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MBE发展现状及未来趋势分析与前景MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）是一种重要的材料生长技术，广泛应用于半导体器件制造、纳米材料研究以及光电子领域。
本文将对MBE的发展现状进行分析，并展望其未来的趋势与前景。
在过去的几十年中，MBE作为一种高度控制的薄膜生长技术，取得了巨大的进展。
其独特之处在于，在超高真空环境中，利用分子束的定向沉积原理，以原子层为单位在基底上生长晶体。
由于其能够精确地控制材料的组成、晶体质量和厚度，MBE被广泛应用于半导体器件制备，如激光器、光电探测器、太阳能电池等。
随着科技的不断进步，MBE在材料研究中的应用也在不断扩展。
传统的MBE主要关注半导体材料的生长，但现在已经可以实现对复杂的多元化合物材料和纳米结构的生长。
这种延伸使得MBE成为研究低维材料、量子结构以及纳米材料的重要工具。
此外，MBE还可以在不同类型材料之间形成交界面，从而产生新的物理性质和器件特性，如二维材料的异质结构，获得宽禁带材料等。
此外，随着光电子领域的不断发展，MBE在光电子器件制备中也有着广泛的应用。
例如，MBE可以用于生长高质量的激光二极管结构，可应用于激光、光通信和传感等领域。
此外，具有周期性结构的光子晶体也可以通过MBE进行制备，这对于光子学和光电子学的发展具有重要意义。
未来，MBE技术将继续发展并扩展其应用领域。
首先，以高性能计算、云计算、人工智能等为代表的信息技术的快速发展，将对器件制备提出更高要求。
MBE作为一种高精度、高控制性的生长技术，将在这一领域发挥重要作用。
其次，随着半导体材料的不断改进，人们对新型材料的需求也越来越大。
MBE作为一种高质量材料生长技术，将为新材料的开发和应用提供重要支持。
此外，与其他生长技术相比，MBE具有低成本、低污染和高纯度优势，使得其在制备光伏材料等领域也具备广阔的前景。
然而，MBE技术也面临一些挑战。
首先，MBE的生长速度较慢，限制了其在大规模工业化生产中的应用。
mbe分子束外延材料摘要：一、MBE分子束外延材料简介二、MBE分子束外延技术的原理与应用三、MBE分子束外延材料的优点与不足四、我国MBE分子束外延材料的发展现状与展望正文：一、MBE分子束外延材料简介MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）分子束外延材料是一种先进的材料生长技术，通过控制分子束的输运和沉积速率，实现对薄膜材料的精确生长。
MBE技术可以生长各种薄膜材料，如半导体、金属和氧化物等，被广泛应用于微电子、光电子和能源领域。
二、MBE分子束外延技术的原理与应用MBE分子束外延技术利用分子束源将原材料分子束射到基板上，通过调节束流、角度和速度，使分子在基板表面发生沉积、生长。
该技术具有极高的生长速率控制能力和薄膜质量，可实现对薄膜厚度、成分和结构的精确控制。
MBE技术在我国已得到广泛应用，如半导体器件制造、太阳能电池、发光二极管、激光器和光纤通信等领域。
此外，MBE技术在基础研究中也具有重要意义，如生长量子点、量子井、异质结构等。
三、MBE分子束外延材料的优点与不足MBE分子束外延材料具有以下优点：1.薄膜质量高：MBE技术可以实现对薄膜厚度和结构的精确控制，薄膜具有优异的物理和化学性能。
2.生长速率快：相较于其他外延技术，MBE技术具有较高的生长速率，提高生产效率。
3.成分可控：通过调节分子束的成分和比例，可以实现对薄膜成分的精确控制。
4.制备异质结构能力强：MBE技术可以实现不同材料之间的精确拼接，制备出具有特殊功能的异质结构。
然而，MBE技术也存在一定的不足：1.设备昂贵：MBE设备价格高昂，投资成本较大。
2.工艺复杂：MBE技术对生长环境和设备参数要求较高，工艺复杂且难以控制。
3.产量有限：MBE设备的生产能力较低，难以满足大规模生产需求。
四、我国MBE分子束外延材料的发展现状与展望近年来，我国MBE分子束外延材料研究取得了显著成果，不仅在技术上实现了突破，还成功应用于多个领域。
mbe 分子束外延分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy）是一种制备薄膜材料的技术，主要用于制备半导体材料和器件。
它是一种高真空技术，使得薄膜的生长在几秒到几分钟的时间内完成。
MBE技术在半导体产业中得到了广泛的应用，促进了半导体材料和器件的发展。
MBE技术的工作原理是利用分子束，将材料分子在真空环境下逐个排列而成的薄膜材料。
首先，通过加热来提供足够的热能，从而将材料转化为蒸汽或气体。
接下来，通过使用高度完整的分子束来传输这些分子，使其在基底表面上按照预定的方式排列成薄膜。
最后，冷却材料并结晶，形成所需的薄膜。
MBE技术的一个显著特点是能够实现单原子层的生长。
由于分子束的高能精度和流动控制，可以准确控制薄膜的厚度和成分，从而产生高质量的材料和器件。
