硅碳比对Si(111)表面SSMBE异质外延SiC薄膜的影响

利用固源分子柬外延(SSMBE)生长技术,在不同的硅碳蒸发速率比(Si/C)条件下,在Si(111)衬底上生长SiC单晶薄膜.利用反射式高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)等实验技术,对生长的样品形貌和结构进行了研究.结果表明,在Si/C比(1.1:1.0)下生长的薄膜样品,XRDω扫描得到半高宽为2.1°;RHEED结果表明薄膜具有微弱的衍射环,有孪晶斑点.在Si/C比(2.3:1.0)下生长的薄膜,XRDω扫描得到的半高宽为1.5°,RHEED显示具有Si的斑点和SiC的孪晶斑点.AFM显示在这两个Si/C比下生长的样品表面都有孔洞或者凹坑,表面比较粗糙.从红外光谱得出薄膜存在着比较大的应力.但在Si/C比(1.5:1.0)下生长的薄膜样品,XRDω扫描得到的半高宽仅为1.1°;RHEED显示出清晰的SiC的衍射条纹,并可看到SiC的3×3表面重构,无孪晶斑点;AFM图像表明,没有明显的空洞,表面比较平整.FTIR谱的位置显示,在此Si/C比下生长的薄膜内应力比较小.因此可以认为,存在着一个优化的Si/C比(1.5:1.0),在这个Si/C比下,生长的薄膜质量较好.

蒸发速率对Si衬底上SSMBE外延SiC薄膜的影响

采用固源分子束外延(SSMBE)生长技术,用不同的蒸发速率,在Si(111)衬底上生长SiC薄膜。利用反射式高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)等实验技术,对生长的样品的形貌和结构进行研究。结果表明,在优化的蒸发速率(1.0 nm.min-1)下,所生长的薄膜质量最好。低的蒸发速率(0.25 nm.min-1)难以抑制孔洞的形成,衬底的Si原子可通过这些孔洞扩散到样品表面,导致结晶质量变差。在高的蒸发速率(1.8 nm.min-1)下,以岛状方式生长甚至以团簇聚集,表面的原子难以迁移到最佳取向的平衡位置,导致样品表面粗糙度变大,薄膜的结晶质量变差,甚至出现多晶。

预沉积Ge对Si(111)衬底上SSMBE外延生长SiC薄膜的影响

利用固源分子束外延(SSMBE)生长技术,在Si(111)衬底上预沉积不同厚度(0、0.2、1nm)Ge,在衬底温度900℃,生长SiC单晶薄膜.利用反射式高能电子衍射仪(RHEED)、原子力显微镜(AFM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)等实验技术,对生长的样品进行了研究.结果表明,预沉积少量Ge(0.2nm)的样品,SiC薄膜表面没有孔洞存在,AFM显示表面比较平整,粗糙度比较小,FTIR结果表明薄膜内应力比较小.这说明少量Ge的预沉积抑制了孔洞的形成,避免衬底Si扩散,因而SiC薄膜的质量比较好.没有预沉积Ge的薄膜,结晶质量比较差,SiC薄膜表面有孔洞且有Si存在.然而预沉积过量Ge(1nm)的样品,由于Ge的岛状生长,导致生长的SiC表面粗糙度变大,结晶质量变差,甚至导致多晶产生.

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。

坩埚表面辐射率对分子束源炉温度场的影响

坩埚表面辐射率是影响坩埚性能的关键因素,直接决定了分子束外延的成膜质量,而错误的选型设计会降低坩埚性能。对分子束源炉内部复杂热场开展了机理研究和数值仿真计算,获得了坩埚表面辐射率对分子束源炉温度场的影响规律。研究发现降低坩埚表面辐射率可减少向外辐射热量,提高保温效果。采用ANSYS仿真分析源炉坩埚内部的温度场,发现坩埚埚口区域温度随着发射率的增加而降低:当发射率从0.05增加到0.95时,坩埚埚口区域温度最高降低90℃,验证了机理分析的结果。通过防氧化处理、精细抛光和表面喷涂特种涂料等处理方式降低坩埚材料表面粗糙度,能够降低坩埚表面辐射率。

