分子束外延及其应用
对 MBE的介绍
对MBE的介绍MBE（Molecular Beam Epitaxy）又叫分子束外延它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。
MBE的典型特点可以分为以下五点：（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，可实现原位观察、实时监测。
浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
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。
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。
其相关技术有晶体生长技术；化学束外延；半导体材料技术等技术。
分子束外延ppt课件
表面过程
如果不考虑生长速率，仅从外延质量来 看上述过程③表面过程非常重要。 沉积到衬底表面上的原子通常去寻找 合适的位置落入，使得系统的总能量降 至最低。对于实际表面，像表面台阶之 类的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位 置。（见下图）
生长物原子A经过 表面迁移后在 K位置并入晶格
小原子团输运到 大原子团示意图
作业：
超晶格 异质结 量子阱
在真空蒸镀基础上发展起来的 MBE 技术，能够 在单晶衬底上制备厚度仅为原子层量级的高纯完 整单晶薄膜。在超真空(10Pa)系统中加热各种原 料，使不同原料的蒸气以一定的束流比例喷射到 单晶衬底表面，与表面相互作用进行外延生长。 每一种原料蒸气由一个独立的快门控制束流。精 确控制各原料的束流比例、衬底温度和生长时间 就可以得到不同的组分和层厚，从而可以制备出 超晶格等XT微结构材料。它的原理类似于多源反 应共蒸发，只是条件更优越，控制更精细。高精 度的控制使得 MBE 的生长是二维的层状生长，外 延的表面和各层之间的界面保持原子级的平整度。 结合适当的掩模、激光诱导技术，还可以实现两 维和三维图案的外延生长。
根据化学反应过程的不同又可以分为氢 化物法、氯化物法和有机金属化学气相 沉积法。 生长速度受化学反应速度、条件（温度 等）限制。 氢化物法、氯化物法所依据的总的化学 反应是相同，且都是利用卤化物来输运 源——又统称卤素输运法。有腐蚀性。
金属有机气相外延 （MOVPE）——MOCVD
利用有机金属热分解进行气相外延生长的技术， 特点有： [1] 可合成级分按任意比例组成的人工合成材料； [2] 所有源材料以热分解方式进行，只要控制好 衬底温度即可，外延设备简单。可制成大面积 均匀薄膜，是容易产业化的技术（例如超大面 积太阳能电池和电致发光显示板等） [3]低气压外延生长是其很有特色的技术，可提高 生长薄层的控制精度，能减少自掺杂。 缺点：缺乏实时原位监测生长过程的技术。
激光分分子束外延
激光分子束外延的原理
普通分子束外延：在通常的MBE系统中, MBE系统中 普通分子束外延 ：在通常的MBE系统中,分子束源和其加热系统是置于超高真空系统中 在超高真空环境中从加热的分子束源中出射的分子束可以自由地到达衬底表面， 的。 在超高真空环境中从加热的分子束源中出射的分子束可以自由地到达衬底表面， 并且缓慢的沉积速率可以使粒子有足够的时间定位在它的平衡态位置。另外, 并且缓慢的沉积速率可以使粒子有足够的时间定位在它的平衡态位置 。另外, 制备多 组元薄膜时, 人们必须精确地控制每一个分子束源的束流以获得理想计量比。 组元薄膜时, 人们必须精确地控制每一个分子束源的束流以获得理想计量比。
激光分子束外延：脉冲激光源是与超高真空系统隔离的， 激光分子束外延 ：脉冲激光源是与超高真空系统隔离的 ，脉冲激光束通过一个光学窗 口进人真空系统人射到可旋转的靶材表面，使靶材局部气化产生激光焰，被剥蚀的粒 口进人真空系统人射到可旋转的靶材表面， 使靶材局部气化产生激光焰， 子获得很高的动能,到达可加热的衬底表面形成薄膜。 MBE系统中 衬底温度、 系统中, 子获得很高的动能,到达可加热的衬底表面形成薄膜 。在L-MBE系统中, 衬底温度、 激 光能量、激光斑的形状与尺寸、激光焰与衬底的距离、靶的密度和表面质量、 光能量 、激光斑的形状与尺寸 、 激光焰与衬底的距离 、 靶的密度和表面质量 、靶的旋 转速度等都可以调节, 从而可获得最佳的工艺参数。 转速度等都可以调节, 从而可获得最佳的工艺参数。
