分子束外延
分子束外延技术
分子束外延原理示意图
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分子束外延原理
外延表面反应过程
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分子束外延原理
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，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。
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国内外成果
中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室：李存才数十年 来负责微系统所四台分子束外延MBE设备的维运。2014年，该所信息功能材料国家 重点实验室研制出了InP基无锑量子阱激光器，制备的2.4微米窄条激光器（6 µ m×0.8 mm）在300 K时阈值电流仅62 mA，单面输出功率超过11 mW。此2.4微米 InP基无锑量子阱激光器是目前国际上已有报道中室温激射波长最长的。 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所：低维纳米结构和器件的设计、加工、 组装、集成技术为基础 浙江大学硅材料国家重点实验室：从事硅单晶材料及半导体材料的基础科学与应用 基础研究，着重拓展硅外延、太阳能硅材料、硅基光电子材料以及纳米硅材料的研 究;半导体薄膜领域：在坚持ZnO薄膜生长和掺杂特色的基础上，重点开展半导体薄 膜在LED照明领域的应用; 哈尔滨工业大学：InAs/GaSb超晶格
低温泵是使用低于20K的金 属表面使气体凝结，并保持 凝结物的蒸汽压力低于泵的 极限压力，从而达到抽气作 用低温泵可以获得抽气速率 最大、极限压力最低的清洁 真空。
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分子束外延设备
真空计
在低压强气体中，气体分子被电离生成的正 离子数与气体压强成正比。电离真空计是基 于在一定条件下，待测气体的压力与气体电 离产生的离子流呈正比关系的原理制作的真 空测量仪器。按照离子产生的方法不同，电 离真空计可分为热阴极电离真空计和冷阴极 电离真空计
分子束外延技术
分子束外延技术分子束外延（molecular beam epitaxy,MBE）技术是一种可在原子尺度上精确控制外延膜厚度、精确控制对薄膜的掺杂和精确控制界面平整度的薄膜制备技术，主要用于制备超薄膜、多层量子阱和超晶格等半导体用高精度薄膜，是新一代电子器件、光电子器件的主要制备技术之一。
1958年，K.Z. Gunther首先提出分子東外延概念；1968年，J.E. Davey和T. Pankey用分子束外延技术制备了GaAs薄膜；1975年，MBE技术应用于半导体器件制备。
我国1980年出产首台MBE系统，1986年后进入器件应用阶段。
图1 外延膜的示意图1.分子束外延原理分子束外延是把构成晶体的各个组分分别放在不同的蒸发源中，在10-8Pa的超高真空条件下，缓慢加热膜材，使之形成分子束流并以一定的热运动速度，按一定的比例喷射到基片上，在基体上进行外延薄膜生长，并在线监测生长过程的一种镀膜方法。
从本质上讲，它是一种真空蒸发镀，包括分子束的产生、分子束的输运和分子束的沉积三个过程。
分子束外延示意图如图2所示[1]，膜材放在蒸发源中，每个蒸发源有一个挡板，蒸发源对准基体，基体可以加热调节温度，另外有监测设备，在线监测薄膜晶态结构。
图2 分子束外延示意图1.1分子束的产生分子束是通过蒸发源产生的，蒸发源决定分子束的活性、分子束强度（由蒸发速率决定）。
蒸发源包括克努曾舟[2]、电子束加热源和裂解炉。
克努曾舟主要用来蒸发低熔点材料，如Ge、Ga和Al等，而电子束主要用于高熔点物质蒸发，如C、W等。
裂解炉通常用于As和P等物质的蒸发，这些材料蒸发时容易形成四聚体，需要用裂解炉使四聚体变成活性较高的二聚体或单原子。
束流反应活性高，利于制备热力学平衡态下难以制备的高浓度合金，因而能够制备新型人工材料和器件。
反应活性高，还利于降低样品生长时的衬底（基体）温度，从而减弱膜层或成分间相互扩散，有利于制作陡峭界面和极薄层的结构。
分子束外延
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浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
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分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）技术是在真空沉积法和1968年阿尔瑟(Arthur)对镓砷原子与GaAs表面相互作用的反应动力学研究的基础上，由美国贝尔实验室的卓以和在70年代初开创的。
