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分子束外延法

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分子束外延(MBE)是一種物理沉積單晶薄膜方法。在超高真空腔內源材料經高溫蒸發,產生分子束流,入射分子束與襯底交換能量后,經表面吸附、遷移、成核、生長成膜。

1 分子束外延法 -名稱

  分子束外延 英文名稱:Molecular Beam Epitaxy

2 分子束外延法 -定義

  分子束外延是一種新的晶體生長技術,簡記為MBE。其方法是將半導體襯底放置在超高真空腔體中,和將需要生長的單晶物質按元素的不同分別放在噴射爐中(也在腔體內)。由分別加熱到相應溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的(可薄至單原子層水平)單晶體和幾種物質交替的超晶格結構。分子束外延主要研究的是不同結構或不同材料的晶體和超晶格的生長。該法生長溫度低,能嚴格控制外延層的層厚組分和摻雜濃度,但系統複雜,生長速度慢,生長面積也受到一定限制。
  分子束外延是50年代用真空蒸發技術製備半導體薄膜材料發展而來的。隨著超高真空技術的發展而日趨完善,由於分子束外延技術的發展開拓了一系列嶄新的超晶格器件,擴展了半導體科學的新領域,進一步說明了半導體材料的發展對半導體物理和半導體器件的影響。分子束外延的優點就是能夠製備超薄層的半導體材料;外延材料表面形貌好,而且面積較大均勻性較好;可以製成不同摻雜劑或不同成份的多層結構;外延生長的溫度較低,有利於提高外延層的純度和完整性;利用各種元素的粘附係數的差別,可製成化學配比較好的化合物半導體薄膜。

3 分子束外延法 -特點

  分子束外延與其他外延方法相比具有如下的特點:1)源和襯底分別進行加熱和控制,生長溫度低,如GaAs可在500攝氏度左右生長,可減少生長過程中產生的熱缺陷及襯底與外延層中的雜質的擴散,可得到雜質分佈陡峭的外延層;2)生長速度低,可以利用快門精密的控制摻雜、組合和厚度,是一種原子級的生長技術,有利於生長多層異質結構;3)MBE生長不是在熱平衡條件下進行的,是一個動力學過程,因此可以生長一般熱平衡生長難以得到的晶體;4)生長過程中,表面處於真空中,利用附設的設備可以進行原位(即時)觀測,分析、研究生長過程、組分、表面狀態等。

4 分子束外延法 -技術

  晶體生長技術;化學束外延;半導體材料技術

5 分子束外延法 -難點

  分子束外延作為已經成熟的技術早已應用到了微波器件和光電器件的製作中。但由於分子束外延設備昂貴而且真空度要求很高,所以要獲得超高真空以及避免蒸發器中的雜質污染需要大量的液氮,因而提高了日常維持的費用。
  MBE能對半導體異質結進行選擇摻雜,大大擴展了摻雜半導體所能達到的性能和現象的範圍。調製摻雜技術使結構設計更靈活。但同樣對與控制、平滑度、穩定性和純度有關的晶體生長參數提出了嚴格的要求,如何控制晶體生長參數是應解決的技術問題之一。
  MBE技術自1986年問世以來有了較大的發展,但在生長III-V族化合物超薄層時,常規MBE技術存在兩個問題:1.生長異質結時,由於大量的原子台階,其界面呈原子級粗糙,因而導致器件的性能惡化;2.由於生長溫度高而不能形成邊緣陡峭的雜質分佈,導致雜質原子的再分佈(尤其是p型雜質)。其關鍵性的問題是控制鎵和砷的束流強度,否則都會影響表面的質量。這也是技術難點之一。