激光分子束外延的研究内容
成膜动态机理研究： 成膜动态机理研究：激光分子束外延技术采用多种分析手段原位监测薄膜的生长过程, 精确控制薄膜以原子层尺度外延, 所以十分有利于对成膜动态机理进行研究。
Hale Waihona Puke 高温超导电性的探索： 高温超导电性的探索 ： 至今, 人们已相继发现并成功地制备出一些高温超导材料. 实 验证明, 这些材料的共同特征是在其原子排列中存在着原子尺度的层状结构, 层与层 之间会发生耦合. 这种新型材料的高温超导电性和很强的各向异性来源于其结构的准 二维性. 因此制备这种超导材料的高质量外延膜, 特别是对其进行原子层、原胞层尺 度的生长机理和动态过程的系统研究, 这就说明激光分子束外延技术是揭示高温超导 电性的最有力的方法之一。
分子束外延技术制备led纳米柱_概述及解释说明
分子束外延技术制备led纳米柱概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文主要介绍了分子束外延技术制备LED纳米柱的方法以及相关分析和应用。
随着科技的发展，纳米材料在光电器件领域具有广泛的应用前景，尤其是LED （Light Emitting Diode）器件。
纳米柱作为新型LED材料的制备形式之一，在提高LED器件性能和光效方面具有独特优势。
因此，研究和探索分子束外延方法制备LED纳米柱对于推动LED技术的进一步发展至关重要。
1.2 文章结构本文包括以下几个部分：引言、分子束外延技术简介、LED纳米柱的制备方法、LED纳米柱的性能与特点分析以及结论。
首先将介绍文章目的以及整体结构，接下来将逐步展开对分子束外延技术和相关设备实验条件进行介绍，随后详细描述了利用该技术制备LED纳米柱的原理、实验步骤和流程，并讨论了其优势和应用前景；然后将对所制备的LED纳米柱进行光电性能、结构特征以及材料组分与表面形貌等方面的分析；最后对研究成果进行总结，并展望了未来的研究方向。
1.3 目的本文旨在全面介绍分子束外延技术制备LED纳米柱的方法和应用，为相关领域的科研人员提供一个参考和借鉴，并为该技术的进一步研究提供一定的理论和实验支持。
通过对LED纳米柱性能与特点的分析，也有助于深入理解纳米材料在光电器件领域中的应用潜力，从而促进新型LED器件技术的发展和创新。
2. 分子束外延技术简介：2.1 原理：分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种用于生长单晶薄膜的先进材料制备技术。
它基于高真空条件下，利用气相化学反应使分子束与表面固体基底相互作用，形成高质量、低缺陷的晶体结构。
在分子束外延过程中，所使用的材料被加热至高温，通过刻蚀或者吸附方式提供的原子和分子束被聚焦到表面，在基底上形成一个原始层。
然后，通过控制闪烁时间和沉积速率等参数来生长出所需厚度的晶体层。
2.2 设备和实验条件：分子束外延技术需要特殊设计的设备和严格的实验条件。
分子束外延技术MBE的原理及其制备先进材料的研究进展PPT课件
此时，利用MBE技术通过低温外延InN或高温外延AlN作为缓冲层是提高 InN材料质量的有效途径。
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MBE前沿介绍
北京科技大学的研究团队设计了如下实验方案：
设备：Veeco公司生产的Gen20A 全固态MBE 系统； 目标物：GaN0.03As0.97/In0.09 Ga0.91As短周期超晶格结构； 原料：生长过程是在半绝缘GaAs 衬底的(001)面上进行 的,Si和Be分别作为GaAs 的n 型和p 型掺杂源。 工艺：生长之前,需在生长室内对GaAs衬底进行高温( ~ 600 ℃) 脱氧处理10min;然后,将GaAs衬底温度从600℃降 为580 ℃,生长300nm厚度的GaAs缓冲层以获得更好的外 延生长表面;最后,将生长温度降至480℃,进行GaNAs/ InGaAs超晶格的生长和后续电池中10 周期数的 GaNAs/ InGaAs超晶格有源区的生长。（GaNAs/InGaAs 超晶格中阱层和垒层厚度相同,总厚度为0. 2 μm。在总厚 度不变的条件下,周期厚度在6 ~30 nm之间变化。）
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荧光屏
MBE原理—系统
束源炉
MBE系统略图
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MBE原理—系统
