Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфрастр (стр. 6 из 19)

Согласно [24], полная энергия гетерофазной системы равна

В это выражение, помимо трех вкладов, имеющихся в энергии фасетированной поверхности одного материала, входит энергия границы раздела. Сравнение энергий для нескольких различных типов гетероэпитаксиальных структур, дает следующее заключение.

Выбор между двумя возможными режимами роста определяется тем, смачивает ли осаждаемый материал 2 фасетированную подложку 1 или не смачивает. В случае смачивания возникает однородное покрытие периодически фасетированной подложки (рис. 2,а). Примером служит AlAs, осажденный на периодически фасетированную вицинальную поверхность GaAs(001), разориентированную на 3° в направлении [110] [25].

Если осаждаемый материал не смачивает подложку, то изолированные кластеры осаждаемого материала образуются в "канавках" периодически фасетированной поверхности (рис. 2, b). Такая ситуация реализуется при осаждении GaAs на вицинальную поверхность AlAs(00l), разориентированную на 3° в направлении [110] [25,26], а также при осаждении GaAs/AlAs(311) и AlAs/GaAs(311). Экспериментальные работы на системе GaAs/AlAs(311) [27,28] показали возможность прямого получения изолированных кластеров GaAs на AlAs и последующего образования квантовых проволок при заращивании структуры.

В случае неоднородного кластерного покрытия периодическое фасетирование поверхности восстанавливается после осаждения нескольких монослоев. Тогда "холмы" на поверхности осаждаемого материала образуются над "канавками" подложки и наоборот, и возникает непрерывный слой с модуляцией толщины (рис. 2, d). Таким образом, формирование кластеров при гетероэпитаксиальном росте дает возможность прямого получения изолированных квантовых проволок, сверхрешеток квантовых проволок, квантовых ям с модулированной толщиной. Так, периодическая модуляция толщины квантовой ямы наблюдалась методом просвечивающей электронной микроскопии для ямы GaAs в матрице AlAs при средней ориентации границы (775) [29], период модуляции составлял 12нм, а амплитуда модуляции - 1,2нм.

В гетероэпитаксиальной рассогласованной системе для случая, когда поверхность материала пленки неустойчива относительно фасетирования, имеются два источника деформаций: во-первых, рассогласование по постоянной решетки между пленкой и подложкой, и, во – вторых, скачок тензора поверхностных натяжений на ребрах [30,31]. Найдена зависимость периода фасетирования от величины рассогласования. Было показано, что при увеличении величины рассогласования сначала период фасетирования растет, а затем исчезает возможность равновесного фасетирования.

1.2.1.4. Упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков

В гетероэпитаксиальном росте обычно принято различать три режима:

Франка-ван дер Мерве (Frank-vanderMerwe) — реализуется послойный (двумерный рост) материала В на подложке А;

Фолмера-Вебера (Volmer-Weber) — имеет место островковый (трехмерный) рост В на открытой поверхности подложки А;

Странского-Крастанова (Stranski-Krastanow) — первоначально реализуется послойный рост В и А с последующим образованием трехмерных островков В на покрытой подложке.

В гетероэпитаксиальных системах, согласованных по постоянной решетки, режим роста определяется только соотношением энергий двух поверхностей и энергии границы раздела. Если сумма поверхностной энергии эпитаксиального слоя g₂ и энергии границы раздела g₁₂ меньше, чем энергия поверхности подложки g₂ + g₁₂ <g₁ т. е. если осаждаемый материал 2 смачивает подложку, то возникает режим роста Франка-ван дер Мерве.

Изменение величины g₂ + g₁₂ может приводить к переходу от режима Франка-ван дер Мерве к режиму Фолмера-Вебера.

В гетероэпитаксиальной системе при наличии рассогласования по постоянной решетки между осаждаемым материалом и подложкой первоначальный рост может происходить послойно. Однако более толстый слой имеет большую упругую энергию, и возникает тенденция уменьшить упругую энергию путем образования изолированных островков. В этих островках происходит релаксация упругих напряжений и соответственное уменьшение упругой энергии. Так возникает режим роста Странского-Крастанова.