它推动了以超薄层微结构材料为基础的新一代半导体科学技术的发展。
分子束外延（MBE）是一种灵活的外延薄膜技术，可以表述为在超高真空环境中通过把热蒸发产生的原子或分子束投射到具有一定取向、一定温度的清洁衬底上而生成高质量的薄膜材料或各种所需结构。
晶体生长受分子束相互作用的动力学过程支配，而异于常规的化学气相淀积(VPE)和液相外延(LPE)中的准热力学平衡。
随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术，近年来又出现了激光分子束外延技术。
原子层沉积 分子束外延
原子层沉积分子束外延摘要：1.原子层沉积与分子束外延的概述2.原子层沉积技术的原理与特点3.分子束外延技术的原理与特点4.两种技术的应用领域及优缺点对比5.中国在相关领域的研究与发展正文：原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是两种重要的薄膜制备技术，广泛应用于半导体、光学和能源等领域。
原子层沉积技术是一种自下而上的薄膜制备方法，通过气相沉积的方式，将材料原子一层一层地沉积在基底上。
ALD技术的特点是薄膜厚度可控、成分均匀、生长速率慢，因此能够实现对薄膜的精确控制。
此外，ALD技术可以应用于多种材料，包括金属、氧化物和化合物等。
在我国，ALD技术已经取得了显著的研究成果，并在半导体、太阳能电池、发光二极管等领域得到了广泛应用。
分子束外延技术则是一种自上而下的薄膜制备方法，通过将材料分子束射到基底表面，使其逐层生长。
MBE技术的特点是薄膜生长速率快、薄膜质量高、成分可控。
由于MBE技术对薄膜的生长具有很高的控制能力，因此在我国被广泛应用于量子点、量子井、超晶格等纳米材料的制备。
此外，MBE技术还在光电子器件、半导体器件等领域具有重要应用价值。
在对比两种技术时，ALD适用于大面积、均匀薄膜的制备，而MBE更适用于小面积、高质量薄膜的制备。
同时，ALD技术在我国的研究与应用相对成熟，拥有较高的产业化水平；而MBE技术在我国的研究尚处于起步阶段，但具有巨大的市场潜力。
总之，原子层沉积和分子束外延技术在我国都取得了显著的研究成果，并具有广泛的应用前景。
作为职业写手，我们有责任关注这两种技术的发展动态，挖掘其在不同领域的应用潜力，为我国科技事业的发展贡献力量。
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
分子束外延技术1. 引言分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种先进的材料制备技术，广泛应用于半导体器件和纳米材料的研究和生产领域。
该技术利用超高真空环境下的分子束束流，通过在晶体表面逐层沉积原子和分子，从而制备出具有高结晶质量和精确控制的薄膜和异质结构。
本文将详细介绍分子束外延技术的原理、仪器设备、潜在应用以及一些发展趋势。
2. 分子束外延技术原理分子束外延技术的核心原理是利用超高真空环境下的分子束束流进行材料的生长。
该技术的关键步骤包括分子束的制备、束流的对准和单分子层的沉积。
首先，需要使用分子束制备室来蒸发所需的材料。
通常使用的方法有热源蒸发、激光蒸发和电子束蒸发。
通过控制蒸发源温度和压力，可以得到所需的原子或分子束。
然后，将分子束引入基底材料的表面。
为了精确地控制分子束的对准，常采用光束热脱附（Photodesorption）和金刚石细针扫描（Diamond Anvil Scanning）等技术。
最后，在基底材料的表面逐层沉积原子和分子，形成所需的薄膜和结构。
这需要控制沉积速率、表面扩散和吸附动力学等参数，以保证沉积的薄膜具有高结晶质量和所需的形貌。
3. 分子束外延技术仪器设备分子束外延技术需要高度精密的仪器设备来实现对分子束的制备和束流的对准。
典型的MBE系统包括以下几个关键组件：3.1 蒸发室蒸发室用于蒸发所需的材料。
该室通常具有多个独立的炉子，可以同时蒸发多种材料。
蒸发室还包括温度控制装置、高真空泵和检测装置等。
3.2 基底基底是分子束外延技术中用于生长薄膜的材料。
常用的基底材料包括GaAs、InP、Si和Ge等。
基底通常具有高结晶质量和平整的表面，以保证薄膜的生长质量。
3.3 光束对准系统光束对准系统用于精确地对准分子束到基底的表面。
该系统通常包括光源、准直系统和检测器。
光源可以是连续光源或激光光源，用于产生对准所需的光束。
3.4 薄膜生长监测系统薄膜生长监测系统用于实时监测薄膜生长的情况。
分子束外延和cvd
分子束外延和cvd分子束外延和化学气相沉积（CVD）是两种常用的薄膜生长技术，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，详细介绍这两种技术的原理、应用和优缺点，以及它们对人类社会的贡献和影响。
一、分子束外延（MBE）分子束外延是一种通过在真空中控制分子束来生长薄膜的技术。
在MBE过程中，采用气体源将原子或分子转化为分子束，然后将其瞄准到待生长表面上。
通过控制分子束的能量和角度，可以实现对薄膜生长的精确控制。
MBE技术在半导体器件、光电子器件和纳米材料等领域有着重要的应用。