此外，MBE技术具有高度可控性和精确性，可以在纳米尺度上进行控制和操纵。
这使得MBE在制备多层异质结构材料和量子器件方面具有独特的优势。
MBE技术主要用于制备半导体材料和器件，如激光器，光电探测器，高电子迁移率晶体管（HEMTs）等。
由于MBE可以实现高质量的外延生长，使得器件具有优异的性能，并展现了许多新奇的物理现象。
例如，MBE可以制备出具有垂直量子阱结构的激光器，使得它们可以在低阈值电流下工作和实现可调谐性。
此外，MBE也被用于制备GaAs和InP等半导体材料的缺陷量子阱结构，研究光电子学和量子信息处理等领域。
随着纳米材料和纳米器件的发展，MBE技术的应用正在不断扩展。
MBE可以制备纳米颗粒和纳米线等结构，用于能源转换和存储等领域。
此外，MBE还可以用于制备二维晶体和拓扑绝缘体等新兴材料，研究它们的物理性质和应用。
通过结合MBE技术和其他生长技术，例如分子束外延悬浮液法和金属有机化学气相沉积法等，可以实现更多样化的材料和器件结构。
总之，分子束外延是一种重要的薄膜生长技术，在半导体材料和器件领域发挥着重要的作用。
它具有高质量、高可控性和高精度的优点，可以应用于各种材料和器件的制备。
碳化硅外延mbe法碳化硅外延MBE法引言碳化硅外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种用于制备碳化硅（SiC）材料的技术方法。
碳化硅是一种具有优良物理和化学性质的宽禁带半导体材料，被广泛应用于高温、高频和高功率电子器件领域。
本文将重点介绍碳化硅外延MBE法的原理、步骤和应用。
一、碳化硅外延MBE法的原理碳化硅外延MBE法是一种分子束外延技术，其原理基于分子束在晶格表面的沉积和生长。
该方法通过在真空条件下，将分子束蒸发源处的原料加热至高温，使原料分子获得足够的热能，然后经过准直装置形成的分子束瞄准晶格表面。
分子束中的原料分子在晶格表面附着并扩散，最终形成具有高质量结晶的碳化硅薄膜。
二、碳化硅外延MBE法的步骤碳化硅外延MBE法一般包括以下步骤：1. 准备基片：选择适当的基片材料，并进行表面处理，以提高薄膜的生长质量和结晶度。
2. 真空系统：建立真空系统，确保反应室内的气压低于10^-7 torr，以避免气体分子对生长过程的干扰。
3. 加热源：选择合适的加热源，如电阻加热器或电子束加热器，将原料加热至所需温度。
4. 分子束准直装置：使用准直装置对分子束进行准直，以提高分子束的定向性和一致性。
5. 分子束瞄准：将准直后的分子束瞄准到基片表面，并调节功率和角度，以控制薄膜的生长速率和厚度。
6. 生长过程监测：通过反射高能电子衍射（Reflection High Energy Electron Diffraction，RHEED）等技术实时监测薄膜的生长过程，以获得高质量的碳化硅薄膜。
7. 结束生长：在达到所需薄膜厚度后，停止原料的供应，使生长过程结束。
8. 冷却：将生长后的样品缓慢冷却至室温，以避免薄膜的热应力和结构损伤。
三、碳化硅外延MBE法的应用碳化硅外延MBE法在半导体器件领域具有广泛的应用前景，主要表现在以下几个方面：1. 高功率器件：碳化硅具有优异的热稳定性和高击穿场强，可用于制备高功率电子器件，如功率放大器和开关器件。
mbe分子束MBE分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种用于生长单晶薄膜的方法，广泛应用于半导体器件的制备和研究中。
本文将介绍MBE分子束外延的原理、应用以及其在半导体领域的发展前景。
一、MBE分子束外延的原理MBE分子束外延是一种高真空下生长单晶薄膜的技术，它利用分子束的原理将材料原子或分子逐个地定向沉积在衬底上，从而形成具有高结晶质量的薄膜。
其原理主要包括以下几个步骤：1. 高真空环境：MBE系统需要在高真空环境下进行，以减少杂质对薄膜生长的影响。
2. 基片准备：首先需要对衬底进行表面处理，以去除表面的氧化物和杂质，并使表面具有一定的晶体结构。
3. 分子束源：MBE系统中通常使用分子束源来提供所需的材料原子或分子。
分子束源通过加热材料，使其蒸发并形成分子束。
4. 分子束定向：通过使用磁场或电场，可以将分子束定向到特定的方向，使其与基片表面垂直碰撞。
5. 分子束沉积：分子束与基片表面碰撞后，其中的原子或分子会沉积在基片表面，并逐层生长形成薄膜。
6. 控制生长条件：通过控制分子束源的温度、衬底的温度以及压力等参数，可以调节薄膜的厚度、成分和结晶质量。
二、MBE分子束外延的应用MBE分子束外延技术具有很高的生长控制能力和材料质量，因此在半导体器件的制备和研究中得到广泛应用。
1. 量子阱结构器件：MBE分子束外延可以用于生长量子阱结构器件，如激光器、太阳能电池、光电探测器等。
量子阱结构可以有效地限制电子和空穴在三维空间的运动，从而提高器件的性能。
2. 氮化物材料：氮化物材料具有宽禁带宽度和较高的热稳定性，适用于高温、高功率和高频率器件。
MBE分子束外延可用于生长氮化物材料，如氮化镓、氮化铝等。
