（微电子学与固体电子学专业论文）自组装ganain量子点结构生长的初步研究.pdf

摘要 量子点结构的生长与特性的研究是一项具有重要理论意义和应用价值的 课题。近年来，自组装量子点的生长与研究越来越受重视，而自组装技术的 应用也越来越广泛。 论文首先给出了薄膜生长理论和生长技术；进而叙述了材料表面检测的 各种方法和特征。本论文主要论述了在e s p d u 装置上，采用电子回旋共振 等离子体增强m o c v d ( e c r p a m 0 c v d ) 方法，在蓝宝石衬底上通过s k 模式自组装生长g a n i a l n 量子点结构的生长工艺、结果及讨论。而重点分 析了自组装生长量子点之前的m n 外延层生长工艺，包括衬底清洗、氮 化、缓冲层的生长和c r a n 、a 1 n 外延层的生长；通过高能电子衍射、x 射线 衍射和原子力显微镜测试，并且对这些测试结果进行了详细的比较研究，得 出了较优化的工艺条件，生长出了晶质较好、表面较平整的a i n 外延层； 进而采用s k 模式自组装生长了g a n a i n 量子点结构。 由于实验装置加热炉温度的限制，我们没有能够生长出原子级平滑的 a 1 n 外延层表面，因而没能够生长出密度比较大和直径比较小的量子点。但 是只要解决了加热炉问题，是可以生长出质量比较好的量子点结构的。 本论文工作属于导师的国家自然科学基金项目( 6 9 9 7 6 0 0 8 ) 研究的一部 分。 关键词：自组装量子点电子回旋共振p a - m o c v d 高能电子衍射 a b s t t a c t ih eg r o w t ho fq u a n t u md o t ss t r u c t u r e sa n dt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i ch a v e i m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lp r o f i t 。f u r t h e r m o r e ，t h eg r o w t ha n d t h es t u d yo fs e l f - o r g a n i z e d q u a n t u md o t s s m a c t u r e sb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr e c e n t l y ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fs e l f - o r g a n i z a t i o nt e c h n i q u eb e c o m e w i d e ra n dw i d e r 。 i nt h i st h e s i s ，w ea d d r e s st h et h e o r yo ff i l mg r o w t ha n dt h eg r o w t ht e c h n i q u e f i r s t l y 。m o r e ，t h ew a y sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ed e t e c t i o na r ep r e s c r i b e d 。 w em a i n l y r e p o r t t h e g r o w t hp r o c e s s ，r e s u l t sa n dd i s c u s so fs e l f - o r g a n i z e d q u a n t u m d o t s s t r u c t u r e si nt h e a 1 i 0 3s u b s t r a t e sb y s - km o d eu s 扛埯e c r - m o c v d ，i nt h ee s p i 卜ud e v i c e 。t h eg r o w t ha r to f a l n e p i l a y e rw h i c h i st h e p r e l i m i n a r y f o u n d a t i o no fs e l f - o r g a n i z e dg 8 n 蛐nq u a n t u md o t ss t r u c t u r e s ， i n c l u d i n gt h e s u b s t r a t ec l e a n i n g ，n t r i d a t i o n ，& g r o w t ho f b u f f e ra n dt h e g r o w t h o f g a na n da 1 n e p i l a y e r ，i sd i s c u s s e d 。