分子束磊晶

分子束磊晶（英語：Molecular beam epitaxy, MBE）是使單晶材料生長的一種方法，由貝爾實驗室的J. R. 亞瑟（J. R. Arthur）和卓以和（Alfred Y. Cho）於1960年代後期發明^[1]。

方法

分子束磊晶於高真空或超高真空（ultra-high vacuum，10⁻⁸帕斯卡）的環境進行。分子束磊晶最重要的方面是其低沉積率，通常使薄膜以每小時低於3000奈米的速度磊晶生長。如此低的沉積率要求真空程度足夠高，以達到其他沉積分子束式同等級別的潔淨程度。

在固體源的分子束磊晶過程中，諸如鎵、砷的元素，會以超純（ultra-pure）的形式在獨立的石英克努森容器（Knudsen Cell）中被加熱，直到它們開始緩慢昇華。然後，這些氣態物質在晶圓上凝結，而且它們在那裡互相作用。以鎵和砷為例，上述作用可以產生單晶砷化鎵。術語「（分子）束」的意思是過程中的氣體原子並不產生交互作用，也不與真空室物質反應，除非它們接觸到晶圓。這是因為這些氣體具有較長的平均自由徑。

磊晶過程中，反射式高能電子繞射（英語：Reflection high-energy electron diffraction）（Reflection high-energy electron diffraction，縮寫：RHEED）經常被用來檢測晶體層次生長的行程。電腦能夠控制反應室前方的一個「閥門」，從而實現對每個層次的精確控制，其精確度可以達到單層原子。不同材料層次的精細結構可以通過這種方式產生。此種控制方式可以把電子束縛在一定空間裡，產生量子阱（quantum well）和量子點（quantum dot）。上述的「層」對於很多現代的半導體元件十分關鍵，包括雷射二極體和發光二極體。

有的系統需要冷卻底層。生長室的超高真空環境必須使用一個低溫泵（cryopump）來維持，而液氮或低溫氮氣可以使內部溫度冷卻到77克耳文（−196攝氏度）^{[註 1]}。低溫環境可以進一步降低真空中雜質的含量，為沉積薄膜提供更好的條件。在其他系統裡，晶體生長的晶圓可能會被安裝在一個旋轉的圓盤上，這個圓盤可以被加熱到幾百攝氏度。

分子束磊晶也曾被用於某些種類有機半導體（organic semiconductors）的沉積過程。在上述的情況中，被氣化、然後在晶圓沉積的是材料的有機分子而非原子。其他的分支還包括氣態源分子束磊晶（gas-source MBE）^[2]，這一方式與化學氣相沉積（chemical vapor deposition）類似。

最新的分子束磊晶技術還在新型電子元件製造、電磁應用、光學應用等領域中，被用於氧化物材料的沉積。為了實現這些目的，分子束磊晶系統必須進行改進，從而能夠與氧源協同作用。^[3]

ATG不穩定性

ATG不穩定性，全稱阿薩羅-蒂勒-格林菲爾德不穩定性（Asaro-Tiller-Grinfeld instability），或簡稱為格林菲爾德不穩定性，是分子束磊晶過程中經常遇到的一種彈性不穩定狀況。假設生長的薄膜和支撐晶體的晶格尺寸錯位（mismatch），彈效能量將會在生長的薄膜上積累。當其達到一定的轉折量時，薄膜可以通過分裂為幾個孤立塊的方式，使自由能量的數值降低，這樣積累的張力就可以得以釋放。上述的「轉折量」的數值取決於材料的楊氏模量（Young's modulus）、錯位的尺寸以及表面張力。

已經有不少關於ATG不穩定性在應用方面的研究正在進行，例如量子點的自組裝（self-assembly）^[4]。

參考來源

注釋

^ 77 K（−196.2 °C；−321.1 °F）

引用

^ Cho, A. Y.; Arthur, J. R.; Jr. Molecular beam epitaxy. Prog. Solid State Chem. 1975, 10: 157–192. doi:10.1016/0079-6786(75)90005-9.
^ 李華（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）. 气态源分子束外延材料生长及特性和量子级联激光器材料生长研究. 博士學位論文. 2007.
^ J. Cheng, V.K. Lazarov, et al, J. of Vacuum Science & Technology B, 27, 148(2009).
^ 余海湖，伍宏標，李小甫，朱雲洲，姜德生. 二氧化硅纳米粒子薄膜的制备及光学性能. 物理化學學報. 2001, 17 (12).

文獻

Jaeger, Richard C. Film Deposition. Introduction to Microelectronic Fabrication. Upper Saddle River: Prentice Hall. 2002. ISBN 0-201-44494-1.
McCray, W.P. MBE Deserves a Place in the History Books. Nature Nanotechnology. 2007, 2 (5): 259–261 [2012-02-16]. Bibcode:2007NatNa...2..259M. doi:10.1038/nnano.2007.121. （原始內容存檔於2017-04-25）.
Shchukin, Vitaliy A.; Dieter Bimberg. Spontaneous ordering of nanostructures on crystal surfaces. Reviews of Modern Physics. 1999, 71 (4): 1125–1171. Bibcode:1999RvMP...71.1125S. doi:10.1103/RevModPhys.71.1125.
Stangl, J.; V. Holý and G. Bauer. Structural properties of self-organized semiconductor nanostructures. Reviews of Modern Physics. 2004, 76 (3): 725–783. Bibcode:2004RvMP...76..725S. doi:10.1103/RevModPhys.76.725.

儀器圖
腔內運作示意圖
儀器系統圖

外部連結

（簡體中文）中國科學院半導體研究所關於分子束磊晶技術的介紹^{[永久失效連結]}
（英文）Silicon and germanium nanowires by molecular beam epitaxy （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
（英文）University of Texas MBE group
（英文）Physics of Thin Films: Molecular Beam Epitaxy (class notes)
（英文）SIMULATION OF MOLECULAR BEAM HOMOEPITAXIAL GROWTH OF GAAS （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - uiuc

[77k-2] 77 K（−196.2 °C；−321.1 °F）

[1] Cho, A. Y.; Arthur, J. R.; Jr. Molecular beam epitaxy. Prog. Solid State Chem. 1975, 10: 157–192. doi:10.1016/0079-6786(75)90005-9.

[3] 李華（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）. 气态源分子束外延材料生长及特性和量子级联激光器材料生长研究. 博士學位論文. 2007.

[4] J. Cheng, V.K. Lazarov, et al, J. of Vacuum Science & Technology B, 27, 148(2009).

[5] 余海湖，伍宏標，李小甫，朱雲洲，姜德生. 二氧化硅纳米粒子薄膜的制备及光学性能. 物理化學學報. 2001, 17 (12).

[1]

[註 1]

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[4]