WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 9 |

1 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 388 Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг Поверхностное натяжение на поверхности кристалла приводит к капиллярным эффектам, аналогичным Лапласову давлению под искривленной поверхностью (a) жидкости [21]. Скачок тензора поверхностных натяжений на кристаллическом ребре приводит к возникновению полей упругих деформаций в кристалле. Наличие линейного по деформации слагаемого в энергии (2) приводит к тому, что вклад поверхностного натяжения (b) в энергию кристалла отрицателен, т. е., иными словами, происходит релаксация упругой энергии, обусловленная 2 поверхностным натяжением.

Теория спонтанного образования периодически фа(c) сетированных поверхностей была построена в работах Андреева [23] и Марченко [24]. Позднее этот подход был распространен на рассмотрение фасетированных поверхностей в гетероэпитаксиальных напряженных системах и является одной из отправных точек для нашего рассмотрения массивов трехмерных напряженных островков.

(d) Согласно [24], полная энергия периодически фасетиРис. 2. Возможные гетероэпитаксиальные структуры рованной поверхности с периодом D, определенная на на фасетированной поверхности. 1 — материал подложединицу площади первоначально плоской поверхности, ки, 2 — осажденный материал. a — однородное покрытие;

равна b — система изолированных ”толстых” кластеров; c — сиE = Efacets + Eedges +Eelastic, (3) стема ”тонких кластеров”, d — гетерофазная система при большой величине покрытия. Периодически фасетированная где Efacets = const(D) — поверхностная свободная структура поверхности восстановлена. ”Холмы” на поверхноэнергия наклонных граней, Eedges = C1D-1 — сти гетерофазной системы находятся над ”канавками” подложкороткодействующая составляющая энергии ребер, ки и наоборот. Гетерофазная система содержит непрерывный Eelastic = -C2D-1 ln(D/a) — энергия упругой слой материала 2 с периодически модулированной толщиной.

релаксации. Поскольку деформации создаются линейными источниками (ребрами), Eelastic зависит логарифмически от D, и полная энергия (3) всегда имеет системы, представленные на рис. 2, и было выполнено минимум при некотором оптимальном периоде Dopt.

сравнение энергий.

Полная энергия гетерофазной системы равна [25] 2.3.1. Гетероэпитаксиальные структуры на периодически фасетированных подложках. ПериодиE = Efacets + Eedges +Eelastic + Eint erface. (4) чески фасетированные поверхности дают возможность для прямого получения упорядоченных массивов кван- В это выражение, помимо трех вкладов, имеющихся в товых проволок в том случае, когда рост материала 2, энергии фасетированной поверхности одного материала, осаждаемого на поверхность материала 1, происходит входит энергия границы раздела. Сравнение энергий в ”канавках”. Для изучения этой возможности бы- для нескольких различных типов гетероэпитаксиальных ло выполнено оригинальное теоретическое исследова- структур, выполненное в работе [25], дает следующее ние возможных структур гетероэпитаксиальной системы, заключение.

образующейся при осаждении материала 2 на фасети- Выбор между двумя возможными режимами роста рованную поверхность материала 1 [25]. Рассматрива- определяется тем, смачивает ли осаждаемый материал лась ситуация, для которой, во-первых, два материала фасетированную подложку 1 или не смачивает. В случае почти согласованы по постоянной решетки (примером смачивания возникает однородное покрытие периодичеявляется система GaAs / AlAs), и, во-вторых, как по- ски фасетированной подложки (рис. 2, a). Примером верхность материала 1, так и поверхность материа- служит AlAs, осажденный на периодически фасетированла 2 неустойчивы относительно фасетирования. При ную вицинальную поверхность GaAs(001), разориенти температурах значительно ниже температуры плавления рованную на 3 в направлении [110] [30].

такая неустойчивость должна иметь место для вици- Если осаждаемый материал не смачивает подложнальных и высокоиндексных поверхностей. Эксперимен- ку, то изолированные кластеры осаждаемого материала тально фасетирование наблюдалось для поверхностей, образуются в ”канавках” периодически фасетированной вицинальных к (001) на GaAs [26,27], на AlAs [26], на поверхности (рис. 2, b). Такая ситуация реализуетповерхностях (311) GaAs и AlAs [28], на поверхности ся при осаждении GaAs на вицинальную поверхность (775) GaAs [29]. Для такой ситуации были рассмотрены AlAs(001), разориентированную на 3 в направлении несколько возможностей для морфологии гетерофазной [110] [27,30], а также при осаждении GaAs / AlAs(311) Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. О б з о р и AlAs / GaAs(311). Экспериментальные работы на си- Поверхностная энергия Esurface не зависит от перистеме GaAs / AlAs(311) [31,32] показали возможность ода структуры D, энергия доменных границ равна прямого получения изолированных кластеров GaAs на Eboundaries = C1D-1, а энергия упругой релаксации имеет AlAs и последующего образования квантовых проволок вид Eelastic = -C2D-1 ln(D/a), и полная энергия (2.5) при заращивании структуры. всегда имеет минимум при некотором оптимальном пеВ случае неоднородного кластерного покрытия перио- риоде Dopt.

