原子層外延

原子層外延法是將參與反應的元素蒸氣源或化合物蒸氣源依次分別導入生長室，使其交替在襯底表面澱積成膜（Atom Layer Deposition，ALD），又被稱為“數字外延”，ALD是以單原子層為單位進行的外延生長。它有較高的重複性，可以由循環次數精確地知道生長厚度。

基本介紹

• 中文名：原子層外延
• 外文名：Atom Layer Deposition (ALD)
• 簡稱：ALD
• 單位：單原子層
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：電子工程

原子

原子是一種元素能保持其化學性質的最小單位。一個正原子包含有一個緻密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而負原子的原子核帶負電，周圍的負電子帶正電。正原子的原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。負原子原子核中的反質子帶負電，從而使負原子的原子核帶負電。當質子數與電子數相同時，這個原子就是電中性的；否則，就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同，原子的類型也不同：質子數決定了該原子屬於哪一種元素，而中子數則確定了該原子是此元素的哪一個同位素。原子構成分子而分子組成物質中同種電荷相互排斥，不同種電荷相互吸引。

原子層外延簡介

原子層外延法（Atom Layer Deposition (ALD)）或分子層外延法（Molecular layer epitaxy，MLE），又被稱為“數字外延”，它是將參與反應的元素蒸氣源或化合物蒸氣源依次分別導入生長室，使其交替在襯底表面澱積成膜，具有以原子層為單位的厚度可控性、原子尺度的平坦度、大面積及低溫生長等特點，是其他生長方法不具備的。原子層外延的基礎是利用了原子在外延表面上物理吸附與化學吸附的區別，使得能精確控制得到單層外延生長。

ALE（atomic layer epitaxy）它是以單原子層為單位進行的外延生長，可以較精確的控制外延層厚度和異質結界面，是製作超晶格、量子阱等低維結構的化合物薄膜材料較好的生長方法。

原理

這裡以砷化鎵（GaAs）為例，說明原子層外延技術原理。

ALE的基本特點是交替供應兩種源氣體，使反應物在襯底表面形成化學吸附的單層，再通過化學反應使另一種反應物源也單層覆蓋，如此交替。

當每一步表面覆蓋層精確為一層時，生長厚度才等於單層厚度乘上循環數。在GaAs（100）方向上一次循環所得到的生長厚度為0.283nm。

經過多年的研究，ALE的實驗裝置有水平的，也有垂直的，有襯底旋轉的，也有氣流中斷方式的，有的還有光照或雷射誘導等裝置。

立式ALE反應裝置

主要實現方式是旋轉襯底，使之依次通過嫁源區、氫氣區、砷源區、氫氣區。

優缺點

優點

由生長原理可以知道，ALE的方法是通過反應物與襯底之間的表面吸附進行反應的。當反應物與襯底經過充分長的時間進行反應吸附後，即使再供應此種反應物，也不會出現晶體生長。因此決定生長厚度的參數是ALE的循環次數，因此ALE也被稱為“數字外延”。

數字外延有較高的重複性，可以由循環次數精確地知道生長厚度。對於數字外延來說，由於它是化學吸附的單層反應物的逐層生長，此模式與氣流分布、溫度均勻性等關係不大，不需要特別注意邊界層厚度、襯底附近的溫度分布等參數。只要襯底表面完全吸附了一層反應物，則厚度的高度均勻性就必然會達到，會得到高質量的鏡面表面，消除由於表面的勢能不同，造成的生長表面產生的不均勻性。

缺點

ALE生長方式的主要缺點是生長速率慢，循環時間長。試驗時間大都在每個循環10 s左右。當然也有很多人採用很多辦法來降低循環時間，提高生長速度，比如進行光照，但還是較慢。