MBE技術的關鍵

III,V族元素分別加熱到溫度Ti,Tj形成的束 引入到溫度為Ts的襯底上生長薄膜，要仔細 選擇Ts，使多余的V族元素從襯底表面蒸發以生長化學配比材料

合適的生長溫度使吸附的原子有足夠的能量 遷移到合適的平衡位置進行外延生長

溫度太低：可能生長出多晶或非晶
溫度過高：會使吸附的原子再次蒸發而脫附

MBE設備

真空系統、生長系統、監控系統

生長系統：進樣室、預處理室（襯底存儲室）、生長室

監控系統：

四極質譜儀：真空度檢測，監測殘余氣體和分子束流的成分
電離計：測量分子束流量
電子衍射儀：觀察晶體表面結構以及生長表面光潔平整度
俄歇譜儀：檢測表面成分、化學計量比和表面沾污等

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生長過程與生長原理

生長過程：
1.源蒸發形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向襯底；
2.分子束在襯底上進行外延生長

從生長過程看，MBE有三個基本區域：
分子束產生區、各分子束交叉混合區、反應和晶化過程區

MBE生長的動力學過程

1.從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附
2.被吸附的分子（原子）在表面遷移、分解
3.原子進入晶格位置發生外延生長
4.未進入晶格的分子因熱脫附而離開表面

粘附系數

粘附系數=生長在襯底上的分子數/入射分子數

Ga與GaAs襯底表面發生化學吸附，一般吸附系數為1
V族原子（As）先是物理吸附，經過一系列物理化學過程后轉為化學吸附，其粘 附系數與襯底表面狀態及襯底溫度有關

不同的As源對應不同的物理化學過程

Ga源：Ga
As源：As 或GaAs

As: As4分子束，
缺點：束流大，難于控制，特別是對As+P固溶體無法控制比例
優點：可分別控制Ga和As

GaAs: As2分子束
優點：束流大小合適，易于控制
缺點：無法分別控制Ga和As

GaAs源
襯底溫度在775k～800k時，按Ga:As=1:10 射Ga,As可得到Ga:AS為1:1的GaAs,As2的粘附 系數為0.1～0.15

As源
沒有Ga束入射時， As4的粘附系數為0，
有Ga束入射時， As4的粘附系數增大
450K以下時，As4不分解
450k以上時， As4能發生分解而生成As

MBE技術的主要特點

1. 在超高真空下生長，污染很少，可生長出高純度外延材料
2. 生長速度為一般為0.1～10個單原子層/s，通 過擋板的快速開關可實現束流的快速切換從而 達到外延層厚度、組分、摻雜的精確控制
3. 襯底溫度低，可減少異質結界面的互擴散、易于生長突變結
4. MBE生長不是熱平衡條件下進行的，可生長按 普通熱平衡方法難以生長的薄膜材料。易于生長多種新型材料

5. MBE生長為二維生長模型，使外延層的表面 界面具有原子級的平整度（RHEED強度周期性 地對應于單分子層的厚度）
6. 高真空，可用多種表面分析儀器對外延生長過 程進行實時原位監測并隨時提供有關生長速度、外延層表面形貌、組分等各種信息，便于進行生長過程和生長機理的研究
7. MBE設備可與其他半導體工藝設備實行真空連 接，使外延材料生長、蒸發、離子注入及刻蝕 等在真空條件下連續進行，提高器件性能及成品率