WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

В работе [23] по созреванию зерен Лившиц и Слёзов утверждали, в частности, что упругие деформации в зернах могут быть учтены и не изменят по существу вида конечных распределений, так как являются фактором 2-го порядка. Действительно, в трехмерном случае, рассматривавшемся Лившицем и Слёзовым, напряжения в 3D зернах нового материала могут быть учтены как добавка к свободной энергии кластера, влияющая на скорость его зарождения и роста. Такой подход был применен Drucker [31] для расчетов развития двумерных островков на поверхности подложки при ОС. Однако исследования последних лет показали, что упругие деформации в эпитаксиальных пленках и возникающих 3D островках являются ключевым и многозначным фактором, в большинстве случаев кардинально изменяющим картину классических механизмов фазообразования. Так, Рис. 3. Схема зарождения и формирования нового монов случае роста Ge-на-Si и InAs-на-GaAs именно наличие слоя в классическом представлении по Кукушкину и Осипоэтих деформаций приводит к переходу от послойного ву [22] применительно к молекулярной эпитаксии (например, роста к образованию 3D кластеров на поверхности подкремний-на-кремнии). Подробности в тексте.

стилающего слоя германия (или InAs), т. е. реализации механизма Странского–Крастанова. Существенная неоднородность упругой релаксации островка по его высоте приводит к зависимости энергетического выигрыша Эксперименты по наблюдению за развитием двумерот формы островка. Появляются несколько дискретных ных островков Si на поверхности Si(100) хорошо соглаэнергетически наиболее выгодных форм (”hut ”, ”dome”, суются с выводами модели ОС (см., например, [26]). На ”superdome”). Упругие искажения в прилегающей обларис. 3 схематично представлено зарождение и формирости подложки по периферии кластера возрастают с вание нового эпитаксиального монослоя в классическом увеличением размеров последнего, что изменяет законопредставлении трех этапов [22]. В начальном состоямерности присоединения адатомов к кластеру, уменьшая нии (позиция a) на поверхности подложки находится его скорость роста [32–34]. Считается, что появление пересыщенный адсорбат атомов Si (”море” адатомов) и увеличение связанного с этим барьера — одна из и на первом этапе происходит зарождение 2D-центров главных причин, сужающих распределение островков по (позиция b). Далее, наступает второй этап — этап размерам по сравнению с предсказаниями теории ОС независимого роста центров — (позиция c), в процес(см., например, [33]). При некоторых условиях роль се которого происходит снижение пересыщения вокруг упругих деформаций и их релаксации в островках станоцентров, но последние еще не взаимодействуют, так как вится доминирующей вплоть до установления квазиравих диффузионные поля ”питания” еще не перекрываются.

новесного состояния, при котором ансамбль островков Поэтому зарождение новых центров в местах, удаленных неизменен во времени как по форме, так и по их распреот уже образовавшихся островков, продолжается (поделению по размерам и, соответственно, не описывается зиция c, центр справа). После того как диффузионные закономерностями модели ОС [29,35–40].

поля перекрываются (позиция d) и пересыщение между На рис. 4 схематично показаны основные этапы обраостровками снижается, вероятность появления новых зования ансамбля напряженных островков и их отличия центров падает, наступает третий этап — этап коррелиот классического варианта. Так же, как и ранее на рис. 3, рованного роста островков или оствальдовского созревав начальном состоянии (a) на поверхности имеется перения. Взаимодействие островков по Кукушкину и Осипову сыщенный адсорбат, но теперь он образовался на поверхосуществляется через ”обобщенное самосогласованное ности подстилающего (смачивающего) слоя напыляемодиффузионное поле” [22] (в данном случае это адсорбат го материала (Ge). Зарождение 3D hut-кластеров (поатомов Si). Большие островки растут, малые исчезают зиция b) обусловлено релаксацией упругих деформаций (позиция e). Этот этап может продолжаться в течение (1-е отличие от классики). Далее(позиция c) появляются длительного отрезка времени, если система замкнута, а две выделенные формы: hut и dome. Энергетическая количество адатомов меньше 1 монослоя [26]. Распре- выгодность первой и второй форм зависит от их объема, Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования... чению пространственного распределения островков на поверхности (5-е отличие от классики). Учет упругого взаимодействия через подложку в системе островков GeSi-на-Si позволил более адекватно описать результаты эксперимента [46].