反射高能电子衍射仪 （Reflection High—Energe Electron Diffraction ，RHEED） 是十分重要的设备。高能电子 枪发射电子束以1~3°掠射到 基片表面后，经表面晶格衍射 在荧光屏上产生的衍射条纹可 以直接反映薄膜的结晶性和表 面形貌，衍射强度随表面的粗 糙度发生变化，振荡反映了薄 膜的层状外延生长和外延生长 的单胞层数。
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展LT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.2MBE原理及特点目前最典型的MBE系统是由进样室、预处理和表面分析室、外延生长室三个部分串连而成.MBE设备的外形图及装置图分别如图1、图2所示.图1 DCA仪器有限公司生产的M600型MBE系统图2 分子束外延装置图2.1 MBE设备工作原理进样室的作用是装样、取样、对衬底进行低温除气，主要用于换取样品，可同时放入多个衬底片；预备分析室可对衬底片进行除气处理，通常在这个真空室配置AES、XPS、UPS等分析仪器；外延生长室是MBE系统中最重要的一个真空工作室，配置有分子束源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件.用一个设计独特的装入系统，在生长室中保持超高真空条件下，快速装入和更换衬底.在衬底装入系统中有一个特殊的反应室，可以利用蒸气腐蚀、氧化、溅射、引线沉积或其他方法对衬底进行预处理.分子束外延系统有独立的生长室和分析室，这样可保证晶体薄膜生长所要求的最好的真空条件，而且具有对分析薄膜特性所需要的有效结构.有三个不同的真空泵系统.每一个都根据其特定的用途，使其达到最佳的工作效能.这就保证了在生长室和分析室中有最好的超真空条件.系统的电动气动操作的活门和一个热电偶反馈可实现对入射的分子束的精确控制.在生长室中以及在每个加热室周围的低温屏蔽可把不应有的薄膜掺杂降到最低水平.用装在生长室中的四极质谱仪和一个高能量电子衍射系统，在薄膜先长过程中对分子束流量、室中残余气体和表面晶体结构进行监视.在分析室清洁的超高真空环境中可选择利用化学分析电子光谱探测、俄歇电子探测、扫描俄歇电子探测、次级离子质谱测定法、紫外光谱测定法和电子二次退吸等技术对己制成的薄膜进行透彻的检定.如果选择一种微处理器进行控制可实现薄膜生长过程的自动化.反射高能电子衍射仪（Reflection High—Energe Electron Diffraction ，RHEED）是十分重要的设备.高能电子枪发射电子束以1~3°掠射到基片表面后，经表面晶格衍射在荧光屏上产生的衍射条纹可以直接反映薄膜的结晶性和表面形貌，衍射强度随表面的粗糙度发生变化，振荡反映了薄膜的层状外延生长和外延生长的单胞层数.在分子束外延中[1]，反射式高能电子衍射仪是最常用的原位分析和监控仪器，它是原位监测外延表面分子结构和粗糙度的有效手段.利用RHEED强度振荡，可以精确地计算出单原子层的生长时间，从而很好的控制生长速度.通过RHEED图像，对于原子级平整的表面，还可以确定晶体表面的重构情况.2.2MBE技术特点MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜.分子束外延生长是在加热的衬底上进行，在生长过程中发生了下列表面动力学过程.第一步，构成薄膜的原子或者分子被沉积并吸附在衬底表面.第二步，吸附分子在表面迁移、分解.第三步，原子被融合到衬底或者外延层的晶格中.第四步，没有融入晶格的原子或者其它基团重新热脱附离开表面.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点，系统总结如下.其一，生长速率低，大约1μm/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结等，特别适于生长超晶格材料和外延薄膜材料.但是，极低的生长速率也限制了MBE的生产效率，同时考虑到昂贵的设备，使其无法进行大规模生产.其二，衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响.其三，受衬底材料的影响较大，要求外延材料与衬底材料的晶格结构和原子间距相互匹配，晶格失配率要≤7%.其四，能独立控制各蒸发源的蒸发和喷射速度，从而能制备合金薄膜.