干货：分子束外延要点解析

一、分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy，MBE)简介

在超高真空环境下， 使具有一定热能的一种或多种分子 (原子) 束流喷射到晶体衬底 ，在衬底表面发生反应的过程

，山于分子在 "飞行"过程中几乎与环境气体无碰撞 ，以分 子束的形式射向衬底 ，进行外延生长， 故此而得名。

属性: 一种真空蒸镀方法

始创: 20世纪70年代初期，美国Bell实验室

应用: 外延生长原子级精确控制的超薄多层 二维结构材料和器件(超品格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阴:激光器 、高电子迁移率晶体管等) ;结合其他工艺，还可制备一维和 零维的纳米材料(量子线、量子点等）。

MBE 的典型特点:

(1) 从源炉喷出的分子（原子）以 "分子束" 流形式直线 到达衬底表面。通过石英晶体膜厚仪监测， 可严格控制生长速率。

(2)分子束外延的生长速率较慢 ，大约0.01-1nm/s。可实现单原子(分子)层外延 ，具有极好的膜厚可控性 。

(3) 通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭 ，可严格控制膜的成分和杂质浓度 ，也可实现选择性外延生长。

(4)非热平衡生长 ，衬底温度可低于平衡态温度  ，实现低温生长 ，可有效减少互扩散和自掺 杂。

(5) 配合反射高能电子衍射( RHEED ) 等装置 ，可实现原价观察、实时监测。

生长速率比较慢 ，既是MBE的一个优点 ，同时也是它的不足，不适于厚膜生长和大量生产 。

二、硅分子束外延

1 基本概况

硅分子束外延包括同质外延 ，异质外延 。

硅分子束外延是通过原子、分子或离子的物理淀积 ，在适当加热的硅衬底上进行硅(或与硅相关材料)的外延生长。

(1) 外延期间 ，衬底处于较低温度 。

( 2 ) 同时掺杂。

(3) 系统维持高真空。

(4)特别注意原子级干净的表面。

图1 硅MBE的工作原理示意图

2 硅分子束外延的发展历史背景

相对于CVD缺点而发展起来。

CVD缺陷 : 衬底高温 ，1050oC ，向掺杂严重(跟高温有关) 。 原始的分子束外延 : 硅衬底加热至适当温度，真空下使硅蒸发 到硅衬底上 ，进行外延生长。

生长准则 : 入射分子充分运动，达到衬底的热 表面 ，并以单晶形式排列。

3 硅分子束外延的重要性

硅MBE是在一个严格控制的低温系统中进行 。

(1) 能很好地控制杂质浓度 ，达到原子级 。非掺杂浓度可控在<3×10¹³/cm³。

(2) 外延可在无缺陷的最佳条件下进行 。

(3) 外延层厚度可控制在单原子层的厚度内 ，进行超晶格外延，几nm~几十nm，从而可实现人工设计 ，并制备性能优异的新功能材料。

(4) 硅的同质外延，类硅的异质外延 。

4 外延生长设备

发展方向 :可靠性、高性能和多功能

缺点: 价格高 、复杂，运行费用高 。

适用范围 : 可用于硅MBE ，化合物MBE ，III-V族MBE ，金属半导体的 MBE正在发展中。

基本的共同特点 :

(1) 基本的超高真空系统 ，外延室 ，努森加热室；

(2) 分析手段 ，LEED 、SIMS，阳EED等；

(3) 进样室。

图2 硅分子束外延系统示意图

(1)电子束轰击硅靶表面，从而容易产生硅分子束。为了避免硅分子束散发到旁边去而引起不良影响 ，大面积屏屏蔽和准直是必需的 。

(2) 电阻加热的硅阴极产生不了强分子束， 其它的石墨柑锅有Si-C玷污，最好的办法是电子束蒸发产生硅源。因为，硅MBE某些部分温度较高 ，便于蒸发 ，硅的低蒸发压要求蒸发源具有较高温度。蒸发同时，要对束流密度和扫描参数进行控制。使得硅熔坑正好处在硅棒内 ，硅棒成为高纯柑梢。

监测分子束流有以下几种:

(1) 石英晶体常用 于监测束流 ，束流屏蔽和冷却适当，可得满意结果，但噪音影响稳定性。几个μm后 ，石英晶体便失去了线性。调换频繁，主系统经常充气，这不利于工作 。

(2)小型离子表 ，测分子束流压 ，而不是测分子束流通量。 由于系统部件上的淀积而使其偏离标准 。

(3) 低能电子束 ，横穿分子束 ，利用所探测物种的电子激发荧光。原子被激发并很快衰退到基态产生uv荧光，光学聚焦后荧光密度正比于束流密度。可做硅源的反馈控制。不足之处: 切断电子束，大部分红外荧光和背景辐射也会使信噪比恶化到不稳定的程度。 它只测原子类，不能测分子类物质。

(4) 原子吸收谱 ，监测掺杂原子的束流密度 。

用断续束流 ，对Si、Ga分别用251.6nm，294.4nm光辐射进行探测，光束穿过原子束所吸收强度转换成原子束密度，并得到相应比率。

分子束外延 ( MBE ) 衬底底座是一个难点 。

MBE是一个冷壁过程 ，即衬底硅片加热高达 1200℃，环境要常温。此外 ，硅片要确保温度均匀。山电阻耐火金属和石墨阴极，背而辐射加热，而整个加热部件却装在液氮冷却的容器中 ，以减少对真空部件的热辐射。衬底旋转，保证加热均匀。自由偏斜 ，可增强二次注入的掺杂效应 。

本文转自百度文库作者不想麋鹿，链接：https://wenku.baidu.com/view/c8ad5330ee06eff9aef80777.html。

材料人编辑部Allen编辑整理。