試分析MBE生長(zhǎng)碲鎘汞材料的研究進(jìn)展

張賀良

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

關(guān)鍵詞： 分子束外延;MBE生長(zhǎng)碲鎘汞;應(yīng)用;現(xiàn)狀

【中圖分類號(hào)】TN304.2【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-3733（2020）12-0227-01

1MBE生長(zhǎng)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(dǎo)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(shí)代的進(jìn)步，超高真空技術(shù)得到了發(fā)展和廣泛應(yīng)用，超晶格器件也從分子束外研技術(shù)中分化出來(lái)，半導(dǎo)體科學(xué)迎來(lái)了新紀(jì)元。而MBE是將半導(dǎo)體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長(zhǎng)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(yīng)溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長(zhǎng)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(zhǎng)。分子束外延的優(yōu)點(diǎn)就是能夠制備超薄層的半導(dǎo)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(zhǎng)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(xué)配比較好的化合物半導(dǎo)體薄膜。

2MBE生長(zhǎng)碲鎘汞材料的國(guó)內(nèi)外發(fā)展

MBE的應(yīng)用是在70年代初期，當(dāng)真空設(shè)備商品化之后才擁有了應(yīng)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(yīng)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)。通過(guò)周期性摻雜的方法來(lái)調(diào)制半導(dǎo)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(gè)原子平面上進(jìn)行摻雜。在襯底材料生長(zhǎng)停止的條件下，生長(zhǎng)一個(gè)單原子層的摻雜劑，這個(gè)單原子層的雜質(zhì)通過(guò)高溫工藝或分凝便形成一個(gè)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(zhǎng)出高質(zhì)量外延層，這種結(jié)構(gòu)為應(yīng)變層結(jié)構(gòu)。應(yīng)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?yàn)榫Ц癯?shù)匹配的半導(dǎo)體材料很有限，而應(yīng)變層結(jié)構(gòu)可使晶格常數(shù)相關(guān)較大的半導(dǎo)體進(jìn)行組合，使兩種材料都充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)變層結(jié)構(gòu)具有晶格匹配結(jié)構(gòu)的所有優(yōu)點(diǎn)，可制作量子霍爾器件。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及半導(dǎo)體材料應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，世界上多個(gè)國(guó)家對(duì)MBE技術(shù)都展開(kāi)了研究，其中以日本、美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)以及我國(guó)臺(tái)灣見(jiàn)長(zhǎng)，日本對(duì)其研究的更為密切，包括日本日立公司、東京工學(xué)院電學(xué)與電子工程系、東京大學(xué)以及日本理化研究所半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室和日本NTT光電實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)臺(tái)灣對(duì)此研究主要由臺(tái)灣大學(xué)電子工程系為首。

3MBE技術(shù)的應(yīng)用及研究重難點(diǎn)

分子束外延作為已經(jīng)成熟的技術(shù)早已應(yīng)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(fèi)用。

MBE能對(duì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)進(jìn)行選擇摻雜，大大擴(kuò)展了摻雜半導(dǎo)體所能達(dá)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(jì)更靈活。但同樣對(duì)與控制、平滑度、穩(wěn)定性和純度有關(guān)的晶體生長(zhǎng)參數(shù)提出了嚴(yán)格的要求，如何控制晶體生長(zhǎng)參數(shù)是應(yīng)解決的技術(shù)問(wèn)題之一。

MBE技術(shù)自1986年問(wèn)世以來(lái)有了較大的發(fā)展，但在生長(zhǎng)III-V族化合物超薄層時(shí)，常規(guī)MBE技術(shù)存在兩個(gè)問(wèn)題：①生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于大量的原子臺(tái)階，其界面呈原子級(jí)粗糙，因而導(dǎo)致器件的性能惡化;②由于生長(zhǎng)溫度高而不能形成邊緣陡峭的雜質(zhì)分布，導(dǎo)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(wèn)題是控制鎵和砷的束流強(qiáng)度，否則都會(huì)影響表面的質(zhì)量。這也是技術(shù)難點(diǎn)之一。

4MBE技術(shù)的影響及展望

在超薄層材料外延生長(zhǎng)技術(shù)方面，MBE的問(wèn)世，使原子、分子數(shù)量級(jí)厚度的外延生長(zhǎng)得以實(shí)現(xiàn)，開(kāi)拓了能帶工程這一新的半導(dǎo)體領(lǐng)域。半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展對(duì)于半導(dǎo)體物理學(xué)和信息科學(xué)起著積極的推動(dòng)作用。它是微電子技術(shù)，光電子技術(shù)，超導(dǎo)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(jìn)展和用它制成所要求的結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展中起了不可缺少的作用。MBE的出現(xiàn)，無(wú)疑激發(fā)了科學(xué)家和工程師們的想象力，給他們提供了挑戰(zhàn)性的機(jī)會(huì)。分子束外延技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了以GaAs為主的III-V族半導(dǎo)體及其它多元多層異質(zhì)材料的生長(zhǎng)，大大地促進(jìn)了新型微電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，其對(duì)軍事應(yīng)用中有著極其重要的意義，MBE技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展對(duì)新型相控陣?yán)走_(dá)、陣列化電子戰(zhàn)設(shè)備、靈巧武器和超高速信號(hào)處理、軍用計(jì)算機(jī)等方面起著重要的作用。光電器件在軍事上的應(yīng)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(duì)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(cè)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(yīng)用于雷達(dá)、定向武器、制導(dǎo)尋的器、紅外夜視探測(cè)、通信、機(jī)載艦載車載的顯示系統(tǒng)以及導(dǎo)彈火控、雷達(dá)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(jī)化合物汽相淀積等先進(jìn)的超薄層材料生長(zhǎng)技術(shù)。行家認(rèn)為未來(lái)半導(dǎo)體光電子學(xué)的重要突破口將是對(duì)超晶格、量子阱（點(diǎn)、線）結(jié)構(gòu)材料及器件的研究，其發(fā)展?jié)摿o(wú)可估量。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是以軍事電子為主導(dǎo)的高科技戰(zhàn)爭(zhēng)，其標(biāo)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(gè)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(zhǎng)技術(shù)如分子束外延技術(shù)的進(jìn)步。

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