分子束外延技術(shù)（MBE）的原理及其制備先進材料的研究進展學號：XXXXXXXXXX姓名：XX主要內(nèi)容MBE原理MBE前沿介紹分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，簡稱MBE)：它是在超高真空的條件下，把一定比例的構(gòu)成晶體的各個組分和摻雜原子(分子)以一定的熱運動速度噴射到熱的襯底表面來進行晶體外延生長的技術(shù)。注：超高真空(UltrahighVacuum)指的是真空壓力至少低于1.33x10-8Pa。外延生長：在一個晶體表面上生長晶體薄膜，并且得到的薄膜和襯底具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和取向。MBE原理—定義

1968年，美國Bell實驗室的Arthur首先進行了Ga和As在GaAs表面的反應動力學研究，奠定了MBE的理論基礎(chǔ)。1969-1972年間，Bell實驗室的A.Y.Cho進行了MBE的開創(chuàng)性研究，用MBE生長出了高質(zhì)量的GaAs薄膜單晶及n型、p型摻雜，制備出了多種半導體器件，而且生長出第一個GaAs／AIGaAs超晶格材料，從而引起了人們的關(guān)注。1979年T.W.Tsang將MBE法制備的GaAs／AlGaAsDH激光器的閾值電流密度降到1KA／cm2以下，使其能在室溫下工作，達到了LPE水平。MBE原理—歷史

目前最典型的MBE設(shè)備是由進樣室、預處理和表面分析室、外延生長室三個部分串連構(gòu)成。M600MBE原理—系統(tǒng)進樣室（裝樣、取樣、對襯底進行低溫除氣）：進樣室用于換取樣品，可同時放入多個襯底片。預處理和表面分析室：可對襯底片進行除氣處理，通常在這個真空室配置AES、XPS、UPS等分析儀器。外延生長室：是MBE系統(tǒng)中最重要的一個真空工作室，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—系統(tǒng)MBE系統(tǒng)略圖熒光屏MBE原理—系統(tǒng)束源爐反射高能電子衍射儀（ReflectionHigh—EnergeElectronDiffraction，RHEED）是十分重要的設(shè)備。高能電子槍發(fā)射電子束以1~3°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薄膜的結(jié)晶性和表面形貌，衍射強度隨表面的粗糙度發(fā)生變化，振蕩反映了薄膜的層狀外延生長和外延生長的單胞層數(shù)。MBE原理—系統(tǒng)MBE生長過程的三個基本區(qū)域1.入射的原子或分子在一定溫度襯底表面進行物理或化學吸附。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。MBE原理—生長的動力學過程襯底溫度較低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應和襯底雜質(zhì)對外延層的自摻雜擴散影響。生長速率低，大約1μm/h，相當于每秒生長一個單原子層，因此有利于實現(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，特別適于生長超晶格材料和外延薄膜材料。但是，極低的生長速率也限制了MBE的生產(chǎn)效率，同時考慮到昂貴的設(shè)備，使其無法進行大規(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—特點總結(jié)MBE制膜并不以蒸發(fā)溫度為控制參數(shù)，而以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等現(xiàn)代儀器時時監(jiān)測分子束的種類和強度，從而嚴格控制生長過程與生長速率。另一方面，復雜的設(shè)備也增大了生產(chǎn)成本。在各加熱爐和襯底之間分別插有單個的活門,可以精確控制薄膜的生長過程。通過對活門動作的適當安排,可以使各射束分別在規(guī)定的時間間隔內(nèi)通過或關(guān)斷。單個束源爐中必須使用高純度原料。MBE原理—特點總結(jié)MBE前沿介紹制備GaNAs基超晶格太陽能電池理論計算表明,對于GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池來說,當在GaAs電池與Ge電池之間再增加一個帶隙在1eV左右的子電池將會進一步提高多結(jié)太陽能電池的效率。由于四元合金Ga1-xInxNyAs1-y

帶隙可調(diào)控至1eV且能與GaAs或Ge襯底實現(xiàn)晶格匹配(當x≈3y),于是成為研究多結(jié)太陽能電池的熱門材料

。然而,眾多研究發(fā)現(xiàn),In和N共存于GaInNAs中會導致成分起伏和應變,并導致In團簇的產(chǎn)生以及與N元素有關(guān)的本征點缺陷等,這些問題的存在