3. 低维结构研究：MBE分子束外延可以生长出具有低维结构的材料，如二维材料石墨烯、量子点等。
这些材料具有特殊的电学、光学和磁学性质，对于研究新型器件和物理现象具有重要意义。
分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究一、前言随着纳米材料研究的深入，越来越多的高性能纳米材料被制备出来，并被广泛应用于生物、能源、材料等领域。
其中，分子束外延技术以其特殊的制备方式和优异的材料性能引起了许多科学家的关注和研究。
本文将对分子束外延技术在纳米材料制备中的应用研究进行探讨。
二、分子束外延技术简介分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种通过分子束束流在单晶基底上沉积薄膜的制备方法。
其主要优点在于可以制备出高质量、高纯度、精确控制厚度和界面结构的晶体材料。
其基本原理是利用高温下的分子束束流进行物质的“脱发”和“捕捉”，在单晶基底上生长出所需的薄膜结构。
在MBE制备薄膜时，可以通过控制系统的参数，例如温度、束流强度、基底种类等，来控制薄膜的晶体结构、成分和厚度。
三、MBE制备纳米材料的应用1. 锗纳米线的制备Ge是一种具有重要应用前景的半导体材料。
锗纳米线在柔性电子器件、太阳能电池、传感器等领域具有重要的应用前景。
MBE 技术在制备高质量锗纳米线方面具有很大的优势。
通过MBE技术在氧化锗单晶基底上以GeH4为前驱物质，控制温度和气压，可以获得高质量、大规模、组装良好的锗纳米线。
实验发现，在250-450摄氏度的温度范围内，Ge纳米线的生长速率随温度的升高而增大。
通过控制温度和种类、厚度等参数可以精确控制纳米线的直径和长度。
2. 纳米二维材料的制备MBE技术在纳米二维材料的制备中也具有应用潜力。
石墨烯、磷化硼、二硫化钼等材料是具有媲美传统半导体材料的性质和性能的新兴纳米材料。
MBE技术可以通过控制单层二维材料的生长条件，实现高质量、大尺寸二维材料的制备。
例如，在金属衬底上以化学气相沉积法生长单层石墨烯过程中，MBE在薄膜成核和二维材料晶格平面培养的领域中也有重要应用。
3. 纳米线阵列的制备MBE技术可以通过控制阵列生长条件生长出高密度的纳米线阵列。
在仙人掌状金属表面上生长纳米线阵列时，可以通过控制金属表面的菲涅耳区域，利用VLS(Vapor-Liquid-Solid)机制，实现纳米线阵列的均匀和可控生长。
激光分子束外延激光分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种在真空环境下生长单晶薄膜的技术。
它是一种高度精确的材料生长方法，广泛应用于半导体器件制造和研究领域。
本文将介绍激光分子束外延的原理、应用和发展趋势。
一、激光分子束外延的原理激光分子束外延利用分子束的束流来沉积原子或分子到基底表面，以生长单晶薄膜。
它通过在真空环境下，利用激光加热源将固态材料加热到高温，产生蒸气或气体分子束。
这些分子束从源头中垂直射向基底表面，被吸附并沉积在基底上，形成单晶薄膜。
激光分子束外延的关键在于控制分子束的能量和角度。
能量和角度的控制可以通过调节激光功率和分子束源的位置来实现。
调节功率可以改变分子束的能量，而调节位置可以改变分子束的角度。
这样可以控制沉积速率和沉积的晶格结构，从而获得所需的单晶薄膜。
激光分子束外延在半导体器件制造中有广泛的应用。
它可以生长高质量的半导体材料，如硅、镓、砷化镓等。
这些材料可以用于制造各种半导体器件，如光电子器件、激光器、太阳能电池等。
激光分子束外延还可以用于生长异质结构。
通过在不同材料之间生长薄膜，可以形成异质结构，如量子阱、量子点等。
这些异质结构具有特殊的能带结构，可以用于制造高性能的光电子器件。
除了在半导体器件制造领域，激光分子束外延还有其他应用。
例如，在研究领域，它可以用于生长新材料并研究其性质。
在材料科学中，它可以用于生长纳米结构材料，如纳米线、纳米片等。
三、激光分子束外延的发展趋势随着科学技术的不断进步，激光分子束外延技术也在不断发展。
一方面，人们对材料的需求越来越高，需要制造更高性能的器件。
因此，激光分子束外延需要不断改进，以提高生长材料的质量和控制能力。
另一方面，人们对新材料的研究兴趣也在增加。
激光分子束外延可以用于生长新材料，并研究其性质和应用。
因此，激光分子束外延的发展趋势是朝着高质量、高控制能力和多功能性的方向发展。
总结：激光分子束外延是一种用于生长单晶薄膜的高精度材料生长技术。
MBE分子束外延材料一、介绍分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种重要的材料生长技术，广泛应用于半导体器件的制备过程中。
本文将从以下几个方面对MBE分子束外延材料进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、MBE的原理MBE是一种通过在真空环境中，将单个原子或分子逐个地沉积在衬底表面上，从而形成薄膜或多层结构的技术。