MBE技术的优点在于其生长速率较慢，能够实现高质量的薄膜生长。
由于在真空环境下进行，可以避免氧化和杂质的污染，从而得到更纯净的材料。
此外，MBE技术可以实现单层薄膜的生长和原子级别的控制，有利于制备纳米器件和量子结构。
然而，MBE技术也存在一些限制。
首先，由于薄膜生长速率较慢，生产效率较低，不适合大规模工业生产。
其次，MBE设备复杂，操作难度较大，需要高度专业化的技术人员进行操作和维护。
此外，MBE技术对材料的选择性较强，只能用于某些特定的材料。
二、化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种通过化学反应在固体表面上生长薄膜的技术。
在CVD过程中，将气体源中的反应物输送到待生长表面上，通过化学反应生成固态产物。
CVD技术具有生长速度快、适用范围广的特点，广泛应用于半导体、涂层和薄膜材料等领域。
CVD技术的优点在于其生长速度快，适用于大面积薄膜的生长。
同时，CVD技术可以实现复杂结构的薄膜生长，如多层薄膜、异质结构等。
此外，CVD技术的设备相对简单，操作和维护较为方便。
然而，CVD技术也存在一些问题。
首先，由于化学反应涉及到多种气体和反应物，需要严格控制反应条件，如温度、压力和气体流量等，以保证薄膜的质量和均匀性。
其次，CVD过程中会产生大量的废气和有害物质，需要进行处理和排放，对环境造成一定的影响。
总的来说，分子束外延和化学气相沉积是两种重要的薄膜生长技术，它们在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
分子束外延技术简介-2
计算机
分子束外延设备真空系统的组成 进样室（装样、取样、对衬底进行低 温除气） 预处理与表面分析室（衬底预除气、 表面分析XPS、UPS、SIMS、LEED） 生长室（样品生长） 衬底传递机构（样品在各腔室之间的 传递）
预处理室 进样室
缓冲室 生长室
小车
Riber 32P MBE系统
V80H MBE系统
D
t VO
TI KI
VI TI KD/P VD 1/P TD / KD VP P： 比例带 TI： 积分时间 KI： 积分增益 TD：微分时间 KD：微分增益
四极质谱仪
在MBE设备上主 要用作超高真空 检漏和残余气体 分析
Z Y
O
X
U1+U2 cos(wt)
四极质谱仪结构示意图
反射高能电子衍射（RHEED）
511腐蚀液的配置： 1 1体积纯水倒入烧杯中； 2 1体积双氧水倒入烧杯中，摇匀； 3 5体积浓硫酸倒入冷水浴中的烧杯， 摇匀，冷却后使用。
贴片
有In钼托 1 加热钼托至160 OC； 2 在钼托表面涂In，使融化； 3 重复推动衬底，使衬底和钼托之间形 成一薄层无空气隙的In层； 4 去除钼托上多余的In
衬底的脱氧化物
当衬底温度升高到某一特定温度时， 衬底表面氧化物迅速分解，脱离衬底。 该变化可以由RHEED图样的变化观 察到。一般的，认为：GaAs脱氧化 物温度为580 OC，InP脱氧化物温度 为540 OC。衬底的脱氧现象可用来确 定生长时衬底实际温度所对应的表观 温度。
生长
按照预先编制好的程序，在计算 机控制下开关各源炉挡板、改变各源 炉温度，进行材料的生长。在生长过 程中，有关人员密切注意和定时记录 仪器的各种状态参数，要及时、正确 地处理生长中发生的异常情况。
分子束外延工艺的优缺点
分子束外延工艺的优缺点分子束外延工艺，即分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE），是一种用于生长薄膜和结构材料的高精度工艺。
它利用分子束的无需载体的特点，以及高真空条件下的逐层生长机制，可以实现高质量、纯净度高的薄膜和纳米结构的制备。
下面将从几个方面分析分子束外延工艺的优缺点。
首先，分子束外延工艺具有高精度的控制能力。
通过调节分子束的流量、能量和角度，可以精确控制生长过程中的各种参数，如层厚、组分、成分梯度、异质结构等。
这种高精度的控制能力为研究人员提供了极大的灵活性，能够实现特定需求下的定制化生长。
其次，分子束外延工艺具有出色的晶体质量和界面性能。
由于分子束生长过程中无需载体，可以避免外来杂质的引入和扩散，从而减小晶体缺陷密度，并形成更纯净的薄膜。
此外，分子束外延的逐层生长机制使得界面的结构非常平整，界面间的相互作用较小，从而有助于形成优质的异质结构。
第三，分子束外延工艺对材料的吸附性较强。
在高真空条件下，分子束生长可以有效控制表面上的吸附作用，从而实现精确的表面修饰和掺杂。
这种控制能力在纳米结构的生长和功能材料的制备中具有重要作用。
然而，分子束外延工艺也存在一些缺点。
首先，由于需要维持高真空条件，设备和实验条件比较复杂，设备和运行成本相对较高。
同时，分子束外延过程中的基片温度一般较高，可能导致一些材料的热解和扩散现象。
此外，分子束外延工艺对于大面积薄膜生长的工艺优化还存在一定的挑战。
综上所述，分子束外延工艺具有高精度的控制能力、出色的晶体质量和界面性能，以及强的吸附性。
然而，它也存在设备成本高、操作复杂、热解和扩散问题、面积扩展性待提高等缺点。
