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分子束外延

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分子束外延系统的示意图
分子束外延系统的示意图

分子束外延(英语:Molecular beam epitaxy, MBE)是使单晶材料生长的一种方法,由贝尔实验室的J. R. 亚瑟(J. R. Arthur)和卓以和Alfred Y. Cho)于1960年代后期发明[1]

方法

分子束外延于高真空或超高真空(ultra-high vacuum,10−8帕斯卡)的环境进行。分子束外延最重要的方面是其低沉积率,通常使薄膜以每小时低于3000纳米的速度外延生长。如此低的沉积率要求真空程度足够高,以达到其他沉积方式同等级别的洁净程度。

在固体源的分子束外延过程中,诸如的元素,会以超纯(ultra-pure)的形式在独立的石英克努森容器Knudsen Cell)中被加热,直到它们开始缓慢升华。然后,这些气态物质在晶圆上凝结,而且它们在那里互相作用。以镓和砷为例,上述作用可以产生单晶砷化镓。术语“(分子)束”的意思是过程中的气体原子并不产生相互作用,也不与真空室物质反应,除非它们接触到晶圆。这是因为这些气体具有较长的平均自由程

外延过程中,反射式高能电子衍射英语Reflection high-energy electron diffractionReflection high-energy electron diffraction,缩写:RHEED)经常被用来检测晶体层次生长的进程。电脑能够控制反应室前方的一个“阀门”,从而实现对每个层次的精确控制,其精确度可以达到单层原子。不同材料层次的精细结构可以通过这种方式产生。此种控制方式可以把电子束缚在一定空间里,产生量子阱quantum well)和量子点quantum dot)。上述的“层”对于很多现代的半导体器件十分关键,包括镭射二极管发光二极管

有的系统需要冷却底层。生长室的超高真空环境必须使用一个低温泵(cryopump)来维持,而液氮或低温氮气可以使内部温度冷却到77开尔文(−196摄氏度[注 1]。低温环境可以进一步降低真空中杂质的含量,为沉积薄膜提供更好的条件。在其他系统里,晶体生长的晶圆可能会被安装在一个旋转的圆盘上,这个圆盘可以被加热到几百摄氏度。

分子束外延也曾被用于某些种类有机半导体organic semiconductors)的沉积过程。在上述的情况中,被气化、然后在晶圆沉积的是材料的有机分子而非原子。其他的分支还包括气态源分子束外延(gas-source MBE[2],这一方式与化学气相沉积chemical vapor deposition)类似。

最新的分子束外延技术还在新型电子器件制造、电磁应用、光学应用等领域中,被用于氧化物材料的沉积。为了实现这些目的,分子束外延系统必须进行改进,从而能够与氧源协同作用。[3]

ATG不稳定性

ATG不稳定性,全称阿萨罗-蒂勒-格林菲尔德不稳定性(Asaro-Tiller-Grinfeld instability),或简称为格林菲尔德不稳定性,是分子束外延过程中经常遇到的一种弹性不稳定状况。假设生长的薄膜和支撑晶体的晶格尺寸错位(mismatch),弹性能量将会在生长的薄膜上积累。当其达到一定的转折量时,薄膜可以通过分裂为几个孤立块的方式,使自由能量的数值降低,这样积累的张力就可以得以释放。上述的“转折量”的数值取决于材料的杨氏模量Young's modulus)、错位的尺寸以及表面张力。

已经有不少关于ATG不稳定性在应用方面的研究正在进行,例如量子点的自组装(self-assembly[4]

参考来源

注释
  1. ^ 77 K(−196.2 °C;−321.1 °F)
引用
  1. ^ Cho, A. Y.; Arthur, J. R.; Jr. Molecular beam epitaxy. Prog. Solid State Chem. 1975, 10: 157–192. doi:10.1016/0079-6786(75)90005-9. 
  2. ^ 李华(中国科学院上海微系统与信息技术研究所). 气态源分子束外延材料生长及特性和量子级联激光器材料生长研究. 硕士学位论文. 2007. 
  3. ^ J. Cheng, V.K. Lazarov, et al, J. of Vacuum Science & Technology B, 27, 148(2009).
  4. ^ 余海湖,伍宏标,李小甫,朱云洲,姜德生. 二氧化硅纳米粒子薄膜的制备及光学性能. 物理化学学报. 2001, 17 (12). 
文献
  • 仪器图
    仪器图
  • 腔内运作示意图
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  • 仪器系统图
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外部链接

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