張賀良

摘要： MBE是分子束外延是一種新的晶體生長技術(shù)的簡稱，高性能大面陣中波及短波紅外探測器在領(lǐng)域內(nèi)也隨著技術(shù)的發(fā)展而得到更多的應用。碲鎘汞材料的質(zhì)量及參數(shù)控制是當前研究的焦點所在。筆者將以本文對MBE生長碲鎘汞材料的研究現(xiàn)狀分析討論，具體報道如下。

關(guān)鍵詞： 分子束外延;MBE生長碲鎘汞;應用;現(xiàn)狀

【中圖分類號】TN304.2【文獻標識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）12-0227-01

1MBE生長碲鎘汞材料的概述

50年代有了真空蒸發(fā)技術(shù)制備半導體薄膜材料，在此基礎(chǔ)上逐步研發(fā)了分子束外延，隨著時代的進步，超高真空技術(shù)得到了發(fā)展和廣泛應用，超晶格器件也從分子束外研技術(shù)中分化出來，半導體科學迎來了新紀元。而MBE是將半導體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中。由分別加熱到相應溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。分子束外延主要研究的是不同結(jié)構(gòu)或不同材料的晶體和超晶格的生長。分子束外延的優(yōu)點就是能夠制備超薄層的半導體材料，外延材料表面形貌好，而且面積較大均勻性較好，而且可以制成不同摻雜劑或不同成份的多層結(jié)構(gòu)。再加上外延生長的溫度較低，有利于提高外延層的純度和完整性，利用各種元素的粘附系數(shù)的差別，可制成化學配比較好的化合物半導體薄膜。

2MBE生長碲鎘汞材料的國內(nèi)外發(fā)展

MBE的應用是在70年代初期，當真空設(shè)備商品化之后才擁有了應用空間。分子束外延的重要階段性成果就是摻雜超晶格和應變層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。摻雜超晶格是一種周期性摻雜的半導體結(jié)構(gòu)。通過周期性摻雜的方法來調(diào)制半導體的能帶結(jié)構(gòu)。摻雜超晶格的有效制備方法是摻雜技術(shù)，該技術(shù)就是定義在一個原子平面上進行摻雜。在襯底材料生長停止的條件下，生長一個單原子層的摻雜劑，這個單原子層的雜質(zhì)通過高溫工藝或分凝便形成一個摻雜區(qū)，因而界面非常陡峭，二維電子氣的濃度和遷移率都增大。用MBE技術(shù)，在外延層晶格失配小于某一臨界條件下，生長出高質(zhì)量外延層，這種結(jié)構(gòu)為應變層結(jié)構(gòu)。應變層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)豐富了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的種類。因為晶格常數(shù)匹配的半導體材料很有限，而應變層結(jié)構(gòu)可使晶格常數(shù)相關(guān)較大的半導體進行組合，使兩種材料都充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。應變層結(jié)構(gòu)具有晶格匹配結(jié)構(gòu)的所有優(yōu)點，可制作量子霍爾器件。隨著技術(shù)的進步以及半導體材料應用范圍的擴大，世界上多個國家對MBE技術(shù)都展開了研究，其中以日本、美國、英國、法國、德國以及我國臺灣見長，日本對其研究的更為密切，包括日本日立公司、東京工學院電學與電子工程系、東京大學以及日本理化研究所半導體實驗室和日本NTT光電實驗室，我國臺灣對此研究主要由臺灣大學電子工程系為首。

3MBE技術(shù)的應用及研究重難點

分子束外延作為已經(jīng)成熟的技術(shù)早已應用到了微波器件和光電器件的制作中。但由于分子束外延設(shè)備昂貴而且真空度要求很高，所以要獲得超高真空以及避免蒸發(fā)器中的雜質(zhì)污染需要大量的液氮，因而提高了日常維持的費用。

MBE能對半導體異質(zhì)結(jié)進行選擇摻雜，大大擴展了摻雜半導體所能達到的性能和現(xiàn)象的范圍。調(diào)制摻雜技術(shù)使結(jié)構(gòu)設(shè)計更靈活。但同樣對與控制、平滑度、穩(wěn)定性和純度有關(guān)的晶體生長參數(shù)提出了嚴格的要求，如何控制晶體生長參數(shù)是應解決的技術(shù)問題之一。

MBE技術(shù)自1986年問世以來有了較大的發(fā)展，但在生長III-V族化合物超薄層時，常規(guī)MBE技術(shù)存在兩個問題：①生長異質(zhì)結(jié)時，由于大量的原子臺階，其界面呈原子級粗糙，因而導致器件的性能惡化;②由于生長溫度高而不能形成邊緣陡峭的雜質(zhì)分布，導致雜質(zhì)原子的再分布（尤其是p型雜質(zhì)）。其關(guān)鍵性的問題是控制鎵和砷的束流強度，否則都會影響表面的質(zhì)量。這也是技術(shù)難點之一。

4MBE技術(shù)的影響及展望

在超薄層材料外延生長技術(shù)方面，MBE的問世，使原子、分子數(shù)量級厚度的外延生長得以實現(xiàn)，開拓了能帶工程這一新的半導體領(lǐng)域。半導體材料科學的發(fā)展對于半導體物理學和信息科學起著積極的推動作用。它是微電子技術(shù)，光電子技術(shù)，超導電子技術(shù)及真空電子技術(shù)的基礎(chǔ)。歷史地看，外延技術(shù)的進展和用它制成所要求的結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代半導體器件的發(fā)展中起了不可缺少的作用。MBE的出現(xiàn)，無疑激發(fā)了科學家和工程師們的想象力，給他們提供了挑戰(zhàn)性的機會。分子束外延技術(shù)的發(fā)展，推動了以GaAs為主的III-V族半導體及其它多元多層異質(zhì)材料的生長，大大地促進了新型微電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，其對軍事應用中有著極其重要的意義，MBE技術(shù)的應用及發(fā)展對新型相控陣雷達、陣列化電子戰(zhàn)設(shè)備、靈巧武器和超高速信號處理、軍用計算機等方面起著重要的作用。光電器件在軍事上的應用，已成為提高各類武器和通信指揮控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高系統(tǒng)的生存能力也有著特別重要的作用。主要包括激光器，光電探測器，光纖傳感器，電荷耦合器件（CCD）攝像系統(tǒng)和平板顯示系統(tǒng)等。它們被廣泛地應用于雷達、定向武器、制導尋的器、紅外夜視探測、通信、機載艦載車載的顯示系統(tǒng)以及導彈火控、雷達聲納系統(tǒng)等。而上述光電器件的關(guān)鍵技術(shù)與微電子、微波毫米波器件的共同之處是分子束外延，金屬有機化合物汽相淀積等先進的超薄層材料生長技術(shù)。行家認為未來半導體光電子學的重要突破口將是對超晶格、量子阱（點、線）結(jié)構(gòu)材料及器件的研究，其發(fā)展?jié)摿o可估量。未來戰(zhàn)爭是以軍事電子為主導的高科技戰(zhàn)爭，其標志就是軍事裝備的電子化、智能化。而其核心是微電子化。以微電子為核心的關(guān)鍵電子元器件是一個高科技基礎(chǔ)技術(shù)群，而器件和電路的發(fā)展一定要依賴于超薄層材料生長技術(shù)如分子束外延技術(shù)的進步。

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