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分子束磊晶

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分子束磊晶系統的示意圖

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

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分子數磊晶裝置(來源:布拉格捷克科學院物理研究所)

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 diffractionReflection 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

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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

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注釋
  1. ^ 77 K(−196.2 °C;−321.1 °F)
引用
  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. 
  2. ^ 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. 
  3. ^ J. Cheng, V.K. Lazarov, et al, J. of Vacuum Science & Technology B, 27, 148(2009).
  4. ^ 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

外部連結

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