分子束外延技术简介-2
mbe 分子束外延
mbe 分子束外延分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy）是一种制备薄膜材料的技术，主要用于制备半导体材料和器件。
它是一种高真空技术，使得薄膜的生长在几秒到几分钟的时间内完成。
MBE技术在半导体产业中得到了广泛的应用，促进了半导体材料和器件的发展。
MBE技术的工作原理是利用分子束，将材料分子在真空环境下逐个排列而成的薄膜材料。
首先，通过加热来提供足够的热能，从而将材料转化为蒸汽或气体。
接下来，通过使用高度完整的分子束来传输这些分子，使其在基底表面上按照预定的方式排列成薄膜。
最后，冷却材料并结晶，形成所需的薄膜。
MBE技术的一个显著特点是能够实现单原子层的生长。
由于分子束的高能精度和流动控制，可以准确控制薄膜的厚度和成分，从而产生高质量的材料和器件。
此外，MBE技术具有高度可控性和精确性，可以在纳米尺度上进行控制和操纵。
这使得MBE在制备多层异质结构材料和量子器件方面具有独特的优势。
MBE技术主要用于制备半导体材料和器件，如激光器，光电探测器，高电子迁移率晶体管（HEMTs）等。
由于MBE可以实现高质量的外延生长，使得器件具有优异的性能，并展现了许多新奇的物理现象。
例如，MBE可以制备出具有垂直量子阱结构的激光器，使得它们可以在低阈值电流下工作和实现可调谐性。
此外，MBE也被用于制备GaAs和InP等半导体材料的缺陷量子阱结构，研究光电子学和量子信息处理等领域。
随着纳米材料和纳米器件的发展，MBE技术的应用正在不断扩展。
MBE可以制备纳米颗粒和纳米线等结构，用于能源转换和存储等领域。
此外，MBE还可以用于制备二维晶体和拓扑绝缘体等新兴材料，研究它们的物理性质和应用。
通过结合MBE技术和其他生长技术，例如分子束外延悬浮液法和金属有机化学气相沉积法等，可以实现更多样化的材料和器件结构。
总之，分子束外延是一种重要的薄膜生长技术，在半导体材料和器件领域发挥着重要的作用。
它具有高质量、高可控性和高精度的优点，可以应用于各种材料和器件的制备。
分子束外延技术简介-2
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 活性的气体。
钛升华器
溅射离子泵
是一种兼用新鲜钛膜和电离机构同时对化学活性及 惰性气体抽气的超高真空泵。
桶状阳极
N
磁铁
＋ ＋
S
＋
5 kV直流电源
钛阴极
低温泵 扩散泵
升华泵
离子泵 涡轮分子泵 吸附泵 机械泵
10－10
Riber 32P MBE系统
Riber 32P 双生长室MBE系统
V80H 双生长室MBE系统
进样室 装样、取样、 对衬底进行 低温除气
Riber 32P MBE系统
预处理与表面分析室 衬底预除气、表面分析XPS、 UPS、SIMS、LEED等
V80H MBE系统
生长室 样品生长
液氮冷屏
RHEED电子枪
衬底 源炉 样品传递 衬底 加热器 荧光屏 电离规 观察窗
挡板
典型的MBE生长室
生长室 样品生长
液氮冷屏
观察窗
源炉
V80H MBE系统
挡板
衬底 加热器
源炉的两种配置 1 卧式配置
源炉的两种配置 2 立式配置
衬底加热器
操纵机构
电离规
加热器
Riber 32P MBE系统
衬底加热器
主挡板
操纵机构 加热器
V80H MBE系统
钼托（substrate mounting block）
Riber 3 吋无铟钼托
挡板
挡板
挡板
Riber MBE系统源炉和挡板
源炉
电阻加热式源炉
源炉
裂解炉 电子束加热式源炉 激光辅助加热式源炉 气态源炉 Load-lock式源炉
原子层沉积 分子束外延
原子层沉积分子束外延摘要：1.原子层沉积与分子束外延的概述2.原子层沉积技术的原理与特点3.分子束外延技术的原理与特点4.两种技术的应用领域及优缺点对比5.中国在相关领域的研究与发展正文：原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是两种重要的薄膜制备技术，广泛应用于半导体、光学和能源等领域。
原子层沉积技术是一种自下而上的薄膜制备方法，通过气相沉积的方式，将材料原子一层一层地沉积在基底上。
ALD技术的特点是薄膜厚度可控、成分均匀、生长速率慢，因此能够实现对薄膜的精确控制。
此外，ALD技术可以应用于多种材料，包括金属、氧化物和化合物等。
在我国，ALD技术已经取得了显著的研究成果，并在半导体、太阳能电池、发光二极管等领域得到了广泛应用。
分子束外延技术则是一种自上而下的薄膜制备方法，通过将材料分子束射到基底表面，使其逐层生长。
MBE技术的特点是薄膜生长速率快、薄膜质量高、成分可控。
由于MBE技术对薄膜的生长具有很高的控制能力，因此在我国被广泛应用于量子点、量子井、超晶格等纳米材料的制备。
此外，MBE技术还在光电子器件、半导体器件等领域具有重要应用价值。