3. Рост и особенности упорядочения ансамблей нанокластеров Ge 3.1. Морфологические перестройки В гетеросистемах Ge–Si экспериментально наблюдают несколько стадий эволюции островков в процессе увеличения эффективной толщины пленки. Эти стадии различны для подложек с ориентацией поверхности (001) и (111). С точки зрения создания квантовых объектов поверхность (001) является уникальной, потому что только на ней были обнаружены компактные трехмерные бездислокационные островки размером 10-100 нм (рис. 5). Появление таких островков наблюдается после образования сплошной пленки Ge, сверхструктурные домены которой хорошо различаются между островками на рис. 5. Начало образования 3D кластеров сопровождается возникновением на картинах дифракции быстрых электронов (ДБЭ) тяжей, сформированных рассеянием электронов на гранях {105}. Благодаря своей форме такие островки получили название hut-кластеры [47].

С ростом средней толщины пленки в дополнение к граням {105} картины ДБЭ показывают появление граней {113} и {102}. (Следует отметить, что первая работа, в которой методом ДБЭ были выявлены именно Рис. 4. Стадии формирования трехмерных островков в систеэти грани островков Ge на поверхности Si(001), быме Ge–Si (001). Схема. Подробности в тексте.

ла выполнена в ИФП СО РАН еще в 1987 г. [48]).

Эта стадия роста характеризуется как формирование dome-кластеров. Переход от hut-кластеров размером в основании 15-20 нм к dome-кластерам (средние разно при определенных условиях возможно их сосущемеры 50-100 нм) сопровождается увеличением степени ствование [35,36] (2-е отличие от классики). Наблюдался релаксации механических напряжений. По данным Floro переток атомов к более энергетически выгодной форet al. [49], материал в кластерах типа hut упруго релакме [41] (позиция d) и тогда можно говорить о реализации сирован в среднем на 20%, тогда как в островках тимодели ОС (малые островки исчезают в пользу больпа dome из-за большего отношения высоты к основанию ших), при этом, однако, нет непрерывного распределения релаксация составляет более чем 50%, при этом островпо размерам островков, а наблюдается бимодальность в ки остаются по-прежнему когерентно сопряженными с распределении [36,41]; в работах [38,40,42] наблюдался подложкой. Как показывают многочисленные экспериобратный переход от формы dome к форме hut (3-e отментальные наблюдения, последней стадией развития личие от классики). Возможно квазиравновесное состоморфологии и структуры островков GexSi1-x-на-Si (001) яние системы, при котором размеры и форма кластеров и (111) является образование трехмерных пластически практически не изменяются во времени при отсутствии деформированных островков с ДН в границе раздела внешнего потока [39] (позиция e) (4-e отличие от класс подложкой, сопровождающееся быстрым увеличением сики). Chiu [43] теоретически показал, что вероятность их размеров (см., например, [50–52]).

стабильного состояния ансамбля островков возрастает с увеличением анизотропии поверхностной энергии 3.2. Эффекты упорядочения (ее возрастанием на фасеточных гранях островков). При определенных условиях (близкое расположение остров- Процесс упорядочения вызывает появление в системе ков) теоретически обосновано взаимодействие кластеров островков предпочтительных значений их характеричерез перекрывающиеся поля упругих деформаций в стик: размеров, формы, расстояний между островками и подложке [44,45], что может способствовать упорядо- их взаимного расположения. Это является результатом Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1286 О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров...

Рис. 5. STM-изображения hut-кластеров на поверхности (001) Si с подслоем Ge толщиной deff, монослои (МС): a —4.6, b —8;

Tp = 300C. Сторона кадра — 160 нм. STM (scanning tunneling microscopy) — метод растровой туннельной микроскопии.

минимизации суммарной свободной энергии системы. нию авторов, получено благодаря тщательному подбору Наличие избранных характеристик должно проявляться условий роста.

в спектрах рассеяния и дифракции электронов и рентСреди других возможных путей улучшения однородгеновских лучей при взаимодействии с поверхностью, ности размеров островков можно выделить следующие:

содержащей наноструктуры, а также в электронных и а — использование отклоненных подложек; б — специоптических спектрах.

