基于分子束外延技术可控制备Bi原子团簇的研究

本研究基于分子束外延(MBE)技术在Si(111)衬底表面成功制备金属Bi原子团簇.首先,分别在100℃、125℃、150℃、175℃、200℃的生长温度下,制备了大小均一、密度不同的Bi原子团簇.实验结果表明,可以通过改变生长温度来精细控制Bi原子团簇的密度,当温度升高100℃,密度从1.05×10^(11)cm^(-2)降低至2.5×10^(7)cm^(-2),实现对团簇密度4个数量级的可控调节,并且发现Bi原子团簇密度对生长温度的依赖性符合经典成核理论.其次,分别在10 s、15 s、20 s的沉积时长下,制备了密度相同、尺寸各异的Bi原子团簇.实验结果表明,可以通过改变沉积时长来精细控制Bi原子团簇的尺寸:当沉积时长增加10 s,高度和直径分别从8.5 nm和65 nm增大到13.7 nm和100 nm,实现对团簇尺寸在10 nm高度、80 nm直径范围的可控调节,并且发现Bi原子团簇尺寸对沉积时长的依赖性符合晶体生长动力学.与分子束外延制备传统的Ⅲ族(Al,Ga,In)原子团簇做对比,这些结果可以为制备Ⅴ族原子团簇提供实验参考和指导,从而促进纳米级含Bi材料的制备.

分子束外延设备国内外进展及展望

分子束外延(MBE)设备具有超高真空、超高精度、超高均匀性薄膜沉积等特点,是化合物半导体材料、器件制造的核心工艺装备,被广泛用于固态微波射频器件、半导体激光器、探测器等外延薄膜制备。本文在简要介绍MBE设备及技术特点的基础上,首先详细阐述了Riber、Veeco、DCA等国际知名厂商的MBE设备发展历程及产品现状;接着对中国电科48所(CETC48)、沈阳科仪(SKY)、费勉仪器(FERMI)等国内代表性厂商的MBE设备国产化进展情况进行介绍;最后对MBE技术的未来发展趋势进行了展望,并指出当前MBE设备国产替代恰逢其时,需要抓住机遇,克服挑战,快速推进我国MBE设备的技术迭代和产业化应用,为我国科技自立自强提供重要支撑。

分子束外延HgTe/CdTe超晶格工艺研究

报道了分子束外延生长HgTe/CdTe超晶格结构相关技术。采用HgTe/CdTe超晶格结构进行As掺杂是降低As掺杂元素激活温度的技术路径之一。本文采用分子束外延技术在3 in硅衬底上获得了HgTe/CdTe超晶格结构材料,并采用250℃低温退火获得了激活的原位As掺杂碲镉汞材料。

晶格匹配InAs/AlSb超晶格材料的分子束外延生长研究

InAs/GaSb超晶格是量子级联激光器(quantum cascade lase,QCL)和带间级联激光器(interband cascade lasers,ICL)结构中重要的组成,特别是作为ICL的上下超晶格波导层是由大量的超薄外延层(纳米量级)交替生长而成,细微的晶格失配便会直接导致材料晶体质量变差,而且每层的厚度和组分变化会强烈影响材料结构性能.论文研究验证了InAs/GaSb超晶格材料生长的最佳温度约在420℃.通过在衬底旋转的情况下生长40周期短周期GaSb/AlSb和InAs/GaSb超晶格,并采用XRD测量拟合获得了GaSb和AlSb层厚分别为5.448 nm和3.921 nm,以及InAs和GaSb层厚分别为8.998 nm和13.77 nm,误差在10%以内,获得了InAs/AlSb超晶格的生长最优条件.在GaSb衬底上生长晶格匹配的40周期的InAs/AlSb超晶格波导层,充分考虑飘逸As注入对InAs/AlSb超晶格平均晶格常数的影响,在固定SOAK时间为3 s的条件下,通过变化As压为1.7×10^(-6)mbar来调整个超晶格的平均晶格常数,实现了其与GaSb衬底晶格匹配.实验结果表明超晶格零阶卫星峰和GaSb衬底峰重合,具有完美的晶格匹配,尖锐的次阶卫星峰和重复性良好的周期结构也表明优异的超晶格材料结构质量.

