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[转载]MBE/MOCVD专题

已有 1766 次阅读 2023-4-12 10:02 |个人分类:科研资讯|系统分类:博客资讯|文章来源:转载

期刊封面由静远嘲风设计制作

编者按

半导体在集成电路、消费电子、移动通信、固态照明、绿色能源、医疗卫生、国防军工等重大领域及人工智能、量子信息、物联网、大数据、云计算等新兴领域应用广泛。半导体行业是国民经济的支柱产业之一，已被列为国家战略性新兴产业。全球半导体市场年产值已接近万亿美元。不断增长的市场需求对半导体器件的性能、功能、能耗、尺寸、稳定性、可靠性、集成度、良率、成本和产量等提出了更高的要求。半导体材料的外延是器件制备的基础所在，也是器件实用化的关键环节。为满足高能效半导体器件的研发需求，半导体材料的外延必须实现晶体质量、位错密度、缺陷密度、应力状态、掺杂浓度、微观结构、化学组成等的精准调控。基于此，金属有机物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）已成为化合物半导体材料及其器件结构的主流外延技术。

MOCVD 是由美国洛克威公司的 Manasevit 等人在气相外延生长的基础上于 1968 年提出的一种生长单晶薄膜的新技术。自 21 世纪初，MOCVD 技术飞速发展，目前已成为化合物半导体材料制备的关键技术之一，被广泛应用于发光二极管（LED）、激光器（LD）等光电器件和高电子迁移率晶体管（HEMT）、场效应晶体管（FET）等电子器件的研发，大力推动了半导体产业的高质量发展。

MBE 是由美国贝尔实验室在真空蒸发沉积的基础上于 20 世纪 60 年代研发的单晶薄膜生长技术。1971 年美国贝尔实验室的卓以和（A. Y. Cho）采用 MBE 技术实现了 IBM 实验室的江崎（L. Esaki）和朱兆祥（R. Tsu）提出的超晶格结构生长。自此，MBE 技术被广泛应用于量子阱、超晶格和低维结构的生长，并研制出量子级联激光器、红外探测器、单光子源等重要器件。

真空技术是 MOCVD 和 MBE 外延技术形成并逐渐成熟的基础。其中，MOCVD 技术通过真空系统控制反应腔室的气体压力，调节反应气体的流动状态，以保证沉积过程的正确性、稳定性、均匀性和可重复性；MBE 技术则是在超高真空条件下，将构成材料所需的分子（或原子）束喷射到衬底上进行外延，其背景真空度能达到10^-10Pa，大幅度降低了杂质原子的并入，并显著提升了量子结构的界面控制能力。近年来，真空技术的发展大力推动了 MOCVD和 MBE 技术的改进与完善，促使其成为半导体行业材料外延的核心技术。

在此背景下，本期特刊收集了化合物半导体领域采用 MOCVD 和 MBE 技术生长高质量材料和研制高性能器件的最新成果和发现，展示了 MOCVD、MBE 技术应用于材料生长和器件研制领域的发展现状和未来趋势。

王新强

《真空科学与技术学报》客座编辑

北京大学物理学院教授

专题

MBE/MOCVD

原位制备量子器件的掩模光刻

何庆林

真空科学与技术学报，2023, 43(3): 163-176.

doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202208004 PDF

摘要：在特定区域的单晶薄膜生长已经能通过掩模光刻的方法所达成。这种方法作为一种不同材料合成的工具，它能用于沉积不同种类的材料，尤其是近年新出现的量子材料。在本综述中，回顾了利用掩模光刻在原位量子材料微观器件的制备应用。本文首先描述了掩模光刻的基本特性、主要技术参数和优势，然后展开关于量子材料如何在这些技术特点和优势中获益的讨论。最后强调掩模光刻在材料工程、原位量子器件制备的应用。本综述阐述了一个在制备技术和量子材料的新的交叉方向，这一方向逐渐获得越来越多的关注和研究。

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

潘东, 赵建华

真空科学与技术学报，2023, 43(3): 177-190.

doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202301003 PDF

摘要：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。

4H(6H)-SiC表面重构的STM/STS研究

卢慧, 王昊霖, 杨德仁, 皮孝东

真空科学与技术学报，2023, 43(3): 191-201.

doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202303002 PDF

摘要：半导体碳化硅由于具有宽的带隙，高的导热系数以及大的电子迁移率等优点，使其成为一种在高温、高频、大功率电子器件中具有应用前景的材料。碳化硅器件的性能受表面和界面质量的影响。在高温条件下退火碳化硅表面的重构，形貌也会发生变化，导致与金属或其他材料接触的表面结构不同。因此，碳化硅器件会受到表面重构和形貌的影响。扫描隧道显微镜/扫描隧道谱(STM/STS)是一种可以在实空间获得表面重构的形貌信息以及电子结构非常有用的工具。这篇综述介绍了用STM/STS分析了4H(6H)-SiC的各种表面重构及其电子结构，旨在促进表面科学和碳化硅生长以及器件的发展和进步。

MOCVD同质外延生长的单晶β-Ga2O3薄膜研究

陈陈, 韩照, 周选择, 赵晓龙, 孙海定, 徐光伟, 龙世兵

真空科学与技术学报，2023, 43(3): 202-209.

doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202204021 PDF

摘要：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术，在(010)Fe掺Ga₂O₃半绝缘衬底上进行同质外延生长Ga₂O₃薄膜，系统性地研究了生长温度(880℃/830℃/780℃/730℃)和生长压强(80/60/40/20 Torr)对外延薄膜表面形貌、晶体质量以及电学特性等的影响。结果表明随着生长温度和压强的增加：薄膜生长速率分别呈现出略微增加和大幅下降的趋势；薄膜表面阶梯束(step bunching)的生长方式逐渐增强，并且呈现出沿着[001]晶向生长的柱状晶粒；高分辨X射线衍射(XRD)扫描显示薄膜均只在(020)面存在衍射峰，表明生长的薄膜为纯β相单晶薄膜，且半高宽可达到45.7 arcsec；霍尔测试表明780℃和60 Torr的生长条件下薄膜的室温电子迁移率最高。本文为基于MOCVD的Ga₂O₃同质外延生长提供了系统的参数指导，为高质量Ga₂O₃薄膜的制备奠定了基础。

InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长及其新型光电器件研究

陈英鑫, 黄晓莹, 杨灼辉, 钟汉城, 宋长坤, 刘林, 喻颖, 余思远

真空科学与技术学报，2023, 43(3): 210-218.

doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202210007 PDF

摘要：半导体量子点因其具有类原子的分立能级结构，可在三维方向上对载流子运动进行束缚，因此被认为是光发射器件（激光器、量子光源等）极具前景的有源物质之一。其器件的性能强烈依赖于量子点材料的品质、光场与量子点偶极子场的有效相互作用等。本文将从半导体InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长调控技术出发，进一步探讨应用于光通信、片上光互联领域的量子点激光器，以及应用于光量子信息领域的高品质量子光源器件。

生长温度对Cr原子掺杂在Bi2Se3中位置及磁性的影响

徐永康, 闫鹏飞, 代兴泽, 张小龙, 王瑾, 王双海, 何亮

真空科学与技术学报，2023, 43(3): 219-224.

doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202209012 PDF

摘要：本文报道用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy: MBE)技术制备了优良的铬(Cr)掺杂硒化铋(Cr-Bi₂Se₃)薄膜样品。通过反射高能电子衍射 (Reflective High Energy Electron Diffraction: RHEED)、X射线衍射 (X-ray diffraction: XRD) 技术和电磁输运系统对Cr-Bi₂Se₃进行测试。实验结果显示：较低的生长温度下Cr进入Bi₂Se₃中替代Bi位形成CrBi；较高的生长温度下Cr进入Bi₂Se₃中的范德瓦尔斯间隙形成层间(Interlayer)CrI，这一区别导致Cr-Bi₂Se₃在生长速率及磁性等方面表现出不同的性质。所以可以通过控制生长温度来调制Cr的掺杂位置，得到更理想的效果。