半导体薄膜技术与物理_第四章 分子束外延
薄膜物理
目录摘要 (1)1 引言 (1)2 分子束外延技术的原理与特点 (1)3分子束外延生产设备与参数 (2)4 分子束外延的影响因素及相关分析 (5)5发展现状与趋势及应用 (6)浅谈薄膜物理中的分子束外延技术[摘要] 本文主要由五个部分组成。
第一个部分由引言说明外延技术的相关背景。
第二个部分主要介绍分子束外延技术的原理与特点。
第三个部分阐述分子束外延典型生产设备与参数。
第四部分主要论述了分子束外延的影响因素及相关分析。
最后一部分概括了其技术发展现状、趋势及应用。
1 引言外延是指在单晶基片上生长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。
外延方法主要有气相外延、液相外延和分子束外延。
气相外延主要就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过程。
将外延层所需的化学组分以气相的形式，通过物理或化学变化在衬底上进行的外延，这就是气相外延。
液相外延是将溶质放入溶剂中，在一定温度下形成均匀溶液，然后将溶液缓慢冷却通过饱和点（液相线）时，有固体析出而进行结晶生长的方法。
生长晶体的驱动力是溶液的过饱和度。
当衬底与溶液接触时，若溶液处于过饱和状态则会有溶质从溶液中析出。
条件适宜时，析出的溶质就会在衬底上生长出外延层。
分子束外延（MBE）是将真空蒸镀膜加以改进和提高而形成的一种成膜技术，它在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流强，在基片上外延成膜的技术。
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的限制。
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。
2 分子束外延技术的原理与特点分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。
半导体分子束外延生长技术
半导体分子束外延生长技术第一章绪论半导体分子束外延生长技术是一种高效、精确的半导体材料制备方法。
它通过对单个原子或分子进行控制，使其按照预先设计的方法在晶体表面上沉积，成功地扩展了半导体材料的制备能力。
本文将分别介绍半导体分子束外延生长技术的定义、基本原理、应用以及未来发展趋势。
第二章基本原理半导体分子束外延生长技术的基本原理是利用分子束外延，将分子束喷射在单晶表面上，通过外延生长形成薄膜。
其主要过程包括制备表面、准备分子束、表面邻域反应和压缩成膜等步骤。
首先，需要制作出单晶表面，通常采用化学气相沉积和物理气相沉积等技术方法。
随后，需要准备出所需的分子束，可以采用光子法、离子束法等技术，将分子束聚焦到单晶表面上，使其形成定向生长的应力场。
然后，分子束与单晶表面相互作用，在表面上发生表面邻域反应，形成键合。
这些反应随着时间的推移而逐渐扩展，直到最终形成均匀的薄膜。
最后，将这些定向生长的应力场压缩成膜，即得到所需的薄膜材料。
第三章应用半导体分子束外延生长技术在光电子、微电子、太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。
其中，最常见的应用是生长出高质量、厚度均匀、表面平整的半导体材料。
这种材料具有能带宽度、折射率和光学增益系数等物理性能的优异特点，在半导体激光器、光电子器件、传感器等方面有广泛的应用前景。
此外，半导体分子束外延生长技术还可以用于制备二维材料和纳米结构材料，满足快速高精度器件的需求。
第四章发展趋势半导体分子束外延生长技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：1.多元化的控制技术。
目前，半导体分子束外延生长技术还存在一些问题，如杂质、应变和晶格缺陷等。
为了解决这些问题，需要不断改进分子束技术，并结合机器学习、人工智能等技术手段实现高精度的控制。
2.质量稳定性的提高。
半导体材料质量的稳定性是做高精度器件的前提，因此未来将致力于提高技术的稳定性，优化生长过程中的各种参数，并采用先进的表征、测试、反馈技术。
mbe分子束外延材料
mbe分子束外延材料摘要：一、MBE分子束外延材料简介二、MBE分子束外延技术的原理与应用三、MBE分子束外延材料的优点与不足四、我国MBE分子束外延材料的发展现状与展望正文：一、MBE分子束外延材料简介MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）分子束外延材料是一种先进的材料生长技术，通过控制分子束的输运和沉积速率，实现对薄膜材料的精确生长。
MBE技术可以生长各种薄膜材料，如半导体、金属和氧化物等，被广泛应用于微电子、光电子和能源领域。
二、MBE分子束外延技术的原理与应用MBE分子束外延技术利用分子束源将原材料分子束射到基板上，通过调节束流、角度和速度，使分子在基板表面发生沉积、生长。
该技术具有极高的生长速率控制能力和薄膜质量，可实现对薄膜厚度、成分和结构的精确控制。
MBE技术在我国已得到广泛应用，如半导体器件制造、太阳能电池、发光二极管、激光器和光纤通信等领域。
此外，MBE技术在基础研究中也具有重要意义，如生长量子点、量子井、异质结构等。
