分子束外延技術(shù)(MBE)的原理及其制備先進(jìn)材料的研究進(jìn)展資料

1、分子束外延技術(shù)（MBE）的原理及其制備先進(jìn)(xinjn)材料的研究進(jìn)展學(xué)號(hào)：XXXXXXXXXX姓名(xngmng)：XX共二十一頁(yè)主要(zhyo)內(nèi)容MBE原理(yunl)MBE前沿介紹共二十一頁(yè)分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，簡(jiǎn)稱MBE)：它是在超高真空的條件下，把一定比例的構(gòu)成晶體的各個(gè)組分和摻雜原子(分子)以一定的熱運(yùn)動(dòng)(yndng)速度噴射到熱的襯底表面來(lái)進(jìn)行晶體外延生長(zhǎng)的技術(shù)。注：超高真空(Ultrahigh Vacuum)指的是真空壓力至少低于1.33x10-8Pa。外延生長(zhǎng)：在一個(gè)晶體表面上生長(zhǎng)晶體薄膜，并且得到的薄膜和襯底具有相同(xin tn)的晶

2、體結(jié)構(gòu)和取向。MBE原理定義共二十一頁(yè) 1968年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Arthur首先進(jìn)行了Ga和As在GaAs表面的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，奠定了MBE的理論基礎(chǔ)。1969-1972年間，Bell實(shí)驗(yàn)室的A. Y. Cho進(jìn)行了MBE的開創(chuàng)性研究，用MBE生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的GaAs薄膜單晶及n型、p型摻雜，制備出了多種半導(dǎo)體器件，而且生長(zhǎng)出第一個(gè)GaAsAIGaAs超晶格材料，從而引起(ynq)了人們的關(guān)注。1979年T. W. Tsang將MBE法制備的GaAsAlGaAs DH激光器的閾值電流密度降到1KAcm2以下，使其能在室溫下工作，達(dá)到了LPE水平。MBE原理(yunl)歷史共二十一頁(yè) 目

3、前(mqin)最典型的MBE設(shè)備是由進(jìn)樣室、預(yù)處理和表面分析室、外延生長(zhǎng)室三個(gè)部分串連構(gòu)成。M600MBE原理(yunl)系統(tǒng)共二十一頁(yè)進(jìn)樣室（裝樣、取樣、對(duì)襯底進(jìn)行低溫除氣）：進(jìn)樣室用于換取樣品，可同時(shí)放入多個(gè)襯底片。預(yù)處理和表面分析(fnx)室：可對(duì)襯底片進(jìn)行除氣處理，通常在這個(gè)真空室配置AES、XPS、UPS等分析儀器。外延生長(zhǎng)室：是MBE系統(tǒng)中最重要的一個(gè)真空工作室，配置有分子束源、樣品架、電離記、高能電子衍射儀和四極質(zhì)譜儀等部件。MBE原理(yunl)系統(tǒng)共二十一頁(yè)MBE系統(tǒng)(xtng)略圖熒光屏MBE原理(yunl)系統(tǒng)束源爐共二十一頁(yè)反射高能電子衍射儀（Reflection Hi

4、ghEnerge Electron Diffraction ，RHEED）是十分重要的設(shè)備。高能電子槍發(fā)射電子束以13掠射到基片表面后，經(jīng)表面晶格衍射在熒光屏上產(chǎn)生的衍射條紋可以直接反映(fnyng)薄膜的結(jié)晶性和表面形貌，衍射強(qiáng)度隨表面的粗糙度發(fā)生變化，振蕩反映(fnyng)了薄膜的層狀外延生長(zhǎng)和外延生長(zhǎng)的單胞層數(shù)。MBE原理(yunl)系統(tǒng)共二十一頁(yè)MBE生長(zhǎng)(shngzhng)過(guò)程的三個(gè)基本區(qū)域1.入射的原子或分子在一定(ydng)溫度襯底表面進(jìn)行物理或化學(xué)吸附。2.吸附分子在表面的遷移和分解。3.組分原子與襯底或外延層晶格點(diǎn)陣的結(jié)合或在襯底表面成核。4.未與襯底結(jié)合的原子或分子的熱脫附

5、。MBE原理生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程共二十一頁(yè)襯底溫度較低，因此降低了界面(jimin)上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對(duì)外延層的自摻雜擴(kuò)散影響。生長(zhǎng)速率低，大約1m/h，相當(dāng)于每秒生長(zhǎng)一個(gè)單原子層，因此有利于實(shí)現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)等，特別適于生長(zhǎng)超晶格材料和外延薄膜材料。但是，極低的生長(zhǎng)速率也限制了MBE的生產(chǎn)效率，同時(shí)考慮(kol)到昂貴的設(shè)備，使其無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。受襯底材料的影響較大，要求外延材料與襯底材料的晶格結(jié)構(gòu)和原子間距相互匹配，晶格失配率要7%。能獨(dú)立控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)和噴射速度，從而能制備合 金薄膜。MBE原理特點(diǎn)總結(jié)共二十一頁(yè)MBE制膜并不以蒸發(fā)溫度為控