基于玻璃管密封技术的碱金属蒸发源研究

碱金属掺杂对分子束外延生长的半导体材料有着非常重要的作用。现有的碱金属蒸发源以碱金属释放剂为原材料,蒸发的碱金属量较少,不能满足半导体材料外延生长过程中多次掺杂对碱金属量的需求,因此,自主研究开发了一种通过玻璃管密封碱金属单质获得大量碱金属的蒸发源,其碱金属质量可达2 g,比现有的碱金属蒸发源的碱金属含量(5 mg)提高了近2个量级。在手套箱中将碱金属单质放置在开口处带有球阀的玻璃管内,取出后连接真空泵组抽气处理,再将玻璃管旋转加热完成拉丝密封。封装后的玻璃管放置在蒸发源内部,使用时旋转挡板击碎玻璃管口进行蒸发镀膜。该碱金属蒸发源主要由原材料放置组件、灯丝加热组件、旋转挡板组件和电源控温组件等组成。对加热电源的电路进行非线性整定的PID控制,实现了5 min内将蒸发源的温度误差控制在±0.1 K以内的目标,稳定的温度可以提高分子束束流的稳定性,从而提高分子束外延膜的均匀性。试验证明,碱金属蒸发源可以蒸镀出碱金属,非线性整定PID调节器可以满足分子束外延生长对蒸发源控温精度的要求。

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。

确定性固态量子光源基础材料与器件

量子光源是量子通信和光量子计算的基础模块。光子的单光子性保证了通信的无条件安全,光子的高不可分辨性保证了计算方案的复杂度。在各类固态材料候选体系中,基于半导体量子点体系的单光子源和纠缠光子源保持着量子光源品质的最高纪录,展现了巨大的潜力。分子束外延是目前最适合制备固态半导体量子点的生长方法,超高真空、超纯材料、原位监测和生长过程中参数的高度可控等特点使其优势明显。为了实现同时具备高效率、高单光子纯度、高不可分辨性和高纠缠保真度的量子光源,量子点的材料生长、外部调控、钝化技术和测量技术等都需要系统优化提升。本文将综述基于分子束外延生长实现固态量子点体系量子光源的基础材料与器件的研究进展,讨论两种常见量子点的制备原理以及外延生长中各类参数对量子点品质的影响,包括背景真空、源料纯度、衬底温度、生长速率和束流比等。本文随后简介了外部调控、表面钝化、测量技术等手段优化量子光源器件性能的技术细节和实验进展,最后对量子光源在基础科学研究和量子网络构建中取得的进展进行总结,并对其实际应用与发展前景进行展望。

Si(111)衬底上3C-SiC的固源MBE异质外延生长

国内首次利用固源分子束外延(MBE)技术,在衬底温度为1100℃时,以Si(111)为衬底成功地外延生长出了3C-SiC单晶薄膜。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)以及原位反射高能电子衍射(RHEED)等手段研究了外延薄膜的晶型、结晶质量、外延膜与衬底的外延取向关系,并考察了薄膜制备过程中衬底的碳化对薄膜质量的影响。结果表明,外延膜与衬底晶格取向完全一致;碳化可以减小SiC和衬底Si之间的晶格失配、释放应力、引入成核中心,有利于薄膜单晶质量的提高;碳化温度存在最佳值,这一现象与成核过程有关。

衬底温度对Si(111)衬底上MBE异质外延3C-SiC薄膜的影响

利用固源分子束外延(SSMBE)技术,在Si(111)衬底上异质外延生长3C-SiC单晶薄膜,通过RHEED、XRD、AFM、XPS等实验方法研究了衬底温度对薄膜结构、形貌和化学组分的影响.研究结果表明,1000℃生长的样品具有好的结晶质量和单晶性.在更高的衬底温度下生长,会导致大的孔洞形成,衬底和薄膜间大的热失配使降温过程中薄膜内形成更多位错,从而使晶体质量变差.在低衬底温度下生长,由于偏离理想的化学配比也会导致薄膜的晶体质量降低.