三、MBE分子束外延材料的优点与不足MBE分子束外延材料具有以下优点：1.薄膜质量高：MBE技术可以实现对薄膜厚度和结构的精确控制，薄膜具有优异的物理和化学性能。
2.生长速率快：相较于其他外延技术，MBE技术具有较高的生长速率，提高生产效率。
3.成分可控：通过调节分子束的成分和比例，可以实现对薄膜成分的精确控制。
4.制备异质结构能力强：MBE技术可以实现不同材料之间的精确拼接，制备出具有特殊功能的异质结构。
然而，MBE技术也存在一定的不足：1.设备昂贵：MBE设备价格高昂，投资成本较大。
2.工艺复杂：MBE技术对生长环境和设备参数要求较高，工艺复杂且难以控制。
3.产量有限：MBE设备的生产能力较低，难以满足大规模生产需求。
四、我国MBE分子束外延材料的发展现状与展望近年来，我国MBE分子束外延材料研究取得了显著成果，不仅在技术上实现了突破，还成功应用于多个领域。
分子束外延ppt课件
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）
生长物原子A经过 表面迁移后在 K位置并入晶格
小原子团输运到 大原子团示意图
作业：
超晶格 异质结 量子阱
在真空蒸镀基础上发展起来的 MBE 技术，能够 在单晶衬底上制备厚度仅为原子层量级的高纯完 整单晶薄膜。在超真空(10Pa)系统中加热各种原 料，使不同原料的蒸气以一定的束流比例喷射到 单晶衬底表面，与表面相互作用进行外延生长。 每一种原料蒸气由一个独立的快门控制束流。精 确控制各原料的束流比例、衬底温度和生长时间 就可以得到不同的组分和层厚，从而可以制备出 超晶格等XT微结构材料。它的原理类似于多源反 应共蒸发，只是条件更优越，控制更精细。高精 度的控制使得 MBE 的生长是二维的层状生长，外 延的表面和各层之间的界面保持原子级的平整度。 结合适当的掩模、激光诱导技术，还可以实现两 维和三维图案的外延生长。
根据化学反应过程的不同又可以分为氢 化物法、氯化物法和有机金属化学气相 沉积法。 生长速度受化学反应速度、条件（温度 等）限制。 氢化物法、氯化物法所依据的总的化学 反应是相同，且都是利用卤化物来输运 源——又统称卤素输运法。有腐蚀性。
金属有机气相外延 （MOVPE）——MOCVD
利用有机金属热分解进行气相外延生长的技术， 特点有： [1] 可合成级分按任意比例组成的人工合成材料； [2] 所有源材料以热分解方式进行，只要控制好 衬底温度即可，外延设备简单。可制成大面积 均匀薄膜，是容易产业化的技术（例如超大面 积太阳能电池和电致发光显示板等） [3]低气压外延生长是其很有特色的技术，可提高 生长薄层的控制精度，能减少自掺杂。 缺点：缺乏实时原位监测生长过程的技术。
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
分子束外延的含义
分子束外延的含义分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种用于生长单晶薄膜的先进材料制备技术。
通过控制分子束的流动和能量，可以在原子尺度上控制材料的质量和结构，从而实现高度纯净、低缺陷的薄膜生长。
这一技术在半导体、光电子学、纳米科技等领域发挥着重要作用。
MBE技术是通过在真空环境中利用化学反应来生长单晶薄膜。
从源材料中产生高能量的分子束，束流中的分子逸散并与加热的基片上的原子发生反应，从而在基片表面上沉积一层新的薄膜。
利用分子束的狭缝，薄膜可以在原子尺度上的精确控制生长，从而达到高质量、晶格匹配的效果。
MBE技术主要包括源材料的制备、束流形成和真空系统的设计。
源材料的纯度和制备过程对薄膜质量至关重要。
材料通过高温热蒸发、分子流辐射或簇射等方式产生，确保材料的纯净度和均匀性。
束流的形成则需要通过激光蒸发、热蒸发或分子簇射等技术实现。
同时，真空系统的设计和维护也是MBE技术的重要组成部分，保证材料生长的稳定性和纯净度。
MBE技术在半导体领域有广泛应用。
通过控制薄膜生长的参数，可以在半导体材料中实现掺杂和多层结构。
这为半导体器件的研究和制备提供了理想的原材料。
例如，MBE技术在光电子器件中的应用已被广泛研究。
通过调控薄膜的生长条件，可以实现光电转换和光电流输运的优化，从而实现高效率的光电子器件。
除了半导体领域，MBE技术还在纳米科技、光学薄膜和低维材料研究中发挥着重要作用。
例如，在纳米量子点的研究中，MBE技术可以精确控制量子点的大小和排列，从而调控其电学和光学性质。
在新型材料的研发中，MBE技术可以实现复杂结构的控制生长，从而研究材料的新奇性质。
总之，分子束外延技术是一种先进的材料制备技术，广泛应用于半导体、光电子学和纳米科技等领域。
通过精确控制薄膜生长的条件和材料组分，可以实现高质量、低缺陷的薄膜生长。
这一技术的发展将推动材料科学和器件制备的进步，为相关领域的研究提供有力支持。
