2023-11-21 09:15:08
很多人，尤其是小朋友喜欢吃生日蛋糕，蛋糕在制作时先蒸好蛋糕的底材形状，在半导体中称为衬底。再在蛋糕上刷一层奶油，奶油很甜，铺满整个蛋糕表面，这一层奶油在半导体工艺中叫做外延。
许多半导体器件衬底没有或者只有少部分功能，大多数光电性能都是通过外延来实现的。
高质量外延材料是制备和研究半导体器件的基础，如何获得高质量的外延材料成了提升半导体性能的关键。
早期真空蒸镀是制备高质量金属薄膜的有效方式。
什么是蒸镀呢？类似我们用一口大锅烧白开水，水开始沸腾后挥发，附着在锅盖上，锅盖上的这一层水汽就是薄膜。
早期蒸镀制备化合物如Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜面临诸多的问题，比如不同材料挥发温度不同、挥发速度不同导致合成困难。伴随技术的发展，目前成熟的Ⅲ族氮化物外延手段包括：
氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE）、金属有机化学气相外延(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）、以及分子束外延(Molecular beam epitaxy, MBE)。
HVPE主要是利用生长过程中的化学反应，如歧化反应、化学还原反应以及热分解反应等实现外延晶体薄膜的制备，具有生长温度高、源炉通气量大、生长速率大的特点，一般用来制备厚膜以及自支撑衬底，如GaN、AlN等。
MOCVD是在常压或者低压（10-100Torr）下，采用Ⅲ族元素有机化合物和Ｖ族元素氢化物为源材料，以高温热分解反应在衬底上外延生长。
在20世纪70年代，美国贝尔实验室卓以和（A.Y.Cho）等人为实现GaAs/AlGaAs超晶格结构，开发出可以实现原子级操控材料生长的分子束外延(MBE)系统。
相比于HVPE和MOCVD，该外延系统提供了一种更有效的单个或多个热分子束在超高真空中相互作用并结晶的控制方法，可以实现原子级的表面平整度且界面陡峭的超薄层沉积，以及合金组分或掺杂原子纵向浓度梯度可调等。
MBE技术生长温度低，有效避免界面原子的互扩散；生长速度低，实现原子级的沉积速度，有利于新型结构的制备；超高真空，大大降低外延过程中杂质的非故意掺杂，提高了材料的质量和纯度。
因此，在单原子层、短周期数字合金、超晶格、量子点、量子盘、纳米线等新型结构的研制方面具有显著优势。
至今，MBE技术除了广泛应用在GaAs、GaP、GaN等Ⅲ-Ⅴ族及Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ族等化合物半导体薄膜甚至金属膜和介质膜的制备上，对半导体技术的发展起到了积极的推动作用，为半导体光电器件、功率器件、量子器件、低维材料等研究与发展奠定了坚实的基础。
下图是MBE设备结构示意图：
MBE外延生长是在超高真空环境下（10-10Torr）以高温蒸发的方式将源材料裂解为气体分子以产生分子束流，产生的分子束流在衬底表面经吸附、分解、迁移、成核、生长等过程使原子进入晶格位置完成外延生长。
各高纯原材料在各自的束源炉中被独立加热产生分子束，该分子束流经机械挡板控制喷射至衬底表面。系统的超高真空是保证分子束流直线到达衬底的关键。衬底温度经过加热板进行调节，以达到所需生长温度。
使用MBE生长的材料具有晶体完整性好、晶体质量高、组分均匀等优点。
MBE的生长模型如图所示：
MBE外延生长薄膜一般有三种生长模式：层状生长模式（Frank-vanderMerwe），三维岛状生长模式（Volmer-weber）和混合生长模式（Stranski-Krastanov）。
不同的生长模式对外延材料的质量有重要影响。
(a)层状生长模式(Frank-vanderMerwemode,F-Mmode)：一般发生在衬底表面能与薄膜表面能一致的同质外延或者外延物质与衬底之间浸润性很好的异质外延时，沉积到衬底表面的吸附原子或吸附分子更倾向于与衬底原子成键，从而实现外延薄膜二维沉积生长模式。
(b)岛状生长模式(Volmer-Webermode,V-Wmode)：一般发生在晶格失配比较大或者外延温度比较低导致的外延物质与衬底之间的浸润性不佳，沉积到衬底表面的吸附原子或吸附分子更倾向于聚集在成核点周围并与自身相互结合成键，成核点不断长大，最终形成岛状,从而实现外延薄膜三维沉积生长模式。
(c)混合生长模式(Stranski-Krastanovsmode,S-Kmode)：是层状生长模式和岛状生长模式的中间状态，是一种在外延生长中既存在二维台阶生长又存在三维岛状生长的生长模式。通常是由外延生长温度变化或者因晶格失配导致的应力释放而引起的。