因此，在应用分子束外延工艺时，需要仔细权衡其优缺点，并结合具体需求进行选择和优化，以取得最佳的研究和实验效果。
范德华外延和分子束外延的区别
范德华外延和分子束外延的区别范德华外延和分子束外延是两种半导体生长技术，虽然它们在某些方面具有相似之处，但在工作原理和应用领域上存在较大差异。
本文将详细解析这两种技术的区别。
一、范德华外延（Van der Waals Epitaxy）1.定义：范德华外延是一种基于范德华力（一种分子间作用力）的半导体生长技术。
在这种技术中，生长材料通过范德华力与基底材料结合，形成外延层。
2.生长过程：范德华外延生长过程中，生长材料以分子或原子形式沉积在基底材料表面，然后在范德华力的作用下，逐渐形成有序的结构。
3.特点：范德华外延生长速度较慢，但可以得到高质量的晶体结构。
此外，由于范德华力较弱，生长过程中产生的应力较小，有利于生长具有不同晶格常数和热膨胀系数的材料。
4.应用领域：范德华外延主要用于生长二维材料，如石墨烯、过渡金属硫化物等，以及一些具有特殊性能的半导体材料。
二、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）1.定义：分子束外延是一种基于分子束的半导体生长技术。
在这种技术中，生长材料以分子束的形式沉积在基底材料表面，并通过热蒸发或分子束射的方法进行生长。
2.生长过程：分子束外延生长过程中，生长材料从分子束源蒸发，经过加速和聚焦后，沉积在基底表面。
通过控制蒸发速率和基底温度，可以实现精确的生长控制。
3.特点：分子束外延具有以下优点：生长速率快、晶体质量高、组分控制精确、生长温度低等。
此外，分子束外延可以实现单原子层级别的生长，有利于制备纳米结构材料。
4.应用领域：分子束外延广泛应用于制备半导体激光器、量子阱结构、超导材料等，尤其在第三代半导体材料的研究和开发中具有重要作用。
总结：范德华外延和分子束外延的区别主要表现在以下方面：1.生长原理：范德华外延基于范德华力，分子束外延基于分子束。
2.生长过程：范德华外延生长速度较慢，分子束外延生长速度较快。
3.应用领域：范德华外延主要用于生长二维材料和特殊半导体材料，分子束外延广泛应用于制备半导体激光器、量子阱结构等。
分子束外延和金属化学气相沉淀
分子束外延和金属化学气相沉淀
1分子束外延的原理和特点
分子束外延(MBE)是一种可控方法，它通过蒸发器向衬底表面沉积纯净材料的原子或分子束。
在该过程中，借助真空室和衬底的高温保持反应环境，可以使沉积层达到单原子或分子层的厚度，从而具有极高的控制性和准确性。
MBE的优势在于：高质量的晶体生长、成本低、实验室中较小的空间占用、简单的设备维护和操作等。
因此，MBE应用广泛，包括集成电路、太阳能电池、纳米材料、光电信息材料等领域。
2金属化学气相沉积的原理和特点
金属化学气相沉积(MOCVD)是一种在半导体加工中应用较广的技术，它是在一定的条件下，通过气体的化学反应，将材料杂质从气相传送到基底表面，形成所需的材料层。
该技术可以实现对薄膜层的准确控制，例如：选择不同的气源、控制沉积反应室的温度和压力、气体流量等，就可以制备高质量、均匀厚度的薄膜材料。
MOCVD技术的优势在于：高度的自动化、生长体积大、均匀性好、生长速度快、可选择的材料种类多，从而实现了高生产效率和大量的生产自动化。
3两种技术的比较和应用
MBE和MOCVD分别是两种优秀的沉积技术。
MBE技术最大的优点在于沉积过程的精度和纯度，可以实现较高的制备质量，而MOCVD技术能够制备较大的生产量和高速的沉积，对于大规模集成电路制造和太阳能电池生产等产量高的场景具有优势。
两种技术在晶体管、太阳能电池等领域得到了广泛的应用。
在半导体制造过程中，二者各有其不同的应用场景，不同的制备条件和需求决定了各自的优势和限制，且两者有部分应用场景互补。
因此，MBE 与MOCVD技术的操作和应用领域是非常重要的。
原子层沉积 分子束外延
原子层沉积分子束外延摘要：一、引言二、原子层沉积技术概述1.原子层沉积的定义2.原子层沉积的基本原理三、分子束外延技术概述1.分子束外延的定义2.分子束外延的基本原理四、原子层沉积与分子束外延的关系1.技术的相似性2.技术的差异性五、原子层沉积与分子束外延的应用领域六、结论正文：一、引言随着科学技术的不断发展，原子层沉积（ALD）和分子束外延（MBE）这两种先进的材料制备技术逐渐成为研究热点。
这两种技术在半导体、光电子、能源等领域有着广泛的应用。
本文将对这两种技术进行概述和分析，探讨它们之间的关系及应用领域。
二、原子层沉积技术概述1.原子层沉积的定义原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）是一种逐层生长的薄膜制备技术，通过交替暴露样品表面于不同前驱体气体，使得沉积过程在每个周期中只涉及单原子层或少数原子层的添加。
2.原子层沉积的基本原理原子层沉积技术的基本原理是通过气体反应在样品表面形成单原子层或少数原子层的薄膜。
在ALD 过程中，前驱体（如金属有机化合物）被引入到反应室中，与衬底表面发生反应，生成薄膜。
然后，通过引入清洗气体将未反应的前驱体从表面移除，使得下一个周期可以开始。
这个过程重复进行，直到达到所需的薄膜厚度。