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展分子束外延技术（MBE）的原理及其制备先进材料的研究进展XX（XXXX大学材料学院，西安710000）摘要：分子束外延(MBE)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,是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求.MBE是一个动力学过程，而不是一个热力学过程.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点,如生长速率低、衬底温度较低等.在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.MBE是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点.未来的发展趋势是结合其他生长技术不断改进MBE，如MBE与VPE并用、气态源分子束外延(GSMBE)、激光分子束外延（LaserMBE）等.关键词：分子束外延；薄膜；生长技术；半导体The principle of Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the research progress in the preparation of advanced materialsXX(Department of Materials,XXX,Xian 710000) Abstract:Molecular Beam Epitaxy was developed for the preparation of semiconductor thin film materials by vacuum evaporation technique in the 50's，which aims to meet the requirements of the electronic devices in the process of higher and higher.MBE is a dynamic process, not a thermodynamic process.MBE has many characteristics when comparing with other epitaxial thin film growth techniques , such as low growth rate, low substrate temperature and so on. The advent of MBE let the thickness of order of magnitude of atomic, molecular of epitaxial growth be achieved in ultrathin layer epitaxial growth technique, that has opened up Band Engineering,a new field of semiconductors.The development of semiconductor materials science plays an active role in the development of semiconductor physics and information science.MBE is a more useful way to prepare new devices, but there are shortcomings.In the future,the development trend is to continuous improving MBE with the combination of other growth techniques, such as combining MBE with VPE,Gas Source Molecular Beam Epitaxy,Laser Molecular Beam Epitaxy etc.Key words: Molecular Beam Epitaxy;thin film;growth techniques;semiconductor1 前言分子束外延(MBE)是一项外延薄膜生长技术，在超高真空的条件下，通过把由热蒸发产生的原子或分子束射到被加热的清洁的衬底上而生成薄膜.这种技术的发展是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求，即对掺杂分布可以精确控制的趋薄层平面结构的要求.利用分子束外延技术，可以重复地生长厚度只有5埃米(Å)的超薄外延层，而且外延层之间的分界面可以精确地控制生长.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；在生长室中的四极质谱仪和一个高能量电子衍射系统，在薄膜先长过程中对分子束流量、室中残余气体和表面晶体结构进行监视.在分析室清洁的超高真空环境中可选择利用化学分析电子光谱探测、俄歇电子探测、扫描俄歇电子探测、次级离子质谱测定法、紫外光谱测定法和电子二次退吸等技术对己制成的薄膜进行透彻的检定.如果选择一种微处理器进行控制可实现薄膜生长过程的自动化.反射高能电子衍射仪（Reflection High—Energe Electron Diffraction ，RHEED）是十分重要的设备.高能电子枪发射电子束以1~3°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可以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.