其五，MBE制膜并不以蒸发温度为控制参数，而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代仪器时时监测分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程与生长速率.另一方面，复杂的设备也增大了生产成本.其六，在各加热炉和衬底之间分别插有单个的活门,可以精确控制薄膜的生长过程.通过对活门动作的适当安排, 可以使各射束分别在规定的时间间隔内通过或关断.最后，单个束源炉中必须使用高纯度原料.3 MBE工艺制备先进材料介绍在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.它是微电子技术，光电子技术，超导电子技术及真空电子技术的基础.3.1 MBE工艺制备GaNAs基超晶格太阳能电池理论计算表明[2]，对于GaInP/ GaAs/ Ge 三结电池来说，当在GaAs 电池与Ge 电池之间再增加一个带隙在1 eV左右的子电池将会进一步提高多结太阳能电池的效率.而且，随着电池结数的增加，结电池的短路电流密度相应减小，对材料质量的要求随之减弱.因此，尽管提升GaInAs 材料的质量很困难，但是由于四元合金Ga1-x In x N y As1 - y带隙可调控至1 eV 且能与GaAs 或Ge 衬底实现晶格匹配(当x≈3y)，仍然成为研究多结太阳能电池的热门材料.2011年4 月，美国solar junction 公司报道了在947 个太阳下，转换效率高达44% 的以1 eV 带隙GaInNAs为子电池的高效三结GaInP/GaAs/GaInNAs电池，为当时世界上效率最高的聚光光伏电池.接着该公司与英国IQE公司合作，在大尺寸衬底上制备的GaInNAs 基多结太阳电池转换效率可达44. 1%，前景非常可观.然而，众多研究发现，In和N 共存于GaInNAs 中会导致成分起伏和应变，并导致In团簇的产生以及与N元素有关的本征点缺陷等，这些问题的存在使得高质量的GaInNAs基电池很难得到.一种解决方法是利用In和N空间分离的GaNAs/ InGaAs超晶格或多量子阱替代四元合金GaInNAs材料，这就必须借助于MBE设备技术.北京科技大学的科研团队进行了如下实验：外延生长使用Veeco公司生产的Gen20A全固态MBE系统.GaN0. 03As0. 97/In0. 09 Ga0. 91 As超晶格的生长都是在半绝缘GaAs衬底的(001)面上进行的，Si和Be分别作为GaAs 的n 型和p 型掺杂源.生长之前，需在生长室内对GaAs 衬底进行高温( ~ 600 ℃)脱氧处理10 min；然后，将GaAs衬底温度从600 ℃降为580 ℃，生长300 nm厚度的GaAs 缓冲层以获得更好的外延生长表面；最后，将生长温度降至480℃，进行GaNAs/InGaAs超晶格的生长和后续电池中10周期数的GaNAs/ InGaAs 超晶格有源区的生长.GaNAs/InGaAs超晶格中阱层和垒层厚度相同，总厚度为0. 2μm.在总厚度不变的条件下，周期厚度在6 ~30 nm之间变化.在RTP-1300退火炉中对样品进行了不同温度和时间的热处理，PL测量是由633 nm Ar+激光器作为激发源完成的.生长结束后，按照标准Ⅲ-Ⅴ太阳电池制备技术进行器件制备.正电极和背电极分别采用Ti/Pt/Au和AuGe/Ni/ Au金属做欧姆接触.电池面积为2. 5 mm×2.5 mm，没有镀减反膜，没有刻蚀GaAs接触层.外延材料的结构表征使用高分辨XRD测量，器件的电学测试由Keithkey2440 太阳模拟器(AM1. 5G)完成，电池的聚光特性利用连续太阳模拟器在1 ~110个太阳下进行测量.周期厚度为20nm时，所制备的超晶格电池的短路电流密度达到10.23mA/cm2，大大高于一些已报道的GaInNAs电池.3.2 MBE工艺制备高发光性能InN光通讯波段的高性能硅基光电子器件的制备不仅是光通信技术发展的需要[3]，也是实现硅基光电集成的需要.虽然硅材料的制备和应用技术已经非常成熟，但由于硅材料是间接带隙半导体，其发光效率较低，因此通过在硅衬底上异质外延高发光性能的Ⅲ-V族半导体材料的方法来获得所需的光性能是一个很好的选择.在所有氮化物半导体中，InN具有最高的饱和电子漂移速度、最小的电子有效质量及最高的电子迁移率，并且InN材料特性受温度的影响非常小，这些独特的优势使其在电子器件及光电子器件方面有巨大的应用潜力.自从2001~02年实验证明InN 室温下的禁带宽度约为0.6~0.7eV而不是以前认定的1.9eV以来[4]，InN的研究成为国际上氮化物研究的重要方向. 