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
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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பைடு நூலகம்仪等部件。
荧光屏
MBE原理—系统
束源炉 MBE系统略图
MBE原理—系统
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。
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。）
1969-1972年间，Bell实验室的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。
1979年T. W. Tsang将MBE法制备的GaAs／AlGaAs DH激光器的阈值电流密度降到1KA／cm2以下， 使其能在室温下工作，达到了LPE水平。
MBE前沿介绍
实验结论：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。
MBE前沿介绍
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，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一VA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。
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。
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%。
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。
MBE原理—特点总结 MBE制膜并不以蒸发温度为控制参数，而以系统中的四
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 。
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 超晶格替代四元合金 GaInNAs 材料。这就必须借助于MBE设备工艺。
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。
分子束外延技术（MBE）的原理及 其制备先进材料的研究进展
学号：XXXXXXXXXX 姓名：XX
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。
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。
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。
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。
MBE原理—系统
目前最典型的MBE设备是由进样室、预处理和表 面分析室、外延生长室三个部分串连构成。
M600
MBE原理—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。
预处理和表面分析室：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。
荧光屏
MBE原理—系统
束源炉 MBE系统略图
MBE原理—系统
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。
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。）
1969-1972年间，Bell实验室的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。
1979年T. W. Tsang将MBE法制备的GaAs／AlGaAs DH激光器的阈值电流密度降到1KA／cm2以下， 使其能在室温下工作，达到了LPE水平。
MBE前沿介绍
实验结论：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。
MBE前沿介绍
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，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一VA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。
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。
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%。
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。
MBE原理—特点总结 MBE制膜并不以蒸发温度为控制参数，而以系统中的四
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 。
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 超晶格替代四元合金 GaInNAs 材料。这就必须借助于MBE设备工艺。
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。
分子束外延技术（MBE）的原理及 其制备先进材料的研究进展
学号：XXXXXXXXXX 姓名：XX
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。
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。
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。
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。
MBE原理—系统
目前最典型的MBE设备是由进样室、预处理和表 面分析室、外延生长室三个部分串连构成。
M600
MBE原理—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。
预处理和表面分析室：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。