6 分子束外延法 -概況

  從硒整流器誕生以來,真空澱積已廣泛應用於半導體薄膜器件的製備上。從40年代起,蒸發鉛和錫的硫化物薄膜被廣泛研究,直到1964年以前還沒有實現優質的外延。1964年Schoolar和Zemel用瀉流盒產生的分子束在NaCl上外延生長出PbS薄膜。這也許是現代MBE技術的前奏。直到70年代初期真空設備商品化以後,MBE才得到廣泛應用。MBE基本上是真空澱積的一種複雜變種,其複雜程度取決於各個研究工作想要達到的目標。因為是真空澱積,MBE的生長主要由分子束和晶體表面的反應動力學所控制,它同液相外延(LPE)和化學汽相澱積(CVD)等其他技術不同,后兩者是在接近於熱力學平衡條件下進行的。而MBE是在超高真空環境中進行的,如果配備必需的儀器,就能用許多測試技術對外延生長作在位或原位質量評估。
  分子束外延的重要階段性成果就是摻雜超晶格和應變層結構的出現。摻雜超晶格是一種周期性摻雜的半導體結構。通過周期性摻雜的方法來調製半導體的能帶結構。摻雜超晶格的有效製備方法是摻雜技術,該技術就是定義在一個原子平面上進行摻雜。在襯底材料生長停止的條件下,生長一個單原子層的摻雜劑,這個單原子層的雜質通過高溫工藝或分凝便形成一個摻雜區,因而界面非常陡峭,二維電子氣的濃度和遷移率都增大。用MBE技術,在外延層晶格失配小於某一臨界條件下,生長出高質量外延層,這種結構為應變層結構。應變層結構的出現豐富了異質結結構的種類。因為晶格常數匹配的半導體材料很有限,而應變層結構可使晶格常數相關較大的半導體進行組合,使兩種材料都充分發揮各自的優點。應變層結構具有晶格匹配結構的所有優點,可製作量子霍爾器件。
  隨著MBE技術的發展,出現了遷移增強外延技術(MEE)和氣源分子束外延(GS-MEE)技術。MEE技術自1986年問世以來有了較大的發展。它是改進型的MBE。在砷化鎵的MBE過程中,使鎵原子到達表面后不立即直接與砷原子發生表面反應生長砷化鎵層,而是使鎵原子在襯底表面具有較長的距離,達到表面台階處成核生長。它在很低的溫度下(200度)也能生長出高質量的外延層,關鍵性的問題是控制鎵和砷的束流強度,否則會影響表面的質量。近年來出現了氣源遷移增強外延,為硅基低維材料的製作開闢了新的工藝研究方向。氣源MBE技術的發展是為了解決砷和磷束流強度比率難以控制的問題。其特點是繼續採用固態IV族元素和雜質源,再用砷烷和磷烷作為V族元素源,從而解決了用MBE方法生長InP系的主要困難。
  MBE作為一種高級真空蒸發形式,因其在材料化學組分和生長速率控制等方面的優越性,非常適合於各種化合物半導體及其合金材料的同質結和異質結外延生長,並在技術半導體場效應晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質結構場效應晶體管(HFET)、異質結雙極晶體管(HBT)等微波、毫米波器件及電路和光電器件製備中發揮了重要作用。近幾年來,隨著器件性能要求的不斷提高,器件設計正向尺寸微型化、結構新穎化、空間低維化、能量量子化方向發展。MBE作為不可缺少的工藝和手段,正在二維電子氣(2DEG)、多量子阱(QW)和量子線、量子點等到新型結構研究中建立奇功。MBE的未來發展趨勢就是進一步發展和完善MEE和GS-MBE。
  目前世界上有許多國家和地區都在研究MBE技術,包括美國、日本、英國、法國、德國和中國台灣。具體的研究機構有日本的東京工學院電學與電子工程系,日本東京大學,日本理化研究所半導體實驗室,日本日立公司,日本NTT光電實驗室,美國佛羅里達大學材料科學與工程系,美國休斯頓大學真空外延中心,英國利沃浦大學材料科學與工程系,英國牛津大學物理和理化實驗室,牛津大學無機化學實驗室,德國薄膜和離子技術研究所,德國University of Ulm的半導體物理實驗室,德國西門子公司,南朝鮮的電子和通信研究所,法國的Thomson CSF公司,台灣大學電子工程系等。

7 分子束外延法 -影響

  在超薄層材料外延生長技術方面,MBE的問世,使原子、分子數量級厚度的外延生長得以實現,開拓了能帶工程這一新的半導體領域。半導體材料科學的發展對於半導體物理學和信息科學起著積極的推動作用。它是微電子技術,光電子技術,超導電子技術及真空電子技術的基礎。歷史地看,外延技術的進展和用它製成所要求的結構在現代半導體器件的發展中起了不可缺少的作用。MBE的出現,無疑激發了科學家和工程師們的想象力,給他們提供了挑戰性的機會。分子束外延技術的發展,推動了以GaAs為主的III-V族半導體及其它多元多層異質材料的生長,大大地促進了新型微電子技術領域的發展,造就了GaAs IC、GeSi異質晶體管及其集成電路以及各種超晶格新型器件。特別是GaAs IC(以MESFET、HEMT、HBT以及以這些器件為主設計和製作的集成電路)和紅外及其它光電器件,在軍事應用中有著極其重要的意義。GaAs MIMIC(微波毫米波單片電路)和GaAs VHSIC(超高速集成電路)將在新型相控陣雷達、陣列化電子戰設備、靈巧武器和超高速信號處理、軍用計算機等方面起著重要的作用。
  90年代中美國有50種以上整機系統使用MIMIC。所謂整機系統包括靈巧武器、雷達、電子戰和通信領域。 在雷達方面,包括S、C、X、Ku波段用有源發射/接收(T/R)組件設計製作的相控陣雷達;在電子戰方面,Raytheon公司正在大力發展寬頻超寬頻砷化鎵MIMIC的T/R組件和有源誘鉺MIMIC;在靈巧武器方面,美國MIMIC計劃的第一階段已有8 種靈巧武器使用了該電路,並在海灣戰爭中得到了應用;在通信方面,主要是國防通信衛星系統(DSCS),全球(衛星)定位系統(GPS),短波超高頻通信的小型傾向毫米波保密通信等。
  光電器件在軍事上的應用,已成為提高各類武器和通信指揮控制系統的關鍵技術之一,對提高系統的生存能力也有著特別重要的作用。主要包括激光器,光電探測器,光纖感測器,電荷耦合器件(CCD)攝像系統和平板顯示系統等。它們被廣泛地應用於雷達、定向武器、制導尋的器、紅外夜視探測、通信、機載艦載車載的顯示系統以及導彈火控、雷達聲納系統等。而上述光電器件的關鍵技術與微電子、微波毫米波器件 的共同之處是分子束外延,金屬有機化合物汽相澱積等先進的超薄層材料生長技術。行家認為未來半導體光電子學的重要突破口將是對超晶格、量子阱(點、線)結構材料及器件的研究,其發展潛力無可估量。未來戰爭是以軍事電子為主導的高科技戰爭,其標誌就是軍事裝備的電子化、智能化。而其核心是微電子化。以微電子為核心的關鍵電子元器件是一個高科技基礎技術群,而器件和電路的發展一定要依賴於超薄層材料生長技術如分子束外延技術的進步。
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