6、制參數(shù)，而以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等現(xiàn)代儀器時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分子束的種類和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格控制生長(zhǎng)過(guò)程與生長(zhǎng)速率。另一方面，復(fù)雜的設(shè)備(shbi)也增大了生產(chǎn)成本。在各加熱爐和襯底之間分別插有單個(gè)的活門,可以(ky)精確控制薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程。通過(guò)對(duì)活門動(dòng)作的適當(dāng)安排, 可以使各射束分別在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)通過(guò)或關(guān)斷。單個(gè)束源爐中必須使用高純度原料。MBE原理特點(diǎn)總結(jié)共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹制備(zhbi)GaNAs基超晶格太陽(yáng)能電池理論計(jì)算表明,對(duì)于GaInP/ GaAs/ Ge 三結(jié)電池來(lái)說(shuō),當(dāng)在GaAs 電池與Ge 電池之間再增加一個(gè)帶隙在1 eV左右的子電池將會(huì)進(jìn)一步提高多結(jié)太

7、陽(yáng)能電池的效率。由于四元合金Ga1-xInxNyAs1-y 帶隙可調(diào)控至1 eV 且能與GaAs 或Ge 襯底實(shí)現(xiàn)晶格匹配(當(dāng)x3y),于是成為研究多結(jié)太陽(yáng)能電池的熱門材料 。然而,眾多研究發(fā)現(xiàn),In和N 共存于GaInNAs 中會(huì)導(dǎo)致成分起伏和應(yīng)變,并導(dǎo)致In團(tuán)簇的產(chǎn)生以及與N 元素有關(guān)的本征點(diǎn)缺陷等,這些問(wèn)題的存在使得高質(zhì)量的GaInNAs 基電池很難得到。一種解決方法是利用In 和N 空間分離的GaNAs/ InGaAs 超晶格替代四元合金GaInNAs 材料。這就必須借助于MBE設(shè)備工藝。共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹北京科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了如下(rxi)實(shí)驗(yàn)方案：設(shè)備：V

8、eeco公司生產(chǎn)的Gen20A 全固態(tài)MBE 系統(tǒng)；目標(biāo)物：GaN0.03As0.97/In0.09 Ga0.91As短周期超晶格結(jié)構(gòu)；原料：生長(zhǎng)過(guò)程是在半絕緣GaAs 襯底的(001)面上進(jìn)行的,Si和Be分別作為GaAs 的n 型和p 型摻雜源。工藝：生長(zhǎng)之前,需在生長(zhǎng)室內(nèi)對(duì)GaAs襯底進(jìn)行高溫( 600 ) 脫氧處理10min;然后,將GaAs襯底溫度從600降為580 ,生長(zhǎng)300nm厚度的GaAs緩沖層以獲得更好的外延生長(zhǎng)表面;最后,將生長(zhǎng)溫度降至480,進(jìn)行GaNAs/InGaAs超晶格的生長(zhǎng)和后續(xù)電池中10 周期數(shù)的GaNAs/ InGaAs超晶格有源區(qū)的生長(zhǎng)。（GaNAs/In

9、GaAs超晶格中阱層和壘層厚度相同,總厚度為0. 2 m。在總厚度不變的條件下,周期厚度在6 30 nm之間變化。）共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹實(shí)驗(yàn)結(jié)論：周期厚度為20nm時(shí)，所制備的超晶格電池(dinch)的短路電流密度達(dá)到10.23mA/cm2,大大高于一些已報(bào)道的GaInNAs電池。共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹制備高發(fā)光(f un)性能InN 光通訊波段的高性能硅基光電子器件的制備不僅是光通信技術(shù)發(fā)展的需要，也是實(shí)現(xiàn)硅基光電集成的需要。雖然硅材料的制備和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但由于硅材料是間接帶隙半導(dǎo)體，其發(fā)光效率較低，因此通過(guò)在硅襯底上異質(zhì)外延高發(fā)光性能的一VA族半