其主要原理包括以下几个步骤：1. 高真空环境MBE需要在高真空环境下进行，以保证材料生长的纯净性和控制性。
2. 分子束发射通过加热源将所需材料加热至蒸发温度，使其形成分子束。
3. 分子束传输通过操控分子束的速度和方向，将其传输到衬底表面。
4. 衬底表面反应分子束到达衬底表面后，与表面原子进行反应，形成新的材料层。
5. 生长控制通过控制分子束的强度和衬底温度，可以控制材料的生长速率和晶体质量。
三、MBE分子束外延材料的优势MBE分子束外延材料具有以下几个优势：1. 高质量晶体生长MBE可以在原子级别控制材料的生长过程，使得晶体质量更高，晶格更完整，缺陷更少。
2. 精确的层厚控制MBE可以实现对材料层厚的精确控制，从而满足不同器件对薄膜厚度的要求。
3. 多元化材料生长MBE可以实现多种材料的生长，包括合金材料、异质结构等，满足不同器件对材料性能的需求。
4. 低温生长MBE可以在相对较低的温度下进行材料生长，减少材料的热膨胀和晶体缺陷。
四、MBE分子束外延在半导体器件中的应用MBE分子束外延材料广泛应用于半导体器件的制备过程中，包括以下几个方面：1. 光电器件MBE可以生长高质量的半导体材料，用于制备光电器件，如激光器、太阳能电池等。
2. 量子结构器件MBE可以生长具有量子效应的材料，用于制备量子阱、量子点等器件。
3. 磁性材料MBE可以生长磁性材料，用于制备磁存储器件、磁传感器等。
4. 纳米材料MBE可以生长纳米材料，用于制备纳米器件、纳米传感器等。
五、总结MBE分子束外延材料是一种重要的材料生长技术，具有高质量晶体生长、精确的层厚控制、多元化材料生长和低温生长等优势。
分子束外延技术1. 引言分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种先进的材料制备技术，广泛应用于半导体器件和纳米材料的研究和生产领域。
该技术利用超高真空环境下的分子束束流，通过在晶体表面逐层沉积原子和分子，从而制备出具有高结晶质量和精确控制的薄膜和异质结构。
本文将详细介绍分子束外延技术的原理、仪器设备、潜在应用以及一些发展趋势。
2. 分子束外延技术原理分子束外延技术的核心原理是利用超高真空环境下的分子束束流进行材料的生长。
该技术的关键步骤包括分子束的制备、束流的对准和单分子层的沉积。
首先，需要使用分子束制备室来蒸发所需的材料。
通常使用的方法有热源蒸发、激光蒸发和电子束蒸发。
通过控制蒸发源温度和压力，可以得到所需的原子或分子束。
然后，将分子束引入基底材料的表面。
为了精确地控制分子束的对准，常采用光束热脱附（Photodesorption）和金刚石细针扫描（Diamond Anvil Scanning）等技术。
最后，在基底材料的表面逐层沉积原子和分子，形成所需的薄膜和结构。
这需要控制沉积速率、表面扩散和吸附动力学等参数，以保证沉积的薄膜具有高结晶质量和所需的形貌。
3. 分子束外延技术仪器设备分子束外延技术需要高度精密的仪器设备来实现对分子束的制备和束流的对准。
典型的MBE系统包括以下几个关键组件：3.1 蒸发室蒸发室用于蒸发所需的材料。
该室通常具有多个独立的炉子，可以同时蒸发多种材料。
蒸发室还包括温度控制装置、高真空泵和检测装置等。
3.2 基底基底是分子束外延技术中用于生长薄膜的材料。
常用的基底材料包括GaAs、InP、Si和Ge等。
基底通常具有高结晶质量和平整的表面，以保证薄膜的生长质量。
3.3 光束对准系统光束对准系统用于精确地对准分子束到基底的表面。
该系统通常包括光源、准直系统和检测器。
光源可以是连续光源或激光光源，用于产生对准所需的光束。
3.4 薄膜生长监测系统薄膜生长监测系统用于实时监测薄膜生长的情况。
分子束外延技术（MBE）的原理及其制备先进材料的研究进展XX（XXXX大学材料学院，西安710000）摘要：分子束外延(MBE)是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的,是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求.MBE是一个动力学过程，而不是一个热力学过程.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点,如生长速率低、衬底温度较低等.在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.MBE是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点.未来的发展趋势是结合其他生长技术不断改进MBE，如MBE与VPE并用、气态源分子束外延(GSMBE)、激光分子束外延（LaserMBE）等.