三、分子束外延技术概述1.分子束外延的定义分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种基于分子束的薄膜制备技术，通过将源材料分子束垂直射向衬底表面，利用分子间的化学反应在衬底上形成有序的薄膜。
2.分子束外延的基本原理在分子束外延过程中，源材料被加热至高温，使其蒸发成分子束。
这些分子束垂直射向衬底表面，与表面发生化学反应，生成有序的薄膜。
通过控制源材料和衬底之间的距离、沉积温度、沉积时间等因素，可以实现对薄膜结构和性质的控制。
四、原子层沉积与分子束外延的关系1.技术的相似性原子层沉积和分子束外延都是先进的薄膜制备技术，可以实现对薄膜结构和性质的精准控制。
分子束外延及其应用
分子束外延及其应用一、引言分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种常用的薄膜生长技术，它可以在原子尺度上进行精确控制，具有广泛的应用前景。
本文将对分子束外延技术及其应用进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、分子束外延技术2.1 原理分子束外延是一种基于真空环境下的薄膜生长技术，利用分子束的运动和化学反应来沉积原子或分子，形成具有特定晶体结构的薄膜。
其主要原理包括： 1. 分子束的产生：通过热蒸发或分子束源来产生所需材料的分子束。
2. 分子束的加速：利用高真空环境下的电场或磁场对分子束进行加速，以控制分子束的能量和方向。
3. 分子束的沉积：分子束经过加速后，沉积在衬底表面，形成薄膜。
2.2 设备分子束外延技术需要一系列的设备来实现，包括分子束源、加速器、真空室、衬底移动装置等。
不同材料和应用需要不同的设备参数和配置。
2.3 生长过程分子束外延生长过程包括以下几个步骤： 1. 衬底清洗：将衬底放入真空室，通过加热和退火等方式对衬底进行清洗，去除表面的杂质。
2. 吸附和脱附：将清洗后的衬底加入到生长区域，并利用高温使得材料分子在表面吸附和脱附，形成原子尺度的晶体结构。
3. 生长控制：通过控制分子束的能量、流量和角度等参数，控制薄膜的生长速率和性质。
4. 结束生长和冷却：当达到所需的薄膜厚度后，停止分子束外延过程并进行冷却，使薄膜稳定。
三、分子束外延应用分子束外延技术在各个领域都有广泛的应用，以下是几个典型的应用领域：3.1 光电子学分子束外延生长的半导体材料可以制备出高质量的量子阱结构，用于光电子学器件的制造。
例如，利用分子束外延生长的量子阱激光器具有较低的阈值电流和较高的发光效率，可用于光通信和激光打印等领域。
3.2 纳米材料制备分子束外延技术可以制备出具有特殊结构和性质的纳米材料，如纳米线、纳米颗粒等。
这些纳米材料在能量转换、传感器、光催化等领域具有广泛应用前景。
分子束外延及其应用
分子束外延及其应用分子束外延是一种用于制备高质量薄膜的技术，它在半导体、光电子、纳米材料等领域具有广泛的应用。
本文将以分子束外延及其应用为主题，探讨其原理、制备过程以及在不同领域的应用。
一、分子束外延的原理分子束外延是一种利用高能分子束在衬底表面沉积薄膜的技术。
它的基本原理是在超高真空环境下，通过热蒸发、分子束蒸发或离子源等方法产生高能量的分子束，使其沉积在衬底表面形成薄膜。
其中，分子束的能量和角度的控制非常关键，可以通过调节衬底温度、蒸发源温度和衬底与蒸发源之间的距离来实现。
二、分子束外延的制备过程分子束外延的制备过程主要包括表面清洁、衬底预处理、分子束沉积和薄膜表征等步骤。
首先，要对衬底进行表面清洁，去除表面的杂质和氧化物。
接下来，进行衬底的预处理，例如在衬底表面形成一层缓冲层，以提高薄膜的结晶质量。
然后，通过控制分子束的能量和角度，使其沉积在衬底表面形成薄膜。
最后，对薄膜进行表征，例如使用X射线衍射、扫描电子显微镜等技术来分析薄膜的结构和性质。
三、分子束外延的应用1. 半导体材料制备：分子束外延技术在半导体材料制备中具有重要的应用。
通过控制分子束的能量和角度，可以制备出高质量、低缺陷的半导体薄膜，用于制备高性能的半导体器件，如晶体管、激光器等。
2. 光电子材料制备：分子束外延技术在光电子材料制备中也有广泛的应用。
例如，利用分子束外延可以制备出高质量的量子阱结构，用于制备高性能的光电子器件，如LED、光电探测器等。
3. 纳米材料制备：分子束外延技术在纳米材料制备中也发挥着重要的作用。
通过控制分子束的能量和角度，可以制备出具有特殊形状和尺寸的纳米材料，如纳米线、纳米点等，用于制备纳米器件和纳米传感器等。
4. 二维材料制备：二维材料具有独特的电子结构和性质，分子束外延技术可以用于制备二维材料。
例如，通过控制分子束的能量和角度，可以在衬底表面沉积出具有单原子厚度的二维材料，如石墨烯、二硫化钼等，用于制备新型的纳米器件和电子器件。
分子束外延
分子束外延分子束外延是一项被广泛用于研究微纳米结构的技术，它的重要性不言而喻。
本文首先综述了分子束外延，然后重点分析它的实验原理及应用，最后着重讨论了它在纳米结构研究中的重要作用。