金属调制分子束外延生长氮化铝薄膜

本文利用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)系统,对常规连续外延生长和金属调制外延(MME)生长AlN薄膜进行研究。研究发现:常规连续外延方法生长模式不易控制,容易出现过度富Al和富N模式生长,而且微富Al模式生长还会出现一些凹坑,表面形貌较粗糙;然而利用MME方法生长AlN薄膜,通过精准调控Al源和N源快门打开、关闭时间,可以获得形貌较好的AlN薄膜。通过调整优化获得的MME方案为:首先Al源快门打开30 s,然后Al源和N源快门打开60 s,最后单独打开N源快门72 s;单一周期内,Al源快门打开时间与N源快门打开时间比例为0.7。以上述方案为一个周期进行循环生长40个周期,可获得粗糙度低至0.3 nm(2μm×2μm),几乎无凹坑的AlN薄膜。

分子束外延Mn_(4)N单晶薄膜的反常霍尔效应研究

Mn_(4)N是立方相的反钙钛矿型晶体,具有显著的亚铁磁性和反常霍尔效应.该文利用等离子辅助分子束外延在MgO(100)衬底上生长厚度为40 nm的Mn_(4)N(100)单晶薄膜,通过X射线衍射θ扫描和φ扫描,证实外延层的结构符合Mn_(4)N单晶的空间结构特征;化学态测试结果表明Mn_(4)N(100)薄膜内部存在Mn^(0)、Mn^(2+)和Mn^(4+)等几种价态,其实际化学式为Mn_(3.6)N,薄膜中存在富余的N元素;电学测试数据表明Mn_(4)N(100)薄膜具有以电子为载流子的反常霍尔效应(在正磁场中得到负的霍尔电阻率),正常霍尔效应的贡献约占千分之六,其反常霍尔电阻率随着测试温度升高5 K~350 K单调增大,说明温度升高导致电子散射现象加剧.通过对测试数据分析可以推断,在5 K~50 K和50 K~75 K温度范围,反常霍尔效应的来源可分别归结为电子斜散射机制和电子边跳机制.在75 K~350 K这一温度范围内,反常霍尔效应主要来源于与能带结构相关的内禀机制.

分子束外延高Al组分AlGaN薄膜及Si掺杂研究

实现电学性能优良的高Al组分AlGaN外延层是制备深紫外光电器件最重要的环节之一。本工作利用分子束外延(MBE)技术,基于周期热脱附的生长方式,通过改变Al源供应量调控Al组分,并用Si进行n型掺杂,在AlN/蓝宝石衬底上得到了系列高Al组分的Si-Al_(x)Ga_(1-x)N外延层(x>0.60)。对外延层相关物理性质进行了表征测试,结果表明,外延层Al组分与生长过程中Al束流大小呈现线性关系,这为制备精确Al组分的AlGaN外延层奠定了基础。AFM结果表明,高Al组分AlGaN外延层的表面形貌强烈依赖于Ga的供应量,在生长过程中提高Ga束流可以显著降低外延层的粗糙度。基于范德堡法测量Si-AlGaN外延层电学性能,证实其载流子特性良好,其中Al组分为0.93的样品室温下自由电子浓度、电子迁移率和电阻率分别达到了8.9×10^(18)cm^(-3)和3.8 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)和0.18Ω·cm。

分子束外延In掺杂硅基碲镉汞研究

利用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)系统生长了In掺杂硅基碲镉汞(Mercury Cadmium Telluride, MCT)材料。通过控制In源温度获得了不同掺杂水平的高质量MCT外延片。二次离子质谱仪(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS)测试结果表明,In掺杂浓度在1×1015~ 2×1016 cm-3之间。表征了不同In掺杂浓度对MCT外延层位错的影响。发现位错腐蚀坑形态以三角形为主(沿<111>方向排列),且位错密度与未掺杂样品基本相当。对不同In掺杂浓度的材料进行汞饱和低温处理后,样品的电学性能均有所改善。结果表明,In掺杂能够提高材料的均匀性,从而获得较高的电子迁移率。

