分子束外延技术简介.ppt

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1、分子束外延技术简介声明：本文件中引用的来自书籍、刊物及网页中的图片的一切权利归各自的权利人所有。什么是分子束外延真空技术介绍分子束外延设备分子束外延工艺什么是分子束外延外延生长技术在半导体领域得到应用是在20世纪60年代。它指的是在一定条件下，使某种或某些种物质的原子（或分子）有规则排列、定向生长在经过仔细加工的晶体（一般称为衬底）表面上。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外延生长。分子束外延（MBE）是外延生长技术中非常重要的一种。它是60年代末～70年代初在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制

2、备半导体超薄层材料和器件的技术。在超高真空条件下，构成晶体的各个组份和掺杂原子（分子）以一定的热运动速度、按一定的比例喷射到热的衬底表面上进行晶体的外延生长。在超高真空系统中，分子束源炉与被加热的衬底相对放置。将组成化合物中的各个元素和掺杂元素分别放入不同的源炉内。加热源炉使它们的分子（原子）以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到衬底表面上，与表面相互作用，进行单晶薄膜的外延生长。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。分子束外延原理示意图其特点是:生

3、长速度慢（～1m/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。外延表面反应过程19471960197019801990发明晶体管发明集成电路固态源MBE气态源MBEMBE生长出高质量GaAs单晶薄膜在MBE生长的GaAs/AlGaAs

4、sls中观察到负微分电阻现象MBEGaAs/AlGaAsDHLD激光器阈值电流密度<1kA/cm2为什么要超高真空？1、避免源炉喷射出的原子在到达衬底之前与环境中的残余气体碰撞而受到污染气体分子密度n(cm-3)与真空度p(torr)的关系：分子的平均自由程：2、避免环境中的残余气体分子与外延表面碰撞而使外延面受到污染单位时间、单位面积表面被气体分子碰撞次数：分子热运动平均速度：对于大多数分子,1、P=10-6torr,l～102mP=10-10torr,l～106m2、P=10-6torr,N～3x1014cm-2s-1，2～3秒就扑满整个样品表面P=10-1

5、0torr,N～3x1010cm-2s-15～8小时才能扑满整个样品真空技术介绍真空：低于一个大气压的气体状态真空技术主要包括：真空的获得、真空的测量、真空检漏10－1010－810－610－410－2100102104粗真空低真空Pa高真空超高真空极高真空真空的大致范围真空度的单位：1mmHg＝1Torr1Torr＝133Pa1mbar＝100Pa1ATM＝101325Pa1ATM＝760Torr真空的获得－－真空泵排气型：利用内部的各种压缩机构将被抽容器中的气体压缩到排气口方向。吸气型：在封闭的真空系统中，利用各种表面吸气的办法将被抽空间的气体分子长期吸着在

6、吸气表面上，使被抽容器保持真空。机械泵增压泵扩散泵分子泵吸附泵离子泵升华泵低温泵低真空泵高真空泵排气型吸气型机械泵旋片式真空泵是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为760～0.01Torr属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。旋片式机械泵工作演示罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而来的。根据罗茨真空泵工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵。罗茨真空泵工作原理罗茨真空泵工作原理演示油扩散泵是利用高速喷射（超声速）的油分子使处在分子流状态的

7、气体沿一个方向扩散而排出泵外。进气排气冷却管加热器泵油涡轮分子泵其工作原理基于气体分子入射到固体表面上一般不做弹性反射，而是停滞一定时间与表面交换能量，然后以与入射方向无关的方向脱离，其发射角度遵守余弦定理进气排气转子叶片定子叶片入射气体分子速度叶片切向速度abab(a)(b)涡轮分子泵吸附泵在液氮温度下使用多孔吸附剂吸气的真空泵可分为内冷式和外冷式内冷式吸附泵低温泵（冷凝泵）使用低于20K的金属表面对气体分子进行多分子层的吸附－－相对于气体的凝聚，可获得更低的极限压强、更大的抽速。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

8、体。钛升华器溅射离子泵是