Bell实验室
应用：外延生长原子级精确控制的超薄多层二维结构材料和 器件（超晶格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阱激光器、 高电子迁移率晶体管等）；结合其他工艺，还可制备一维和 零维的纳米材料（量子线、量子点等）。
MBE的典型特点：
（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。
第四章分子束外延
分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）
在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子 （原子）束流喷射到晶体衬底，在衬底表面发生反应的过程 ，由于分子在“飞行”过程中几乎与环境气体无碰撞，以分 子束的形式射向衬底，进行外延生长，故此得名。
属性：一种真空蒸镀方法
（4）硅的同质外延，类硅的异质外延。
4.4 外延生长设备
发展方向：可靠性、高性能和多功能 缺点：价格高、复杂，运行费用高。 适用范围：可用于硅MBE，化合物MBE，III-V族MBE， 金属半导体的MBE正在发展中。 基本的共同特点： （1）基本的超高真空系统，外延室，努森加热室； （2）分析手段，LEED、SIMS，RHEED等； （3）进样室。 基本结构见图4-3。