CdSeTe分子束外延技术研究

对HgCdTe红外探测器CdSexTe1-x衬底材料的分子束外延生长条件、组分调整等进行了简单介绍。生长条件包括生长结构(主要有CdSexTe1-x/CdTe/ZnTe/Si、CdSexTe1-x/ZnTe/GaAs等)、生长温度(300℃左右)、生长厚度(5μm左右)等。组分调整包括分析Se组分随(JSe+JTe)/JCd和JSe/(JSe+JTe)的变化。JSe/(JSe+JTe)值较小时,Se组分较难融入外延层;JSe/(JSe+JTe)值较大时,Se组分增长较迅速。同时,若JSe/(JSe+JTe)值较小,则Se组分增长趋势相对较易控制。当JSe/(JSe+JTe)值一定时,Se组分随着(JSe+JTe)/JCd的减小而增大。Se组分变化的突增点随(JSe+JTe)/JCd值的减小而增大。本文可为高性能HgCdTe红外探测器的制备提供一定的参考。

高质量半导体-超导体纳米线原位分子束外延和低温量子输运研究进展

局域环境和量子比特之间的相互作用引起的量子退相干是目前限制量子计算发展的主要技术瓶颈。基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算通过将量子信息非局域地存储于两个空间分离的马约拉纳零能模及其拓扑结构中,实现对局域噪音的免疫,有望从物理层面解决量子退相干问题。强自旋轨道耦合窄禁带半导体与超导体构成的异质结纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台。本文综述了近年来高质量半导体-超导体纳米线的原位分子束外延制备和低温量子输运研究进展,并对半导体-超导体纳米线拓扑量子计算研究进行了展望。

分子束外延(MBE)生长方程标度奇异性的动力学重整化群分析

采用表面界面生长方程动力学标度奇异性的动力学重整化群理论,分析了线性和非线性分子束外延生长方程(molecular-beam epitaxy(MBE))的动力学标度奇异性.结果表明,生长方程的动力学标度性质与基底的维数d有关,只有d的取值满足一定条件时,生长方程才会出现奇异动力学标度行为,这和使用直接标度分析方法得到的结果一致.

锗锡薄膜的分子束外延生长及退火研究

无应变锗锡(GeSn)合金在Sn的摩尔组分高于8%时能够转变为直接带隙材料,适合于制备硅基光电子器件.分子束外延(MBE)在高纯度GeSn制备、Sn组分和异质界面的精确调控上具有巨大的优势.然而,由于Sn在Ge中的固溶度低(<1%)、Ge与α-Sn晶格失配大(约14.7%),高Sn组分、应变弛豫直接带隙GeSn薄膜材料的MBE制备仍是一个巨大的挑战.本文综述了MBE制备高Sn组分GeSn薄膜及弛豫GeSn薄膜压应变的相关研究.首先介绍了低温MBE技术外延高Sn组分GeSn薄膜的方法及生长应变弛豫GeSn薄膜的挑战.之后给出GeSn薄膜的快速热退火行为与厚度的依赖关系,基于临界厚度模型捋清了退火过程中GeSn薄膜的应变弛豫与Sn偏析的竞争机制;最后介绍了快速热退火对GeSn薄膜发光特性的影响,提出采用快速热退火制备应变弛豫的Sn组分渐变GeSn异质结,通过载流子自限制增强MBE生长GeSn薄膜的光致发光强度.

半导体单量子点的分子束外延生长及调控

Ⅲ-Ⅴ化合物半导体外延单量子点具有类原子的分立能级结构,能够按需产生单光子和纠缠多光子态,而且可以直接与成熟的集成光子技术结合,因此被认为是制备高品质固态量子光源、构建可扩展性量子网络最有潜力的固态量子体系之一。本综述的重点是介绍高品质单量子点的分子束外延生长及精确调控的方法。首先介绍了晶圆级均匀单量子点的分子束外延生长,并探讨了调控浸润层态和量子点对称性的生长方法;接下来概述了利用应变层调控量子点发射波长的方法,总结了几种常见的电调控单个量子点器件的设计原理;最后讨论了最近为实现优异量子点光源而开发的液滴外延生长技术。

