分子束外延（MBE）是外延生长技术中非 常重要的一种。它是60年代末～70年代初 在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备 半导体超薄层材料和器件的技术。在超高 真空条件下，构成晶体的各个组份和掺杂 原子（分子）以一定的热运动速度、按一 定的比例喷射到热的衬底表面上进行晶体 的外延生长。
在超高真空系统中，分子束源炉与被加热 的衬底相对放置。将组成化合物中的各个 元素和掺杂元素分别放入不同的源炉内。 加热源炉使它们的分子（原子）以一定的 热运动速度和一定的束流强度比例喷射到 衬底表面上，与表面相互作用，进行单晶 薄膜的外延生长。各源炉前的挡板用来改 变外延层的组份和掺杂。根据设定的程序 开关挡板、改变炉温和控制生长时间，就 可以生长出不同厚度、不同组份、不同掺 杂浓度的外延材料。
N 1 nv 4
分子热运动平均速度：
v 8RT /M
对于大多数分子, 1、
P=10-6 torr, l～102 m P=10-10 torr, l～106 m 2、 P=10-6 torr, N～ 3x1014 cm-2 s-1，
2～3秒就扑满整个样品表面 P=10-10 torr, N～ 3x1010 cm-2 s-1
外延表面反应过程
1947 发明晶体管
1960 发明集成电路
固态源MBE 气态源MBE
1970 1980 1990
MBE生长出高质量GaAs单晶薄膜 在MBE生长的GaAs/AlGaAs sls中 观察到负微分电阻现象
MBE GaAs/AlGaAs DH LD 激光 器阈值电流密度<1kA/cm2
分子束外延技术简介
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什么是分子束外延
外延生长技术在半导体领域得到应用是 在20世纪60年代。它指的是在一定条件 下，使某种或某些种物质的原子（或分 子）有规则排列、定向生长在经过仔细 加工的晶体（一般称为衬底）表面上。 它生长的材料是一种与衬底晶格结构有 一定对应关系的单晶层。这个单晶层称 为外延层，而把生长外延层的过程叫做 外延生长。
为什么要超高真空？
1、避免源炉喷射出的原子在到达衬底之前 与环境中的残余气体碰撞而受到污染
气体分子密度n(cm-3)与真空度p(torr)的关系：
n 1.035 10 19 T / p
分子的平均自由程：
1 2n 2 (cm)
2、避免环境中的残余气体分子与外延表面 碰撞而使外延面受到污染
单位时间、单位面积表面被气体分子碰撞次数：
旋片式真空泵
是一种油封式机械真 空泵。其工作压强范 围为760～0.01 Torr 属于低真空泵。它可 以单独使用，也可以 作为其它高真空泵或 超高真空泵的前级泵。
旋片式机械泵工作演示
罗茨真空泵
（简称罗茨泵）是一种 旋转式变容真空泵。它 是由罗茨鼓风机演变而 来的。根据罗茨真空泵 工作范围的不同，又分 为直排大气的低真空罗 茨泵；中真空罗茨泵 （又称机械增压泵）和 高真空多级罗茨泵。
各种真空泵的工作范围
真空的测量－－真空计
绝对真空计：直接测量气体的压强，如 U型管气压计。
相对真空计：利用物理规律间接测量气 体压强，如热偶规管、电离规管。
热偶规管
气体的导热与气体压强存在一定的对应关系。
接被测真空系统
规管热丝 恒流电源
加热丝
热电偶
毫伏表
DL-3型热偶规管结构及真空度校准曲线
真空的获得－－真空泵
排气型：利用内部的各种压缩机构将被 抽容器中的气体压缩到排气口方向。
吸气型：在封闭的真空系统中，利用各 种表面吸气的办法将被抽空间的气体分 子长期吸着在吸气表面上，使被抽容器 保持真空。
低真空泵 高真空泵
排气型 吸气型
机械泵 增压泵
吸附泵
扩散泵 分子泵
离子泵 升华泵 低温泵
机械泵
罗茨真空泵工作原理
罗茨真空泵工作原理演示
油扩散泵
是利用高速喷 射（超声速） 的油分子使处 在分子流状态 的气体沿一个 方向扩散而排 出泵外。
冷却管
进气 排气
泵油 加热器
涡轮分子泵
其工作原理基于气体分子入射到固体表面上一般不 做弹性反射，而是停滞一定时间与表面交换能量， 然后以与入射方向无关的方向脱离，其发射角度遵 守余弦定理
进气
转子 叶片
定子 叶片
排气
叶
片
切
向
速 度
b
入射气体
分子速度
分子泵
吸附泵
在液氮温度下使用多孔 吸附剂吸气的真空泵 可分为内冷式和外冷式
内冷式吸附泵
低温泵（冷凝泵）
使用低于20K的金属表面对气体分子进行多分子层 的吸附－－相对于气体的凝聚，可获得更低的极限 压强、更大的抽速。
钛升华泵
利用化学活性金属 钛在室温或者液氮 温度下以化学吸附 形式吸附一些化学 活性的气体。
钛升华器
溅射离子泵
是一种兼用新鲜钛膜和电离机构同时对化学活性及 惰性气体抽气的超高真空泵。
N
磁铁
桶状阳极
＋ ＋
＋ 5 kV直流电源
S
钛阴极
低温泵 扩散泵 升华泵 离子泵
涡轮分子泵
吸附泵 机械泵
10－10 10－8 10－6 10－4 10－2 100 102 104 Pa
分子束外延 原理示意图
其特点是:
生长速度慢（～1m/h）， 生长温度低， 可随意改变外延层的组份和掺杂， 可在原子尺度范围内精确控制外延层的 厚度、异质结界面平整度和掺杂分布。 在生长的原位研究外延表面的生长过程 和作表面分析。
分子束外延的生长过程是一个或多个热 分子（原子）束与加热的衬底表面的反 应过程。它涉及入射分子（原子）在衬 底表面的吸附、分解、迁移、结合、脱 附等复杂过程。主要是受表面化学、表 面反应控制的动力学过程，而不是热平 衡过程。
5～8小时才能扑满整个样品
真空技术介绍
真空：低于一个大气压的气体状态 真空技术主要包括： 真空的获得、真空的测量、真空检漏
真空的大致范围
极高真空 超高真空
高真空
低真空 粗真空
10－10 10－8 10－6 10－4 10－2 100 102 104 Pa
真空度的单位：
1 mmHg＝1 Torr 1 Torr＝133 Pa 1 mbar＝100 Pa 1 ATM＝101325 Pa 1 ATM＝760 Torr