试分析MBE生长碲镉汞材料的研究进展

张贺良

摘要： MBE是分子束外延是一种新的晶体生长技术的简称，高性能大面阵中波及短波红外探测器在领域内也随着技术的发展而得到更多的应用。碲镉汞材料的质量及参数控制是当前研究的焦点所在。笔者将以本文对MBE生长碲镉汞材料的研究现状分析讨论，具体报道如下。

关键词： 分子束外延;MBE生长碲镉汞;应用;现状

【中图分类号】TN304.2【文献标识码】A【文章编号】1674-3733（2020）12-0227-01

1MBE生长碲镉汞材料的概述

50年代有了真空蒸发技术制备半导体薄膜材料，在此基础上逐步研发了分子束外延，随着时代的进步，超高真空技术得到了发展和广泛应用，超晶格器件也从分子束外研技术中分化出来，半导体科学迎来了新纪元。而MBE是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料，外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好，而且可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构。再加上外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性，利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。

2MBE生长碲镉汞材料的国内外发展

MBE的应用是在70年代初期，当真空设备商品化之后才拥有了应用空间。分子束外延的重要阶段性成果就是掺杂超晶格和应变层结构的出现。掺杂超晶格是一种周期性掺杂的半导体结构。通过周期性掺杂的方法来调制半导体的能带结构。掺杂超晶格的有效制备方法是掺杂技术，该技术就是定义在一个原子平面上进行掺杂。在衬底材料生长停止的条件下，生长一个单原子层的掺杂剂，这个单原子层的杂质通过高温工艺或分凝便形成一个掺杂区，因而界面非常陡峭，二维电子气的浓度和迁移率都增大。用MBE技术，在外延层晶格失配小于某一临界条件下，生长出高质量外延层，这种结构为应变层结构。应变层结构的出现丰富了异质结结构的种类。因为晶格常数匹配的半导体材料很有限，而应变层结构可使晶格常数相关较大的半导体进行组合，使两种材料都充分发挥各自的优点。应变层结构具有晶格匹配结构的所有优点，可制作量子霍尔器件。随着技术的进步以及半导体材料应用范围的扩大，世界上多个国家对MBE技术都展开了研究，其中以日本、美国、英国、法国、德国以及我国台湾见长，日本对其研究的更为密切，包括日本日立公司、东京工学院电学与电子工程系、东京大学以及日本理化研究所半导体实验室和日本NTT光电实验室，我国台湾对此研究主要由台湾大学电子工程系为首。

3MBE技术的应用及研究重难点

分子束外延作为已经成熟的技术早已应用到了微波器件和光电器件的制作中。但由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高，所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大量的液氮，因而提高了日常维持的费用。

MBE能对半导体异质结进行选择掺杂，大大扩展了掺杂半导体所能达到的性能和现象的范围。调制掺杂技术使结构设计更灵活。但同样对与控制、平滑度、稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求，如何控制晶体生长参数是应解决的技术问题之一。

MBE技术自1986年问世以来有了较大的发展，但在生长III-V族化合物超薄层时，常规MBE技术存在两个问题：①生长異质结时，由于大量的原子台阶，其界面呈原子级粗糙，因而导致器件的性能恶化;②由于生长温度高而不能形成边缘陡峭的杂质分布，导致杂质原子的再分布（尤其是p型杂质）。其关键性的问题是控制镓和砷的束流强度，否则都会影响表面的质量。这也是技术难点之一。

4MBE技术的影响及展望

在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世，使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域。半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用。它是微电子技术，光电子技术，超导电子技术及真空电子技术的基础。历史地看，外延技术的进展和用它制成所要求的结构在现代半导体器件的发展中起了不可缺少的作用。MBE的出现，无疑激发了科学家和工程师们的想象力，给他们提供了挑战性的机会。分子束外延技术的发展，推动了以GaAs为主的III-V族半导体及其它多元多层异质材料的生长，大大地促进了新型微电子技术领域的发展，其对军事应用中有着极其重要的意义，MBE技术的应用及发展对新型相控阵雷达、阵列化电子战设备、灵巧武器和超高速信号处理、军用计算机等方面起着重要的作用。光电器件在军事上的应用，已成为提高各类武器和通信指挥控制系统的关键技术之一，对提高系统的生存能力也有着特别重要的作用。主要包括激光器，光电探测器，光纤传感器，电荷耦合器件（CCD）摄像系统和平板显示系统等。它们被广泛地应用于雷达、定向武器、制导寻的器、红外夜视探测、通信、机载舰载车载的显示系统以及导弹火控、雷达声纳系统等。而上述光电器件的关键技术与微电子、微波毫米波器件的共同之处是分子束外延，金属有机化合物汽相淀积等先进的超薄层材料生长技术。行家认为未来半导体光电子学的重要突破口将是对超晶格、量子阱（点、线）结构材料及器件的研究，其发展潜力无可估量。未来战争是以军事电子为主导的高科技战争，其标志就是军事装备的电子化、智能化。而其核心是微电子化。以微电子为核心的关键电子元器件是一个高科技基础技术群，而器件和电路的发展一定要依赖于超薄层材料生长技术如分子束外延技术的进步。

参考文献

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