gasb薄膜模擬外延生長(zhǎng)研究

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題背景半個(gè)多世紀(jì)以來，電子學(xué)的發(fā)展深刻影響著當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，而電子學(xué)的發(fā)展中起重要作用的是新器件和新材料的制造。關(guān)鍵性新器件的制造，如本世紀(jì)30年代的電子管，50年代的晶體管，60年代的集成電路，都給科學(xué)、技術(shù)和人類社會(huì)以巨大的推動(dòng)和影響。同時(shí)，人類社會(huì)的發(fā)展推動(dòng)著人們?nèi)パ芯扛碌睦碚?，性能更好的材料和電子器件。?dāng)今集成電路中的特征尺寸已達(dá)到幾十個(gè)nm，互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)器件中氧化物的厚度已達(dá)到1nm。隨著集成電路中的使用頻率的不斷增大，尺寸還將不斷減小。半導(dǎo)體激光器件

2、中廣泛使用的量子阱和超晶格材料的單層厚度一般為10nm。近年來在磁頭材料中引起廣泛關(guān)注的巨磁電阻金屬多層膜的單層厚度是1nm量級(jí)。預(yù)計(jì)二十一世紀(jì)的分子電子器件尺寸將是在nm量級(jí)的。就一般情況而言，這些材料和結(jié)構(gòu)都是在非平衡態(tài)下通過薄膜生長(zhǎng)而獲得的。故要制造這些材料和器件，沒有對(duì)薄膜的原子生長(zhǎng)過程的深刻了解，并在此基礎(chǔ)上制定出高超的薄膜生長(zhǎng)工藝，那么將是不可能實(shí)現(xiàn)的。隨著現(xiàn)代微電子及光電子工業(yè)向著集成化和微型化的趨勢(shì)發(fā)展，探索滿足特殊需求的材料和器件結(jié)構(gòu)并研究其制備過程、控制條件以及相關(guān)的特異量子效應(yīng)，己經(jīng)成為當(dāng)今眾多學(xué)科交叉研究的重要領(lǐng)域

3、。在原子尺度上去研究這些物理現(xiàn)象，對(duì)理解生長(zhǎng)過程、控制生長(zhǎng)條件、提高多層膜制備質(zhì)量、掌握其中結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性規(guī)律、驗(yàn)證其對(duì)薄膜物理和化學(xué)性質(zhì)的影響從而改善薄膜和低維結(jié)構(gòu)的制造工藝具有直接的重要意義[1,2,3]隨著掃描隧道電子顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)和低能電子衍射技術(shù)(LEED)、高能電子衍射(RHEED)等具有原子水平分辨能力的分析手段的出現(xiàn)，人們對(duì)薄膜生長(zhǎng)的微觀機(jī)制有了更深入的認(rèn)識(shí)和理解[4,5,6,7]。除了利用這些設(shè)備進(jìn)行分析研究外，人們還利用計(jì)算機(jī)在原子尺度水平來模擬原子、分子成膜的結(jié)構(gòu)與行為，并且近年來發(fā)展較

4、為迅速。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)在薄膜生長(zhǎng)研究中應(yīng)用的意義主要是：(1)從原子尺度水平模擬原子、分子成膜的結(jié)構(gòu)與行為，動(dòng)態(tài)地顯示薄膜生長(zhǎng)過程；(2)分析環(huán)境因素對(duì)成膜的影響，用以解釋實(shí)驗(yàn)觀察的各種現(xiàn)象；(3)從原子、分子尺度上分析各種條件下的成膜機(jī)理和薄膜生長(zhǎng)機(jī)-1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文制；(4)為調(diào)整優(yōu)化制膜工藝，創(chuàng)建或補(bǔ)充理論依據(jù)。要對(duì)薄膜生長(zhǎng)過程進(jìn)行科學(xué)的模擬，必須要對(duì)薄膜的制備方法和形成過成有所了解。本章接下來首先介紹計(jì)算機(jī)模擬薄膜生長(zhǎng)的一些方法和薄膜制備的常用方法(分子束外延)。1.1計(jì)算機(jī)模擬薄膜外延生長(zhǎng)研究現(xiàn)狀關(guān)于凝聚生長(zhǎng)隨機(jī)

5、模型的開創(chuàng)性工作是上世紀(jì)七十年代由Abraham和 White[8]提出的，而當(dāng)Witten和Sender[8]提出DLA(TheDiffusionLimitedAggregationModel)模型后，這方面的研究才開始很快發(fā)展起來。Witten和Sender的模型是這樣設(shè)計(jì)的：考慮一個(gè)四方網(wǎng)格，起始一個(gè)粒子放置在網(wǎng)格中央，然后第二個(gè)粒子被引入系統(tǒng)并無規(guī)行走，如果它到達(dá)停留粒子的近鄰格點(diǎn)，它就固定不動(dòng)并與第一個(gè)粒子組成一個(gè)集團(tuán)，該過程不斷重復(fù)，最后就形成一個(gè)二維的DLA集團(tuán)。以該模型為基礎(chǔ)，近十幾年來發(fā)展了一系列的研究 表面生長(zhǎng)過程的模

6、型。早期的如Meakin[9]的集團(tuán)一集團(tuán)凝聚生長(zhǎng)模型，在該模型中同時(shí)有很多粒子在格點(diǎn)上經(jīng)歷無規(guī)行走，任何兩個(gè)粒子相遇就聯(lián)合在一起并繼續(xù)行走。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得跟蹤大量粒子的運(yùn)動(dòng)成為可能，蒙特卡羅(MC)模型研究表面上各種薄膜生長(zhǎng)過程越來越多[10,11,12]。Bruchi[13]等人利用MC方法研究了無定型基底表面上島的凝聚和生長(zhǎng)過程，他們的模型中考慮了發(fā)生在基底表面上的幾個(gè)過程：?jiǎn)卧拥奈?、擴(kuò)散及蒸發(fā)。模型中介紹了一種比較簡(jiǎn)單的表面吸附粒子激活能的方法，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)基本相符：當(dāng)基底表面從低溫相高溫變化時(shí)，島的形貌經(jīng)歷了從

7、分形、分枝向緊密形生長(zhǎng)發(fā)展，從分形向緊密生長(zhǎng)的過程中有一個(gè)基底表面溫度的轉(zhuǎn)變區(qū)，大約為37K-200K，這一區(qū)間溫度很低。研究島的尺寸分布發(fā)現(xiàn)了島的分布的單峰性。在Bruchi等人的基礎(chǔ)上，魏合林、劉祖黎、陳敏等人[14]利用Morse勢(shì)研究了六角形基底上超薄膜的生長(zhǎng)。在他們的模型中，考慮以下幾個(gè)過程：(1)沉積原子的入射，氣相原子沉積到表面并被表面吸附變成吸附原子；(2)吸附原子在表面上的擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中與其他吸附原子結(jié)合形成核，如果吸附原子凝聚在己形成的島上，它可以沿島的邊緣遷移；(3)吸附原子的再蒸發(fā)。吸附原子在表面擴(kuò)散過程中可能

8、由表面再次到氣相，變成氣相原子。這幾個(gè)過程都有一定的速率，原子入射對(duì)應(yīng)沉積速率，蒸發(fā)對(duì)應(yīng)蒸發(fā)速率，原子在表面上的擴(kuò)散則是對(duì)應(yīng)于擴(kuò)散速率。每一個(gè)過程的發(fā)生都由相應(yīng)的-2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)