[发明专利]一种分子束外延不同类型束源炉参数换算的方法

说明书

本发明涉及一种分子束外延不同类型束源炉参数换算的方法，根据不同类型束源炉在两个温度点生长的材料生长速率或多元材料组分，获得束源炉对应生长速率或组分随温度的变化关系，实现对不同类型束源炉温度参数的换算。本发明的方法可以在不使用束流规的情况下，实现对分子束外延中束源炉温度参数的快速估计和定位，高效地实现对多元材料组分精确控制和多元材料生长，大幅提高束源炉参数的调节效率。本发明适用于In、Ga、Al、Si、Ge等多种束源炉，以及气态源分子束外延、固态源分子束外延等多种方式和设备，具有很好的通用性。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，特别涉及一种分子束外延不同类型束源炉参数换算的方法，提供在不同类型束源炉间获得相同的生长速率或多元材料组分时对所采用炉温进行换算的方法，实现不同类型束源炉间生长参数的快速切换。

背景技术

分子束外延是一种在衬底上生长高质量的晶体薄膜的技术，在超高真空条件下，由装有各种所需组元源材料的束源炉加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成分子束(包含原子束)，直接喷射到适当温度的单晶衬底上。采用分子束外延能够制备超薄层材料以及交替生长不同组分、掺杂的薄膜形成超薄量子结构材料。

分子束外延技术通过对源材料高温加热产生束流，早期的分子束外延束源炉利用努森扩散(knudsen diffusion)的原理采用常规努森炉(K-cell)。完全理想的努森炉是一个带有小孔的大封闭容器，在这个容器中，物质处于凝聚态与气态的动态热平衡状态，小孔对平衡状态下气体压强的影响可以忽略不计。实际上努森炉容积不可能无限大，它的形状对束流的影响也是不可忽略的，利用模型可以计算出特定形状如圆柱形或圆锥形的小孔对束流的影响。所以，具有特定形状、材质的努森炉中放置特定的源材料的束流是可以在一定程度上进行理论计算和预测的，但是纯理论的计算过程非常繁琐也具有很大不确定度。

随着分子束外延技术的发展，逐渐改进和发展出多种不同的束源炉。特别是针对不同的源材料发展了不同的加热方式。例如，对于III族元素In和Ga，由于单稳区加热的努森炉仅是在坩埚底部加热，在坩埚上端的温度要明显低于坩埚底部的温度，会在坩埚顶部粘附有In或Ga金属液滴，并且这些液滴再次以较低的束流出射到衬底表面，在材料生长时会在材料的生长界面表面形成微小的金属液滴，产生材料卵形缺陷，影响材料质量。所以，针对此类源材料发展了可以进行双温区加热的束源炉，在坩埚顶部和底部分别配置加热器，使顶部温度高于底部温度，可以大幅减少粘附在坩埚顶部的金属液滴，从而保证束流的一致性，大幅降低材料卵形缺陷。此类双温区束源炉的测温热偶则不尽相同，有的束源炉有底部和顶部两个热偶，有的则只有底部一个热偶，顶部只能进行功率加热。所以此类双温区束源炉的加热方式包含三种，一是顶部加一个恒定较高的功率，二是在顶部有热偶的情况下顶部保持恒定较高的温度，三是顶部有热偶的情况下顶部保持比底部温度高一个恒定的温度差。此外，对于III族金属Al，由于其在PBN坩埚表面是浸润的，很容易会附着满坩埚表面。所以除了常规努森炉外还发展了一种冷唇炉，通过钽热辐射保护罩的设置改变坩埚内的热分布，使得坩埚顶部的温度比常规情况更加低，附着在坩埚顶部表面的Al不会对束流产生贡献。对于Si源材料，其熔点高，在同样温度下饱和蒸气压较低，作为掺杂元素时Si的束流一般足够，但是在作为主元生长时，采用普通努森炉的Si的束流远远不够。所以发展了电子束枪形式的束源炉，利用电子束对Si源材料进行直接加热产生较大的束流。

对于同一种源材料，在分子束外延系统中可能包含不同类型采用不同加热形式的多个束源炉。在生长时一般会较长时间采用某一束源炉，对此束源炉参数较全，而其他束源炉参数较少且是较长时间以前的参数。在需要改用其他束源炉时希望减少摸索的时间和实验，能在这些不同类型束源炉间快速进行参数换算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分子束外延不同类型束源炉参数换算的方法，能够在不同类型束源炉间获得相同的生长速率或多元材料组分时对所采用炉温参数进行快速换算。

本发明的一种分子束外延不同类型束源炉参数换算的方法，包括如下步骤：