分子束外延法的概况
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发布时间：2022-04-24 04:09
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时间：2023-10-26 20:18
从硒整流器诞生以来，真空淀积已广泛应用于半导体薄膜器件的制备上。从40年代起，蒸发铅和锡的硫化物薄膜被广泛研究，直到19年以前还没有实现优质的外延。19年Schoolar和Zemel用泻流盒产生的分子束在NaCl上外延生长出PbS薄膜。这也许是现代MBE技术的前奏。直到70年代初期真空设备商品化以后，MBE才得到广泛应用。MBE基本上是真空淀积的一种复杂变种，其复杂程度取决于各个研究工作想要达到的目标。因为是真空淀积，MBE的生长主要由分子束和晶体表面的反应动力学所控制，它同液相外延（LPE）和化学汽相淀积（CVD）等其他技术不同，后两者是在接近于热力学平衡条件下进行的。而MBE是在超高真空环境中进行的，如果配备必需的仪器，就能用许多测试技术对外延生长作在位或原位质量评估。
分子束外延的重要阶段性成果就是掺杂超晶格和应变层结构的出现。掺杂超晶格是一种周期性掺杂的半导体结构。通过周期性掺杂的方法来调制半导体的能带结构。掺杂超晶格的有效制备方法是掺杂技术，该技术就是定义在一个原子平面上进行掺杂。在衬底材料生长停止的条件下，生长一个单原子层的掺杂剂，这个单原子层的杂质通过高温工艺或分凝便形成一个掺杂区，因而界面非常陡峭，二维电子气的浓度和迁移率都增大。用MBE技术，在外延层晶格失配小于某一临界条件下，生长出高质量外延层，这种结构为应变层结构。应变层结构的出现丰富了异质结结构的种类。因为晶格常数匹配的半导体材料很有限，而应变层结构可使晶格常数相关较大的半导体进行组合，使两种材料都充分发挥各自的优点。应变层结构具有晶格匹配结构的所有优点，可制作量子霍尔器件。
随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术。MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展。它是改进型的MBE。在砷化镓的MBE过程中，使镓原子到达表面后不立即直接与砷原子发生表面反应生长砷化镓层，而是使镓原子在衬底表面具有较长的距离，达到表面台阶处成核生长。它在很低的温度下（200度）也能生长出高质量的外延层，关键性的问题是控制镓和砷的束流强度，否则会影响表面的质量。近年来出现了气源迁移增强外延，为硅基低维材料的制作开辟了新的工艺研究方向。气源MBE技术的发展是为了解决砷和磷束流强度比率难以控制的问题。其特点是继续采用固态IV族元素和杂质源，再用砷烷和磷烷作为V族元素源，从而解决了用MBE方法生长InP系的主要困难。
MBE作为一种高级真空蒸发形式，因其在材料化学组分和生长速率控制等方面的优越性，非常适合于各种化合物半导体及其合金材料的同质结和异质结外延生长，并在技术半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结构场效应晶体管(HFET)、异质结双极晶体管（HBT）等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备中发挥了重要作用。近几年来，随着器件性能要求的不断提高，器件设计正向尺寸微型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。MBE作为不可缺少的工艺和手段，正在二维电子气（2DEG）、多量子阱（QW）和量子线、量子点等到新型结构研究中建立奇功。MBE的未来发展趋势就是进一步发展和完善MEE和GS-MBE。
目前世界上有许多国家和地区都在研究MBE技术，包括美国、日本、英国、法国、德国和我国。具体的研究机构有日本的东京工学院电学与电子工程系，日本东京大学，日本理化研究所半导体实验室，日本日立公司，日本NTT光电实验室，美国佛罗里达大学材料科学与工程系，美国休斯顿大学真空外延中心，英国利沃浦大学材料科学与工程系，英国牛津大学物理和理化实验室，牛津大学无机化学实验室，德国薄膜和离子技术研究所，德国University of Ulm的半导体物理实验室，德国西门子公司，南朝鲜的电子和通信研究所，法国的Thomson CSF公司，大学电子工程系等。
