MBE工艺简介

文章摘要：MBE工艺在外延生长的应用非常广泛，具有以下优点：（1）生长速率低，一般情况下其生长速率为1 μm／h、1个单层/s，理论上可以在原子尺度改变组分与掺杂。（2）生长温度低，如生长GaAs时的衬底温度约为550～650℃，这样就可以忽略生长层中的相互扩散作用。（3）可以通过掩模的方法对材料进行三维的控制生长。（4）由于生长工艺在超高真空中进行，因此可以在生长室中安装各种分析设备，这样就可以在生长的整个前后过程对外延层进行在位测量和分析。（5）在现代MBE生长系统中，生长过程可以用计算机进行自动化控制。上述优点使得MBE可以生长出只有几个原子层厚度的多层单晶体结构，得到超晶格和量子阱结构的光电子器

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　　MBE工艺在外延生长的应用非常广泛，具有以下优点：

　　（1）生长速率低，一般情况下其生长速率为1 μm／h、1个单层/s，理论上可以在原子尺度改变组分与掺杂。

　　（2）生长温度低，如生长GaAs时的衬底温度约为550～650℃，这样就可以忽略生长层中的相互扩散作用。

　　（3）可以通过掩模的方法对材料进行三维的控制生长。

　　（4）由于生长工艺在超高真空中进行，因此可以在生长室中安装各种分析设备，这样就可以在生长的整个前后过程对外延层进行在位测量和分析。

　　（5）在现代MBE生长系统中，生长过程可以用计算机进行自动化控制。

　　上述优点使得MBE可以生长出只有几个原子层厚度的多层单晶体结构，得到超晶格和量子阱结构的光电子器件，如：双异质结构激光器、量子阱激光器、分布反馈激光器、光学干涉滤光片和光探测器，等等。对于VCSEL这样的多层外延结构，采用MBE进行外延生长也是非常理想的，使得VCSEL的光、电性能得到了很大程度的提高。

　　MBE的结构原理如图所示。整个生长过程需要在超真空环境下进行，从加热的克努森池中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。在每一个克努森池里的坩锅中装有生长层所需要的一种元素或化合物，将坩锅设定到合适的温度，使得分子束流正好能在衬底的表面形成所期望的外延组分。为了保证组分的厚度和均匀性，坩锅在衬底周围以圆形排列，并在衬底生长的过程中可以进行旋转。在生长时，组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩锅的温度来实现，而组分的突变则是通过在每一个坩锅入口处的机械阀门的开、关来实现的。在生长过程中，坩锅和衬底的附近需要有液氮冷凝装置，以减少生长层中的非故意掺杂，即减少生长室中的本底掺杂浓度。

　　图 分子束外延（MBE）设备的结构示意图

　　MBE的真空系统由3个相互隔开的真空室（生长室、预各室和速装室）组成。在将衬底样品材料和样品台由外界装入生长室的过程中，首先要进入速装室，在100℃加热10个小时以上，以去掉大部分衬底和载体上所吸附的气体。之后，将衬底和样品台送入预备室，在400℃加热2h以上，去掉残留气体。当预备室内气压降至P＜10 (-10)torr时，再送入生长室中进行外延生长。

　　衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、均匀而且重复性很好的温场。当衬底加热器两次测量的温度相同时，衬底的实际温差控制在±5℃之内。衬底加热器在垂直于分子束流的平面上旋转，以确保外延层生长均匀。为了防止在生长方向上的成分起伏，需使衬底的旋转周期与单层的生长时间相对应，这就要求转速要高于60转／分。

　　在生长过程中，需要随时了解材料的生长状况，并在此基础上进行调整。在衬底加热器的背面装有一台电离规，可以对各个源材料在衬底处的分子束流强度进行在位测量。电离规本质上是一个浓度指示器，用它可以在生长前得出III、V族源在衬底处的相对压力比。反射式高能电子衍射仪（RHEED）用于观察生长层表面的微观结构。使用RHEED时，电子枪出射的高能电子束（E＋10～15KeV）与衬底表面的夹角为1°～2°，与坩锅产生的分子束流近乎垂直，这样可以保证在生长时也使用RHEED，而且还可以保证电子射到材料的表面时，进入1～2层之后就会被反弹出来。如此，可以获得大量的表面信息。因此可以用这种方法监视材料生长初期的生长速率。

　　RHEED的作用总结为以下几点：

　　（1）在生长前，监视生长层表面的氧化物解吸附过程，校准衬底加热器的热电偶。

　　（2）通过观察生长层表面的再构（2×4）→（4×2）的相变，确定生长时所需要的III／V比。

　　（3）在生长过程中利用RHEED的强度振荡校准生长速率。

　　（4）生长后观察生长层表面的结构与平整度。