【正文】 。 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，增原子的再蒸發(fā)是動力學(xué)禁止過程 溫度足夠高時，它是動力學(xué)限制過程。 實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。 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。 經(jīng)過這些狀態(tài)，最終生長成均勻而連續(xù)的薄膜： 22nm。 繼續(xù)生長，形成島與海峽構(gòu)造： 1115nm階段。 該晶核同陸續(xù)到達的原子，以及相鄰晶核的一部分，或者全部合并而生長，達到某一臨界值，開始變得穩(wěn)定。 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，使它進一步長大，成為小島。 3）原子團和其他吸附原子碰撞結(jié)合，或釋放一個單原子。 吸附原子中，有一小部分因能量稍大而再蒸發(fā)出去。 沉積率 R 吸附 再蒸發(fā) 表面擴散 成核 互擴散 這些過程都是隨機過程，需要利用熱力學(xué)、統(tǒng)計物理和動力學(xué)得到描述這些過程的解析公式。 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。 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，只需擴散一個短距離，就可合并到晶核上去，而不形成新的晶核。 以上薄膜的成核和長大限于熱力學(xué)的范圍。 但探測范圍很小，測定幾層原子沉積過程的變化相當費時。 如果此時三維島高寬比大， D信號增加慢，如果三維島的高寬比小 (比較平坦 )， D信號增加略快。襯底信號迅速下降，沉積量為 4ML時變化到接近 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，對襯底的覆蓋度不同，使三種模式的曲線有各自的特征。 三種生長模式下 AES峰強度隨沉積量 (以單原子層 ML為單位 )的變化曲線， S代表襯底元素的 AES峰強度， D代表沉積元素的 AES峰強度。 InAs/GaAs外延生長： In、 H作表面敏化劑。 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，以形成失配位錯網(wǎng)格的形式得到釋放。 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。 為生長良好光電性質(zhì)、無位錯的量子點材料，需精心設(shè)計外延層與襯底的失配度大小，并控制外延層的沉積量不能超過臨界值 Hc2. 層狀生長模式 能夠提供平坦的異質(zhì)界面、生長表面，對很多光電器件的設(shè)計和制作很有利，但受晶格失配度大小的限制， 外延材料的選擇范圍 有限。 H繼續(xù)增加， 生長模式轉(zhuǎn)成 SK1或 R2模式。 3）當 ε 2 ＜ ε ＜ ε 3時： 由于晶格失配較大，開始沉積外延層直接在襯底上按 3D島狀生長，島穩(wěn)定存在，不會發(fā)生熟化現(xiàn)象。 H繼續(xù)增加，島尺寸、 密度增加，浸潤層 厚度增長相對較緩慢。 隨 H繼續(xù)增大，島尺寸 趨無窮大，密度趨 0。 外延生長細分成 7種模式： 1個層狀生長 (FM)模式 1個島狀生長 (VW)模式 2個層加島生長 (SK)模式 3個熟化島 (R)模式 1）當 0＜ ε ＜ ε 1時： 開始按層狀生長模式，外延層沉積量超過某一臨界值 Hc1后，可能轉(zhuǎn)變成 R1生長模式，在一定厚度浸潤層上按 3D島狀生長。 繼續(xù)增加 InAs沉積量：部分 3D島長大， 當島內(nèi)應(yīng)力超過位錯形成能 :島邊緣產(chǎn)生位錯 釋放應(yīng)變能，變成熟化島 (ripened island) 受動力學(xué)生長因素控制，熟化島有一定尺寸和密度 經(jīng)典熱力學(xué)平衡理論： 異質(zhì)外延成核機制，由襯底和外延層的表面能、界面能決定，未考慮晶格失配帶來的應(yīng)變能。 應(yīng)力部分釋放：小島可以無位錯 共格島 (coherent island) InAs島長大需消耗部分浸潤層： 2D3D轉(zhuǎn)變后，浸潤層厚度＜ Hcw。 但單層二維生長后， A原子層橫向鍵長受到 B襯底約束，被拉長或壓縮，繼續(xù)二維生長時應(yīng)變能顯著增大，不得不轉(zhuǎn)為三維生長。 半導(dǎo)體應(yīng)變自組裝量子點采用這種模式生長而得到。 和二維成核相比， AA鍵增多， AB鍵減少。 同質(zhì)薄膜生長時 , uAB=uAA，浸潤角 θ =0的條件 (αˊ =α +α ?)剛能滿足，此時的二維生長不能在欠飽和條件下發(fā)生。 二維生長，簡單立方晶體， 正方核厚度為晶格常數(shù) a， 二維核臨界尺寸： Lc(h=a)=auAA/(Δμ+uABuAA)。 (a)二維生長 (b)單層二維生長 后三維生長 (c)三維生長 薄膜生長的三種模式 微觀成核理論：二維生長一般發(fā)生在 uAB≧u AA，即Δα≦ 0的場合。 (a)二維生長 (b)單層二維生長 后三維生長 (c)三維生長 薄膜生長的三種模式 3. 單層二維生長后三維 (層加島 )生長模式 (StranskiKrastanov) 處于前兩者之間，先形成單層膜后再島狀生長。 A B α αˊ α θ 襯底上的球冠狀晶核 清潔晶體襯底上，薄膜生長的模式可分成三種： 1. 二維 (層狀 )生長 (Frankvan der Merwe)模式 浸潤角為零， B襯底上形成許多二維 A晶核，晶核長大后聯(lián) 接成單原子層，鋪滿襯底后繼續(xù)上述過程，一層層生長。 A B α αˊ α θ 襯底上的球冠狀晶核 薄膜生長的三種模式 球冠的表面張力和界面張力平衡時有： αcosθ+α ? =αˊ , αˊ≧ α+α?時 θ=0， 球冠核的高度為原子面的厚度，即球冠核轉(zhuǎn)化為單原子層核。 二維成核時如有應(yīng)變能，臨界尺寸和成核功將增大。 因此： 自由能的變化 =獲得的相變能 +新形成的周界能。 如 A、 B原子尺寸差別太大，帶有失配位錯的外延結(jié)構(gòu)也不能保持，此時在單層或幾層生長后將 出現(xiàn)島狀生長 。 薄膜生長的三種模式 如 A原子大于 B原子，外延的 A原子層中出現(xiàn)壓應(yīng)力，反之則外延的 A原子層中出現(xiàn)張應(yīng)力。 當 uABuAA， A原子在 B襯底上鋪滿一層后，在最近鄰近似下，第二層 A原子的沉積和同質(zhì)外延相同，只要 A原子容易遷移， A薄膜將一層一層地生長。 反過來， uAB≧u AA：將形成層狀生長模式。 在 fcc面心立方 (111)面上異質(zhì)外延情況類似。 N 8 18 32 50 72 98 一層密排 8uAB 10uAA 18uAB 27uAA 32uAB 52uAA 50uAB 85uAA 72uAB 127uAA 98uAB 176uAA 雙層密排 4uAB 12uAA 9uAB 33uAA 16uAB 64uAA