Si(111)衬底上多层石墨烯薄膜的外延生长

利用固源分子束外延(SSMBE)技术,在Si(111)衬底上沉积碳原子外延生长石墨烯薄膜,通过反射式高能电子衍射(RHEED)、红外吸收谱(FTIR)、拉曼光谱(RAMAN)和X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)等手段对不同衬底温度(400、600、700、800℃)生长的薄膜进行结构表征.RAMAN和NEXAFS结果表明:在800℃下制备的薄膜具有石墨烯的特征,而400、600和700℃生长的样品为非晶或多晶碳薄膜.RHEED和FTIR结果表明,沉积温度在600℃以下时C原子和衬底Si原子没有成键,而衬底温度提升到700℃以上,沉积的C原子会先和衬底Si原子反应形成SiC缓冲层,且在800℃沉积时缓冲层质量较好.因此在Si衬底上制备石墨烯薄膜需要较高的衬底温度和高质量的SiC缓冲层.

不同衬底温度下预沉积Ge对SiC薄膜生长的影响

分别在未沉积Ge和不同衬底温度(300、500、700℃)沉积Ge条件下,利用固源分子束外延(SSMBE)技术在Si衬底上外延SiC薄膜。通过反射式高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等仪器对样品进行测试。测试结果表明,预沉积Ge的样品质量明显好于未沉积Ge的样品,而且随着预沉积温度的升高,薄膜的质量在逐渐地变好。

波长延伸(1.7～2.7μm)InGaAs高速光电探测器的研制

采用气态源分子束外延方法和化合物半导体工艺研制了波长延伸的InGaAs探测器,其室温下的截止波长已由1.7μm拓展至2.7μm。对此探测器系列的特性进行了细致的测量表征,结果表明此类探测器十分适合在室温条件下工作,且在热电制冷温度下其性能可大为改观。瞬态特性测量结果表明此探测器系列可在高速下工作,实测响应速度已达数十ps量级,可以满足此波段激光雷达等方面的需要。

重碳掺杂p型GaAsSb的GSMBE生长及其特性

以四溴化碳(CBr4)作为碳掺杂源,采用气态源分子束外延(GSMBE)技术生长了InP衬底上晶格匹配的重碳掺杂p型GaAsSb材料.通过改变CBr4压力,研究了掺杂浓度在(1～20)×1019cm-3范围内的掺杂特性,得到的最大掺杂浓度为2.025×1020cm-3,相应的空穴迁移率为20.4cm2/(V.s).研究了不同生长温度对掺碳GaAsSb外延层组分、晶格质量和表面粗糙度的影响,结果表明480℃是生长优良晶格质量的最优温度.

ZnO材料的生长及表征

氧化锌材料是新一代宽禁带光电子半导体材料和场致发射材料,通过等离子体分子束外延设备,在a plane的蓝宝石衬底上生长了高质量的氧化锌外延材料。在生长过程中用反射高能电子束衍射仪(RHEED),研究了生长时材料薄膜的表面形貌。为了使材料更好地应用于器件,研究了材料的掺杂性质。研究了给体束缚激子(Donorboundexciton(DX))、自由激子(Freeexciton(EX))和受体束缚激子(Acceptorboundexciton(AX))随温度变化的发光过程。用紫外 可见透射光谱研究了ZnO薄膜材料的透射光谱性质。结果表明,用分子束外延生长设备成功地生长了高质量的氧化锌薄膜材料。

新结构InGaP/GaAs/InGaP DHBT生长及特性研究

设计并生长了一种新的InGaP/GaAs/InGaP DHBT结构材料,采用在基区和集电区之间插入n+-InGaP插入层结构,以解决InGaP/GaAs/InGaP DHBT集电结导带尖峰的电子阻挡效应问题。采用气态源分子束外延(GSMBE)技术,通过优化生长条件,获得了高质量外延材料,成功地生长出带有n+-InGaP插入层结构的GaAs基InGaP/GaAs/InGaP DHBT结构材料。采用常规的湿法腐蚀工艺,研制出发射极面积为100μm×100μm的新型结构InGaP/GaAs/InGaP DHBT器件。直流特性测试的结果表明,所设计的集电结带有n+-InGaP插入层的InGaP/GaAs/InGaP DHBT器件开启电压约为0.15V,反向击穿电压达到16V,与传统的单异质结InGaP/GaAs HBT相比,反向击穿电压提高了一倍,能够满足低损耗、较高功率器件与电路制作的要求。