w ed e l i b e r a t e l yc o m p a r et h et e s tr e s u l to f r 壬e 妻转、x r da n da 礤娃a n da c h i e v e dt h e o p t i m a l i z e dc o n d i t i o no f a e 。a tl a s t w eh a v es u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h eg r o w t ho fa i nw h i c hi sm u c hs m o o t ha n db e t t e r c r y s t a lq u a l i t y 。m o r e o v e r ，w eg r o wt h es e l f - o r g a n i z e dg a n a i nq u a n t u md o t s s 台u c t u r ei ns km o d e 。 b e c a u s et h el i m i t so f t _ h eh e a t e r t e m p e r a t u r e 、w e c a nn o tg r o wt h ea t o m s m o o t h e p i l a y e ro f a l n u n t i l1 1 0 。s ow ec o u l dn o t g r o wb e t t e rq 馘n t u md o t sw h i c hh a v e s m a l ld i a m e t e ra n db i gd e n s i t y 。b u tt h es e l f - o r g a n i z e dq u a n t u md o t ss t r u c t 2 1 r e s w i t hb e t t e r q u a l i t yw i l lb er e a l i z e ds u c c e s s f u l l yi f t h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ei s i n c r e a s e d 。 ， t h et h e s i s s t u d yb e l o n g t o m yt u t o rs t t h j e c t o fn a t i o n a ln a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o n ( 6 9 9 7 6 0 0 8 ) 。 k e y ：s e i f o r g a n i z e dq u a n t u md o t s ；e c r ；p a m o o v d ：r h e e d 墙论 绪论 第一蒂氨仡物半导体材料 在半导体产业弱发鼹中，般斑s i 、( 艳拣为簇霞半零体糖辩，耀将 g a a s 、i n p 、g a p 、h 3 a s 、a l a s 及其台念等称为第二代e 娃子末尊料【l ；宽禁带 ( e 户2 ，3 e v ) 半导体褥辩近年来技展非鬻迅速，弥为第三代半导体孛才料，菸 主要的代表誊孝料为s i c 、z e s e 、垒雕石斧酲g a n 簿。阉第一、= 代半浮体褥 瓣稻跑，宽蒙繁熬半导体材舔其骞禁繁宽度大、电予漂移锪帮遽菠高、分电 鬻数小、鬈二学穗定毪好、导热毪髓好等特点，j # 鬻邋合予钧作抗辐秀圣、离 频、大功率灏裹密度等毫予器髂；聪剥矮英特骞豹繁繁宽度，还可叛黝俸 麓、绿党积紫熟麴发光嚣 牛秘光擦测器饽。 懋族懿纯甥，主要包括g a n 、a t n 、i n n ( e g 2 3 e v ) 、g a n n 、 a 1 g a l n n 窝a 1 g a n 等。其蘩黪宠发覆墓了红、荧、缀、莲、紫孽蠹紫努懿党 谬范阐。在通常情况下，它们以六方对称楣的铅镑矿络梅存在，健在定戆 幸生况下镪髓够戳立方豹闽锌矿缩橡存在，两转结榴的主簧差嬲在于原予静堆 并 次序不同，因而奁光学和彀学将健。t 也有鬣著的差掰。表1 1 + l 给出了添 瓣缝稳弱a 1 n 、g a n 藕i n n 在3 0 0 k 辩戆带豫宽液帮蕊捺常数。 毒考糖 带隙宽度( e v )蘸格常数a ( r i m l晶捂鬻数c ( n m ) a l n立方s ，l l0 。4 3 8 六方 6 2o 3 1 1 2 0 4 9 8 2 立方3 2 3 30 4 5 2 g a n 六方3 + 3 90 。3 1 8 90 ，5 1 8 5 立方2 ，20 4 9 8 i n n 六方 。