一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法与流程

本发明属于半导体材料领域，特别涉及一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，提供在不同型号规格砷束源炉获得稳定的砷束流或砷组分时所采用的阀位进行换算的方法，实现不同型号规格砷束源炉生长砷化合物材料的高效地组分控制优化和材料质量提升。

背景技术：

1、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，由装有各种所需组源材料的束源炉加热而产生的蒸汽，经过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植被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。

2、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(knudsendiffusion)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，小孔对束流的影响也是不可忽略的，利用模型可以计算出特性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的不确定度。

3、随着分子束外延技术的发展，逐渐改变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v族元素as，由于束源炉罐体区域源材料加热温度约400℃-500℃，而束源炉裂解区加热温度为900℃-1000℃。当砷束源炉在使用时，束源炉裂解区的会对罐体区的源材料缓慢加热，导致砷束源炉的束流在生长初期束流不断变大，导致材料生长过程中v族束流不断增大。虽然不会出现大量的表面形貌缺陷，但是材料内部会出现大量的点缺陷，材料本征载流子浓度升高，点缺陷会在光电器件中形成产生复合缺陷中心能级，导致材料载流子寿命下降，器件暗电流增大；过高的本征载流子浓度会导致光电器件中扩散暗电流增大，容易出现载流子的隧穿，在焦平面器件中的表现为响应饱和盲元。所以，针对此类砷束源炉发展了可以进行束流控制的阀位控制系统，在罐体区和裂解区之间设置一个针阀，通过调节针阀调控砷束流的大小，可以阻挡裂解区和罐体区之间的温度传到，并且大幅提高束流的可控性和稳定性。在此类砷束源炉中，罐体区坩埚是金属材质，对于v族砷固态源材料，由于其在金属坩埚表面粘附性较强，特别是温度偏低区域。所以，当罐体区内的温度场分布的变化时，会导致固态砷会在罐体区内分布状态发生变化。裂解区比罐体区温度高约500℃，当阀门从关闭状态到开启状态时，导热通道开启会导致靠近阀门附近的罐体区温度升高。但是由于针阀开口较小，阀门附近的温度场会缓慢达到平衡，导致在生长初期很长一段时间内砷束流都难以稳定。

4、虽然砷阀控束源炉可以一定程度上提升砷束流控制的稳定性，但是在产业化的生产型分子束外延设备中，常规的砷阀位控制方案达不到产品级材料生长控制精度。在高精度生产型分子束外延设备中希望通过减少砷束流优化时间和实验，能够快速将砷束源炉状态调节至稳定状态。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，能够在不同型号规格砷束源炉获得稳定的砷束流或砷组分时所采用的阀位进行快速优化计算。

2、本发明的一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，包括以下步骤：

3、(1)将砷束源炉分别在不同的阀位生长砷锑双v族材料，测试砷束流变化，以及生长结束后测试砷锑双v族材料的组分变化趋势；

4、(2)分别获得不同稳定的砷束流和砷锑双v族材料的砷组分下的砷阀位(as_valve)随生长时间t的变化关系参数，即获得其变化关系中a、b和c的数值，其中a、b和c均为大于0的可调参数。

5、(3)获取对于不同型号规格的砷阀控束源炉实现相同砷束流或砷锑双v材料组分的砷阀位与时间的换算关系。

6、所述指数模型的优选参数：0＜a≤50，0＜b≤50，0＜c≤25。

7、所述的riber分子束外延系统中不同型号规格的砷束源炉指放置砷源材料的尺寸规格不同的阀控束源炉。

8、本发明的有益效果包括：

9、本发明根据不同阀位下砷束源炉生长的材料的砷束流或砷锑双v族材料的组分，获得砷束源炉对应砷束流或砷组分随时间的变化关系，实现了对不同型号砷束源炉参数的换算，可以实现对分子束外延设备中砷束源炉阀位控制方法的的快速换算和优化，高效地实现对砷化合物材料的砷组分精确控制和生长，提高对砷束源炉阀位调节的效率，提升砷化合物材料的晶体质量，降低材料内部的点缺陷密度，降低材料本征载流子浓度，实现高质量光电探测器产品级材料的生产。本方法适用于分子束外延设备中不同型号规格砷束源炉，具备很好的通用性。

技术特征：

1.一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，其特征在于：所述不同型号规格的砷阀控束源炉指放置砷源材料的尺寸规格不同的阀控束源炉。

3.根据权利要求1所述的一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，其特征在于，所述a、b和c的数值为：0＜a≤50，0＜b≤50，0＜c≤25。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，其特征在于，具体步骤为：

技术总结本发明公开了一种基于指数模型的砷束源炉阀位控制方法，根据分子束外延设备中生长过程砷束源炉束流和生长出的砷锑双V族材料组分变化趋势，获得砷束源炉束流变化指数模型，通过基于指数模型砷阀位控制，实现对砷束源炉束流的精确控制。本发明的方法可以在分子束外延设备中，实现砷束源炉束流控制优化，大幅提高砷锑双V族材料的组分控制精度和砷化合物材料质量。本发明适用于分子束外延系统中的不同型号规格的砷阀控束源炉，具有很好的通用性。技术研发人员：张健,常超,杨绍培,殷瀚翔,岳彪,王海澎,李艳辉,邓功荣,孔金丞,赵鹏受保护的技术使用者：昆明物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18