【前沿技术】MBE的一个新转折

转向激光加热源，有望以极高的纯度生长大量薄膜

作者：RICHARD STEVENSON，CS杂志编辑

MBE于1960年代后期在贝尔实验室发明，现在是一种成熟的生长技术，是制造pHEMT、量子点激光器和学术界众多高质量样品的理想选择。

自其诞生以来，MBE设备一直在相同的原则下运行——但这可能很快就会改变，这要归功于epiray公司的工作，它是位于斯图加特市的马克斯-普朗克固体研究所（Max-Planck-Institute for Solid-State Research）的衍生公司。这家德国初创公司正在开创一种完全不同的方法来加热能够生长外延薄膜的材料。epiray公司主张采用一种它称之为热激光外延（TLE）的方法，而不是将材料放在坩埚中进行电阻式加热——或者使用电子束，如果一种元素的蒸汽压力很低的话。

据epiray公司首席技术官Hans Boschker说，除了能够将元素加热到令人难以置信的高温外，这种技术还有许多其他优点。

Boschker解释说，在氧化物的生长过程中，氧气的存在会导致电阻式加热器烧坏。“这将MBE限制在非常低的氧气压力下，并限制了你可以生长的材料数量。”

转向激光诱导蒸发源（sources）克服了这一限制。“我们现在只受到内在物理学的限制，” Boschker说，“我们可以大大增加我们正在研究的材料空间。”

epiray方法的另一个特点是它能够实现跨越七个数量级的生长速率。

Boschker及其同事在研究铝的生长速率时观察到了这一点。30 W 的激光功率足以熔化这种元素，而生长通常采用 80 W 至 100 W，但当将功率提高到 2 kW 时，它可以快得多。在这些条件下，300nm/s的生长速率是可能的。

epiray的外延方法也有望生长出非常纯净的薄膜。这是因为用传统的MBE，源的加热会导致坩埚及其周围环境变热，污染腔室，并有可能将杂质引入外延薄膜中。

“我们的情况恰恰相反，”Boschker说，他指出使用激光，加热仅限于源材料（source material）的一小部分。

他说，这种方法还导致“相当有效”的材料消耗，从而降低运行成本。

为了使用epiray方法蒸发材料，将1060 nm激光对准源。“金属在较短波长下吸收更好，因此理想情况下我们会使用蓝色或紫外线激光器，但这些激光器不存在高功率和所需的光束质量，”Boschker承认。因此采用了一种折衷方案，它能很好地控制光输出功率，具有极高的可靠性和经济性。

Boschker认为，如果一开始使用这种技术来尝试复制传统MBE建立的结构的生长，例如制造分布式布拉格反射器，这些反射器是通过配对许多交替的GaAs和AlGaAs层形成的，是没有意义的。他主张研究那些无法用MBE标准形式生产的材料。

在epiray，他们正在采用这种方法，研究一系列用于电力电子的材料，包括碳化硅和氧化镓。“蓝宝石看起来也非常有前途。我们能否将蓝宝石中加入掺杂物是未来的一个问题。”Boschker 评论道。

激光烧蚀

epiray公司的技术发展在某种程度上有些偶然。在MBE领域工作多年后，公司首席执行官Wolfgang Braun加入了一个专门从事激光烧蚀的团队，其激光烧蚀利用具有高能量密度的超短光脉冲将材料从表面释放出来。Braun欣赏使用激光产生材料源的优雅，但希望回馈到MBE工艺的物理反应中，（Braun appreciated the elegance of using lasers to generate a source of material, but wanted to return to the physics of the MBE process）因此将这两种技术结合在了一起。

epiray公司通过自己的销售获得资金，正在销售采用这种技术的TLE反应器，而不仅仅是包含激光蒸发的源。乍一看，这似乎是一个奇怪的决定，需要一种更复杂的方法来进入市场。然而，这一举动背后有很多好处。

一个关键的考虑因素是，使用epiray的技术升级传统系统极具挑战性，部分原因是空间不足，会导致效率受到影响。更重要的是，传统的MBE反应堆使用下方的端口作为源，但这种方式需要上方的端口来允许激光瞄准源。

另一个问题与安全有关。使用高功率激光时，必须保证辐射不会漏出设备，损害使用者的视力。“如果你从头开始构建自己的系统，你可以通过基本不设窗口来缓解这种问题。”Boschker说。

该公司的业务战略是最初专注于向尽可能多的不同科学领域的研究人员销售TLE设备。这将有望导致将这种生长技术用于工业生产。

为了支持这一愿景，那些对这项技术感兴趣的人可以首先花时间在固态量子电子部门，看看这个系统是如何工作的。“坦率地说，没有人会在没看到新技术的实际应用前在它上面花钱。”Boschker解释说，他对薄膜生长者需求的理解肯定会有助于这项技术的前景，重新定义MBE的能力。

使用激光加热源可以实现跨越七个数量级的一系列生长速率。