8 90 。3 5 4 8 e ；5 7 6 0 表l 。l 。1 瓣释缭聿每熬a 搿、g a n 霸i n n 静繁辫宽度器鹣穆常数 i l l 羧氮化麴及其台寨县蠢嚣藩豹物邈特撼翅悫接宽辩豫、蠢熬导拳、大 介电常数、强化学稳定瞧和离电子饱和逮率等。健们的磷究不仅能使鐾静鲍 光电器释( 甄辨至绿光) 的发光范围扩黢到兰毙、紫静光波长，两虽链搜电 予器件= l = ：作在嚣离的漱黢和邋恶劣的环境。g a n 如此羹凄藤广泛的应尉静 * l 景鹣巍大约市场蹬力，镬冬薅的太公司、研究撬麴争穗投入蕊资扶攀这方嚣 的研究。尽管i i i l v 族氮化物光电器件的应嗣前景非常广阔，使其成为半导 体物理的一个另人瞩目的研究领域，并且成功的研制出大功率长寿命激光器， 僵仍存在一黧问题意待探讨，如晶穑失配弄霞结结构的应变骢豫“”。 列目静 为l 匕g a u q 体单晶材料商业实用化的难题仍束解决。 爨子点楗辩足专隽缡米鬣缓，大夺器激予波笨睾经或电子靛德奄罗意波 长相比拟( 1 0 0 n m ) 。量子点结构材料，也称零维半导体材料，由于其三维 量子缀制效应，在理想情况下态密度分枣为8 函数，使其具商独特的物理性 质如量子尺寸效应、量子遂穿和非线性光学效应等。量子点材料的提出不 仅对半导体物理和材料学科的基础研究有重大意义，丽且对新代电子和光 电子褥馋懿应霜其鸯十分广溺酶前景，函两成为久们研究翡热点。 最初，人们通过化学合成和有机氮化物分解的方法成功的制备了i 英氮 化甥鬟子点，著送行了晶舔缝筠和光学蒋镶等3 些鏊本魏壤性质瓣分拆稻 研究。但这一技术路线不能和现有的s t 或g a a s 器件加工工艺相融合，限制 了其器件应髑。进丽，采用受进故凇和m o c v d 技拳，剥鼹楗辩豹燕毒蓦失配 通过s k 模式迸行自缀装i n a s g a a s 和i n a s i n p 等蹩子点材料的外延生长 和器件的制镶工作，从而开辟t i l l 族氮化物研究的新领域，促进了其囱低维 结稳豹缀深发震。强l 族氮健物量子点率雩褥的磷究不仅能瓿本磺上揭示零维宽 禁带半导体的基本物理性质，而且其优良特性能被真接利用制成性能优良的 毅嚣咎产品，毽鼗垂在弓 超人稻弱褒毽。 第二节论文选瑟铱据 早在1 9 7 6 年，h s a k a k i 就提出了量子点帮量子线的概念 4 1 。蜀了1 9 8 2 年人们提出了量子点激光器的概念，并在理论上预氤i 拍于擞子线和艇子点 t 芝量予辫毒燹夫数量予效应，它魏藤经黾滚壤菱甄，与滠凄懿关系将滋一步 减弱 5 1 。半导体量予点微结构的研究是8 0 年代中后蝴发展越来的。目前人 妇多采用选撵区域外延( s a e ) 生长技术制铸这秘量予点久工疼到续v , j 辫，但 采用这种工麓一般要通过他举干法或游法刻蚀方法，预先在衬底表面上制备 出掩膜图形，或采用强激光柬或电子柬直接辐射生长袭面，这就不可避免的 僮斡感表露受翻工艺损痿，潋至于引起大量晶格缺酷、载流子俘获陷阱以及 非发光中心镣。后来，人们借助于i 虱形衬底上的外延、解理面二次外延等方 法裁餐量予点，毽该方法难瑷裁蘩毫糖黢懿低维结秘麓黼。不过， 绪论 k 。t a c h i b a n a 嬲类似的方法( 选择外酝) 已经成功的铡套出了菇精度的六方 i n g a n 量子点吼 j 黩年来，随着低徽材料物理研究的不断深入和材料生长技术的长足进 步，人们开发了一释耨酶镝备量子点徽结构静方法，簿謇缎装生长 由于激子貉在书戆嚣竣，迁移戴j i 辐瓣复台中心蘸死率大麦减奎，导 致了发光效率的提高。同时由于激子漫到强的凝子5 e , n 而更加稳定，敞发光 强疫隧溢凄韵变仡较小【1 1 ：( 2 ) 爨予轰国子电子艇缀螺瓣生势，茇竞波长糨慰 体和鬣子阱丰考术埠蓝移：( 3 ) 量子点中l 争光学声子和激子藕合随量子点尺寸 的减小两减弱，鼹此p l 对瀑鹰的依赖性减小，蟹致的囊接后巢熄p l 髓温度 红移焚夸n 6 。：( 4 ) g a n 鬟予点缭梅榜辩中存在稔豢蘸匾毫藏应，戆夸 超缏六静 谱线级移。对于 7 n m x 4 1 n m 尺寸的( , a n m n 量子点，w i 山n a n n 等人观测到 熬红移羹惫0 5 e v 。 1 2 2 非线性光学效应 蠢光生载流子产生的竞常非线谯璇象源予库仑作黼和与泡剃不桶客原 理有荧的各种效应如能带填充、相空间填充、鼗漉予屏蔽和能带重整化等。 豫瘁仑彳乍蘑蟊藏繁重整纯雩| 起谱线琵移秀，冀宅嚣弓 趣谱绫蘸移。蠢予点酪 尺寸决定关键参数对铒种效威所起的作用。对于大的魁子点，光学非线性由 襞繁蕊整魏蜜；溪，表现瓷瓷线毁蓼；送量子点尺寸，| 、予1 0a 难瓣，鼹带填充 效应占主导地位表现为谱线蕊移“”。库仑作用对i i i 旗氮化物燎子点的光学 # 线瞧逛毒缀大影璃。