[科普中国]-单晶薄膜制备技术

薄膜按其晶体结构，有单晶、多晶、非晶薄膜之分。单晶薄膜需要在单晶基板上通过外延(epitaxy)的方法才能做出。藉由外延生长的薄膜称为外延膜。单晶薄膜制备技术通常指分子束外延技术，用真空蒸镀法或溅射法来制作单晶薄膜较困难，所必须考虑的重要因素是恰当的基片和适宜的温度。此外，薄膜形成时的真空度和薄膜形成速率也有一定程度的影响。

单晶结构具有单晶结构薄膜的特征是薄膜中原子排列的有序结构。

原子严格地按周期排列，存在种种平移对称性。这种原子周期排列结构扩展到整个薄膜范围的薄膜是理想的单晶薄膜。

制备单品结构薄膜的难度大．通常是采用外延生长薄膜技术。如果对单品基片的种类、温度、沉积速率等进行恰当的选择，薄膜就可以呈单晶状生长，这个现象称为外延(Epitaxy)。外延生长技术分为同质外延技术和异质外延技术。同质外延技术是在单晶基片表面上外延生长同种元素组成的单晶薄膜；异质外延技术是在单晶基片表面上生长不同元素组成的单晶薄膜。1

单晶薄膜制备技术介绍分子束外延(MBE)是在真空蒸发的基础上发展起来的一种单晶薄膜的制备技术，用MBE技术制备的半导体超晶格和量子阱材料是近年来半导体物理学和材料科学中的一个重大突破。MBE技术在固态微波器件、光电器件、超大规模集成电路、光通信和制备超晶格材料领域有着广阔的前景。MBE是把所需要外延的膜料放在喷射炉中，在10爿Pa量级的超高真空条件下使其加热蒸发，并将这些膜料组分的原子(或分子)按一定的比例喷射到加热的衬底上外延沉积成膜。

与其他薄膜制备技术相比，MBE有以下特点：

①超高真空条件下，残余气体杂质极少，可保持膜表面清洁；

②它是在低温下(500～600℃)生长Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族及Ⅳ族元素化合物薄膜，生长速度极慢(1～1μm/h)，因此膜是层状生长，可以得到表面缺陷极少、均匀度极高的膜；

③可方便控制组分浓度和杂质浓度，因此可以制出急剧变化杂质浓度和组分的器件；

④可以用反射式高能电子衍射(RHEED)原位观察薄膜晶体的生长情况。

目前，用MBE方法制备的半导体薄膜激光器、HgCdTe红外探测器、InGaAs/nGaAsP、GaAsAl-GaAs等量子阱材料在实际应用方面展示了重要的前景。2

注意事项(1)首先，作为单晶基板的表面要“新鲜”(清洁)。基板表面上不能吸附各种各样的气体及杂质等．最好是在高真空条件下使基板单晶解理(劈开)，在露出新鲜的表面的同时进行薄膜沉积；

(2)温度要高。对于不同金属(不限于金属)，一般在某一温度之上才能形成外延膜，称此温度为该材料的外延温度；

(3)尽量高的真空度。以防止被沉积原子氧化，保证被沉积材料清洁，防止气体混入。

(4)沉积速率(薄膜的生长速度)要低。配合前几个因素，以便于沉积原子有足够的空间、时间和活力．通过扩散．迁移、重排等．实现有序化排列。

获得单晶薄膜的外延方法有：①分子束外延(MBE)，②金属有机物化合物气相沉积(MOCVD)，③脉冲激光沉积(PLD)，④电子束沉积(EBD)，⑤原子束沉积(ABD)，⑥早期还有电泳沉积、化学气相沉积、液相外延法等。3

技术发展随着对薄膜生长精度要求的提高及薄膜种类的增加，传统的分子束外延技术暴露出了一些不足之处。例如在监测薄膜生长过程的同时不能测量分子束流的组分；其次是很难靠束源加热得到高熔点材料的分子束，不适合制备高熔点或含有氧化物组分复杂的超导体和铁磁体等。近年来激光技术被逐渐地引入到MBE设备中，出现了激光分子束外延(LMBE)。使传统分子束外延设备的性能大大提高，材料生长的种类也有很大的拓宽，更重要的是LMBE技术对于开发新原理、新结构的固体器件有积极的推动作用。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学