дическое фасетирование поверхности восстанавливается после осаждения нескольких монослоев. Тогда ”холмы” 2.4.1. Гетероэпитаксиальная система на поверхности осаждаемого материала образуются над InAs/GaAs(001) при субмонослойном и моно”канавками” подложки и наоборот, и возникает непреслойном покрытии. В работах [37–39] методом рывный слой с модуляцией толщины (рис. 2, d). Таким фотолюминесценции исследовались заращенные образом, формирование кластеров при гетероэпитакслои InAs(001) в матрице GaAs, полученные при сиальном росте дает возможность прямого получения субмонослойном и монослойном покрытиях. Для изолированных квантовых проволок, сверхрешеток квансистемы с субмонослойным покрытием наблюдалась товых проволок, квантовых ям с модулированной толщиузкая линия, сдвинутая в коротковолновую сторону ной. Так, периодическая модуляция толщины квантовой по отношению к линии люминесценции из структуры ямы наблюдалась методом просвечивающей электронной с одним монослоем InAs. Анизотропия спектра микроскопии для ямы GaAs в матрице AlAs при средней свидетельствовала о неэквивалентности направлений ориентации границы (775) [29], период модуляции соста- [110] и [110]. Авторами был сделан вывод о том, что влял 12 нм, а амплитуда модуляции — 1.2 нм.

InAs формирует островки, удлиненные в направлении [110] и имеющие одинаковую ширину. Позднее вывод о существовании наноразмерных островков 2.3.2. Фасетированные поверхности в гетеропри субмонослойном покрытии в InAs / GaAs(001) эпитаксиальной рассогласованной системе. Тебыл подтвержден методом сканирующей туннельной оретическое исследование влияния гетероэпитаксиальмикроскопии [40], где было показано, что ширина ного напряжения на фасетирование поверхности провоостровков составляет 4 нм.

дилось в работах [33,34]. Была рассмотрена гетероэпиВ работе [41] исследовалось влияние длительного таксиальная рассогласованная система для случая, когда прерывания роста на структуру покрытия InAs на поверхность материала пленки неустойчива относительGaAs(001). Для системы с субмонослойным покрытием, но фасетирования. В этом случае в системе имеются при длительном прерывании роста, последующем зарадва источника деформаций: во-первых, рассогласование щивании структур и измерении спектров фотолюминеспо постоянной решетки между пленкой и подложкой, ценции было установлено, что монослойное покрытие и, во-вторых, скачок тензора поверхностных натяжений InAs неустойчиво и распадается на участки поверхности на ребрах. Найдена зависимость периода фасетирования с субмонослойным покрытием и на островки с высотой от величины рассогласования. Было показано, что при несколько монослоев. Для систем с субмонослойным увеличении величины рассогласования сначала период покрытием показано, что спектры фотолюминесценции фасетирования растет, а затем исчезает возможность равпринципиально не меняются при применении прерывановесного фасетирования. Метод расчета полей дефорния роста. Это свидетельствует о том, что гетерофазная маций и упругой энергии, развитый для такой системы, система островков монослойной высоты при субмонобыл впоследствии применен для системы трехмерных слойном покрытии устойчива.

напряженных островков.

Результаты работ [38,39,41] доказывают, что система островков монослойной высоты в системе InAs / GaAs 2.4. Поверхностные структуры является равновесной. Эта интерпретация была предлоплоских упругих доменов жена в противовес кинетическим моделям образования островков при субмонослойном покрытии [42]. Таким Структуры плоских доменов на поверхности возникаобразом, эксперименты по отжигу при субмонослойном ют тогда, когда на поверхности могут сосуществовать и монослойном покрытиях свидетельствуют об устойчиразличные фазы [35,36], например фазы поверхностной вости массивов островков монослойной высоты и подреконструкции (2 1) и (1 2) на Si(001), островтверждают применимость термодинамического подхода ки монослойной высоты в гетерофазных системах и для описания гетерофазных систем полупроводников т. п. Тогда соседние домены имеют различные значения AIIIBV при субмонослойном покрытии.