Эксперименты на InAs /GaAs (001) [32] и на Ge/Si(001) [33,34] действительно продемонстрировали возможность образования трехмерных когерентно напряженных, т. е. бездислокационных островков. В теоретических работах [35,36] было показано, что формирование трехмерных когерентно напряженных островков приводит к уменьшению упругой энергии и при не очень большом объеме островка (до » 10⁶ атомов) более выгодно, чем возникновение островка с дислокациями.

Традиционно считалось, что в системе трехмерных островков неизбежно должна происходить коалесценция, когда большие островки растут за счет диффузионного перераспределения материала, приводящего к уменьшению и исчезновению маленьких островков [37], и в конечном итоге образуются островки такого объема, в которых энергетически выгодно формирование дислокаций несоответствия. Такое сосуществование когерентных островков и островков с дислокациями наблюдалось в работе [38].

Однако последующие экспериментальные исследования массивов когерентно напряженных островков в системах InGaAs/ GaAs (001) и InAs /GaAs (001) неожиданно показали, что возможно узкое распределение островков по размерам [39,40]. В работах [41-47], помимо узкого распределения островков по размерам, была обнаружена корреляция в расположении островков, характерная для квадратной решетки. Было показано, что при прерывании роста размеры островков и их взаимное расположение достигают предельного значения и далее не изменяются со временем.

В обоснование такого результата в ряде работ было показано, что упругие деформации в эпитаксиальных пленках и возникающих 3D островках могут являться ключевым и многозначным фактором, в большинстве случаев кардинально изменяющим картину классических механизмов фазообразования [48]. Так, в случае роста Gе-нa-Si и InAs-нa-GaAs именно наличие этих деформаций приводит к переходу от послойного роста к образованию 3D кластеров на поверхности подстилающего слоя германия (или InAs), т.е. реализации механизма Странского-Крастанова. Существенная неоднородность упругой релаксации островка по его высоте приводит к зависимости энергетического выигрыша от формы островка. Появляются несколько дискретных энергетически наиболее выгодных форм ("hut", "dome",' "superdome"). Упругие искажения в прилегающей области подложки по периферии кластера возрастают с увеличением размеров последнего, что изменяет закономерности присоединения адатомов к кластеру, уменьшая его скорость роста [49-51]. Считается, что появление и увеличение связанного с этим барьера — одна из главных причин, сужающих распределение островков по размерам по сравнению с предсказаниями теории оствальдовского созревания (OC) (см., например, [50]). При некоторых условиях роль упругих деформаций и их релаксации в островках становится доминирующей вплоть до установления квазиравновесного состояния, при котором ансамбль островков неизменен во времени как по форме, так и по их распределению по размерам и, соответственно, не описывается закономерностями модели ОС [52 – 58].

1.2.1.4. 1. Равновесное состояние в системе когерентно напряженных трехмерных островков.

В связи с экспериментальными данными [41-47] в работах [59-64] проведено теоретическое исследование равновесия всистеме трехмерных когерентно напряженных островков. Рассматривалась гетерофазная система, состоящая из Qмонослоев материала 2, осажденного на подложку материала 1, в условиях прерывания роста, когда общее количество материала 2 фиксировано. Если толщина Qпревышает критическую толщину смачивающего слоя Q_c, то избыточное количество материала (Q — Q_c) монослоев формирует островки. Для исследования принципиальной возможности образования упорядоченного массива островков предполагалось, что все островки имеют одинаковую форму и размеры и образуют периодичес-кую сверхрешетку на плоскости. Рассчитывалось как изменение полной энер-гии системы при переходе части материала из плоского напряженного слоя в островки в расчете на единицу площади поверхности, так и изменение энергии системы за счет образования одного островка. При этом для системы напря-женных островков учитывались две особенности, отличающих ее от остальных классов наноструктур. Во-первых, в системе островков имеются два источника полей упругих напряжений: с одной стороны, рассогласование по постоянной решетки между осаждаемым материалом и подложкой, и, с другой стороны, скачок тензора поверхностных натяжений на ребрах островков. Соответ-ственно, упругая энергия равна сумме энергии объемной упругой релаксации, энергии упругой релаксации на ребрах и энергии взаимодействия двух упругих полей. Во-вторых, существенной является зависимость поверхностной энергии от деформации, обусловленная капиллярными эффектами.