在分子束外延中[1]，反射式高能电子衍射仪是最常用的原位分析和监控仪器，它是原位监测外延表面分子结构和粗糙度的有效手段.利用RHEED强度振荡，可以精确地计算出单原子层的生长时间，从而很好的控制生长速度.通过RHEED图像，对于原子级平整的表面，还可以确定晶体表面的重构情况.2.2MBE技术特点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.分子束外延生长是在加热的衬底上进行，在生长过程中发生了下列表面动力学过程.第一步，构成薄膜的原子或者分子被沉积并吸附在衬底表面.第二步，吸附分子在表面迁移、分解.第三步，原子被融合到衬底或者外延层的晶格中.第四步，没有融入晶格的原子或者其它基团重新热脱附离开表面.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点，系统总结如下.其一，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.其二，衬底温度较低，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.其三，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，晶格失配率要≤7%.其四，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.其五，MBE制膜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时时监测分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程与生长速率.另一方面，复杂的设备也增大了生产成本.其六，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.最后，单个束源炉中必须使用高纯度原料.3 MBE工艺制备先进材料介绍在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.它是微电子技术，光电子技术，超导电子技术及真空电子技术的基础.3.1 MBE工艺制备GaNAs基超晶格太阳能电池理论计算表明[2]，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.而且，随着电池结数的增加，结电池的短路电流密度相应减小，对材料质量的要求随之减弱.因此，尽管提升GaInAs 材料的质量很困难，但是由于四元合金Ga1-x In x N y As1 - 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)，仍然成为研究多结太阳能电池的热门材料.2011年4 月，美国solar junction 公司报道了在947 个太阳下，转换效率高达44% 的以1 eV 带隙GaInNAs为子电池的高效三结GaInP/GaAs/GaInNAs电池，为当时世界上效率最高的聚光光伏电池.接着该公司与英国IQE公司合作，在大尺寸衬底上制备的GaInNAs 基多结太阳电池转换效率可达44. 1%，前景非常可观.然而，众多研究发现，In和N 共存于GaInNAs 中会导致成分起伏和应变，并导致In团簇的产生以及与N元素有关的本征点缺陷等，这些问题的存在使得高质量的GaInNAs基电池很难得到.一种解决方法是利用In和N空间分离的GaNAs/ InGaAs超晶格或多量子阱替代四元合金GaInNAs材料，这就必须借助于MBE设备技术.北京科技大学的科研团队进行了如下实验：外延生长使用Veeco公司生产的Gen20A全固态MBE系统.GaN0. 03As0. 97/In0. 09 Ga0. 91 As超晶格的生长都是在半绝缘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.生长之前，需在生长室内对GaAs 衬底进行高温( ~ 600 ℃)脱氧处理10 min；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. 2μm.在总厚度不变的条件下，周期厚度在6 ~30 nm之间变化.在RTP-1300退火炉中对样品进行了不同温度和时间的热处理，PL测量是由633 nm Ar+激光器作为激发源完成的.生长结束后，按照标准Ⅲ-Ⅴ太阳电池制备技术进行器件制备.正电极和背电极分别采用Ti/Pt/Au和AuGe/Ni/ Au金属做欧姆接触.电池面积为2. 5 mm×2.5 mm，没有镀减反膜，没有刻蚀GaAs接触层.外延材料的结构表征使用高分辨XRD测量，器件的电学测试由Keithkey2440 太阳模拟器(AM1. 5G)完成，电池的聚光特性利用连续太阳模拟器在1 ~110个太阳下进行测量.周期厚度为20nm时，所制备的超晶格电池的短路电流密度达到10.23mA/cm2，大大高于一些已报道的GaInNAs电池.3.2 MBE工艺制备高发光性能InN光通讯波段的高性能硅基光电子器件的制备不仅是光通信技术发展的需要[3]，也是实现硅基光电集成的需要.虽然硅材料的制备和应用技术已经非常成熟，但由于硅材料是间接带隙半导体，其发光效率较低，因此通过在硅衬底上异质外延高发光性能的Ⅲ-V族半导体材料的方法来获得所需的光性能是一个很好的选择.