分子束外延制备氧化锌薄膜的结构和光电性能表征

时间：2025-05-02

西北师范大学凝聚态物理研究所

薄膜技术与真空物理

分子束外延(MBE)生长ZnO薄膜的结构和光电特性的研究

时

间：2011年11月22日

分子束外延Molecular Beam Epitaxy (MBE)

概述起源不发展生长原理及方法设备结构经典范例优点存在问题

概述

分子束外延技术主要是一种可在原子尺度精确控制外延层厚度、掺杂和界面平整度的半导体超薄层单晶薄膜制备技术。可用以直接生长制备出二维、一维、零维的纳米结构材料。主要用于半导体薄膜制备(超薄膜、多层量子结、超晶格);(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 ) 制备新一代微波器件和光电子器件的主要技术方法

起源与发展20世纨70年代初由美国BELL实验室开创 70年代中期，我国中科院物理所和半导体所开始对MBE的探索，80年出产首台MBE, 91年长春召开第1届学术研讨会 1986年，GaAs/Al-GaAs系材料开始进入器件应用阶段目前，研发人造结构(自然界丌存在)

分子束外延技术是在20世纨50年代发展起来的真空淀积Ⅲ-Ⅴ族化合物的三温度法和1968年对稼和砷原子不GaAs表面相互作用的反应动力学研究的基础上,由美国Bell实验室的卓以和在20世纨70年代初期开创的。它推动了以半导体超薄层微结构材料为基础的新一代半导体科学技术的发展。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、德国和我国台湾。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，台湾大学电子工程系等。

卓以和是国际公认的分子束外延、人工微结构材料生长和在新型器件研究领域的奠基人不开拓者，被称为“分子束外延技术之父”。 1937年生于北京 1949年到香港 1955年赴美留学 1968年获伊利诺伊大学博士学 1985年获选为美国科学院院士现任美国朗讯科技公司贝尔实验室半导体研究室主任 2009年2月11日美国与利商标局 (USPTO)公布本年度入选全国发明家“名人堂”的名单，现年74岁的华裔电机工程学家卓以和，连同另外14 名在世戒已故科学家齐齐登上“名人堂”。

别每天都在一条路上走，有的时候也应该跳到树林里去，你会发现很多从来没看见过的东西。—— 贝尔

生长原理及方法物理沉积单晶薄膜方法。在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。

外延的基本物理过程1. 表面成核——对外延材料结构有最大影响的阶段是生长的最初阶段，这个阶段叫成核。当衬底表面只吸附少量生长物原子时，这些原子是不稳定的，很容易挣脱衬底原子的吸引，离开衬底表面。所以，要想在衬底表面实现外延材料的生长，首先由欲生长材料的原子(或分子)形成原子团，然后这些原子团不断吸收新的原子加入而逐渐长大成晶核。它们再进一步相互结合形成连续的单晶薄层。

成核与生长过程示意图原子到达表面重新蒸发直接碰撞

亚稳原子团

临界原子团核

表面扩散

衬底

2.表面动力学反应物到衬底后,通常发生下列过程: ①反应物扩散到衬底表面; ②反应物吸附到衬底表面; ③表面过程(化学反应、迁移及并入晶格等； ④反应附加产物从表面脱附； ⑤附加产物扩散离开表面。每个步骤都有特定的激活能，因此，在不同外延温度下对生长速率的影响不同。

表面过程如果不考虑生长速率，仅从外延质量来看上述过程③表面过程非常重要。沉积到衬底表面上的原子通常去寻找合适的位置落入，使得系统的总能量降至最低。对于实际表面，像表面台阶之类的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位置。(见下图)

生长物原子A经过表面迁移后在 K位置并入晶格

小原子团输运到大原子团示意图

设备结构高真空生长室：

源发射炉、衬底夹、加热器过程控制系统：

闸门、热电偶、加热器控制监测、分析系统：