关键词：分子束外延；薄膜；生长技术；半导体The principle of Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the research progress in the preparation of advanced materialsXX(Department of Materials,XXX,Xian 710000)Abstract:Molecular Beam Epitaxy was developed for the preparation of semiconductor thin film materials by vacuum evaporation technique in the 50's，which aims to meet the requirements of the electronic devices in the process of higher and higher.MBE is a dynamic process, not a thermodynamic process.MBE has many characteristics when comparing with other epitaxial thin film growth techniques , such as low growth rate, low substrate temperature and so on. The advent of MBE let the thickness of order of magnitude of atomic, molecular of epitaxial growth be achieved in ultrathin layer epitaxial growth technique, that has opened up Band Engineering,a new field of semiconductors.The development of semiconductor materials science plays an active role in the development of semiconductor physics and information science.MBE is a more useful way to prepare new devices, but there are shortcomings.In the future,the development trend is to continuous improving MBE with the combination of other growth techniques, such as combining MBE with VPE,Gas Source Molecular Beam Epitaxy,Laser Molecular Beam Epitaxy etc.Key words: Molecular Beam Epitaxy;thin film;growth techniques;semiconductor1 前言分子束外延(MBE)是一项外延薄膜生长技术，在超高真空的条件下，通过把由热蒸发产生的原子或分子束射到被加热的清洁的衬底上而生成薄膜.这种技术的发展是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求，即对掺杂分布可以精确控制的趋薄层平面结构的要求.利用分子束外延技术，可以重复地生长厚度只有5埃米(Å)的超薄外延层，而且外延层之间的分界面可以精确地控制生长.分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的.随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响.分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜.2MBE原理及特点目前最典型的MBE系统是由进样室、预处理和表面分析室、外延生长室三个部分串连而成.MBE设备的外形图及装置图分别如图1、图2所示.图1 DCA仪器有限公司生产的M600型MBE系统图2 分子束外延装置图2.1 MBE设备工作原理进样室的作用是装样、取样、对衬底进行低温除气，主要用于换取样品，可同时放入多个衬底片；预备分析室可对衬底片进行除气处理，通常在这个真空室配置AES、XPS、UPS 等分析仪器；外延生长室是MBE系统中最重要的一个真空工作室，配置有分子束源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件.用一个设计独特的装入系统，在生长室中保持超高真空条件下，快速装入和更换衬底.在衬底装入系统中有一个特殊的反应室，可以利用蒸气腐蚀、氧化、溅射、引线沉积或其他方法对衬底进行预处理.分子束外延系统有独立的生长室和分析室，这样可保证晶体薄膜生长所要求的最好的真空条件，而且具有对分析薄膜特性所需要的有效结构.有三个不同的真空泵系统.每一个都根据其特定的用途，使其达到最佳的工作效能.