在所有氮化物半导体中，InN具有最高的饱和电子漂移速度、最小的电子有效质量及最高的电子迁移率，并且InN材料特性受温度的影响非常小，这些独特的优势使其在电子器件及光电子器件方面有巨大的应用潜力.自从2001~02年实验证明InN 室温下的禁带宽度约为0.6~0.7eV而不是以前认定的1.9eV以来[4]，InN的研究成为国际上氮化物研究的重要方向. 0.7eV左右的禁带宽度对应的发光波长刚好位于石英光纤的通讯窗口，使其特别适合于制备用于红外通信的高性能LEDs及LDs.因此，在Si衬底上外延制备高质量的InN 材料非常有利于其在光电集成技术中的应用.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，外延过程中会引入大量的缺陷；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.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.但是，在外延的初始阶段，Si衬底都不可避免地会与活性N原子反应生成无定形的Si x N y 材料，从而导致在Si衬底上外延的InN或AlN 材料质量下降.因此，在外延前对si衬底进行预处理以抑制Si x N y的形成非常必要.本文采用MBE方法在外延低温InN缓冲层前，通过在Si 衬底上沉积不同厚度的In插入层再进行InN材料的外延生长，研究了不同厚度的In插入层对InN晶体质量及光学特性的影响.为此，吉林大学的研究团队设计了如下实验方案：InN材料的外延采用德国CREATEC公司的RF-MBE系统进行(本底真空度为3 x108Pa).活性氮由5N高纯氮气经纯化器、射频离化后提供，铟束流采用束源炉加热6N高纯铟提供.在Si(111)衬底上外延制备了一组InN样品，编号为A、B、C、D.首先，分别使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗衬底5 min.烘干后的衬底导入生长室中900℃热处理1 h，然后沉积厚度分别为0，0.1，0.5，l nm的In插入层，在400℃下生长30 nm厚的InN缓冲层，最后提高温度至475℃生长170 nm厚的InN外延层.对外延制备的InN样品分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、吸收光谱以及x射线光电子能谱(XPS)等进行测试分析.实验结论表明：样品C的c轴晶格常数为0.5702nm，与c的理论值(0.5703nm)最为接近，表明样品中应力得到了有效的释放；在没有In 插入层的样品中，Si衬底表面会与活性N原子反应形成无定形的Si x N y材料，从而降低后续外延InN材料的晶体质量.0.5nm厚的In插入层较为合适，能够有效地抑制衬底表面Si x N y 材料的形成；在Si衬底上预沉积合适厚度的In插入层有助于提高外延InN样品的晶体质量及光学特性.图3 制备InN样品的XRD谱3.3 MBE工艺制备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[5].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:将STO衬底利用紫外光预先刻蚀出一个具有Hall bar器件形状、高度为几十纳米的凸平台.用这些凸平台为模板，利用MBE直接生长出具有Hall bar形状的拓扑绝缘体（Bi x Sb1-x）2Te3薄膜.图4 MBE制备拓扑绝缘体原理示意图4 MBE工艺的发展趋势分子束外延法是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点，例如V A族元素的交叉污染、蒸气压极低或极高的物质均难进行正常的分子束外延.于是人们结合其他生长技术不断改进MBE.MBE与VPE并用:就是在分子束外延时难挥发或易挥发的元素的分子源用化合物来代替.在淀积过程中有化学反应产生，此时生长速度可以大大增加.MBE与离子束并用:把某些分子离子化，则离子束可以加速和偏转，并可进行扫描，同时也可以增加吸着系数，有利于掺杂过程.气态源分子束外延(GSMBE):也称化学束外延(CBE），外延过程中能精确地控制气体，兼有MBE和MOCVD两项技术的优点.信息工程材料国家重点实验室的研究团队采用气态源分子束外延技术在InP(100)衬底上生长了InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱为有源层和InP/InGaAsP分布布拉格反射镜(DBR)为上、下腔镜的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构.通过湿法刻蚀和聚酰亚胺隔离工艺制作出了1．3μmVCSEL，器件在室温下可连续单模激射，阈值电流约为4mA[6].LaserMBE（激光分子束外延）:是80年代末发展起来的一种新型固态薄膜沉积技术，我国也于90年代中期研制出了自己的L-MBE.它集普通脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）和传统分子束外延的优点于一体.激光光分子束外延基本过程是，将一束强脉冲紫外激光束聚焦，通过石英窗口进入生长室入射到靶上，使靶面局部瞬间加热蒸发，随之产生含有靶材成份的等离子体羽辉，羽辉中的物质到达与靶相对的衬底表面淀积成膜，并以原子层或原胞层的精度实时控制膜层外延生长.