在对比两种技术时，ALD适用于大面积、均匀薄膜的制备，而MBE更适用于小面积、高质量薄膜的制备。
同时，ALD技术在我国的研究与应用相对成熟，拥有较高的产业化水平；而MBE技术在我国的研究尚处于起步阶段，但具有巨大的市场潜力。
总之，原子层沉积和分子束外延技术在我国都取得了显著的研究成果，并具有广泛的应用前景。
作为职业写手，我们有责任关注这两种技术的发展动态，挖掘其在不同领域的应用潜力，为我国科技事业的发展贡献力量。
分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究
分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究一、前言随着纳米材料研究的深入，越来越多的高性能纳米材料被制备出来，并被广泛应用于生物、能源、材料等领域。
其中，分子束外延技术以其特殊的制备方式和优异的材料性能引起了许多科学家的关注和研究。
本文将对分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究进行探讨。
二、分子束外延技术简介分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种通过分子束束流在单晶基底上沉积薄膜的制备方法。
其主要优点在于可以制备出高质量、高纯度、精确控制厚度和界面结构的晶体材料。
其基本原理是利用高温下的分子束束流进行物质的“脱发”和“捕捉”，在单晶基底上生长出所需的薄膜结构。
在MBE制备薄膜时，可以通过控制系统的参数，例如温度、束流强度、基底种类等，来控制薄膜的晶体结构、成分和厚度。
三、MBE制备纳米材料的应用1. 锗纳米线的制备Ge是一种具有重要应用前景的半导体材料。
锗纳米线在柔性电子器件、太阳能电池、传感器等领域具有重要的应用前景。
MBE 技术在制备高质量锗纳米线方面具有很大的优势。
通过MBE技术在氧化锗单晶基底上以GeH4为前驱物质，控制温度和气压，可以获得高质量、大规模、组装良好的锗纳米线。
实验发现，在250-450摄氏度的温度范围内，Ge纳米线的生长速率随温度的升高而增大。
通过控制温度和种类、厚度等参数可以精确控制纳米线的直径和长度。
2. 纳米二维材料的制备MBE技术在纳米二维材料的制备中也具有应用潜力。
石墨烯、磷化硼、二硫化钼等材料是具有媲美传统半导体材料的性质和性能的新兴纳米材料。
MBE技术可以通过控制单层二维材料的生长条件，实现高质量、大尺寸二维材料的制备。
例如，在金属衬底上以化学气相沉积法生长单层石墨烯过程中，MBE在薄膜成核和二维材料晶格平面培养的领域中也有重要应用。
3. 纳米线阵列的制备MBE技术可以通过控制阵列生长条件生长出高密度的纳米线阵列。
在仙人掌状金属表面上生长纳米线阵列时，可以通过控制金属表面的菲涅耳区域，利用VLS(Vapor-Liquid-Solid)机制，实现纳米线阵列的均匀和可控生长。
分子束外延技术
分子束外延技术分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种用于制备单晶薄膜的高精度的材料生长技术。
该技术利用了分子束流中的高能分子，在真空环境下将原子或分子沉积在衬底表面上，从而形成单晶薄膜。
MBE技术的基本原理是利用热源将材料加热到高温，使其产生蒸气或气体，并通过真空系统将其输送到衬底表面。
在衬底表面，这些分子会遇到另一些被加热的衬底原子或分子，从而形成单晶薄膜。
MBE技术具有许多优点。
首先，它可以制备出非常高质量的单晶材料。
这是因为在MBE过程中，所有杂质都可以被完全去除，并且可以精确控制沉积速率和沉积厚度。
其次，MBE技术可以制备出非常复杂的结构和组合材料。
例如，在半导体器件中使用不同类型的半导体材料可以增强器件性能。
MBE技术的应用范围非常广泛。
它主要用于制备半导体器件、光电子器件和磁性材料等。
在半导体器件中，MBE技术可以制备出非常高质量的异质结和量子阱等结构，这些结构可以用于制造高性能的激光器、光电探测器和太阳能电池等。
在磁性材料中，MBE技术可以制备出非常薄的磁性层，这些层可以用于制造高密度的硬盘驱动器。
MBE技术还有一些局限性。
首先，它需要非常高的真空环境，这使得设备成本非常昂贵。
其次，MBE过程需要非常复杂的控制系统来控制沉积速率、沉积厚度和晶格匹配等参数。
最后，MBE技术只适用于某些材料和结构。
总之，MBE技术是一种非常重要的材料生长技术，在半导体器件、光电子器件和磁性材料等领域具有广泛应用前景。
随着科学技术的不断发展，在未来可能会出现更加精确、高效的分子束外延技术。
mbe 分子束外延
mbe 分子束外延
MBE（分子束外延）是一种用于薄膜生长的技术。
在MBE过程中，固态材料通过热蒸发产生分子束，然后这些分子束沉积在衬底表面。