（正文）1.子束外延（MBE）简介分子束外延（MBE）是一项有效控制缝宽、厚度以及形貌的技术，可应用在半导体、金属、硅等材料的光学、拓扑、电学和动力学性质的研究中。
MBE可以实现低温（低至5K）下精确地分子层化外延，获得极高的结构精度，具有良好的自组装能力，因而在纳米结构研究中具有重要的意义。
2.本原理MBE是一种低温操作的一阶气体表面外延方法，在它的实验装置中，将光谱源、表面激活器、探测装置和控制装置等结合成一个完整的实验系统。
由于MBE装置的封闭性特点，它的温度控制非常精确，可以控制在5K以下。
下层溅射源和上层射线源能够提供所需的原子或离子，由此达到低温分子外延。
3.用领域由于MBE的自组装能力、低温操作和结构精度都比较高，因此逐渐受到广泛关注，并被应用于多种领域。
最常见的应用包括半导体器件、金属材料、纳米结构和光学器件等。
（a）半导体器件MBE应用于半导体器件上，是比较先进的技术。
它能够实现对薄膜材料缝宽、厚度以及表面结构的精确控制，使器件具有特定的功能特性，从而满足工业生产要求。
（b）金属材料MBE也被用于金属材料的外延表面的相变、结构变化及光学性质的研究。
由于MBE能够实现精确控制膜厚，可以获得良好的金属薄膜表面精度，从而提高金属材料的使用效率。
（c）纳米结构MBE技术也深入到纳米结构的研究中。
MBE可以实现对纳米尺寸结构的精确控制，从而在制备纳米器件的过程中给出更为有效的指导。
4.要性MBE的重要性不言而喻，它不仅能够实现对缝宽、厚度以及结构的控制，还能够提高材料的使用效率、改善材料的性能以及实现半导体器件的构建等。
通过MBE技术，可以大大提高研究纳米结构的效率，从而给纳米结构研究提供重要的帮助。
（结尾）以上分析表明，分子束外延是一种先进的技术，它可以为纳米结构的研究带来巨大的帮助，其重要性不可低估。
分子束外延
分子束外延装置图
分子束外延装置主要由工作室、分子束喷射炉和 各种监控仪器组成。 特点： 其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且能够 精确控制膜厚、组分和掺杂，适合于制作微波、 光电和多层结构器件。 分子束外延制膜是将原子一个一个地直接沉积在 衬底上实现外延生成的。分子束外延虽然也是一 个蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数， 而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代 仪器精密地监控分子束的种类和强度，从而严格 控制生长过程与生长速率。 分子束外延是一个超高真空的物理淀积过程，利 用快门可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要求的变化作迅速调整。
三、分子束外延
分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制 膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。它 是在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的 分子束流直接喷到衬底表面，从而在其上形 成外延层的技术。 其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且 能够精确控制膜厚、组分和掺杂，适合于制 作微波、光电和多层结构器件。
分子束外延能独立控制各蒸发源的蒸发和喷射速度，从而能 制备合金薄膜。 分子束外延的衬底温度低，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。 分子束外延是动力学过程，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，所以它是按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。 分子束外延的另一显著特点是生长速率低，大约1 ， 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 m / h 材料和外延薄膜材料。分子束外延受衬底材料的影响较大， 要求外延材料与衬底材料的晶格结构和原子间距相互匹配， 晶格失配率是一种新的薄膜沉积技术，他是在单 晶基片上，在合适的条件下，沿基片表面形 成一层晶体结构完整的新单晶层的制膜方法。 外延分为：同质外延和异质外延。
第四章-分子束外延
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。
（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。
用断续束流，对Si、Ga分别用251.6nm，294.4nm光辐射进 行探测，光束穿过原子束所吸收强度转换成原子束密度， 并得到相应比率。
分子束外延（MBE）衬底底座是一个难点。
MBE是一个冷壁过程，即衬底硅片加热高达1200℃，环境 要常温。此外，硅片要确保温度均匀。