l 疆一v 聿重辩磐g 酞s 有小题有效矮量，囊予瘁仑髓随 l i 减小，库仑能的作用在这臻材料中强占微小的比重。僵对于g a n 蔹子点 丽言+ 出于g a n 的有效质量是g a a s 的五倍，激予波尔比量子点姚尺寸娶小，库 仑麓的话露要大褥多。由 ：藩仑麓增蕊，激子波尔半径压缩。会等| 起谱媛红蓼， 量子点尺寸越小，红穆蹙越大雌】。 1 3 高增益、低阈值电流 鳖孳二辫黝怠予念密凄是台羚形豹，量予线熊悫密浚是尖烬形状，瓯量子 点的态密度怒一系列孤立的线形状。与量子阱褶眈，辩子线、鬣子点夔容易 达到激光作用所必须的粒子数反转。侧如：对一个量子点，如累棚邻能缴相距 昆较远，瓣瑟瑟放蓑赢的赞带熊缓激发掰个毫予至g 最低瓣导带能缓，裁达到粒 子数逆转。丽对量子阱，则需躞考虑整个子带的填充。根据理论计算，凼反剩 系数r 萄+ 9 时，它静隧毽龟漆溪哥可低达l 弘a 量缀。妇采爨子点蕊熊缀藤 槊常3 f 导体邋子点 d 科 薤篦滋度kt 大褥多，鲻鹾缀上鼬电予占据数将不琏激发两交亿，器忿它姆丈 大减弱闽值电流与温度的关系。 。4 裹徽分增益鞠谲裁獭率 激光器的个重黉参量燕它的微分增益g7 = ag d1 1 ，艇中1 3 是载流 子交攘，理论涯鹾，激光器静诞镶额率每 g7 的平方根成正比，因此高速光通俗系 缝藏婺求毫g 。鹃澈光嚣。崮予量子点、 量子线的态密度都比鬣子阱的噩窄得多+ 载流予数羁n 的变化将引起g 丈豹变他， 盘裁楚g5 毖鬣子辫豹大褥多。翟3 楚量 子点、线和阱的微分增蕴与准赞米能级的 关系。 由图可见，在准赞米能级较低的情况 一f 搂遥et r 鑫r ls ，瑟豫) ，量子点匏 g 甓量子阱的g + 的1 0 倍，是量予线鲍 晷7 蜘3 倍。但当溅爨米能级增夫时，量 8 毒8 b ：4 菇 舞 2 意 糕0 圈3 鼙芋童蕊孚螋密量平辫鲍搬势增盘 每辱蒂穗案洙铑蘸辩燕慕 子点鹣g 惫涮下降，这是奎予能量离瀚对候能绥目疆减，j 、，荦位能量阉距静 能级数大大增加。因此为了达到高的g7 ，必颁增加激光器中凝予点的个数， 疆杰瓣群魏液八浓度下海酝费零蕤缓。 薷二蒂攀导藩鬈手熹瓣律静瘫雳 2 。1 蔫亮度蓬竞l e d 全彩化、高亮化、显示大型化、辫装小溅化是当今l e 9 行业的敏展趋 势。雩# 为耨鼗全彩平嚣显示静主要嚣释窥器释信号源翡重爱缝藏部分，薤 色高滗度( ；a nl e d 在此领域的地位举越轻重。商可靠、长寿命的in g a n g a n 量予戳蓝、缭崮蹇漉转整毫产整纯。塑n a r u k a 疆a 等_ 走“7 3 深入磷究瑟菱 现，i n g a n g a n 量子阱的高亮度发光应归功于i n g a n 合金中棚分离形成的密 度赢达5 x 1 0 跚。”i n n 量予点( 富i n 区) 。载滚予怒域在i n n 量予点处， 阻止了它髑添移蓟 辐射复合中心处，函此德稍通过纛意谖缀分诱稍提高了 蓝光i n g a n g a n 量子辨的辐射散率。 2 2 蓝光邋子点璩 釜：墨羔登整薹羔塞鳖整 一一 薤遣泌黩瑙广泛，誊妫庞大，它不莰可弼于巍蕊麓激竞订窜瓤、懑整茨 激光露旗媒震。惹照焱蕊饯寒遮光遐蘩系绞s l 睦；l 霹占一露之缝。爨藤，羧然患 注入藏党i n g a n g a n 餐予辫结构麴先聪实现了鏖激下鞠脉冲魏连续波工 佟，丽虽全球凡大蕊窝公斛冁强蓝、三嫠、蛮士遵、素尾辩c r e e 簿瞧部声 称成功开缎澎了豫粪产菇，儋它稍识处在实验艇酚簸，瀚来走穗市场。 隘薅窳巍g 搽澈毙嚣麓赫纯酌主要鞭豳楚箕海麓工僚意愿帮离黪溪缀 电滚隳鏖。遮甄个擅太大，会产生铰多瓣焦耳熬，扶瑟漆翻了器簧静器惫窝：i ： 莒鹣稳定没。秘嚣这鼹个爨型数藏分爨隽2 0 3 0v 秘l ，5 k a c k 。 由于g l 簌氮纯褥鲍毒娥厦避魄g a a s 骚丈，邋避改进工艺瓷蹬低瓣瞧电凌密 痊比较霭难，深翊鬣予点缭聋勾惩艉决这弼题的有效方法。黛予点l d 具有羝 裰馕电流密囊、窄线瀣、灏谌制遮液、离褥证滋度系数等傥憩镑毪。蒸踉鳗 龟子：( ) 国予翁域亿僚滔避予点申菲激辩簸流予数藉大大减：j ，光学穗盏夫 天提鑫，激予激发模式占生零逮稳，霹隧鬣激光器瓣壤穰毫滚密澎。( 2 ) _ 蠹予 点中罐大约瀑予簸缀凝鼯有联予激毙瓣王佟辩爨离瀑懿定缝。( 3 ) 激党嚣麓 瀵灏羰率与微分逡蕊系数g 糖平方凝袋垂比，藏g 熬激光嚣煮昧饕塞遮爨邋 绫系统。壤谂上羹予点鼹g 燕鬣予瓣g 鲍1 0 整，跫量子线g 数3 薅。h u a 3 9 翮j a i n n 娜扶理论上证明了激予激发摸式骞主鼯迎镘孵。i n 6 a n a 1 a a n 爨予煮 睇热鸯搿爝蕊、鼹阏馕激流窝赛等谯嶷穗秣，程考感袋蟊态积缺酪憾黼“f 锻 们褥辩兹溺蕊瞧滚密淡最低稳为8 8 a e m 2 。s u g u w a r a “8 给出了糯族氮仡物爨 予煮结穆瓣双滋予态激发爝蕊理谂。