几种改进的分子束外延(MBE)技术

本文介绍了最近几年来发展的几种改进的分子束外延(MBE)生长技术,包括间隔生长技术、温度开关技术、迁移增强外延(MEE)、气源分子束外延(GSMBE)等。比较详细地介绍了它们的原理,并给出了主要实验结果。

分子束外延(MBE)技术的最新发展

本文综述了分子束外延技术在人造结构材料及器件上的应用,重点在于用分子束外延制备掺杂超晶格;应变层结构,无针孔硅化物和单晶二氧化硅等人造结构材料及器件。介绍了迁移增强外延(MEE)、间隔生长和温度开关等改进的 MBE技术。展望了分子束外延的发展。

分子束源炉加热丝温度控制算法研究

分子束源炉工作过程中,由于内部温度场受到多种复杂因素的干扰,导致温度控制精度与稳定性下降,影响束流质量。源炉温度变化滞后性及非线性的特点使得常规PID控制参数整定不良、性能欠佳,达不到良好的控制效果。针对以上问题,提出一种复合温度控制算法,将遗传算法和变域模糊控制与PID相结合,基于变域理论调节模糊PID控制过程中变量论域的比例因子,实现了PID控制参数的自适应调节,又利用遗传算法优化PID控制的初始参数,提高了PID控制的自整定能力。通过在源炉设备上的实验结果表明,该算法自适应能力强,调整时间短,控制精度达到了0.1℃,能够满足分子束源炉温度控制系统的实际应用需求。

高性能分子束外延用束源炉的研制

介绍了国产分子束外延设备的最新研制进展,自主设计制造的标准束源炉、掺杂束源炉、砷阀控裂解源、磷阀控裂解源最高工作温度1300℃,控温精度优于±0.1℃,温度稳定性优于±0.1℃。并采用专利技术一种坩埚可伸缩的束源炉实现在不破坏生长室真空环境的前提下补充源料,有效减少停机时间,提高工艺效率。

Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)薄膜的分子束外延生长及其光学和电子输运性能表征

本文采用分子束外延技术,通过对金属分子束的精确控制,在MgO(002)基底上成功生长了Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)合金薄膜.高分辨率单晶X光衍射仪表征结果表明Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)合金薄膜仍是以(400)Zn_(3)N_(2)为主导的复合晶体结构,对衍射数据的分析得到该薄膜晶粒尺寸小.用扫描电子显微镜和能谱射线分析仪对其表面和成分做了深入的分析和讨论,在固定的金属流量比的生长环境下,不同厚度的样品在成膜后x均为0.65,化学通式Zn_(2.35)Ga_(0.65)N_(2).该结果表明Ga元素属于重度掺杂,同时也体现了分子束外延技术在共掺杂技术中的优越性.本文也测量并讨论了Zn_(2.35)Ga_(0.65)N_(2)薄膜的光学性能,实验得到的1.85 eV的光学带隙与理论推算基本吻合,说明Ga的掺入有Ga-N结构的形成.同时也说明,Ga元素的掺入,实现了对Zn_(3)N_(2)薄膜的光学带隙的调控.最后对该薄膜的电子输运性能进行表征,测量结果表明其为p型半导体薄膜.本文的实验技术和结果也为今后对Zn类化合物半导体的研究奠定了基础.

图形化衬底对高In组分InGaN材料分子束外延(MBE)生长的影响

研究了不同衬底上MBE技术生长的InGaN的光学和结构特征。结果表明,在相同生长条件下,用图形化衬底生长的InGaN材料比用普通衬底生长的材料有较低的表面粗糙度和背景载流子浓度及较强的发光强度。通过透射电子显微镜(TEM)观察,发现普通衬底生长的InGaN内部原子错排现象严重,而采用图形化衬底生长的InGaN原子排列清晰规则。这主要是因为图形化衬底材料外延初期为横向生长模式,这种生长模式可有效地抑制穿透位错在GaN材料体系中的纵向延伸,降低GaN缓冲层中的位错密度,进而抑制外延InGaN材料中穿透位错和V型缺陷的产生。