第二章、 文獻回顧
2.2 磊晶成長
2.2 磊晶成長
磊晶為半導體常見的製程之一，由於磊晶薄膜具有較低的缺陷密 度，可避免半導體中載子被差排、晶界等缺陷捕捉、散射，另一方面，
藉由製程調變磊晶薄膜之元素比例，各種異質界面、量子結構亦可以 被實現，故磊晶製程被廣泛應用於製備發光二極體、半導體雷射以及 高速、高功率等元件。
磊晶成長(epitaxial growh)與一般薄膜製程最大的差異，主要在於 一般的薄膜沉積並不要求薄膜結構的晶體排列，而磊晶薄膜則是藉由 製程控制沉積物的成長行為，使其依附著特定的晶體方向進行成長，
故相較於一般薄膜沉積技術，磊晶製程對熱力學條件與基板更為敏 感。
由於磊晶為依附著基板進行成長，若以磊晶薄膜與基板間的晶體 關係分類，主要可分為晶格匹配式磊晶(lattice matching epitaxy, LME) 與晶域匹配式磊晶(domain matching epitaxy, DME)[ 2.57]。大多數的磊 晶製程會選用與磊晶材料晶格、結構相似的基板進行成長，此種磊晶 材料依附著基板的晶體方向成長的行為即為典型的匹配式磊晶；然而，
當基板與磊晶材料晶格、結構差異較大時，此時磊晶材料與基板間就
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無法沿著相同晶體方限，依照 1:1 的晶格方式進行堆疊；為了盡量契 合，磊晶材料與基板間會以兩者晶格之最小公倍數進行堆疊，而每一 個堆疊週期即生成一個錯配差排(misfit dislocation, MD)，例如磊晶成 長 TiN 於 Si(001)基板上，由於 TiN 的晶格常數 a 為 4.24Å ，而 Si 的
而在磊晶成長的行為上，Bauer 統整 Frank、 Volmer 以及 Stranski 等人觀察到的三種不同成長機制[2.58 – 2.61]，將磊晶行為依照其晶格 匹配度、表面能，以及成長條件的差異，將磊晶行為基本的區分為 Frank-van Merwe 成長 (FM)模式、Volmer-Weber 成長 (VW)模式以及 Stranski-Krastonov (SK)模式，而 Scheelm 又進一步加入階梯流成長
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(step-flow)以及其衍生的階梯聚集(step bunching)、螺旋成長 (spiral-island)模式，並加上 VW 模式連續成長後衍生的柱狀成長 (columnar)模式，最後歸納出如圖 2-8 所示的三種基本磊晶行為以及 額外的四種成長行為[2.62]。
Bauer 將 Frank et al、Bolmer et al 以及 Stranski et al 等人分別發 表之三種磊晶行，歸納磊晶材料表面能(FV)、基板表面能(SV)與膜/
基板界面能(FS)的平衡關係後，磊晶膜接觸角()與表面能/界面能之 關係可由下式表示之：
SV = FS + FV cos當SV
FS + FV時，其接觸角趨近於 0，此時傾向於 F-M 模式成 長[2.59]；而當SV < FS + FV時，磊晶材料傾向於以 VW 之 3D 島狀方式成長 [2.60]，此 3D 島狀成長的磊晶膜，若未經過退火之類的整平 程序直接進行後續成長，其將會演變成為柱狀(columnar)成長模式 [2.62]；當SV > FS + FV，但是其磊晶材料與基板間存在著一定程度的 晶格不匹配，則其初期將會類似於 FM 模式般，以二維堆疊的模式成 長，超過臨界厚度後轉為島狀成長，此種模式稱為 SK 模式[2.60]。
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圖 2-8 Scheelm 歸納之磊晶機制與成長行為示意圖[2.62]。
然而，當基板表面存在階梯形貌，沉積材料將有機會以穩定的速 度連續的自階梯成核、成長，此成長機制的穩定與否，與階梯間平台
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的寬以及成長的熱力學條件(包含溫度、驅動力以及濃度、通量等)相 關。較低的溫度、較寬的距離以及較高的通量(flux)，自平台成核成 長的速度將可能快過沿著階梯成長的模式，而回到前面討論 FM、VW 與 SK 等模式；而過高的溫度、過短的距離以及過低的通量，則階梯 將有可能聚集(bunching)，而破壞原本的階梯形貌[2.63]。值得一提的 是，若存在一螺旋差排其布格向量平行於基板表面，將會有一個布格 向量高的階梯從差排核向外延伸，沉積原子若依照階梯成長模式沿著 此階梯成長，將會如圖 2-9 所示，於另一方向又生成一階梯，以此機 制連續成長下，整個晶體成長行為就有如螺旋成長般，故稱為螺旋式 成長(spiral island growth)[ 2.64, 2.65]。
圖 2-9 螺旋式成長(spiral island growth)示意圖[2.66]。
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綜合上述平坦表面與階梯表面的成長行為，Scheel 將成長行為與 晶格匹配度、熱力學等條件的關係整理如圖 2-10(a)所示。其中熱力 學條件以 supersaturation ()來表示，可視為其成長的驅動力，與化學 勢(chemical potential, )成正比[2.66]，由於成長之熱力學條件又會影 響其成核條件，進而又影響其階梯間距，其又將 supersaturation () 與成核臨界尺寸 r*以及台階間距 y0整理如圖 2-10(b)所示。
圖 2-10 (a)成長模式與晶格錯配、過飽和度關係圖，(b)成長模式與過 飽和度、成核臨界尺寸以及平台寬度關係圖[2.62]。
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