结袋液爨职激予念激蕊哥吸产雯瓿鲻 馕、麓兜攀壤髓的簸瓷。w e r n e r 等入戏璃辑裁蓬；熬巍聚潇激躞黎d l c , a , 7 g a 量子点己转，撼嚣爨嶷好熬嚣端诬 ； 2 。3 拳霉薅警觉灯滋 蘸着藏必c a n 毒孝瓣静器军突熬及其全色商凳发l 盼瓣蜜溪倦，照嗡救 术正褥箍一璐精韵荜帮。g 积半导体窍竞灯暴露髓耗繇、海命长、体秘小、 羹爨轻、方魏裢静乏谯势，磐褥瓣髂绞鹃懋繇市璐遥畿i 掰岽有静 串遗，缀 然已簿半簿髂鑫笆燹瓣润髓，毽镳裹熬徐辏严霪潮绞t 英鬻菇痰潮，鬻既聚 臻霄效鲢漩术手敬酶低篡徐格跫滏务之慧。s i 辫料麓蒜互莲盛熬、穗撩 低、稳定性强。在辩祷底上熊延叟豫的g a n a i n 爨予点缀糖不仅骞强鲶室 湿发光，瓤强宅弱发毙波长秘量子点髓尺寸寝镯翱关，范翻可殴躐箍整个可 爨毙波段。遥是缘予s 瓣镰l n 塞子点蠢离达5 5 错e 辩静疼建逢缮，出鲎乎 箭塔竟效藏弓| 怒静红移璧为i s om e v m l ，簸在箕躲羚_ l 攀 痿4 1 2 m l l 范国内 蘩褥臻楚毙袋瓣爨搿实褒。o a m i i a b o 簿夫慕臻这一授零。鞭黧避s 浚忝，邀 第一章半导体量于点材料 遭严掺控髫生民象 孛在s i ( l ) 秘褒上生长了多屡设定器凄楚g 撬 4 a 1 n 量子 点，成功获得了白光发射，从而为半导体白光灯的研制开辟了一条新的途径。 2 。4 单毫予螽俸餐 艇于库仑阻塞效应和量予尺寸效应制成的半导体单电子器件由于具有 小足寸、低损耗，两融益受委人们酶关注。y w a n g 等毳秀备了平蘑瑶诱导量 子点晶体管( q d t ) 。采用锁定技术测定其漏电流与点栅压之间的关系，也 理察到了振荡蜂豹出现蚓。 2 5 红外探测器 箨于带问跃迁机蒲4 制成的半导体红外探测器，主要是依靠俄歇复合桃 制而工作，需冷却到低于室温。因而其应用受到f 艮制。因此人们开始研究在 薰子限翻结稳争基予带内跃迂鹣半导俸器俘。羹子点毁岁 探测器与量子辫红 外探测器相比有着明盟的优点：量子阱红外探测器由于选择定则的限制，对 委入射光照不敏感； 囊；慰于爨子点红夕 攘测器，由予基子患中局域态豹存 在，使得带内跃迁能被正入射光照诱发。而风量子点中由于声子散射的减 少，光激载流子在驰豫到基态前形成光电流，从丽提礴探测效率。由予声予 瓶颈效应，量子点激发态中载流自寿命的延长也有乖j 予改善探测器性能，加 强量子效应，甯望提商器件的工作温度 。 第三节小结 综上所述，半导体量子点材料由于其较低的闽值电流、较高的增菔、量 子效应和j # 线性光学效应，越来越被广泛的认可，其戆景更加美好。爨子点 器辞的优毫特性更是给入充满了希望。 第二章盛验装置 第二章实验装置 第一节弓f 言 本实验室臻予塑组装量子点生长秘究豹装簧逛予霆旋l 荚攘( e c r ) 微波等离子体增强m o c v d 系统，即e s p d u ( e c rs e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n gd e v i c e u p g r a d e ) 是我们自行研制的鞭一代黢生长装漩。蹦2 - 1 一l 和图2 - 1 2 为浚装置的饲视囤积俯视图。这套设备兼有m b e 移m o c v d 的 先进功能，对趣薄层，陡峭异质结和自组装量子点结构的制备十分有利。 e s p d u 逶过先遴瀚腔藕合整e c r 微波等藤子体深，罐供低离子损伤、 高活化功能的等离子体，为i i i 族氮化物生长提供了高活性的氮源，克服了 m o c v d 寒涅生长雩 筵懿势蠛，可实现低澄箨惩；可在投氮气压 禚食一磁糍场篷垩i 帮徽滚黢褥台一多极场搜楚等离予俸e c r 源 2 1 1 。前者己荫三十多年历史，这种投术是在核聚变研究中发腰起来的+ 被 霜予磁镜实验装嚣禳寒产皇稻麓热等离子藩，后j 尝裂蹩，于每 琶末嚣先在 美围出现的，因为戴高效耦台等特性，得到了越来越多的重视和应用，尤 荬丧半导蒋麴缝穰薄膜低溢生长等疲趱中要冢建巨大熬工遂应用蕊力，鼓 称为怒适合予半导体加工的优秀源戮，它自& 在很宽的运行参数范围内商效 率产生大羲积均匀熬，高电满度，褒媳予温魔，低离子湿疫。稳定纯净鲍 等离子体。这种e e r 源旅魄的特点怒 2 2 ： a 。等离予体密度离( 1 0 ”1 0 ”c m o ) ，电离度高( 1 0 ) ，能量耦台效 率裹( 9 5 ； b 运行气压低( 1 0 4 t o r r 1 0 0 t o r r ) ； e 。霹澎藏夫嚣莰、黎定均匀装楚净等离予侮； j | 芒电极、高活性，因此缀能增强气体分予的激发、电离和离解过程。 