光电功能薄膜 外延技术

岛状生长模式(Is land Grow th)
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层状 -岛状生长模式(Layer Plus Island Growth)
Stranski- Krastanov Mode
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
• 1.入射的原子或分子在 一定温度衬底表面物理 化学吸附。
• 2.吸附分子在表面的迁 移和分解。
• 3.组分原子与衬底或外 延层品格点阵的结合或 在衬底表面成核。
• 4.未与衬底结合的原子 或分子的热脱附。
MBE生长经典范例
用MBE生长GaAs薄膜主要利用到达表面的Ga原子束和As的二聚物As2及四聚 物As4的分子束。 As2分子参与生长的关键是在单个Ga原子上的As2分子的分 解化学吸附反应。 As2分子的粘附系数正比于Ga的入射通量，过量As2的分子 可以保证满足化学配比GaAs的薄膜的生长
1968年Arthur首先进行了Ga和As在GaAs表面的反应动力学研究，奠定了 MBE的理论基础。
1969-1972年间，A．Y．Cho进行了MBE的开创性研究，用MBE生长出 了高质量的GaAs薄膜单晶及n型、p型掺杂，制备出了多种半导体器件， 而且生长出第一个GaAs／AIGaAs超晶格材料，从而引起了人们的关注。
两类薄膜生长方法：薄膜沉积和薄膜外延
分子束外延
Molecular Beam Epitaxy
有机金属化合物化学气相沉积 MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Deposition 原子层沉积
Atomic Layer Deposition
Epitaxy Growth
生长模式的划分
外延生长模式 层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式转变的物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而 随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一 定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。 2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子不仅将使Si晶体 表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。这有效地 降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变为三维的岛状生长。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高 的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将 暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生 长到一定厚度之后，生长模式会由层状模 式向岛状模式转变。
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
MBE是上世纪70年代在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备极薄的单 层或多层单晶薄膜的一种技术，它是在超高真空的条件下，把一定比例 的构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的 衬底表面来进行晶体外延生长的技术。
基本规律：
湿润性很差时： 薄膜以岛状模式生长！ (同时要求沉积温度 足够高、沉积原子具有一定扩散能力)
■ 错配度影响较小，沉积原子倾向相互键合形成三维岛，而避 免与基片原子键合！
■ 在非金属基片上沉积金属材料时，薄膜往往以这种模式生长！
湿润性好、且晶格错配度很小时： 薄膜以层状模式生长！ ■ 沉积原子以共格/半共格形式在基片表面堆叠，薄膜始终 采取二维扩展的模式沿基片表面铺开； ■ 往往没有明确的形核阶段； ■ 沉积化合物膜时，异质元素间的键合可显著 表面能， 更容易出现这种模式的薄膜生长。
薄膜生长模式的划分及主要控制因素
湿润性较好，但错配度较大时： 薄膜以层状-岛状模式生长！
■ 薄膜生长过程中，往往存在其它影响界面能和应变能的因素， 造成各种系统能量的不同规律涨落；
■ 沉积原子初期共格铺展，膜厚增加后重新倾向于聚集成岛！
小结：■ 层状模式形核功小，形核易完成； ■ 岛状模式弹性错配能低，生长易进行； ■ 层状-岛状模式的出现往往意味着成膜初期膜基间湿润性较好且错配应变能也不大， 而随着薄膜生长的进行，晶格错配能越来越大或膜基之间良好的湿润性被破坏。
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
分子束从束源炉(Knudsen effusion cell)中产生， 束源炉温度由计算机精确控制，并通过热偶提供 温度反馈。分子束流的大小主要由束源炉的温度 决定，其稳定度可达±1％。束流强度由几何关 系推导出，但实际受坩埚的锥度、口径、液面与 炉口的距离等因素影响
1979年T．W，Tsang将MBE GaAs／A1GaAs双异质结激光器的阈值电流 密度降到1kA／cm2以下，这是MBE发展史的第二个里程碑，从此，MBE 被公认为是发展新一代半导体器件的关键技术而受到愈来愈广泛的重视。
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
典型的MBE系统是由进样室、预备分析室、和外延生长室串连而成。进样室用 于换取样品，可同时放入多个衬底片。预备分析室可对衬底片进行除气处理， 通常在这个真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析仪器。外延生长室是 MBE系统中最重要的一个真空工作室，配置有分子束源、样品架、高能电子衍 射仪和四极质谱仪等部件。
α晶格常数 γ表面自由能
外延生长模式
主要控制因素：
晶格错配度 |as- af |/as ：薄膜与基片材料的晶格错配度越小，则 |as- af |/as 越趋近于 0； 膜基湿润性 (s- f )/s ：湿润性好 基材表面能s > 薄膜表面能f 形成新相表面可 系统界面能；
湿润性差 s < f 暴露更多基片表面可 系统界面能！
MBE的分析测试方法
分子束外延MBE (Molecular beam epitaxy )
RHEED是最重要的设备。高能电 子枪发射电子束以1-3度掠射到基 片表面后，经表面晶格衍射在荧 光屏上产生的衍射图样直接反映 薄膜的结晶性和表面形貌，衍射 强度随表面的粗糙度发生变化， 振荡反映了薄膜的层状外延生长 和外延生长的单胞层数。