这种技术可以精确地控制薄膜的厚度和成分，因此在半导体和光电领域得到广泛应用。
MBE的工作原理是利用高真空环境中的分子束进行生长。
首先，固态材料（通常是金属、合金或化合物）被加热到高温，使其蒸发成气体态。
然后，这些气体态的分子通过使用运动控制的出口孔径进入到真空室中，并被一个电子束或离子束进行解离。
解离后的分子束会通过衬底的孔径进入到衬底表面，然后在衬底表面沉积成薄膜。
最终的薄膜的厚度和成分可以通过调整衬底表面的温度、蒸发速率和解离度来控制。
MBE具有许多优点。
首先，它可以在高真空环境中进行，这使得薄膜几乎没有与空气中的杂质接触，从而减少了薄膜的污染。
其次，由于分子束的精确控制，可以生长非常薄的薄膜（纳米级别），从而使得器件设计更加灵活。
此外，MBE可以生长多层结构，因此适用于复杂的器件设计。
然而，MBE也存在一些挑战。
首先，MBE是一个高成本的技术，需要耗费大量的设备和能量。
其次，由于分子束的束缚效应，薄膜生长的速率相对较低，通常需要几个小时到几天的时间来完成。
此外，MBE对衬底的要求也比较严格，需要高质量的晶体衬底。
总的来说，MBE是一种强大的薄膜生长技术，可以用于制备高质量的晶体薄膜。
它在半导体、光电和纳米材料等领域具有广泛的应用前景。
分子束外延技术
分子束外延技术1. 引言分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种先进的材料制备技术，广泛应用于半导体器件和纳米材料的研究和生产领域。
该技术利用超高真空环境下的分子束束流，通过在晶体表面逐层沉积原子和分子，从而制备出具有高结晶质量和精确控制的薄膜和异质结构。
本文将详细介绍分子束外延技术的原理、仪器设备、潜在应用以及一些发展趋势。
2. 分子束外延技术原理分子束外延技术的核心原理是利用超高真空环境下的分子束束流进行材料的生长。
该技术的关键步骤包括分子束的制备、束流的对准和单分子层的沉积。
首先，需要使用分子束制备室来蒸发所需的材料。
通常使用的方法有热源蒸发、激光蒸发和电子束蒸发。
通过控制蒸发源温度和压力，可以得到所需的原子或分子束。
然后，将分子束引入基底材料的表面。
为了精确地控制分子束的对准，常采用光束热脱附（Photodesorption）和金刚石细针扫描（Diamond Anvil Scanning）等技术。
最后，在基底材料的表面逐层沉积原子和分子，形成所需的薄膜和结构。
这需要控制沉积速率、表面扩散和吸附动力学等参数，以保证沉积的薄膜具有高结晶质量和所需的形貌。
3. 分子束外延技术仪器设备分子束外延技术需要高度精密的仪器设备来实现对分子束的制备和束流的对准。
典型的MBE系统包括以下几个关键组件：3.1 蒸发室蒸发室用于蒸发所需的材料。
该室通常具有多个独立的炉子，可以同时蒸发多种材料。
蒸发室还包括温度控制装置、高真空泵和检测装置等。
3.2 基底基底是分子束外延技术中用于生长薄膜的材料。
常用的基底材料包括GaAs、InP、Si和Ge等。
基底通常具有高结晶质量和平整的表面，以保证薄膜的生长质量。
3.3 光束对准系统光束对准系统用于精确地对准分子束到基底的表面。
该系统通常包括光源、准直系统和检测器。
光源可以是连续光源或激光光源，用于产生对准所需的光束。
3.4 薄膜生长监测系统薄膜生长监测系统用于实时监测薄膜生长的情况。
分子束外延技术
分子束外延技术英文名称；Molecular Beam Epitaxy[定义]分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。
其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。
由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。
分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。
该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。
随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。
分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。
[相关技术]晶体生长技术；化学束外延；半导体材料技术[技术难点]分子束外延作为已经成熟的技术早已应用到了微波器件和光电器件的制作中。
但由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高，所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大量的液氮，因而提高了日常维持的费用。
MBE能对半导体异质结进行选择掺杂，大大扩展了掺杂半导体所能达到的性能和现象的范围。