10、導(dǎo)體材料的方法來(lái)獲得所需的光性能是一個(gè)很好的選擇。在所有氮化物半導(dǎo)體中，InN具有最高的飽和電子漂移速度、最小的電子有效質(zhì)量及最高的電子遷移率，并且InN材料特性受溫度的影響非常小。 雖然硅基InN材料在性能和應(yīng)用方面有種種優(yōu)勢(shì)，但是目前研究進(jìn)展并不順利。一方面，六方InN材料沿a軸方向與Si(111)襯底仍存在約8的晶格失配，外延過(guò)程中會(huì)引人大量的缺陷；另一方面，InN材料具有較低的分解溫度和較高的氮平衡蒸氣壓從而導(dǎo)致高質(zhì)量的InN材料很難制備。 此時(shí)，利用MBE技術(shù)通過(guò)低溫外延InN或高溫外延AlN作為緩沖層是提高InN材料質(zhì)量的有效途徑。共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹吉林大學(xué)的研

11、究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了如下(rxi)實(shí)驗(yàn)方案：設(shè)備：用德國(guó)CREATEC公司的RFMBE系統(tǒng)進(jìn)行(本底真空度為3X10-8Pa)；原料：活性氮由5N高純氮?dú)饨?jīng)純化器、射頻離化后提供，銦束流采用束源爐加熱6N高純銦提供；工藝：在Si(111)襯底上外延制備了一組InN樣品，編號(hào)為A、B、C、D。首先，分別使用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗襯底5min。烘干后的襯底導(dǎo)入生長(zhǎng)室中900熱處理1 h，然后沉積厚度分別為0，0.1，0.5，1nm的In插入層，在400下生長(zhǎng)30 nm厚的InN緩沖層，最后提高溫度至475生長(zhǎng)170 nm厚的InN外延層。對(duì)外延制備的InN樣品分別采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯

12、微鏡(SEM)、吸收光譜以及x射線光電子能譜(XPS)等進(jìn)行測(cè)試分析。共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹實(shí)驗(yàn)結(jié)論(jiln)：樣品C的c軸晶格常數(shù)為0.5702nm，與c的理論值 (0.5703nm)最為接近，表明樣品中應(yīng)力得到了有效的釋放；在沒(méi)有In插入層的樣品中，Si襯底表面會(huì)與活性N原子反應(yīng)形成無(wú)定形的SixNy材料，從而降低后續(xù)外延InN材料的晶體質(zhì)量。0.5nm厚的In插入層較為合適，能夠有效地抑制襯底表面SixNy 材料的形成，有助于提高外延InN樣品的晶體質(zhì)量及光學(xué)特性。共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹拓?fù)?tu p)絕緣體薄膜微器件 近年來(lái)，拓?fù)浣^緣體因其獨(dú)特的電子結(jié)

13、構(gòu)和性質(zhì)成為凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。 三維拓?fù)浣^緣體具有絕緣型的體能帶和受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的金屬型表面態(tài)，這種表面態(tài)在動(dòng)量空間具有狄拉克型的色散關(guān)系，并且在狄拉克點(diǎn)之外的地方是自旋非簡(jiǎn)并的，這種獨(dú)特的拓?fù)浔砻鎽B(tài)有可能導(dǎo)致多種新奇的量子現(xiàn)象，如表面量子霍爾效應(yīng)、激子凝聚現(xiàn)象、量子反?；魻栃?yīng)等。 三維拓?fù)浣^緣體己經(jīng)在很多材料中被預(yù)言或發(fā)現(xiàn)，其中Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因?yàn)槠浜?jiǎn)單的表面態(tài)結(jié)構(gòu)、較大的體能隙、較易制備等優(yōu)點(diǎn)成為目前研究最多的一類三維拓?fù)浣^緣體材料。 拓?fù)浣^緣體很多獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì)需要在微米尺度甚至亞微米尺度的結(jié)構(gòu)中才能觀測(cè)到。因此，必須將

14、其加工成微器件。但是，傳統(tǒng)的制備工藝一般需要對(duì)其進(jìn)行紫外光刻或電子束刻蝕，這樣就可能顯著改變載流子濃度和遷移率，從而影響各種量子效應(yīng)的觀測(cè)。 為了避免傳統(tǒng)制備工藝的缺陷，中科院物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)借助MBE設(shè)計(jì)了新工藝。共二十一頁(yè)MBE前沿(qinyn)介紹實(shí)驗(yàn)方案簡(jiǎn)述如下：原料：從合肥科晶購(gòu)買的STO（111）單晶襯底，將其切成2mmx5mm大小。工藝(gngy)：將STO襯底利用紫外光預(yù)先刻蝕出一個(gè)具有Hall bar器件形狀、高度為幾十納米的凸平臺(tái)。以這樣的凸平臺(tái)為模板，利用MBE直接生長(zhǎng)出具有Hall bar形狀的拓?fù)浣^緣體（BixSb1-x）2Te3薄膜。共二十一頁(yè)謝 謝 ！共二十一頁(yè)內(nèi)容摘要分子束外延技術(shù)（MBE）的原理及其制備先進(jìn)材料的研究進(jìn)展。注：超高真空(Ultrahigh Vacuum)指的是真空壓力至少低于1