这就保证了在生长室和分析室中有最好的超真空条件.系统的电动气动操作的活门和一个热电偶反馈可实现对入射的分子束的精确控制.在生长室中以及在每个加热室周围的低温屏蔽可把不应有的薄膜掺杂降到最低水平.用装在生长室中的四极质谱仪和一个高能量电子衍射系统，在薄膜先长过程中对分子束流量、室中残余气体和表面晶体结构进行监视.在分析室清洁的超高真空环境中可选择利用化学分析电子光谱探测、俄歇电子探测、扫描俄歇电子探测、次级离子质谱测定法、紫外光谱测定法和电子二次退吸等技术对己制成的薄膜进行透彻的检定.如果选择一种微处理器进行控制可实现薄膜生长过程的自动化.反射高能电子衍射仪（Reflection High—Energe Electron Diffraction ，RHEED）是十分重要的设备.高能电子枪发射电子束以1~3°掠射到基片表面后，经表面晶格衍射在荧光屏上产生的衍射条纹可以直接反映薄膜的结晶性和表面形貌，衍射强度随表面的粗糙度发生变化，振荡反映了薄膜的层状外延生长和外延生长的单胞层数.在分子束外延中[1]，反射式高能电子衍射仪是最常用的原位分析和监控仪器，它是原位监测外延表面分子结构和粗糙度的有效手段.利用RHEED强度振荡，可以精确地计算出单原子层的生长时间，从而很好的控制生长速度.通过RHEED图像，对于原子级平整的表面，还可以确定晶体表面的重构情况.2.2MBE技术特点MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜.分子束外延生长是在加热的衬底上进行，在生长过程中发生了下列表面动力学过程.第一步，构成薄膜的原子或者分子被沉积并吸附在衬底表面.第二步，吸附分子在表面迁移、分解.第三步，原子被融合到衬底或者外延层的晶格中.第四步，没有融入晶格的原子或者其它基团重新热脱附离开表面.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点，系统总结如下.其一，生长速率低，大约1μm/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结等，特别适于生长超晶格材料和外延薄膜材料.但是，极低的生长速率也限制了MBE的生产效率，同时考虑到昂贵的设备，使其无法进行大规模生产.其二，衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响.其三，受衬底材料的影响较大，要求外延材料与衬底材料的晶格结构和原子间距相互匹配，晶格失配率要≤7%.其四，能独立控制各蒸发源的蒸发和喷射速度，从而能制备合金薄膜.其五，MBE制膜并不以蒸发温度为控制参数，而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代仪器时时监测分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程与生长速率.另一方面，复杂的设备也增大了生产成本.其六，在各加热炉和衬底之间分别插有单个的活门,可以精确控制薄膜的生长过程.通过对活门动作的适当安排, 可以使各射束分别在规定的时间间隔内通过或关断.最后，单个束源炉中必须使用高纯度原料.3 MBE工艺制备先进材料介绍在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.它是微电子技术，光电子技术，超导电子技术及真空电子技术的基础.3.1 MBE工艺制备GaNAs基超晶格太阳能电池理论计算表明[2]，对于GaInP/ GaAs/ Ge 三结电池来说，当在GaAs 电池与Ge 电池之间再增加一个带隙在1 eV左右的子电池将会进一步提高多结太阳能电池的效率.而且，随着电池结数的增加，结电池的短路电流密度相应减小，对材料质量的要求随之减弱.因此，尽管提升GaInAs材料的质量很困难，但是由于四元合金Ga1-x In x N y As1 - y带隙可调控至1 eV 且能与GaAs 或Ge 衬底实现晶格匹配(当x≈3y)，仍然成为研究多结太阳能电池的热门材料.2011 年4 月，美国solar junction 公司报道了在947 个太阳下，转换效率高达44% 的以1 eV 带隙GaInNAs为子电池的高效三结GaInP/GaAs/GaInNAs电池，为当时世界上效率最高的聚光光伏电池.接着该公司与英国IQE 公司合作，在大尺寸衬底上制备的GaInNAs 基多结太阳电池转换效率可达44. 1%，前景非常可观.然而，众多研究发现，In和N 共存于GaInNAs中会导致成分起伏和应变，并导致In团簇的产生以及与N元素有关的本征点缺陷等，这些问题的存在使得高质量的GaInNAs基电池很难得到.一种解决方法是利用In和N空间分离的GaNAs/ InGaAs超晶格或多量子阱替代四元合金GaInNAs材料，这就必须借助于MBE设备技术.北京科技大学的科研团队进行了如下实验：外延生长使用Veeco公司生产的Gen20A全固态MBE系统.GaN0. 03As0. 97/In0. 