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分子束外延生长:在单原子水平上精确构建量子世界 - 清华大学
赛先生 2016/9/19
分子束外延生长:在单原子水平上精确构建量子世界
清华大学物理系 薛其坤
“东家之子,增之一分则太长,减之
一分则太短,著粉则太白,施朱则太赤”,
这是两千多年前楚国小鲜肉宋玉在《登徒
子好色赋》中对一个东方美女的经典描
绘。如今,借助高科技电脑合成技术,科
学家向我们呈现了这样一副完美的东方
面孔(图 1)。
图 1 电脑合成的完美的东方女性面孔
古往今来,对于美好事物的追逐和精益求精是人类得以繁衍生息
的驱动力。人们常说,差之毫厘,谬之千里。新型量子材料性质的改
变可以说是发生在原子级的尺度上,也就是“毫厘”的百万甚至千万分
之一!因此,在纳米甚至原子尺度上精确设计和控制量子材料就成为
现代科学研究最关键的技术之一。发展于上世纪六、七十年代的分子
束外延(Molecular beam epitaxy, MBE )生长技术就是这样一个可以
从原子(构成物质的最小单元)层面构建量子世界的强大武器,其对
材料的控制能力完全达到了宋玉对东方美女所描绘的那种意境。
1968 年,美国贝尔实验室的 J. R. Arthur 和 A. Y. Cho (卓以和)
在超高真空中研究 Ga 与 As2 在 GaAs 晶体的表面吸附时,意外的发
现,Ga 原子的存在会促进 As 在表面的吸附。进一步增加 As ,会使
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分子束外延生长 :在单原子水平上精确构建量子世界 赛先生 2016/9/19
得在 GaAs 表面生长出高质量的 GaAs 薄膜。这一发现立刻引起了轰
动,要知道在那个年代,无数的科学家正为如何得到严格化学配比的
III -V 族半导体包括 GaAs 而绞尽脑汁。
分子束外延生长,顾名思义,就是使组成目标样品的原子或分子
定向运动到目标衬底(一般为有确定晶向的单晶)上,并使其按照衬
底的晶体结构进行生长。具体到 GaAs,就是使单质的 Ga 与 As 分别
形成原子束或分子束,然后在合适衬底上相遇并反应形成 GaAs 。如
何获得定向运动的原子或分子束呢?类似于加热烧杯中的水,对靶材
加热,就可以蒸发出原子或分子。但这还不够,当我们加热一杯水时,
熟悉的场景是,水蒸气很快就被空气中的粒子散射,传播距离有限。
因此,生长进行的环境一定要是超高真空,对MBE 而言,通常需要
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比大气压低 10 倍以上的真空。只有在这样“超净”的环境中,才能
有效的减小靶材原子或分子在到达衬底之前与环境气体的碰撞,形成
准直的分子束。那么如何保证原子或分子在衬底表面反应并形成外延
生长呢?这里的另一个关键就是衬底的温度。可以想象,如果衬底温
度过低,原子或分子到达衬底后不能充分迁移、反应和晶化,肯定无
法获得好的外延生长;反之,如果衬底温度太高,到达衬底的原子,
特别是分子,极易发生脱附,这不但导致较低的生长速率,更严重的
是非化学配比薄膜的形成。为了制备组分精确且组分突变的半导体材
料,如超晶格和异质结,我们还需要精确控制各个蒸发源的温度。PID
控制器(比例-积分-微分控制器)的发展使我们对温度的控制精度达
到 1℃以下,这对获得组分精确可控的半导体材料、异质结和超晶格
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分子束外延生长 :在单原子水平上精确构建量子世界 赛先生 2016/9/19
起到了奠基的作用。
为了保证半导体器件的性能,半导体材料必须要做得非常的纯,
往往几百万原子中才允许有一个杂质。要做到这一点,MBE 生长不
但要在超高真空中进行,而且用作蒸发源的原
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