交替改换靶材，重复上述过程，则可在同一衬底上周期性的淀积多膜层或超晶格.中科院物理研究所和北京凝聚态物理国家实验室采用激光分子束外延技术[7]，成功地在Si衬底上外延生长TiN薄膜，XRD，AFM 和霍尔效应测量结果均表明，我们在Si衬底上外延生长出高质量的TiN薄膜.进一步在TiN/Si 衬底上外延生长SrTiO，薄膜，证明在Si上外延的TiN薄膜不仅具有很好的热稳定性，而且可以作为缓冲层或底电极外延生长其他的薄膜材料及多层结构.参考文献:[1] 罗子江，周勋，杨再荣，等.InGaAs/GaAs异质薄膜的MBE生长研究[J].功能材料，2011年第5期（42）卷：846~849.[2] 郑新和，夏宇，王瑾，等.GaNAs基超晶格太阳电池的分子束外延生长与器件特性[N].发光学报，2015年8月（Vol.36 No.8）.[3] 蔡旭浦，李万程，高福斌，等.In插入层对硅衬底外延InN晶体质量和光学特性的影响[N].发光学报，2014年1月（Vol.35 No.1）.[4] 王新强，刘世韬，郑显通，等.高电子迁移率InN的分子束外延生长及其掺杂研究[A].第17届全国化合物半导体、微波器件和光电器件学术会议论文集[C].开封：2012.[5] 韦庞，李康，冯硝，等.在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件[N].Acta Phys Sinica，Vo1.63，No.2(2014).[6] 刘成，吴惠桢，劳燕锋，等.气态源分子束外延1.3μmVCSEL器件结构[N].功能材料与器件学报，2005年6月（Vol.11 No.2）.[7] 何萌，刘国珍，仇杰，等.用激光分子束外延在Si衬底上外延生长高质量的TiN薄膜[N]. Acta Phys Sinica，Vo1.57，No.2(2008).。
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。
分子束外延及其应用
分子束外延及其应用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种高精度的材料生长技术，它可以在真空环境下通过分子束的热蒸发和沉积来制备单晶薄膜。
MBE技术具有高度的可控性和精度，可以制备出非常薄的薄膜，其厚度可以达到纳米级别。
因此，MBE技术在半导体器件、光电子器件、量子器件等领域得到了广泛的应用。
MBE技术的基本原理是利用分子束的热蒸发和沉积来制备单晶薄膜。
在MBE系统中，材料被加热到高温，然后通过分子束的热蒸发和沉积来制备单晶薄膜。
在制备过程中，分子束的流量、温度、沉积速率等参数都需要精确控制，以保证制备出的薄膜具有高质量和一致性。
MBE技术在半导体器件领域得到了广泛的应用。
利用MBE技术可以制备出高质量的半导体材料，如GaAs、InP等，这些材料可以用于制备各种半导体器件，如光电子器件、微波器件、传感器等。
此外，MBE技术还可以制备出量子点、量子阱等量子结构材料，这些材料在量子器件、光电子器件等领域具有重要的应用。
MBE技术在光电子器件领域也得到了广泛的应用。
利用MBE技术可以制备出高质量的半导体材料，如GaAs、InP等，这些材料可以用于制备各种光电子器件，如激光器、光电探测器等。
此外，MBE技术还可以制备出量子点、量子阱等量子结构材料，这些材料在光电子器件领域具有重要的应用。
MBE技术在量子器件领域也得到了广泛的应用。
利用MBE技术可以制备出量子点、量子阱等量子结构材料，这些材料可以用于制备各种量子器件，如量子点激光器、量子阱太阳能电池等。
此外，MBE技术还可以制备出高质量的半导体材料，如GaAs、InP等，这些材料也可以用于制备各种量子器件。
总之，MBE技术是一种非常重要的材料生长技术，它具有高度的可控性和精度，可以制备出高质量、一致性好的单晶薄膜。
MBE技术在半导体器件、光电子器件、量子器件等领域得到了广泛的应用，为这些领域的发展做出了重要贡献。
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
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。
原子层沉积 分子束外延
原子层沉积分子束外延原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是两种常见的薄膜制备技术。
它们广泛应用于半导体器件、光电子元件、催化剂等领域，具有高精度、高可控性、高纯度等优势。
原子层沉积是一种基于气相反应的技术，其原理是在待沉积表面上逐层地生长原子尺寸的薄膜。
该过程是以气相前体分子交替地进行的，每一层沉积会通过表面反应和后续的减压去除掉表面的不纯物质。
这种逐层沉积的方式使得薄膜的厚度可以非常精确地控制在几个纳米以下，同时也能够实现复杂合金化、堆叠和多层膜的生长。
ALD具有较低的生长温度和尺寸控制能力，适用于制备高绝缘性的薄膜，如氧化物、氮化物等。
分子束外延是一种在超高真空环境下，通过分子束热蒸发的方式进行的表面沉积技术。
这种技术在外延基底上逐层地生长薄膜，其原理是利用分子束热蒸发的方式，将固体材料蒸发成气相分子流，并通过精确控制分子束的能量和方向来控制薄膜的生长过程。
