反射式高能量電子繞射圖形 (RHEED)

反射式高能量電子繞射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction,

RHEED)，故名思意即以高能量電子(能量約20keV)以低角度入射於表面上，經反 射取得繞射圖形。由於其入射電子束擁有高能量、短波長，電子束的波長約為 0.62Å ，小於原子間的間距，可得各原子層的繞射圖形，而得知其結構資訊；又 由於入射能量高，散射相較於入射光可忽略，故可視為全反射，入射角度低，其 穿透深度約為數個nm，所以其反射圖形除了呈現材料結構亦可透露出表面型態的 資訊。RHEED的裝置簡單，傴需一個電子槍，一個屏幕與乾淨的表面即可，在鍍 膜過程中可立即監控薄膜的狀態，是不可多得的鍍膜配備。

圖 11. (a)RHEED 裝置簡圖 (b)MBE 上的 RHEED

依表面形態的平整與否，可將RHEED圖形約略分成兩種。若表面為完美的平 面，無任何起伏，電子束經繞射後會在屏幕上呈現小圓點繞成圓的圖型，但一般 的基版無法達到完全平整的狀態，皆會有一點點miscut的小誤差，使基板表面呈 現階梯的樣貌，每一階高度約為一個單位晶格，此時每一階的表面皆會參與反射，

使每個繞射點延長為長橢圓狀，如圖12a。倘若表面非常粗糙，則RHEED的圖形 將聚集了許多粗糙表面尖端貢獻的結構繞射，呈圓點陣列圖的樣式，如圖12b，

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其圖形類似穿透式電子顯微鏡中電子穿透結構得到的繞射圖形，只不過由於收集 反射電子束的關係所以只有一半的繞射點。

圖 12. 不同表面形貌反射出不同的 RHEED 圖形。

圖 13 圖形中對應樣品的方位關係圖

圖形上的方位判別如圖13所示，若電子束由試片的x方向入射，則會得到y及 z方向的資訊，也就是說以整體的繞射圖形來看，水平方向的繞射點指出垂直於 入射方向的試片in-plane方向，而垂直的繞射點則指出試片的out-of-plane方向。

假若試片上的島狀成長有固定的結晶形狀，會有趣地看到繞射點會有相對應 結晶形狀的延伸，這個對應的延伸，是由於電子束對結晶面的反射，致使繞射點 變形。以圖14中的例子來說，InxGa1-x在GaAs(100)上以<113>為最穩定表面的金

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字塔狀，在金字塔狀的形態上，不同方向入射得到不同的RHEED繞射點形狀，如 圖14c,d所示。若以[010]方向來看，如圖14c，會面臨這兩個面，電子束會對這兩 個面做反射同時繞射，故繞射點會沿[-1-13]與[1-13]有所拉長，投影致屏幕上，則 顯示為[-103]及[103]方向的延伸。若以[110]方向入射，會看到三個面，故會有圖 14d中三個方向的延伸⁴⁰。

圖 14. (a) 在 GaAs(100)上 InxGa1-x 的 RHEED 圖，電子束由[0-11]入射；(b)島狀 結構以<113>為最穩定表面的金字塔狀；(c)電子束以[010]入射以及(d)[110]入射，

與方向上所見金字塔的側面圖。

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