0.7eV左右的禁带宽度对应的发光波长刚好位于石英光纤的通讯窗口，使其特别适合于制备用于红外通信的高性能LEDs及LDs.因此，在Si衬底上外延制备高质量的InN 材料非常有利于其在光电集成技术中的应用.虽然硅基InN材料在性能和应用方面有种种优势，但是目前研究进展并不顺利.一方面，六方InN材料沿a轴方向与Si(111)衬底仍存在约8％的晶格失配，外延过程中会引入大量的缺陷；另一方面，InN材料具有较低的分解温度和较高的氮平衡蒸气压从而导致高质量的InN材料很难制备.利用MBE技术通过低温外延InN或高温外延AlN作为缓冲层是提高InN材料质量的有效途径.但是，在外延的初始阶段，Si衬底都不可避免地会与活性N原子反应生成无定形的Si x N y 材料，从而导致在Si衬底上外延的InN或AlN 材料质量下降.因此，在外延前对si衬底进行预处理以抑制Si x N y的形成非常必要.本文采用MBE方法在外延低温InN缓冲层前，通过在Si 衬底上沉积不同厚度的In插入层再进行InN材料的外延生长，研究了不同厚度的In插入层对InN晶体质量及光学特性的影响.为此，吉林大学的研究团队设计了如下实验方案：InN材料的外延采用德国CREATEC公司的RF-MBE系统进行(本底真空度为3 x108Pa).活性氮由5N高纯氮气经纯化器、射频离化后提供，铟束流采用束源炉加热6N高纯铟提供.在Si(111)衬底上外延制备了一组InN样品，编号为A、B、C、D.首先，分别使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗衬底5 min.烘干后的衬底导入生长室中900℃热处理1 h，然后沉积厚度分别为0，0.1，0.5，l nm的In插入层，在400℃下生长30 nm厚的InN缓冲层，最后提高温度至475℃生长170 nm厚的InN外延层.对外延制备的InN样品分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、吸收光谱以及x射线光电子能谱(XPS)等进行测试分析.实验结论表明：样品C的c轴晶格常数为0.5702nm，与c的理论值(0.5703nm)最为接近，表明样品中应力得到了有效的释放；在没有In 插入层的样品中，Si衬底表面会与活性N原子反应形成无定形的Si x N y材料，从而降低后续外延InN材料的晶体质量.0.5nm厚的In插入层较为合适，能够有效地抑制衬底表面Si x N y 材料的形成；在Si衬底上预沉积合适厚度的In插入层有助于提高外延InN样品的晶体质量及光学特性.图3 制备InN样品的XRD谱3.3 MBE工艺制备拓扑绝缘体薄膜微器件近年来，拓扑绝缘体因其独特的电子结构和性质成为凝聚态物理研究的热点领域[5].三维拓扑绝缘体具有绝缘型的体能带和受时间反演对称性保护的金属型表面态，这种表面态在动量空间具有狄拉克型的色散关系，并且在狄拉克点之外的地方是自旋非简并的，这种独特的拓扑表面态有可能导致多种新奇的量子现象，如表面量子霍尔效应、激子凝聚现象、量子反常霍尔效应等.三维拓扑绝缘体己经在很多材料中被预言或发现，其中Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因为其简单的表面态结构、较大的体能隙、较易制备等优点成为目前研究最多的一类三维拓扑绝缘体材料.拓扑绝缘体很多独特的输运性质需要在微米尺度甚至亚微米尺度的结构中才能观测到.因此，必须将其加工成微器件.但是，传统的制备工艺一般需要对其进行紫外光刻或电子束刻蚀，这样就可能显著改变载流子浓度和迁移率，从而影响各种量子效应的观测.为了避免传统制备工艺的缺陷，中科院物理研究所的科研团队借助MBE设计了新工艺:将STO衬底利用紫外光预先刻蚀出一个具有Hall bar器件形状、高度为几十纳米的凸平台.用这些凸平台为模板，利用MBE直接生长出具有Hall bar形状的拓扑绝缘体（Bi x Sb1-x）2Te3薄膜.图4 MBE制备拓扑绝缘体原理示意图4 MBE工艺的发展趋势分子束外延法是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点，例如V A族元素的交叉污染、蒸气压极低或极高的物质均难进行正常的分子束外延.于是人们结合其他生长技术不断改进MBE.MBE与VPE并用:就是在分子束外延时难挥发或易挥发的元素的分子源用化合物来代替.在淀积过程中有化学反应产生，此时生长速度可以大大增加.MBE与离子束并用:把某些分子离子化，则离子束可以加速和偏转，并可进行扫描，同时也可以增加吸着系数，有利于掺杂过程.