不汉在擞波攀莲子髂中骞大鸯嚣长寿余垂崮蘑存壶，甚至在辉竞下游空闻 电存在相当多的基态原子，振动激敬卷分子和电离激发态分予等化学活性 趣秘； 3 刚”在超商真空下转动工作的样品台转动机构及石麓封闭双区补供朋热 器及毫糕嶷瀑控累绕8 0 0 l ，这挺霹以馕褥撵熬数生长瀑寝怒剿糖 确控毹； 4 。菠气系统：包括七疑配气系统及怒气楚理爆统。( 瞧缀装) 。( 餐2 - 2 4 ) 舔= 肇寓骏装嚣 漤2 - 2 - 4 1 ：氮源2 超纯热发生器3 。t e g a 渊4 。分子艇5 。囊宅蹩6 分子聚 耋，爱装装辫麓邀予麓麓等鼷娃螯瓣蘩黎与捺凝蓑缭 ( 1 )带翁羞分擒气的蔗糖式离髓电子衍射( 狲税e d 披勰c c d 黼像 登壤蘸统，耀予聚稼窭霹魏懑棒菇液蠢霰然稳爱熏长速率f 濑蓬2 。 2 - 3 ) 2 )霞檄壤鬻彼( 嚣矮爨鬻麓，特装，麓予捻溅爱蹙离子藏努笈搴 藏舞塞残余气髂成分； 终)怒蠢一寮淫麓藏溺燕装，霹疆搜襻渡验谶群孛熬互惹参数凝穗、 变傀邈速 翁兰节小辅 e s p d - - u 翻造拣瓣在m o c v d 暴凌黧黉了笈瓣式蠢裁瞧 二馘瓣簿袋 整实辩艇涮繇统，可辩单元索秘多元索化合躲、复杂搽状结构、量子点等低 维拳簿髂嚣耩褰瑰哥楚获酶祗滋生长，鞭蔼京蕊毒蠡懑颡祷藩姆蠢，辩予生 长第三三代半鼯体材辩或者低缀绉构耪辩镁有稻。 第一章盛验装置 2 9 1 3 强2 - t ie s p d - u 侧勰翅 1 石英蔽逸窝2 可谢谐振腔3 外蜒寓4 装样室5 颥处理室6 可变陡成 天线7 磁波传输系统8 ，2 a 5 g q z 微波功率源9 r h e e d ( 屯予捻) t 0 c c 或稼系统 疆楹矮潜饺强先学窗躲 3 祥箍台1 4 秀拜热黎1 5 戳磁手 1 6 ，温控及电源1 7 观察窗1 8 样铺台转动机构1 9 ，样品台升降器 2 0 瓣轮分子泵2 i ，溅瓣枣子泵2 2 。差分魏气系统2 3 。囊空囊诗2 4 。磁力俦裁 杆2 5 高真窝阀a2 6 高真空阀b2 7 配气系统 一 4 一 纂：二窀樊鞍装攫 秣燃瑟猎辍 瀚鋈隧莲熬臻辩髦裳辩嚣敬裳掰冀拳褒燃糠篱辫嫌妒鬻容裂。鼗 蠛涤 蘧菇菱暴糕睁蠹露孵。霜 蘸漤寒密蠖棼堡爨器露黎整港爨篓 秘髂爱2酝整趱辅骤，_【辩擎$ 警蘸鼷曩葛 莓多蟋嚣。譬辽器静撒。2罄羹霹嚣避瓣鼗键蠡8，窭 萎”鑫磁筹豢鍪姆鬣瓣黎 n十搿零。“。攥黼蕊坡爨誉n甏联黼鬻觳辩鞭辩裂瓣啦鬻瓣辩甘榭嚣警咚n瓣瓣辩黪留k渊誉器拣瓣、一 瓣稀遂霪瓣浆专爱瑟舔 ： 第三章材抖的表面分析 第三章材料的表面分析 第一节引言 在晶体的生长过程中，晶体的外延层生长的质量和性质是非常重要的问 题。必须有充分的测试条件，才能对晶体质量的好坏做出判断，分析晶体物 理特性的方法也非常多。利用电子束照射或入射到样品表面来评价样品物理 特性是一种极为有效的方法。通常用的方法有以下几种。1 。 分类原理评价对象 r h e e d 反射式以1 0 3 0 千伏的电子束掠射样晶体的结晶性( 周期 高能电子衍品表面在荧光屏上观察其衍性) ，表面结构和表面 射射图像平整度 s h e e d 扫描高使衍射电子柬扫描并记录在 能电子衍射x y 记录仪上 l e e d 将5 0 5 0 0 k 电子伏的电子束垂 低能电子衍直照射在样品表面，在荧光晶体表面结构 射屏上显示衍射图像 l e e s ( 低能电表面吸附状态、表面电 子能量损失反射一次电子照射样品表面子状态、表面声子态及 电 谱)等离子体振荡的激发 子 使电子柬入射在样品表面， 方 俄歇电子能确定晶体表面附近元 法 谱( a e s ) 产生的俄歇电子能谱作能量 分析，收集与集中器中 素； 使电子束在样品上扫描，有观察生长晶体的表面状 扫描电子显样品上产生的二次电子或反念和表面形态，此外还 微镜( s e m )射电子同步的显示在阴极射可以观察p - n 结的表面 线管上电势等 透射电子显利用电子束透射样品柬反映 观察位错等缺陷，观察 附着后的原子和电子的 微镜( t e m )晶体内部结构图像 动态 x 射线微探针 使电子束入射到样品表面， 研究所产生的特征x 射线波 g a a s 组成元素的相对含 分析量( 组分比) 长 旃三章材料的表面分 行 舞予爨辩榉瑟，分褥扶撵繇 离 删渡溅射出的二次粒子的能量浏铡宠掺杂 子 定元素的组成 瀵 用鞋e 蒙予照瓣襻黠，通越缝 背敝射测背散射原予的黼餐来了解晶体的多屡缔构 鹣格结构 电 电鬟警尔篚攀墓鋈蠹耋茎豢篓翥妻羹 载流予浓度和迁移率情 况； 气 方 徐p n 结娥肖特蝥魄极，潮 度向偏压。测定其电容量，晶体的深能缴密度和能 法电褰测定 缮瑟竞爨鼹或者陵交溢度，羹状态等 米获得相关深能缀资料 发光( 光致用激光激鼷，戏溉光致发光测定发光效攀，测定疑 发光)波长震 闲x 射线照射样晶，观察旗结晶性，构造，晶格常 x 射线掰射 徼射现象数 从波导的解理面入射光，在 光光教射( 拉曼瓣鼗与传播的方向上求出照 学敬麓然挝曼鼗瓣惫与波导螽数瀚 鼹突毙波导黪光损耗 方哭系 法划 耀x 射线熙齄撵熬袭垂，测 x p s愆受激瓣嚣飞至嚣空中鼢憩 斓宠襄瑟蔚元素蟹袋躯 予|子能量 结合状态 警u p s 徽薹瓢斓，溺光是 结合状态 显微镜照透镜放大图像陵瓤形态 以下是本论文用到的测试手段，我也就重点介绍这几种。 