二維半導體分子束磊晶簡介

分子束磊晶（molecular beam epitaxy, MBE）是一種用來生長高品質材料的重要技術，如半導體、金屬及絕緣體 [2.1-3]。透過 MBE，已經製作出 Si/Ge、III-V 化合物、II-VI 化合物、氮化物及氧化物的半導體量子結構，用於研究基本物理以及裝置應用。MBE 最重要的特點是生長室內的超高真空，約為 10^-10 到 10^-11 torr。這有助於從蒸發源中抽出的元素/原子的低蒸氣壓，大約在 10^-6 到 10^-8 torr，進而使低生長速率及利用反射高能電子繞射（reflective high energy electron diffraction, RHEED）來原位監測生長過程成為可能。生長室內的超高真空可以先用捲軸泵或隔膜泵抽到約 10^-3 torr，再用渦輪泵或低溫泵抽到 10^-10 到 10^-11 torr。SVTA 雙腔 MBE 系統的照片如圖 2.1 所示。左邊的腔室配備了一個氧等離子體室和七個物質揮發源，用於 Zn、Cd、Ga、In、Se、Te 和 Mn 元素。這個腔室可以用來生長 II-VI 化合物、氧化物以及 III-VI 化合物的 2D 半導體異質結構。關於 ZnMnTe/ZnSe 量子點 [2.4-6]、ZnMnO [2.7]、GaSe [2.8-10] 和 GaTe [2.11] 的生長機制和基本物理性質的研究已經發表過了。MBE 系統的示意圖如圖 2.2 所示。它由一個緩衝腔、閘閥、生長腔、渦輪泵和螺旋泵組成。生長腔裡有幾個關鍵元件，包括用來放置基板並控制樣品溫度的樣品台、高能電子槍、用來檢測真空的離子計、顯示從樣品表面衍射電子束產生的 RHEED 圖案的屏幕，以及一些元素源，比如 In、Ga 和 Se。

生長的第一步是清潔基板並將基板放入緩衝室。然後將緩衝室抽真空至 10^-6 托，之後打開閘閥，通過磁耦合傳輸桿將基板轉移到生長室。接著將基板加熱到高溫，以去除原生氧化層或吸附物質，直到螢幕上出現非常清晰的 RHEED 圖案。下一步是降低基板溫度，打開主遮光板及元素源的遮光板以開始生長。關於 RHEED 的簡單介紹將在下一部分說明。

2.2 在分子束磊晶（MBE）生長過程中的原位反射高能電子繞射（RHEED）監測，RHEED 所用電子的能量大約在 10 到 15 keV，對應的德布羅意波長 λ = h/p = h/√2mE 大約為幾十分之一埃。其中 h 是普朗克常數，m、p 和 E 分別是電子的質量、動量和能量。從電子槍發射出的高能電子以小的掠入角入射到基板表面。繞射電子在生長腔內與電子槍相對的一側螢光屏上形成 RHEED 圖案，如圖 2.2 所示。由於電子波長很小，電子束對表面的穿透很有限。因此，RHEED 圖案可以反映樣品表面在生長前、過程中及生長後的原子結構。RHEED 測量的基本原理可以參考 X 射線散射測量 [2.3]。RHEED 圖案可以顯示樣品表面的晶體結構對稱性。如圖 2.3 所示，生長在 GaAs 基板上的 GaSe 所呈現的拉長亮條狀 RHEED 圖案，暗示樣品表面非常平滑，呈現 2D 生長模式。圖 2.3 (a) 和 (b) 分別展示了來自 [11 ̅00] 與 [112 ̅0] 方向的 RHEED 圖案 [2.9]。亮條之間的距離反映了樣品表面倒易晶格的晶格間距。另一方面，如圖 2.4 所示 [2.12]，斑點狀的 RHEED 圖案則表示樣品表面較粗糙，這是 ZnTe 量子點在光滑 ZnMgSe 緩衝層上的 3D 生長模式造成的。因此，在生長過程中觀察 RHEED 圖案，可以分辨出是 2D 層層生長模式還是 3D 生長模式。這一點還可以通過後續使用掃描電子顯微鏡 (SEM) 或原子力顯微鏡 (AFM) 的表面形貌研究進一步驗證。