09 Ga0. 91 As超晶格的生长都是在半绝缘GaAs衬底的(001)面上进行的，Si和Be分别作为GaAs 的n 型和p 型掺杂源.生长之前，需在生长室内对GaAs 衬底进行高温( ~ 600 ℃)脱氧处理10 min；然后，将GaAs衬底温度从600 ℃降为580 ℃，生长300 nm厚度的GaAs 缓冲层以获得更好的外延生长表面；最后，将生长温度降至480℃，进行GaNAs/InGaAs超晶格的生长和后续电池中10周期数的GaNAs/ InGaAs 超晶格有源区的生长.GaNAs/InGaAs超晶格中阱层和垒层厚度相同，总厚度为0. 2μm.在总厚度不变的条件下，周期厚度在6 ~30 nm之间变化.在RTP-1300退火炉中对样品进行了不同温度和时间的热处理，PL测量是由633 nm Ar+激光器作为激发源完成的.生长结束后，按照标准Ⅲ-Ⅴ太阳电池制备技术进行器件制备.正电极和背电极分别采用Ti/Pt/Au和AuGe/Ni/ Au金属做欧姆接触.电池面积为2. 5 mm×2.5 mm，没有镀减反膜，没有刻蚀GaAs接触层.外延材料的结构表征使用高分辨XRD测量，器件的电学测试由Keithkey2440 太阳模拟器(AM1. 5G)完成，电池的聚光特性利用连续太阳模拟器在1 ~110个太阳下进行测量.周期厚度为20nm时，所制备的超晶格电池的短路电流密度达到10.23mA/cm2，大大高于一些已报道的GaInNAs电池.3.2 MBE工艺制备高发光性能InN光通讯波段的高性能硅基光电子器件的制备不仅是光通信技术发展的需要[3]，也是实现硅基光电集成的需要.虽然硅材料的制备和应用技术已经非常成熟，但由于硅材料是间接带隙半导体，其发光效率较低，因此通过在硅衬底上异质外延高发光性能的Ⅲ-V族半导体材料的方法来获得所需的光性能是一个很好的选择.在所有氮化物半导体中，InN具有最高的饱和电子漂移速度、最小的电子有效质量及最高的电子迁移率，并且InN材料特性受温度的影响非常小，这些独特的优势使其在电子器件及光电子器件方面有巨大的应用潜力.自从2001~02年实验证明InN室温下的禁带宽度约为0.6~0.7eV而不是以前认定的1.9eV以来[4]，InN的研究成为国际上氮化物研究的重要方向. 0.7eV左右的禁带宽度对应的发光波长刚好位于石英光纤的通讯窗口，使其特别适合于制备用于红外通信的高性能LEDs及LDs.因此，在Si衬底上外延制备高质量的InN材料非常有利于其在光电集成技术中的应用.虽然硅基InN材料在性能和应用方面有种种优势，但是目前研究进展并不顺利.一方面，六方InN材料沿a轴方向与Si(111)衬底仍存在约8％的晶格失配，外延过程中会引入大量的缺陷；另一方面，InN材料具有较低的分解温度和较高的氮平衡蒸气压从而导致高质量的InN 材料很难制备.利用MBE技术通过低温外延InN或高温外延AlN作为缓冲层是提高InN材料质量的有效途径.但是，在外延的初始阶段，Si衬底都不可避免地会与活性N原子反应生成无定形的Si x N y材料，从而导致在Si衬底上外延的InN或AlN材料质量下降.因此，在外延前对si衬底进行预处理以抑制Si x N y的形成非常必要.本文采用MBE方法在外延低温InN缓冲层前，通过在Si衬底上沉积不同厚度的In插入层再进行InN材料的外延生长，研究了不同厚度的In插入层对InN晶体质量及光学特性的影响.为此，吉林大学的研究团队设计了如下实验方案：InN材料的外延采用德国CREATEC 公司的RF-MBE系统进行(本底真空度为3 x108Pa).活性氮由5N高纯氮气经纯化器、射频离化后提供，铟束流采用束源炉加热6N高纯铟提供.在Si(111)衬底上外延制备了一组InN样品，编号为A、B、C、D.首先，分别使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗衬底5 min.烘干后的衬底导入生长室中900℃热处理1 h，然后沉积厚度分别为0，0.1，0.5，l nm的In插入层，在400℃下生长30 nm厚的InN缓冲层，最后提高温度至475℃生长170 nm厚的InN外延层.对外延制备的InN样品分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、吸收光谱以及x射线光电子能谱(XPS)等进行测试分析.实验结论表明：样品C的c轴晶格常数为0.5702nm，与c的理论值(0.5703nm)最为接近，表明样品中应力得到了有效的释放；在没有In插入层的样品中，Si衬底表面会与活性N原子反应形成无定形的Si x N y材料，从而降低后续外延InN材料的晶体质量.0.5nm厚的In 插入层较为合适，能够有效地抑制衬底表面Si x N y 材料的形成；在Si衬底上预沉积合适厚度的In插入层有助于提高外延InN样品的晶体质量及光学特性.图3 制备InN样品的XRD谱3.3 MBE工艺制备拓扑绝缘体薄膜微器件近年来，拓扑绝缘体因其独特的电子结构和性质成为凝聚态物理研究的热点领域[5].