gasb薄膜模拟外延生长研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景半个多世纪以来，电子学的发展深刻影响着当今社会的各个领域，而电子学的发展中起重要作用的是新器件和新材料的制造。关键性新器件的制造，如本世纪30年代的电子管，50年代的晶体管，60年代的集成电路，都给科学、技术和人类社会以巨大的推动和影响。同时，人类社会的发展推动着人们去研究更新的理论，性能更好的材料和电子器件。当今集成电路中的特征尺寸已达到几十个nm，互补金属-氧化物-半导体(CMOS)器件中氧化物的厚度已达到1nm。随着集成电路中的使用频率的不断增大，尺寸还将不断减小。半导体激光器件

2、中广泛使用的量子阱和超晶格材料的单层厚度一般为10nm。近年来在磁头材料中引起广泛关注的巨磁电阻金属多层膜的单层厚度是1nm量级。预计二十一世纪的分子电子器件尺寸将是在nm量级的。就一般情况而言，这些材料和结构都是在非平衡态下通过薄膜生长而获得的。故要制造这些材料和器件，没有对薄膜的原子生长过程的深刻了解，并在此基础上制定出高超的薄膜生长工艺，那么将是不可能实现的。随着现代微电子及光电子工业向着集成化和微型化的趋势发展，探索满足特殊需求的材料和器件结构并研究其制备过程、控制条件以及相关的特异量子效应，己经成为当今众多学科交叉研究的重要领域

3、。在原子尺度上去研究这些物理现象，对理解生长过程、控制生长条件、提高多层膜制备质量、掌握其中结构的形成和稳定性规律、验证其对薄膜物理和化学性质的影响从而改善薄膜和低维结构的制造工艺具有直接的重要意义[1,2,3]随着扫描隧道电子显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和低能电子衍射技术(LEED)、高能电子衍射(RHEED)等具有原子水平分辨能力的分析手段的出现，人们对薄膜生长的微观机制有了更深入的认识和理解[4,5,6,7]。除了利用这些设备进行分析研究外，人们还利用计算机在原子尺度水平来模拟原子、分子成膜的结构与行为，并且近年来发展较

4、为迅速。当前，计算机在薄膜生长研究中应用的意义主要是：(1)从原子尺度水平模拟原子、分子成膜的结构与行为，动态地显示薄膜生长过程；(2)分析环境因素对成膜的影响，用以解释实验观察的各种现象；(3)从原子、分子尺度上分析各种条件下的成膜机理和薄膜生长机-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文制；(4)为调整优化制膜工艺，创建或补充理论依据。要对薄膜生长过程进行科学的模拟，必须要对薄膜的制备方法和形成过成有所了解。本章接下来首先介绍计算机模拟薄膜生长的一些方法和薄膜制备的常用方法(分子束外延)。1.1计算机模拟薄膜外延生长研究现状关于凝聚生长随机

5、模型的开创性工作是上世纪七十年代由Abraham和 White[8]提出的，而当Witten和Sender[8]提出DLA(TheDiffusionLimitedAggregationModel)模型后，这方面的研究才开始很快发展起来。Witten和Sender的模型是这样设计的：考虑一个四方网格，起始一个粒子放置在网格中央，然后第二个粒子被引入系统并无规行走，如果它到达停留粒子的近邻格点，它就固定不动并与第一个粒子组成一个集团，该过程不断重复，最后就形成一个二维的DLA集团。以该模型为基础，近十几年来发展了一系列的研究 表面生长过程的模

6、型。早期的如Meakin[9]的集团一集团凝聚生长模型，在该模型中同时有很多粒子在格点上经历无规行走，任何两个粒子相遇就联合在一起并继续行走。随着计算机技术的发展，使得跟踪大量粒子的运动成为可能，蒙特卡罗(MC)模型研究表面上各种薄膜生长过程越来越多[10,11,12]。Bruchi[13]等人利用MC方法研究了无定型基底表面上岛的凝聚和生长过程，他们的模型中考虑了发生在基底表面上的几个过程：单原子的吸附、扩散及蒸发。模型中介绍了一种比较简单的表面吸附粒子激活能的方法，计算结果和实验基本相符：当基底表面从低温相高温变化时，岛的形貌经历了从

7、分形、分枝向紧密形生长发展，从分形向紧密生长的过程中有一个基底表面温度的转变区，大约为37K-200K，这一区间温度很低。研究岛的尺寸分布发现了岛的分布的单峰性。在Bruchi等人的基础上，魏合林、刘祖黎、陈敏等人[14]利用Morse势研究了六角形基底上超薄膜的生长。在他们的模型中，考虑以下几个过程：(1)沉积原子的入射，气相原子沉积到表面并被表面吸附变成吸附原子；(2)吸附原子在表面上的扩散，在扩散过程中与其他吸附原子结合形成核，如果吸附原子凝聚在己形成的岛上，它可以沿岛的边缘迁移；(3)吸附原子的再蒸发。吸附原子在表面扩散过程中可能

8、由表面再次到气相，变成气相原子。这几个过程都有一定的速率，原子入射对应沉积速率，蒸发对应蒸发速率，原子在表面上的扩散则是对应于扩散速率。每一个过程的发生都由相应的-2-哈尔滨工业大学工学硕士学