由电阻耐火金属和石墨阴极，背面辐射加热，而整个加热 部件却装在液氮冷却的容器中，以减少对真空部件的热辐 射。
（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。
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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，对样品进行表面成分、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）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源的供应就停止了，生长也及时停止。
不会出现层厚失控。
（1）真空系统✓主真空室的本底压强应不高于10-8Pa。
✓生长室和分析室除机械泵-分子泵联动抽气装置外，一般还需要配置离子泵和钛升华泵，以维持超高真空环境。
✓在生长室内壁，还加有大面积的液氮冷屏套，对CO、H2O等残余气体有显著的吸附效果。
✓整个系统要进行烘烤，生长系统内的附属机件应能承受150-200℃的高温，且具有很高的气密性。
✓（3）束流（蒸发速率）监测装置✓石英晶体监测：目前，这一方法已被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。
这一方法原理是基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物理现象。
✓使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:✓一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移；✓二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。
✓分子束从束源炉(Knudsen effusion cell)中产生，束源炉温度由PID或者计算机精确控制，并通过热偶提供温度反馈。
分子束流的大小主要由束源炉的温度决定，其稳定度可达±1％。
束流强度由几何关系推导出，但实际受坩埚的锥度、口径、液面与炉口的距离等因素影响。
✓✓RHEED是最重要的设备。
高能电子枪发射电子束以1-3度掠射到基片表面后，经表面晶格衍射在荧光屏上产生的衍射条纹直接反映薄膜的结晶性和表面形貌，衍射强度随表面的粗糙度发生变化，振荡反映了薄膜的层状外延生长和外延生长的单胞层数。
MBE的结构原理如图所示。
整个生长过程需要在超真空环境下进行，从加热的克努森池中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。
在每一个克努森池里的坩锅中装有生长层所需要的一种元素或化合物，将坩锅设定到合适的温度，使得分子束流正好能在衬底的表面形成所期望的外延组分。
为了保证组分的厚度和均匀性，坩锅在衬底周围以圆形排列，并在衬底生长的过程中可以进行旋转。
在生长时，组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩锅的温度来实现，而组分的突变则是通过在每一个坩锅入口处的机械阀门的开、关来实现的。
在生长过程中，坩锅和衬底的附近需要有液氮冷凝装置，以减少生长层中的非故意掺杂，即减少生长室中的本底掺杂浓度。
图分子束外延（MBE）设备的结构示意图MBE的真空系统由3个相互隔开的真空室（生长室、预各室和速装室）组成。
在将衬底样品材料和样品台由外界装入生长室的过程中，首先要进入速装室，在100℃加热10个小时以上，以去掉大部分衬底和载体上所吸附的气体。
之后，将衬底和样品台送入预备室，在400℃加热2h以上，去掉残留气体。
当预备室内气压降至P＜10 (-10)torr时，再送入生长室中进行外延生长。
衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、均匀而且重复性很好的温场。
当衬底加热器两次测量的温度相同时，衬底的实际温差控制在±5℃之内。
衬底加热器在垂直于分子束流的平面上旋转，以确保外延层生长均匀。
为了防止在生长方向上的成分起伏，需使衬底的旋转周期与单层的生长时间相对应，这就要求转速要高于60转／分。
在生长过程中，需要随时了解材料的生长状况，并在此基础上进行调整。
在衬底加热器的背面装有一台电离规，可以对各个源材料在衬底处的分子束流强度进行在位测量。
电离规本质上是一个浓度指示器，用它可以在生长前得出III、V族源在衬底处的相对压力比。
反射式高能电子衍射仪（RHEED）用于观察生长层表面的微观结构。
使用RHEED时，电子枪出射的高能电子束（E＋10～15KeV）与衬底表面的夹角为1°～2°，与坩锅产生的分子束流近乎垂直，这样可以保证在生长时也使用RHEED，而且还可以保证电子射到材料的表面时，进入1～2层之后就会被反弹出来。
如此，可以获得大量的表面信息。
因此可以用这种方法监视材料生长初期的生长速率。
RHEED的作用总结为以下几点：（1）在生长前，监视生长层表面的氧化物解吸附过程，校准衬底加热器的热电偶。