三维拓扑绝缘体具有绝缘型的体能带和受时间反演对称性保护的金属型表面态，这种表面态在动量空间具有狄拉克型的色散关系，并且在狄拉克点之外的地方是自旋非简并的，这种独特的拓扑表面态有可能导致多种新奇的量子现象，如表面量子霍尔效应、激子凝聚现象、量子反常霍尔效应等.三维拓扑绝缘体己经在很多材料中被预言或发现，其中Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因为其简单的表面态结构、较大的体能隙、较易制备等优点成为目前研究最多的一类三维拓扑绝缘体材料.拓扑绝缘体很多独特的输运性质需要在微米尺度甚至亚微米尺度的结构中才能观测到.因此，必须将其加工成微器件.但是，传统的制备工艺一般需要对其进行紫外光刻或电子束刻蚀，这样就可能显著改变载流子浓度和迁移率，从而影响各种量子效应的观测.为了避免传统制备工艺的缺陷，中科院物理研究所的科研团队借助MBE设计了新工艺:将STO衬底利用紫外光预先刻蚀出一个具有Hall bar器件形状、高度为几十纳米的凸平台.用这些凸平台为模板，利用MBE直接生长出具有Hall bar形状的拓扑绝缘体（Bi x Sb1-x）2Te3薄膜.图4 MBE制备拓扑绝缘体原理示意图4 MBE工艺的发展趋势分子束外延法是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点，例如V A族元素的交叉污染、蒸气压极低或极高的物质均难进行正常的分子束外延.于是人们结合其他生长技术不断改进MBE.MBE与VPE并用:就是在分子束外延时难挥发或易挥发的元素的分子源用化合物来代替.在淀积过程中有化学反应产生，此时生长速度可以大大增加.MBE与离子束并用:把某些分子离子化，则离子束可以加速和偏转，并可进行扫描，同时也可以增加吸着系数，有利于掺杂过程.气态源分子束外延(GSMBE):也称化学束外延(CBE），外延过程中能精确地控制气体，兼有MBE和MOCVD两项技术的优点.信息工程材料国家重点实验室的研究团队采用气态源分子束外延技术在InP(100)衬底上生长了InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱为有源层和InP/InGaAsP分布布拉格反射镜(DBR)为上、下腔镜的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构.通过湿法刻蚀和聚酰亚胺隔离工艺制作出了1．3μmVCSEL，器件在室温下可连续单模激射，阈值电流约为4mA[6].LaserMBE（激光分子束外延）:是80年代末发展起来的一种新型固态薄膜沉积技术，我国也于90年代中期研制出了自己的L-MBE.它集普通脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）和传统分子束外延的优点于一体.激光光分子束外延基本过程是，将一束强脉冲紫外激光束聚焦，通过石英窗口进入生长室入射到靶上，使靶面局部瞬间加热蒸发，随之产生含有靶材成份的等离子体羽辉，羽辉中的物质到达与靶相对的衬底表面淀积成膜，并以原子层或原胞层的精度实时控制膜层外延生长.交替改换靶材，重复上述过程，则可在同一衬底上周期性的淀积多膜层或超晶格.中科院物理研究所和北京凝聚态物理国家实验室采用激光分子束外延技术[7]，成功地在Si衬底上外延生长TiN薄膜，XRD，AFM和霍尔效应测量结果均表明，我们在Si衬底上外延生长出高质量的TiN薄膜.进一步在TiN/Si衬底上外延生长SrTiO，薄膜，证明在Si上外延的TiN薄膜不仅具有很好的热稳定性，而且可以作为缓冲层或底电极外延生长其他的薄膜材料及多层结构.参考文献:[1] 罗子江，周勋，杨再荣，等.InGaAs/GaAs异质薄膜的MBE生长研究[J].功能材料，2011年第5期（42）卷：846~849.[2] 郑新和，夏宇，王瑾，等.GaNAs基超晶格太阳电池的分子束外延生长与器件特性[N].发光学报，2015年8月（V ol.36 No.8）.[3] 蔡旭浦，李万程，高福斌，等.In插入层对硅衬底外延InN晶体质量和光学特性的影响[N].发光学报，2014年1月（V ol.35 No.1）.[4] 王新强，刘世韬，郑显通，等.高电子迁移率InN的分子束外延生长及其掺杂研究[A].第17届全国化合物半导体、微波器件和光电器件学术会议论文集[C].开封：2012.[5] 韦庞，李康，冯硝，等.在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件[N].Acta Phys Sinica，V o1.63，No.2(2014).[6] 刘成，吴惠桢，劳燕锋，等.气态源分子束外延1.3μmVCSEL器件结构[N].功能材料与器件学报，2005年6月（V ol.11 No.2）.[7] 何萌，刘国珍，仇杰，等.用激光分子束外延在Si衬底上外延生长高质量的TiN薄膜[N]. Acta Phys Sinica，V o1.57，No.2(2008).。