气态源分子束外延(GSMBE):也称化学束外延(CBE），外延过程中能精确地控制气体，兼有MBE和MOCVD两项技术的优点.信息工程材料国家重点实验室的研究团队采用气态源分子束外延技术在InP(100)衬底上生长了InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱为有源层和InP/InGaAsP分布布拉格反射镜(DBR)为上、下腔镜的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构.通过湿法刻蚀和聚酰亚胺隔离工艺制作出了1．3μmVCSEL，器件在室温下可连续单模激射，阈值电流约为4mA[6].LaserMBE（激光分子束外延）:是80年代末发展起来的一种新型固态薄膜沉积技术，我国也于90年代中期研制出了自己的L-MBE.它集普通脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）和传统分子束外延的优点于一体.激光光分子束外延基本过程是，将一束强脉冲紫外激光束聚焦，通过石英窗口进入生长室入射到靶上，使靶面局部瞬间加热蒸发，随之产生含有靶材成份的等离子体羽辉，羽辉中的物质到达与靶相对的衬底表面淀积成膜，并以原子层或原胞层的精度实时控制膜层外延生长.交替改换靶材，重复上述过程，则可在同一衬底上周期性的淀积多膜层或超晶格.中科院物理研究所和北京凝聚态物理国家实验室采用激光分子束外延技术[7]，成功地在Si衬底上外延生长TiN薄膜，XRD，AFM 和霍尔效应测量结果均表明，我们在Si衬底上外延生长出高质量的TiN薄膜.进一步在TiN/Si 衬底上外延生长SrTiO，薄膜，证明在Si上外延的TiN薄膜不仅具有很好的热稳定性，而且可以作为缓冲层或底电极外延生长其他的薄膜材料及多层结构.参考文献:[1] 罗子江，周勋，杨再荣，等.InGaAs/GaAs异质薄膜的MBE生长研究[J].功能材料，2011年第5期（42）卷：846~849.[2] 郑新和，夏宇，王瑾，等.GaNAs基超晶格太阳电池的分子束外延生长与器件特性[N].发光学报，2015年8月（Vol.36 No.8）.[3] 蔡旭浦，李万程，高福斌，等.In插入层对硅衬底外延InN晶体质量和光学特性的影响[N].发光学报，2014年1月（Vol.35 No.1）.[4] 王新强，刘世韬，郑显通，等.高电子迁移率InN的分子束外延生长及其掺杂研究[A].第17届全国化合物半导体、微波器件和光电器件学术会议论文集[C].开封：2012.[5] 韦庞，李康，冯硝，等.在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件[N].Acta Phys Sinica，Vo1.63，No.2(2014).[6] 刘成，吴惠桢，劳燕锋，等.气态源分子束外延1.3μmVCSEL器件结构[N].功能材料与器件学报，2005年6月（Vol.11 No.2）.[7] 何萌，刘国珍，仇杰，等.用激光分子束外延在Si衬底上外延生长高质量的TiN薄膜[N]. Acta Phys Sinica，Vo1.57，No.2(2008).。
分子束外延技术
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（超晶格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阱激光器、 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）。
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分子束外延原理
在超高真空系统中，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。
