[發(fā)明專利]一種提高分子束外延束流特性的方法與裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211244420.5
• 申請(qǐng)日: 2022-10-10
• 公開（公告）號(hào): CN115747953A
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉暉;李世權(quán);張一帆;菅瑋琦;班啟沛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)長三角研究院（湖州）
• 主分類號(hào): C30B23/02
• 分類號(hào): C30B23/02;C30B23/06;H01J37/32
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本發(fā)明公開了一種提高分子束外延束流特性的方法與裝置,涉及分子束外延束源領(lǐng)域。束流的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和分布角度是束源的重要特性參數(shù)，且對(duì)晶體的外延生長有著非常重要的影響。本發(fā)明的主要裝置包括:外套筒，內(nèi)套筒，噴嘴。內(nèi)套筒與外套筒之間形成緩沖腔，使束流通過緩沖腔之后再到達(dá)噴口，且可以通過調(diào)節(jié)裝置的緩沖腔容積和緩沖腔入口面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)來優(yōu)化束流強(qiáng)度、束流穩(wěn)定性和束流分布角度。本方法及裝置具有操作簡單、普適性強(qiáng)、高效可控等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的涉及分子束外延束源領(lǐng)域，能夠優(yōu)化束流的束流強(qiáng)度、束流穩(wěn)定度和束流分布角度等束流特性。

背景技術(shù)

分子束外延是一種特殊的真空鍍膜工藝，其方法是將半導(dǎo)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束源中。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出極薄的(可薄至單原子層水平)單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。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)的晶體生長參數(shù)提出了嚴(yán)格的要求。而束流的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和分布角度等束源參數(shù)都對(duì)晶體的生長起著非常重要的作用，束流強(qiáng)度足夠才能使晶體生長速率夠快，束流穩(wěn)定性差會(huì)使生長的晶體均一性差甚至出現(xiàn)大量缺陷，而束流分布角度同樣會(huì)影響材料的均勻度。

當(dāng)前分子束外延束源的束流強(qiáng)度I一般是根據(jù)束源內(nèi)原料的量來調(diào)節(jié)束源燈絲溫度來維持束流強(qiáng)度不變，即在材料生長過程中不斷提高燈絲溫度來抵消束源內(nèi)原料消耗對(duì)束流強(qiáng)度的影響，而這一過程的溫度變化曲線難以控制，而且在控制溫度變化過程中，溫度的變化易使束流強(qiáng)度產(chǎn)生波動(dòng)，即導(dǎo)致束流穩(wěn)定度R較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種提高分子束外延束流特性的方法與裝置，能夠優(yōu)化束流強(qiáng)度、束流穩(wěn)定性和束流分布角度等束流特性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本裝置的設(shè)計(jì)方案如下。

本裝置由外套筒[01]，內(nèi)套筒[02]，噴嘴[03]構(gòu)成。其中內(nèi)套筒頂端封閉，側(cè)壁有多個(gè)通孔[04]，內(nèi)套筒固定在坩堝上部，外套筒套在內(nèi)套筒上，外套筒上端連接噴嘴。內(nèi)套筒下端伸入坩堝[05]，與坩堝內(nèi)側(cè)貼合，通過內(nèi)套筒外側(cè)突起的卡環(huán)固定在坩堝上，外套筒通過同樣的方式固定在內(nèi)套筒上。

內(nèi)套筒[02]與外套筒[01]之間形成緩沖腔[06]，使束流只能通過內(nèi)套筒的側(cè)向通孔進(jìn)入緩沖腔，再到達(dá)噴口，且緩沖腔的容積V根據(jù)實(shí)際需求可調(diào)。V越大緩沖效果越好，但其同時(shí)受到分子束外延內(nèi)部空間大小的限制。外套筒，內(nèi)套筒的直徑分別為d₁，d₂，套筒腔室部分的高度為h，外套筒直徑d₁為內(nèi)套筒直徑d₂的1.1～1.5倍，h為d₂的2～3倍，則緩沖腔的容積為V＝1/4πh(d₁²-d₂²)。其中h越大則緩沖腔的空間越大大，但h過大會(huì)導(dǎo)致束流通過緩沖腔的時(shí)間過長，導(dǎo)致大量束流冷凝，所以h不宜過大。

內(nèi)套筒側(cè)壁上的通孔均分布一圈通孔，作為束流進(jìn)入緩沖腔的入口，通孔數(shù)量為n個(gè)，n≤8，通孔面積大小為s，則緩沖腔的入口截面積為S₁＝ns。緩沖腔束流入口的面積越大，則單位時(shí)間通過的束流就越多，束流就越強(qiáng)，但單個(gè)通孔的面積過大會(huì)使束流穩(wěn)定性降低，所以應(yīng)該采用多個(gè)小面積的通孔作為緩沖腔的束流入口。

可以通過設(shè)計(jì)套筒長度h、套筒直徑d₁，d₂以及通孔數(shù)量n和面積s來優(yōu)化束流的強(qiáng)度I。在外套筒直徑d₁為內(nèi)套筒直徑d₂的1.1～1.5倍，h為d₂的2～3倍的情況下，束流強(qiáng)度I可表示為：

I＝k₁VS₁