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1、薄膜材料与技术（8）李美成2006秋季学期1第八章分子束外延法8.1分子束外延简介8.2分子束外延生长的特点8.3分子束外延的装置8.4分子束外延的原理和方法8.5分子束外延生长的应用薄膜材料与技术薄膜材料与技术28.1分子束外延简介所谓“外延”就是在一定的单晶体材料衬底上，沿着衬底的某个指数晶面向外延伸生长一层完整的单晶层的制膜方法。若外延层与衬底材料在结构和性质上相同，则称同质外延。Epi:fromtheGreekforuponTaxis:fromtheGreekfortoarrangeEpitaxy:thegrowthonacrystallinesubstrateo
2、facrystallinesubstancethatreplicatesthecrystalstructureofthesubstrate在1969年由贝尔（Bell）实验室的J.R.Arthur命名的。薄膜材料与技术薄膜材料与技术3外延单晶薄膜在纯度和性能上有可能比体单晶材料有明显的改善，而且可以制造很难用其他方法制造的大面积或特殊材料的单晶薄膜。此外，外延单晶工艺可以把材料制备和器件制造工艺统一，有利于提高器件的成品率和稳定性，并为研制新的电子器件提供了新的途径。近30年来发展了气相外延、液相外延和分子束外延。分子束外延生长法（MolecularBeamEpitaxy
3、，MBE）是一种新的主要用于开发III-V族半导体的外延生长法。薄膜材料与技术薄膜材料与技术4在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子细流即分子束强度，把分子束射入被加热的基片上而进行外延生长的。就方法而言，分子束外延生长法是属于真空蒸镀方法。由于其蒸发源、监控系统和分析系统的高性能和真空环境的改善，分子束外延法优于液相外延生长法、气相外延生长法。它不同于过去真空蒸镀的是能够得到极高质量的薄膜单晶体。从这一意义上说，分子束外延生长是以真空蒸镀为基础的一种全新的晶体生长法。可用来制备现有的大部分器件，而且也可以制备许多新器件，包括用其它方法根本不能实现的。薄膜材料与技术薄膜
4、材料与技术5如借助于原子级膜厚控制而制备的GaAs/AlGaAs超晶格结构、高电子迁移率晶体管（HEMT）和多量子阱（MQW）型激光二极管等。这些器件正处于实用化阶段。制备的材料涉及到III-V族以外的许多材料，包括ZnSe、ZnTe等II-VI族材料、PbTe等IV-VI族材料、Si、Ge等IV族材料等。最近对硅化物和绝缘物也用分子束外延生长法制备。薄膜材料与技术薄膜材料与技术6薄膜材料与技术薄膜材料与技术7Bandgapvs.LatticeConstant2.5AlPAlAsCommonIII-V’sDirectEg2GaPIndirectEgAlSb1.5GaAsI
5、nP1SiBandgap(eV)GeGaSbInSbInGaAs0.5.53.47InAs05.65.86.06.26.4LatticeConstant(Å)薄膜材料与技术薄膜材料与技术8III-VEpitaxialTechniquesReactantsandPressuresTechniqueGroupIIIGroupVPressureLPEGa,In,AlAs,P760torrVPEGa,InAsCl3,AsH3760torrMOVPEmetalorganicsAsH3,PH3,NH310to760torr-6MBEGa,In,AlAs,P,Sb10torr薄膜材料与
6、技术薄膜材料与技术9MolecularBeamEpitaxyTypeGroupIIIGroupVPressureSolidSourceGa,In,AlAs,P,Sb10-7torrMBEChemicalAsH,PH,BeamMetalorganics3310-5torrSbH,NHEpitaxy33GasAsH,PH,SourceGa,In,Al3310-5torrSbH,NHMBE33MOMBEMetalorganicsAs,P,Sb10-5torr薄膜材料与技术薄膜材料与技术108.2分子束外延生长的特点分子束外延生长法是在对生长条件能实现严格控制的超高真空下完成单晶
7、膜生长的，它是真空蒸镀方法的进一步发展。晶体生长过程是在非热平衡条件下完成的，受基片的动力学制约。这是分子束外延生长法与在近热平衡状态下进行的液相外延生长的根本区别。薄膜材料与技术薄膜材料与技术11分子束外延生长法的特点如下：（1）MBE系统的真空高达10-8Pa，在超高真空下进行的干式工艺，系统内残余分子数目要小得多，从喷射炉射出的分子在到达衬底前与残余分子的碰撞几率基本上可以忽略不计，因此残余气体等杂质混入较少，外延薄膜受污染的机会较少，可保持表面清洁；（2）它是在低温下生长（GaAs在500～600℃条件下生长；Si在5
