【正文】 能夠提供平坦的異質(zhì)界面、生長表面，對(duì)很多光電器件的設(shè)計(jì)和制作很有利，但受晶格失配度大小的限制， 外延材料的選擇范圍 有限。 因此，在異質(zhì)外延生長 中，通過動(dòng)力學(xué)因素 控 制成核的維度及生長模 式是關(guān)鍵 。 Si襯底上先生長 1ML的 As后，再外延生長 Ge， Ge外延層：生長模式 SK模式 層狀生長 FM模式。 沉積幾十 ML， Ge仍維持 FM模式。 生長過程中， As始終處在 Ge原子之上： 表面敏化劑 (surfactant) 薄膜生長的三種模式 原本以 SK模式生長的外延層，在生長過程中，加入表面敏化原子后，可按層狀方式生長，外延層累積的應(yīng)變能，以形成失配位錯(cuò)網(wǎng)格的形式得到釋放。 Si襯底外延生長 Ge： Ga、 In、 Sb、 Pb、 As、 Sn、 Bi、 Te作表面敏化劑。 InAs/GaAs外延生長： In、 H作表面敏化劑。 薄膜生長的三種模式 ● 體相中均勻成核 ● 襯底上的非均勻成核 ● 成核的原子模型 ● 襯底缺陷上成核 ● 薄膜生長的三種模式 ● 薄膜生長模式的俄歇電子 能譜 (AES)分析 薄膜的成核長大熱力學(xué) AES可以鑒別薄膜生長模式。 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量 (以單原子層 ML為單位 )的變化曲線， S代表襯底元素的 AES峰強(qiáng)度， D代表沉積元素的 AES峰強(qiáng)度。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 薄膜生長模式的俄歇電子能譜 (AES)分析 (a)三維島狀生長時(shí) AES強(qiáng)度變化緩慢， S減小得慢，D增加得慢，沉積量達(dá)到 4ML后還沒覆蓋住襯底，信號(hào) S仍很強(qiáng)，沉積幾層時(shí)信號(hào)變化接近線性。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 (c)三維生長 三維島狀生長和二維層狀生長，對(duì)襯底的覆蓋度不同，使三種模式的曲線有各自的特征。 (c)二維層狀生長的 AES強(qiáng)度變化迅速，沉積量達(dá)到1ML后已經(jīng)覆蓋住全部襯底，在此范圍內(nèi)變化接近線性，沉積量為 14ML時(shí)變化減慢下來。襯底信號(hào)迅速下降，沉積量為 4ML時(shí)變化到接近 0。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 (a)二維生長 (b)二維層狀生長后三維島狀生長時(shí)，在 1ML前曲線和 (c)類似， 14ML時(shí)變化突然減慢下來，并且其變化類似于 (a)。 如果此時(shí)三維島高寬比大， D信號(hào)增加慢，如果三維島的高寬比小 (比較平坦 )， D信號(hào)增加略快。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 (b)單層二維生長后三維生長 STM： 可更精密探測(cè)表面上的單個(gè)原子和少數(shù)原子組成的小島，從而區(qū)別三種模式。 但探測(cè)范圍很小，測(cè)定幾層原子沉積過程的變化相當(dāng)費(fèi)時(shí)。 AES: 可以便捷測(cè)定大面積內(nèi)幾層原子沉積過程的信號(hào)變化，從而區(qū)別三種不同的模式。 以上薄膜的成核和長大限于熱力學(xué)的范圍。 實(shí)際的過程： 在襯底上可以形成許多穩(wěn)定的晶核。 穩(wěn)定晶核數(shù)目不斷增多后，在晶核之間沉積的后續(xù)增原子，只需擴(kuò)散一個(gè)短距離，就可合并到晶核上去，而不形成新的晶核。 此時(shí)穩(wěn)定晶核數(shù)達(dá)到極大值。 繼續(xù)沉積使晶核不斷長大成小島，小島相遇后發(fā)生合并使小島數(shù)下降。 ● 成核長大的物理過程 ● 起始沉積過程的分類 ● 成核率 ● 臨界晶核為單個(gè)原子時(shí) 的穩(wěn)定晶核密度 ● 臨界晶核為多個(gè)原子時(shí) 的穩(wěn)定晶核密度 ● 合并過程和熟化過程的影響 薄膜的成核長大動(dòng)力學(xué) ● 厚膜的生長 ● 半導(dǎo)體薄膜的生長 薄膜的成核長大動(dòng)力學(xué) 成核長大的物理過程 薄膜成核長大過程相當(dāng)復(fù)雜，它包括一系列熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程，其中的具體過程有： 原子沉積到襯底 ， 從襯底再蒸發(fā) ， 在襯底、晶核上表面擴(kuò)散和界面處互擴(kuò)散 ， 沉積率 R 吸附 再蒸發(fā) 表面擴(kuò)散 成核 互擴(kuò)散 成核 (包括形成各種不同大小、數(shù)量不斷增多 的亞穩(wěn)定晶核、臨界晶核和穩(wěn)定晶核 )， 長大 等過程。 沉積率 R 吸附 再蒸發(fā) 表面擴(kuò)散 成核 互擴(kuò)散 這些過程都是隨機(jī)過程，需要利用熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和動(dòng)力學(xué)得到描述這些過程的解析公式。 核的形成與生長有四個(gè)步驟： 1）從源蒸發(fā)出的氣相原子入射到基體表面，一部分能量較大的彈性反射回去，另一部分吸附在基體表面。 吸附原子中，有一小部分因能量稍大而再蒸發(fā)出去。 核的形成與生長有四個(gè)步驟： 2）吸附原子在基體表面擴(kuò)散遷移，互相碰撞結(jié)合成原子對(duì)，或小原子團(tuán)，并凝結(jié)在基體表面上。 3）原子團(tuán)和其他吸附原子碰撞結(jié)合，或釋放一個(gè)單原子。這個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，一旦原子團(tuán)中原子數(shù)超過臨界值，原子團(tuán)進(jìn)一步與其他吸附原子碰撞結(jié)合，向長大方向發(fā)展，形成穩(wěn)定原子團(tuán)。 4）穩(wěn)定核再捕獲其他吸附原子，或者與入射氣相原子結(jié)合，使它進(jìn)一步長大，成為小島。 SEM：襯底表面往往存在原子大小量級(jí)的凹坑、棱角、臺(tái)階等，作捕獲中心，易俘獲原子團(tuán)而形成晶核。 該晶核同陸續(xù)到達(dá)的原子，以及相鄰晶核的一部分，或者全部合并而生長，達(dá)到某一臨界值，開始變得穩(wěn)定。 隨著襯底上形成許多晶核，以及它們互相接觸、合并，形成島狀構(gòu)造，其尺寸大致從 58nm開始 ,可用 SEM觀測(cè)到。 繼續(xù)生長，形成島與海峽構(gòu)造： 1115nm階段。 海峽再進(jìn)一步收縮，成為孔穴構(gòu)造： 19nm。 經(jīng)過這些狀態(tài)，最終生長成均勻而連續(xù)的薄膜： 22nm。 薄膜成核長大是一個(gè)非平衡過程，如果 溫度足夠高、原子沉積速率足夠低 ，可看成平衡過程。 這種情形下： 氣相中的原子和襯底上的原子： 通過 沉積和再蒸發(fā) 可以接近平衡， 襯底上大大小小的晶核： 可以通過 聚合和分解 而接近平衡，等等。 但是這種接近平衡的過程非常緩慢 (完全平衡時(shí)薄膜不能生長 )，不符合薄膜的生長情形。 實(shí)際的襯底溫度總是足夠低，原子的沉積速率總是足夠高，使薄膜以一定的速率生長。 實(shí)際薄膜成核長大中的各個(gè)過程可區(qū)分為三類： 局部平衡過程、動(dòng)力學(xué)限制過程、動(dòng)力學(xué)禁止過程。 這種區(qū)分依賴于：內(nèi)在條件：過程的激活能 外在條件：溫度、原子的沉積速率 如：再蒸發(fā)的激活能較高， 溫度足夠低時(shí)，增原子的再蒸發(fā)是動(dòng)力學(xué)禁止過程 溫度足夠高時(shí)，它是動(dòng)力學(xué)限制過程。 而激活能較低的過程容易達(dá)到局部平衡過程。