тензора поверхностных натяжений, а на доменных Исследования морфологии поверхности с помощью границах возникают эффективные силы, приложенные к сканирующей туннельной микроскопии, приведенные в кристаллу. Эти силы создают поле упругих деформаций работе [43], показали, что рост 1 монослоя на сини дают вклад в релаксацию упругой энергии. Полная гулярной поверхности (001) GaAs и 30 с прерывания энергия системы плоских доменов равна [36] роста приводят к возникновению одномерной рифленой E = Esurface + Eboundaries +Eelastic. (5) структуры, которую можно описать как массив ”кванФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 390 Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг товых проволок” с шириной 30 нм, ориентированных в гии эпитаксиального слоя 2 и энергии границы разнаправлении [100]. Возрастание количества осажденного дела 12 меньше, чем энергия поверхности подложки вещества приводит к появлению более сложной ”пар- 2 + 12 < 1, т. е. если осаждаемый материал кетной структуры”, в которой имеется рельеф в двух смачивает подложку, то возникает режим роста Франканаправлениях [100] и [010]. Увеличение прерывания ван дер Мерве.

роста для этой структуры от 2 до 30 с делает рельеф Изменение величины 2 + 12 может приводить к более четким. переходу от режима Франка-ван дер Мерве к режиму Осаждение 1 и 1.5 монослоев InAs на вицинальную Фолмера–Вебера.

поверхность GaAs, разориентированную на 3 в напра- В гетероэпитаксиальной системе при наличии рассовлении [110] относительно поверхности (001), приводит гласования по постоянной решетки между осаждаемым к более сложной рифленой поверхности, на которой при- материалом и подложкой первоначальный рост может происходить послойно. Однако более толстый слой имесутствует рельеф как в направлении, перпендикулярном ет большую упругую энергию, и возникает тенденция ступеням, так и в направлении [100].

Стабильность этих поверхностных структур при пре- уменьшить упругую энергию путем образования изолированных островков. В этих островках происходит рерывании роста свидетельствует о том, что наблюдалась лаксация упругих напряжений и соответственное уменьравновесная морфология гетероэпитаксиальной системы шение упругой энергии. Так возникает режим роста InAs / GaAs(001) при промежуточной (докритической) Странского–Крастанова.

толщине осажденного слоя InAs. Симметрия таких равновесных структур определяется как симметрией тен- Эксперименты на InAs / GaAs(001) [44] и на Ge / Si(001) [45,46] действительно продемонстрировали зора поверхностных натяжений, так и симметрией объемных упругих модулей подложки. Главные оси тен- возможность образования трехмерных когерентно напряженных, т. е. бездислокационных островков. В зоров поверхностных натяжений GaAs и InAs — [110] и [110], а объемные упругие свойства материалов опреде- теоретических работах [47,48] было показано, что формирование трехмерных когерентно напряженных ляются направлениями осей наилегчайшего сжатия [100] и [010]. Таким образом, имеется переход от ориента- островков приводит к уменьшению упругой энергии и при не очень большом объеме островка (до ции упругих доменов при субмонослойном покрытии по 106 атомов) более выгодно, чем возникновение островнаправлению [110], наблюдавшийся в работах [38,40], ка с дислокациями. Однако традиционно считалось, что к ориентации по направлениям [100] и [010] при пов системе трехмерных островков неизбежно должна крытии 1.0–1.5 монослоев. Этот переход может быть происходить коалесценция, когда большие островки проинтерпретирован как следствие возрастания вклада растут за счет диффузионного перераспределения рассогласования по постоянной решетки в поле упругих материала, приводящего к уменьшению и исчезновению напряжений по сравнению с вкладом, обусловленным маленьких островков [49], и в конечном итоге образускачком на границе двух фаз, такое возрастание ются островки такого объема, в которых энергетически связано с увеличением объема осажденного InAs. На выгодно формирование дислокаций несоответствия.

вицинальных поверхностях появляется дополнительный Такое сосуществование когерентных островков и вклад в упругие напряжения, обусловленный ступенями.

островков с дислокациями наблюдалось в работе [50].

Однако последующие экспериментальные исследова2.5. Упорядоченные массивы трехмерных ния массивов когерентно напряженных островков в сикогерентно напряженных островков стемах InGaAs / GaAs(001) и InAs / GaAs(001) неожи2.5.1. Общая морфология рассогласованных ге- данно показали, что возможно узкое распределение островков по размерам [51,52]. В работах [53–59], тероэпитаксиальных систем. В гетероэпитаксиальпомимо узкого распределения островков по размерам, ном росте обычно было принято различать три режима:

была обнаружена корреляция в расположении островков, Франка-ван дер Мерве (Frank-van der Merwe) —реахарактерная для квадратной решетки. Было показано, что лизуется послойный (двумерный рост) материала B на при прерывании роста размеры островков и их взаимное подложке A;

расположение достигают предельного значения и далее Фолмера–Вебера (Volmer–Weber) — имеет место не изменяются со временем. Экспериментальные резульостровковый (трехмерный) рост B на открытой поверхтаты [53–59] свидетельствуют о существовании нового ности подложки A;

класса спонтанно упорядоченных наноструктур — упоСтранского–Крастанова (Stranski–Krastanow) —перрядоченных массивов трехмерных когерентно напряженвоначально реализуется послойный рост B и A с поных островков на поверхности.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 9 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.