调制掺杂技术使结构设计更灵活。
但同样对与控制、平滑度、稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求，如何控制晶体生长参数是应解决的技术问题之一。
MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展，但在生长III-V族化合物超薄层时，常规MBE技术存在两个问题：1.生长异质结时，由于大量的原子台阶，其界面呈原子级粗糙，因而导致器件的性能恶化;2.由于生长温度高而不能形成边缘陡峭的杂质分布，导致杂质原子的再分布（尤其是p型杂质）。
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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。
N 1 nv 4
分子热运动平均速度：
v 8RT /M
对于大多数分子, 1、
P=10-6 torr, l～102 m P=10-10 torr, l～106 m 2、 P=10-6 torr, N～ 3x1014 cm-2 s-1，
2～3秒就扑满整个样品表面 P=10-10 torr, N～ 3x1010 cm-2 s-1
外延表面反应过程
1947 发明晶体管
1960 发明集成电路
固态源MBE 气态源MBE
1970 1980 1990
MBE生长出高质量GaAs单晶薄膜 在MBE生长的GaAs/AlGaAs sls中 观察到负微分电阻现象
MBE GaAs/AlGaAs DH LD 激光 器阈值电流密度<1kA/cm2
分子束外延技术简介
声明：
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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。
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：
n 1.035 10 19 T / p
分子的平均自由程：
1 2n 2 (cm)
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：
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760～0.01 Torr 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。
各种真空泵的工作范围
真空的测量－－真空计
绝对真空计：直接测量气体的压强，如 U型管气压计。
相对真空计：利用物理规律间接测量气 体压强，如热偶规管、电离规管。
热偶规管
气体的导热与气体压强存在一定的对应关系。
接被测真空系统
规管热丝 恒流电源
加热丝
热电偶
毫伏表
DL-3型热偶规管结构及真空度校准曲线
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 子长期吸着在吸气表面上，使被抽容器 保持真空。
低真空泵 高真空泵
排气型 吸气型
机械泵 增压泵
吸附泵
扩散泵 分子泵
离子泵 升华泵 低温泵
机械泵
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 的气体沿一个 方向扩散而排 出泵外。
冷却管
进气 排气
泵油 加热器
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
转子 叶片
定子 叶片
排气
叶
片
切
向
速 度
b
入射气体
分子速度
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 活性的气体。
钛升华器
溅射离子泵
是一种兼用新鲜钛膜和电离机构同时对化学活性及 惰性气体抽气的超高真空泵。
N
磁铁
桶状阳极
＋ ＋
＋ 5 kV直流电源
S
钛阴极
低温泵 扩散泵 升华泵 离子泵
涡轮分子泵
吸附泵 机械泵
10－10 10－8 10－6 10－4 10－2 100 102 104 Pa
分子束外延 原理示意图
其特点是:
生长速度慢（～1m/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。
5～8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
真空的大致范围
极高真空 超高真空
高真空
低真空 粗真空
10－10 10－8 10－6 10－4 10－2 100 102 104 Pa
真空度的单位：
1 mmHg＝1 Torr 1 Torr＝133 Pa 1 mbar＝100 Pa 1 ATM＝101325 Pa 1 ATM＝760 Torr