分子束外延技术(MBE)的原理与制备先进材料的研究进展

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1、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前沿介绍分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，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。注：超高真空(UltrahighVacuum)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—定义1968年，美国

2、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。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／AlGaAsDH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原理—历史目前最典型的MBE设备是由进样

3、室、预处理和表面分析室、外延生长室三个部分串连构成。M600MBE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。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。MBE原理—系统MBE系统略图荧光屏MBE原理—系统束源炉反射高能电子衍射仪（ReflectionHigh—EnergeElectronDiffraction，R

4、HEED）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原理—系统MBE生长过程的三个基本区域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原理—生长的动力学过程衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格

5、失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。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。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，而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代

6、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。MBE原理—特点总结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1eV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

7、-y带隙可调控至1eV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

8、物：GaN0.03As0.97/In0.09Ga0.91As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℃)