分子束外延具有较高的生长速率和较高的晶格质量，可用于制备具有较高电子迁移率和光学性能的薄膜材料。
ALD和MBE都具有非常高的尺寸和结构控制能力，可以精确地制备薄膜材料。
ALD主要用于无机材料的制备，如金属氧化物、氮化物等，具有较高的电学特性和化学稳定性。
MBE则主要用于有机材料、半导体材料的制备，如半导体薄膜、纳米结构等，具有良好的光学和电学性能。
虽然ALD和MBE在原理和应用领域上有所不同，但它们都具有高精度、高可控性和高纯度等共同特点，不仅能够满足不同领域对薄膜材料的需求，也为材料科学和器件制备提供了强有力的工具。
随着技术的不断发展和改进，ALD和MBE在材料制备领域的应用前景将会更加广阔。
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。
分子束外延技术简介-2
分子束外延 原理示意图
其特点是:
生长速度慢（～1m/h）， 生长温度低， 可随意改变外延层的组份和掺杂， 可在原子尺度范围内精确控制外延层的 厚度、异质结界面平整度和掺杂分布。 在生长的原位研究外延表面的生长过程 和作表面分析。
分子束外延的生长过程是一个或多个热 分子（原子）束与加热的衬底表面的反 应过程。它涉及入射分子（原子）在衬 底表面的吸附、分解、迁移、结合、脱 附等复杂过程。主要是受表面化学、表 面反应控制的动力学过程，而不是热平 衡过程。
V80H MBE系统
生长室 样品生长
RHEED电子枪
液氮冷屏
衬底
源炉
样品传递
挡板 荧光屏
衬底 加热器
电离规 观察窗
典型的MBE生长室
生长室 样品生长 液氮冷屏
观察窗
源炉
衬底
V80H MBE系统
挡板
加热器
源炉的两种配置
1 卧式配置
源炉的两种配置 2 立式配置
衬底加热器
电离规
操纵机构
加热器 Riber 32P MBE系统
钛升华泵
利用化学活性金属 钛在室温或者液氮 温度下以化学吸附 形式吸附一些化学 活性的气体。
钛升华器
溅射离子泵
是一种兼用新鲜钛膜和电离机构同时对化学活性及 惰性气体抽气的超高真空泵。
N
磁铁
桶状阳极
＋ ＋
＋ 5 kV直流电源
S
钛阴极
低温泵 扩散泵 升华泵 离子泵
涡轮分子泵
吸附泵 机械泵
10－10 10－8 10－6 10－4 10－2 100 102 104 Pa
VP
P
VIN
I VI
VO
D VD
半导体后端物理mbe效应
半导体后端物理mbe效应
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处延生长。
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。
各源炉前的挡板用来改变外延层的组份和掺杂。
根据设定
的程序开关挡板、改变炉温和控制生长时间，就可以生长出不同厚度、不同组份、不同掺杂浓度的外延材料。
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（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。
(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。 CVD缺陷：衬底高温，1050℃，自掺杂严重（跟高温有关）。 原始的分子束外延：硅衬底加热至适当温度，真空下使硅蒸发 到硅衬底上，进行外延生长（1962年）。 生长准则：入射分子充分运动，达到衬底的热表面，并以单晶 形式排列。
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。
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。
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。
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。
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
（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。
（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。
衬底旋转，保证加热均匀。
自由偏斜，可增强二次注入的掺杂效应。
阴极热发射电子轰击硅片，以提高衬底温度。在硅基技术 很成熟，现大直径硅片外延，对晶体质量，外延膜的厚 度及掺杂均匀性的要求很高。
在MBE过程中，掺杂剂分子束由标准的努森喷射室产生， 以获得适当的掺杂的外延膜。
（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）原子吸收谱，监测掺杂原子的束流密度。
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定性地估计杂质的浓度。
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。
（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。
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。