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

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（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 materials

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(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;semiconductor

1 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；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.

2MBE原理及特点

目前最典型的MBE系统是由进样室、预处理和表面分析室、外延生长室三个部分串连而成.MBE设备的外形图及装置图分别如图1、图2所示.

图1 DCA仪器有限公司生产的M600型MBE系统

图2 分子束外延装置图

2.1 MBE设备工作原理

进样室的作用是装样、取样、对衬底进行低温除气，主要用于换取样品，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、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.

用一个设计独特的装入系统，在生长室中保持超高真空条件下，快速装入和更换衬底.在衬底装入系统中有一个特殊的反应室，可以利用蒸气腐蚀、氧化、溅射、引线沉积或其他方法对衬底进行预处理.

分子束外延系统有独立的生长室和分析室，这样可保证晶体薄膜生长所要求的最好

的真空条件，而且具有对分析薄膜特性所需要的有效结构.

有三个不同的真空泵系统.每一个都根据其特定的用途，使其达到最佳的工作效能.这就保证了在生长室和分析室中有最好的超真空条件.

系统的电动气动操作的活门和一个热电偶反馈可实现对入射的分子束的精确控制.

在生长室中以及在每个加热室周围的低温屏蔽可把不应有的薄膜掺杂降到最低水平.用装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.