​分子束外延生长技术在单原子水平上精确构建量子世界

发布时间:2020/11/02 浏览次数:25

分子束外延生长,顾名思义,就是使组成目标样品的原子或分子定向运动到目标衬底(一般为有确定晶向的单晶)上,并使其按照衬底的晶体结构进行生长。具体到 GaAs,就是使单质的 Ga 与 As分别形成原子束或分子束,然后在合适衬底上相遇并反应形成 GaAs。如何获得定向运动的原子或分子束呢?类似于加热烧杯中的水,对靶材加热,就可以蒸发出原子或分子。但这还不够,当我们加热一杯水时,一个熟悉的场景是,水蒸气很快就被空气中的粒子散射,传播距离有限。因此,生长进行的环境一定要是超高真空,对 MBE 而言,通常需要比大气压低10-13倍以上的真空。只有在这样“超净”的环境中,才能有效的减小靶材原子或分子在到达衬底之前与环境气体的碰撞,形成准直的分子束。那么如何保证原子或分子在衬底表面反应并形成外延生长呢?这里的另一个关键就是衬底的温度。可以想象,如果衬底温度过低,原子或分子到达衬底后不能充分迁移、反应和晶化,肯定无法获得好的外延生长;反之,如果衬底温度太高,到达衬底的原子,特别是分子,极易发生脱附,这不但导致较低的生长速率,更严重的是非化学配比薄膜的形成。为了制备组分且组分突变的半导体材料,如超晶格和异质结,我们还需要控制各个蒸发源的温度。PID 控制器(比例-积分-微分控制器)的发展使我们对温度的控制精度达到了1°C 以内,这对获得组分可控的半导体材料、异质结和超晶格起到了奠基的作用。

为了保证半导体器件的性能,半导体材料必须要做得非常的纯,往往几百万原子中才允许有一个杂质。要做到这一点,MBE 生长不但要在超高真空中进行,而且用作蒸发源的原材料的纯度也必须要非常高。以用途广泛的化合物半导体 GaAs 为例,As 源材料的纯度一般为99.9999%(6N)或者99.99999%(7N),Ga 源材料的纯度要在99.9999%(6N)以上。如用作集成电路和微波器件,Ga 的纯度甚至要达到99.999999%(8N)以上。

通过上面简单的介绍,我们现在已经可以勾勒出一个标准分子束外延系统的大致构造了,如图所示,它主要包括超高真空系统、蒸发源、衬底加热台和反射式高能电子衍射仪(RHEED)。

分子束外延生长技术在单原子水平上精确构建量子世界