带有阶梯缓变集电区的InP/InGaAs/InP DHBT材料研究

设计并生长了一种新的InP/InGaAs/InP DHBT结构材料,采用在基区和集电区之间插入两层不同禁带宽度的InGaAsP四元系材料的阶梯缓变集电结结构,以解决InP/InGaAs/InP DHBT集电结导带尖峰的电子阻挡效应问题。采用气态源分子束外延(GSMBE)技术,通过优化生长条件,获得了高质量的InP、InGaAs以及与InP晶格相匹配的不同禁带宽度的InGaAsP外延材料。在此基础上,成功地生长出带有阶梯缓变集电区结构的InP基DHBT结构材料。

Ⅱ-Ⅵ族宽禁带蓝绿色发光器材料的MBE研究

本文报道ＺｎＳｅ基ⅡⅥ族宽带发光材料分子束外延系统的建立、ｐ型掺杂用等离子体活性氮源的研制、两性掺杂的ＺｎＳｅ材料的生长。实验证明国产ＭＢＥ设备能够自洽生长优质ＺｎＳｅ单晶薄膜；用自制的等离子体活性氮源作受主掺杂剂，获得了ｐＺｎＳｅ单晶薄膜，经ＣＶ测量发现，［Ｎａ］［Ｎｄ］高达～５×１０１７·ｃｍ－３；用国产粉末状ＺｎＣｌ２源作施主掺杂剂，获得了ｎＺｎＳｅ单晶薄膜，Ｈａｌ测量表明［ｎ］高达～２３×１０１９·ｃｍ－３。生长速度均控制在～０５μｍ／ｈ。

全固源分子束外延InAsP/InGaAsP多量子阱1.55μm激光器

利用新型全固源分子束外延技术 ,对 1 .5 5 μm波段的 In As P/ In Ga As P应变多量子阱结构的生长进行了研究。实验表明 ,较低的生长温度或较大的 / 束流比有利于提高应变多量子阱材料的结构质量 ,而生长温度对材料的光学特性有较大的影响。在此基础上生长了分别限制多量子阱激光器结构 ,制作的氧化物条形宽接触激光器实现了室温脉冲工作 ,激射波长为 1 5 63 nm,阈值电流密度为 1 .4k A/ cm2 。这是国际上首次基于全固源分子束外延的 1 .5 5 μm波段 In As P/ In Ga As

GS-MBE生长的GaP/Si的XPS研究

利用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）深度剖析方法对气体源分子束外延（ＧＳ－ＭＢＥ）生长的ＧａＰ／Ｓｉ异质结构进行了详细的分析．其结果表明：（１）外延层内Ｇａ、Ｐ光电子峰与ＧａＰ相相符，且组份分布均匀，为正化学比ＧａＰ．（２）在不同富ＰＨ３流量条件下生长的样品，其表面富Ｐ量稍有不同，而ＧａＰ外延层内的测试结果相同．界面也未见有Ｐ的富集．（３）ＸＰＳ剖析至ＧａＰ／Ｓｉ界面附近，随外延层界面向衬底过渡，Ｓｉ２ｐ光电子峰向高结合能方向移动，且其结合能高于原衬底ｐ型Ｓｉ，接近于ｎ型Ｓｉ．但Ｇａ、Ｐ光电子峰未发现有明显能移．（４）在ＸＰＳ检测限内，外延层内和界面都未见有Ｃ、Ｏ等沾污．这一研究表明：无污染的本底超高真空、相对过剩的富ＰＨ３生长环境、成功的Ｓｉ衬底清洗方法等措施保证了ＧＳ－ＭＢＥ生长出正化学比ＧａＰ／Ｓｉ外延异质结构．