5分子束外延设备mbe设备适合于研发具有超精细复杂结构的外延材料它是一种超高真空的精密仪器生长室的极限真空可达1011torrmbembe系统真空机械计算机电子材料自动控制6分子束外延设备7分子束外延设备8分子束外延设备计算机真空系统真空腔室真空泵真空阀门真空计真空度监测控制与监测系统烘烤控制rheed检测残余气体分析挡板控制源炉温度控制9分子束外延设备10分子束外延设备芬兰dca公司p600型mbe系统11分子束外延设备涡轮分子泵?极限压力为109pa工作压力范围为101108pa抽气速率为几十到几千升每秒低温泵低温泵?极限压力约为冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力离子泵?极限压力可达107109pa12分子束外延设备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利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子使气体产生定向流动而气体分子使气体产生定向流动而抽气的真空泵
分子束外延设备
涡轮分子泵
• 极限压力为10-9Pa，工作压力范围为10-1～10-8Pa，抽气 速率为几十到几千升每秒
对 MBE的介绍
对MBE的介绍MBE（Molecular Beam Epitaxy）又叫分子束外延它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。
MBE的典型特点可以分为以下五点：（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，可实现原位观察、实时监测。
浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
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。
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。
其相关技术有晶体生长技术；化学束外延；半导体材料技术等技术。
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分子束外延及其应用
一、引言
分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种常用的薄膜生长技术，它可
以在原子尺度上进行精确控制，具有广泛的应用前景。
本文将对分子束外延技术及其应用进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、分子束外延技术
2.1 原理
分子束外延是一种基于真空环境下的薄膜生长技术，利用分子束的运动和化学反应来沉积原子或分子，形成具有特定晶体结构的薄膜。
其主要原理包括： 1. 分子束的产生：通过热蒸发或分子束源来产生所需材料的分子束。
2. 分子束的加速：利用高真空环境下的电场或磁场对分子束进行加速，以控制分子束的能量和方向。
3. 分子束的沉积：分子束经过加速后，沉积在衬底表面，形成薄膜。
2.2 设备
分子束外延技术需要一系列的设备来实现，包括分子束源、加速器、真空室、衬底移动装置等。
不同材料和应用需要不同的设备参数和配置。
2.3 生长过程
分子束外延生长过程包括以下几个步骤： 1. 衬底清洗：将衬底放入真空室，通过加热和退火等方式对衬底进行清洗，去除表面的杂质。
2. 吸附和脱附：将清洗后的衬底加入到生长区域，并利用高温使得材料分子在表面吸附和脱附，形成原子尺度的晶体结构。
3. 生长控制：通过控制分子束的能量、流量和角度等参数，控制薄膜的生长速率和性质。
4. 结束生长和冷却：当达到所需的薄膜厚度后，停止分子束外延过程并进行冷却，使薄膜稳定。
三、分子束外延应用
分子束外延技术在各个领域都有广泛的应用，以下是几个典型的应用领域：
3.1 光电子学
分子束外延生长的半导体材料可以制备出高质量的量子阱结构，用于光电子学器件的制造。
例如，利用分子束外延生长的量子阱激光器具有较低的阈值电流和较高的发光效率，可用于光通信和激光打印等领域。
3.2 纳米材料制备
分子束外延技术可以制备出具有特殊结构和性质的纳米材料，如纳米线、纳米颗粒等。
这些纳米材料在能量转换、传感器、光催化等领域具有广泛应用前景。
3.3 量子计算
分子束外延技术在制备量子比特方面具有重要应用。
通过生长不同能带结构的材料，可以实现量子比特之间的耦合和操控，为量子计算提供了实验基础。
3.4 稀土掺杂材料
分子束外延技术可以制备掺有稀土元素的材料，如掺钕铁硼磁性材料。
这些材料在磁存储、电力传输等领域有重要应用，通过分子束外延技术可以实现对材料性能的精确控制。
四、总结
分子束外延技术是一种在原子尺度上进行精确控制的薄膜生长技术，具有广泛的应用前景。
本文对分子束外延技术的原理、设备、生长过程以及应用进行了全面、详细、完整且深入的探讨。
随着科技的不断进步，分子束外延技术将在更多领域发挥其重要作用。