第二抟反射褰襞魍孚衍射( r h e e d ) 塑兰望塑型题垄塑竺堑 用电子索照射或入射到样晶表蟊来避行评价样品岁 延生长屡豹性质霆一 种极为有的方法。如下图 迸射屯予聋蚌品垃雉、 图3 - 2 1电于畸闻你的相作用 r i - i e e d ( r e f t e c th i g he n e r g ye l e c t r o nb i f f r a c t i o n ) ”一5 蹙近年来随 着分予束外延技术的发展而发展起来的。电子柬不能穿透大块晶体，对较厚 襻鑫静表嚣绉梭磷究，冒鞋矮凳；| 反麓毫子衙射方法。它可戬在生长蕊过翟中 实时的监测晶体的表耐的原予结构汹1 ，晶体的表面形态，并可以分析表面 戆重麴塘瑷让“。宅已缀成为理饯戆羚蜓按末中不可软少戆表露分辑评价手 段。由于r h e e o 是分析表面结构的重要的工具，所以在分析r h e e d 原理之 前，酋先介绍下晶体的表面科学乜刚。 1 表面结晶学概论 一、薄骥鹃器嚣 一般情况下，人们把固体与真空之间的分界面称为袭面，而把不同的相 态或毒不羁类翡物基之弱麴分箨嚣黎淹舞蟊。懿廷，无论是表嚣还跫器嚣实 际上都不可能是一个理想的几何面，但是我们做理论搬导式不太考虑这些。 逶誊所滋的“表面”是指块状菇体的三维周期牲结构与真空之间数过渡地 带，包括所有不具有体内的三维周期性结构的舔子层和表面的原子层。其厚 度范围一般是一个或卷几个原子层。但是，界两的情况比较复杂，通常存在 两个褪籽之闻舔子的栩甄扩散翔褶互反应，还存在晶袼失配等帮采的应力及 由此造成的缺陷，这些扩散和反应极大的改变了相互间的结构和性质，所以 更不辘凌为理想蕊死秘瑟。 薄膜的界面在薄膜生长过程中非常熏要，因为薄膜界面的结构往往对薄 骥零赛游结擒怒萃鑫黢，多晶羧，还惫无定銎簇有萎簧影嚷。不溺豹薄膜具 有不同的界面，因而这些薄膜组合在一起时存在界面问题。我们匕面所说的 第三章材料的表面分析 都是指的半导体薄膜界面或者表面。表面是多晶材料和如金属氧化物电子陶 瓷一类材料，其晶粒之问存在的边界称为第二类的界面问题。与表面一样， 界面的存在对器件的性能场有着重要的影响，有的器件就是利用界面来工作 的。 二、结晶学理论 根据热力学平衡原理，如果一个体系的诸性质不随时间而改变，则该 体系就处于热力学平衡状态。此时实际上同时包括了下列几个平衡： 1 热平衡体系的各个部分温度相等。 2 力学平衡体系各部分之间以及体系与环境之间，没有不平衡的力存 在。宏观地看，边界不发生相对的移动。 3 相平衡相平衡是物质在各相之间分布的平衡。达平衡后各相的组 成和数量不随时间而改变。 4 化学平衡当各物质之间有化学反应时，达到平衡后，体系的组成不 随时间而改变。 晶体表面原子和晶体的内部原子一样，也是不停的在其平衡位置作热振 动的，但是为了研究的方便，我们作一级近似，认为表面原子静止在各自的 平衡位置上。在平坦的晶体表面上并在与表面平行的晶面中，原子是有序排 列的，并具有二维周期结构。表面结晶学就是研究二维周期性问题，二维结 晶学是三维结晶学的延伸，和三维结晶学类似，二维晶体的原子排列可以看 作是一些点的二维集合，这些集合可以用二维晶格的点阵加上基元来描述。 网格是平面上的电子沿着两个方向周期排列所形成的无限点阵。这里说的点 可以代表一个原子点或者一个原子团的中心。 2 r h e e d 原理 反射式高能电子衍射测量方法的原理图1 ( 如图3 - 2 - 2 ) ： 目3 - 2 2 反射式高能电子行- 射原理固 黄 蠢 其中电子束的能量为1 0 5 0 k 电了伏，它以1 2 度左右的入射角照射 在样品上。利用电子束的德布洛依波的性质，使受品格衍射的屯子柬照射在 一篓兰薹箜黧篓薹碧坌蹩。 一 费党群主，掇瓣荧竞嚣主静两豫程酉以知遂燕侉表蕊的绩穗。出子电子藤黪 天瓣惫擐小，l 震左毫，爨纛蕊患予榉瑟袭蠹豹逛予_ 羹懿分鬟缳小，这撑 电予只能与棒晶表疆的凡爨蒸至是一痿取予勰蕊椿发生俸翘，扶嚣糕够褥到 晶姆蠢髻射辫豫。这照电子骢穗豢兔5 0 1 5 0 k 邀予俊，电予凝其有粒子性， 秘对x 矮有波动性，箕波长( x ) 与捐这电压( v 、有关系 忑= 1 2 。5 ( v n r i o “叼2 ) “o( 争2 一l 冀中，v 2 避渗歪项，麸这个方程式萄豁露国毫压越鑫对它戆影鞠溉越 ：定。醚3 - 2 3 。绘国了这零中关黎。可以漆到在掰t e e d 中采壤鼹邂子寒波匠为 0 ，i 埃以f ，远小于翕蕊弼隔。 翔醛基建嫩臻， 辫3 - 2 一擞乎波长姑自b 灌电塞急阃躺美簸 我嚣j 整蠡i 鹣邀子慕熬惑疆戈1 9 k ，鼗瓷予察静波长为0 0 8 9 埃。 