（2）通过观察生长层表面的再构（2×4）→（4×2）的相变，确定生长时所需要的III／V比。
（3）在生长过程中利用RHEED的强度振荡校准生长速率。
（4）生长后观察生长层表面的结构与平整度。
4、MBE的生长（1）外延的基本物理过程：1. 表面成核——对外延材料结构有最大影响的阶段是生长的最初阶段，这个阶段叫成核。
当衬底表面只吸附少量生长物原子时，这些原子是不稳定的，很容易挣脱衬底原子的吸引，离开衬底表面。
所以，要想在衬底表面实现外延材料的生长，首先由欲生长材料的原子（或分子）形成原子团，然后这些原子团不断吸收新的原子加入而逐渐长大成晶核。
它们再进一步相互结合形成连续的单晶薄层。
2.表面动力学：反应物到衬底后,通常发生下列过程:①反应物扩散到衬底表面;②反应物吸附到衬底表面;③表面过程（化学反应、迁移及并入晶格等；④反应附加产物从表面脱附；⑤附加产物扩散离开表面。
每个步骤都有特定的激活能，因此，在不同外延温度下对生长速率的影响不同。
⏹表面过程：如果不考虑生长速率，仅从外延质量来看上述过程③表面过程非常重要。
⏹沉积到衬底表面上的原子通常去寻找合适的位置落入，使得系统的总能量降至最低。
对于实际表面，像表面台阶之类的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位置。
（见下图）生长机制：对于表面上存在许多淀积原子的情况，它们除了在表面处键合外，还相互结合以进一步减少自由键的数目。
外来的淀积原子不断加入小的原子群并形成大的聚集体。
显然，当这些原子团继续生长时，它们自己就被看作是提供高结合能位置的表面缺陷，在淀积过程中进一步聚集原子生长。
（2）MBE生长原理及方法：➢生长原理：MBE的生长方式是按动力学方式进行的。
从分子束喷射出的分子到达衬底表面时，由于受到表面力场的作用而被吸咐于衬底表面，经过表面上的迁移、再排列等，最后在适当的位置上释放出汽化热，形成晶核或嫁接到晶格结点上，形成外延薄膜。
➢生长过程：1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面物理化学吸附。
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品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的生长速度慢(几微米/时)，可在原子尺度范围内精确地控制外延层的厚度、界面平整度和掺杂分布，结合掩膜技术，可以制备具有二维和三维结构的薄膜。
MBE的生长温度远低于热力学平衡态，可随意改变外延层的组分和掺杂。
与其它的外延技术相比，MBE的另一显著的优点是系统处于超高真空，可以进行RHEED、AES等实时监控，便于精确控制生长过程。
MBE生长的特点：➢真空度高达10-8Pa，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。
➢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。
➢生长速率极慢，大约1um/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。
➢衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引起的晶格失配效应和衬底杂质向外延层中的扩散的影响，所以外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好，外延层清晰，可以形成界面处突变的超精细结构。
➢可以在喷射室内安放多个喷射炉，分别调制各组分的分子流，可同时精确控制生长层的厚度、组分和掺杂分布。
因此再结合适当的控制技术，可生长二维和三维图形结构的薄膜或器件。
➢MBE是在超高真空环境中进行的，且衬底与分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分、结晶结构和生长过程，进行生长机制的研究和实现实时监控和监测。
➢MBE生长是一个动力学过程，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。
➢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，并且利用喷射炉前的快门可以对生长和中断进行瞬时控制，因为分子束外延中的分子（原子）运动速率非常之高，源分子（原子）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源的供应就停止了，生长也及时停止。
不会出现层厚失控。
因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
存在问题：●设备复杂、投资大、外延生长速度慢、经济效益差；●外延膜表面缺陷密度大（可能是衬底表面的缺陷或杂质污染引起的）●MBE的生长速度比较慢，既是优点也是不足：MBE从诞生的开始就不是作为厚膜生长技术出现的，而是针对几纳米乃至几埃的超薄层外延，因此不适于大量生产。