溪鬻谤擦下，不鬻戆鬈瓣惹纹霞袭了不霜的半导搭表覆黪态o j 【嚣j ，麓 ( 3 - 2 - 4 ) 为一些琵较吴煮伐裳经熟虢舔嚣旗榉掰代表嚣表颡特链。 霭3 2 4 固诞臻菇锋翡衰麓浚露大冀完整煮廖瀚鑫簿，毽楚小蕊糠爨帮 楚富序鹩，所以亳予窳接攒多懿蠢、壤懿粒簿射，霞珏璧魂嚣竣。 霭s 一2 4 ( b 说臻燕彝袭瑟时太鹣警整懿狯臻、菝掰戳海线狡添麓辩，按时 鑫予有龄爨斡存在，所以毯蕊青少蘩点。 鹜3 - 2 4 ( o ) 交予薅体袋瑟商怒佼浚，掰隧点与线嗣葬耄存在； 辫3 2 皤( d ) 惫予藤逮邀暴体表蕊戆超谈戆麓状耱，斯淡会发生体簿 豺，爨凌大薰懿煮，蕊不楚露掰射。 蝌三章利料的表面分桁 f 3 ) 嚣瓣 蹦3 吨一4 几释跑较典型 ( b ，精沽 的r t e e d 衍射 阶梯平链 条绞 妊) 起桃 ，蒸发的蛾子( 缀予、鬻予或髹予豳) 黥黢量 分柱遵从麦克斯韦分布。能精峰值随着源的等效温度而变化。当蒸发源鲍等 效滠覆为1 5 0 0 k ，冀爱钓峰 蓬为0 2 e v 。瑟溅射沉积辩，原子能爨分布瓣毽 为4 e v ”t 。英存大琵潼敬入辩凝子警致成棱和生长旃征的改变。同时，豳予 这些缝餐与潮备薄麓敷翔衬藏瓣鑫榛结会l 鞠运，霞l 毙入麓瓣予裁离子撬 动了瓣液斡袭瑟链，穗逑了膜与褥底弱化学友戳，缀登藩建澎滴貘筑结鞠r 手翼 特蠼。 4 2 3 3 斜入射蒸积 我翻怒蒸发鞭子飞囊褪痰鹣方寅黢树褒浚线之阀滤夹角称为蒸发糕予入 射楚。实验波明：警蒸发孤子入魅爨不瓣时，引起聚子在表嚣熬迂移率浚 变，澎晌成骇翻随矮靛生长弘q ，扶 嚣对薄骥戆缭褥套缀太影蛹，使薄袋产生 各向髯性。随着结晶颥粮的增大，最入射的蒸发原予戡逐溺澄蛰原予的入魅 方向在弱俸上生长，予照会产生所谓叠务鞠影效应，献褥硬薄膜表蕊凹凸不 平，缺陷较多，荠密现备向舜性。 膜鹃各瞬羚注释 奎状生长燕交流积源子豹入瓣方向鞠辩来鞭子裘瑟徒 韵速率繇控蠲。表露移韵速率越海，各雨器像懿生长越，j 、。在g a n 生长 中，n a k a m u r a 等人鳓发溪在毽秘蜒凝寒滚m o c v d 聚绞中，当李雩癔蕊痊与 求平入瓣泵璃褰一个角壤嚣事，g a n 薄疆缝鑫爨爨变蓑，霹笈藏怒这个驻 隰。 4 2 3 4 衬底溢凄 对于薄骥静生长这怒一巾豢聚参壁。挺筑瀑度接澎添薄貘生长鹣各个 参数。铡妇糕黔系数、袭嚣键动速率、成核条 粤、l 嶷褰薄度( 达到这个厚度 膜变为逐续鹣) ，班及无定影辩底上壤黪结赫鞠取肉，尊晶村疯上攀照膜豹 第四辛薄膜生k 理论 外延生长质量；还有衬底和膜材料之间的熟膨胀系数之差，残余应力的产牛 等等。 衬底温度的选择要视具体情况而定。一般来说，衬底温度高，使吸附 原于的动能随着增大，跨越表面势垒的几率增多，容易结晶化，并使薄膜缺 陷减少。衬底温度低，则易形成无定形结构的薄膜。 4 2 3 5 衬底结构 衬底的成分和结构形式( 无定形、多晶和单晶) 明显地影响膜的结构类 型。通常在无定形衬底上得到的多晶薄膜具有较弱的晶粒取向。在升高衬底 温度或斜入射情况下，可以使其取向强化。在单晶衬底上，足够高的温度 下，能够外延生长单晶薄膜。而且外延单晶薄膜的结晶形态往往与衬底的结 晶形态有关【4 “。 衬底的表面状态对薄膜的结构质量也有很大影响。如果衬底光洁度高、 表面清洁，则所获得的膜层结构致密，容易结晶，否则相反，而且附着力也 荠。 4 2 3 6 杂质污染 污染主要来源于反应源气体中，或残余气体中。通常氧和水气是主要的 污染成分。它的影响强烈的依赖于污染物质与材料的相互作用。真空度低 时，材料受残余气体分子污染严重，薄膜性能变差。即使在高真空下，薄膜 中也免不了有吸附气体分子，提高衬底温度有利于气体分子的解吸。 4 2 3 7 化学分解 沉积过程中，化学分解将引起成分的改变，这些变化一般是由于合金的 不同蒸气压，或化台物的不同成分的性质差别引起的。对于有些膜可以采用 沉积后的退火处理来补救。在薄膜生长之后，化合物在衬底上的分解同样也 会发生。这可能是由于较大的粘附系数差，由此可能会形成膜中的两相共 存，造成非均匀性等等。 因为我们生长的是半导体薄膜，所以我想多说一下这方面的内容 。 实际的半导体表面上都有台阶，它使半导体膜的外延生长分为两种方式： ( 1 ) 台阶流动式；( 2 ) 台面上二维成核方式。利用台阶流动方式可以自组 釜婴兰兰堕竺堡型燕 装璺三长量子患。帮嗣大_ 蟊积二维生长可以形成短周期超品格。当半导体薄膜 的生长以台阶流动方式为主时，反射高能电子衍射( r h e e d ) 强度不随时间 丽变；但是，以二维斌孩方式为主时，r h e e d 强度随时闻蔼振荡。 4 2 ，4生长模式4 2 增原予入射到圃体表面与表面上的的原予附着后，可以有着不同的移动 方式，在这期间生