ального метода организации одновременного синхронРаспределению островков Ge по размерам в лите- ного зарождения кластеров [54]. Обоснование этих ратуре уделяется большое внимание, так как этот па- путей могут служить следующие известные факты и раметр системы квантовых точек чрезвычайно важен рассуждения. В работе Goldfarb et al. [27] демонстридля практических применений. Типичные распределения руются подробности перехода от 2D к 3D росту и напо размерам островков и диапазон нормализованных чальные стадии образования hut-кластеров. 3D островки среднеквадратичных отклонений, / l ( l — средний появляются в заметно разное время и зарождаются они арифметический размер), характеризующих уширение на несовершенствах 2D слоя Ge, что экспериментальраспределений, схематически представлены на рис. 6.

но подтверждает устоявшееся мнение о гетерогенном По данным [29], более узкие распределения наблюда- зарождении кластеров. Следовательно, предварительное ются для островков типа dome со средними размерами создание мест, предпочтительных для зарождения кла50-100 нм. (В этой работе островки Ge выращивались стеров, может явиться полезным приемом для улучшеметодом химического осаждения в атмосфере водорода, ния упорядочения последних. Предварительное упорякоторый влияет на подвижность адатомов Ge). Более дочение ступеней на плоскостях, разориентированных узкие распределения для dome-кластеров объясняются от (001), широко используется при создании массивов тем, что рост упругой деформации в подложке и в основании кластера с увеличением размера последнего уменьшает скорость его роста (в противоположность развитию кластеров по механизму оствальдовского созревания). Для hut-кластеров, получаемых методом МЛЭ [34], обнаружена аналогичная закономерность:

скорость роста hut-кластера Ge уменьшалась с ростом его размера (более подробно этот эффект исследован в работе [34]). Это приводит к заметному сужению распределения островков по размерам. Оценка уширения распределений hut-кластеров Ge, изображенных на рис. 5, дает величину / l 0.2-0.25, что заметно меньше, чем для hut-кластеров Ge, выращенных в среде водорода [29] (приведены на рис. 6, a). Наиболее Рис. 6. Характерные среднеквадратичные отклонения (/ l ) однородное распределение островков Ge по размерам островков по размерам в системе Ge–Si: a — островки типа представлено в работе [53] (/ l = 0.032), и, с hut, b — островки типа dome (по данным [29]), c — распреразрешения авторов, такие островки демонстрируются деление по данным работы Jiang et al. [53]. Распределения на рис. 7, a. Столь узкое распределение, по утвержде- представлены схематично.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования... По данным Johansson, Seifert [57], ширина распределения островков по размерам (InAs/InP) немонотонно зависит от скорости роста. Распределение становится уже с увеличением скорости, достигая минимума. Затем, при дальнейшем увеличении скорости роста, его ширина начинает вновь возрастать. Такое поведение подтверждает важность одномоментного гетерогенного зарождения.

С увеличением скорости роста повышается вероятность зарождения островков в самом начале процесса и вследствие этого островки растут в течение равного времени и имеют близкие размеры. Дальнейшее увеличение скорости роста приводит к тому, что пересыщение адатомов на поверхности становится настолько большим, что новые островки зарождаются непрерывно. Вследствие этого момент зарождения вновь ”размазывается” во времени, и распределение островков по размерам становится шире.

Возможно обеспечить почти одномоментное зарождение островков на всей поверхности подложки, создав в первый момент роста значительное пересыщение адатомов германия. Этого можно добиться, например, кратковременным увеличением плотности молекулярного пучка или кратковременным снижением температуры подложки. Эффект синхронизирующего воздействия периодических кратковременных изменений поверхностного Рис. 7. Островки Ge на поверхности Si: a — сингулярная грань Si(001), специально подобранные режимы роста [53], с разрешения авторов; b — вицинальная грань Si(001), предварительно выращенная сверхрешетка GeSi/Si [56], с разрешения авторов.

квантовых точек в системе InAs–GaAs (см., например, одну из последних работ Kim et al. [55] и ссылки в ней).

При выращивания островков Ge-на-Si такой подход менее распространен, однако в работе [56] для улучшения упорядочения ступеней на 2D стадии роста авторы использовали не только упорядочение ступеней, связанное с отклонением подложки от сингулярного направления, но и улучшили его путем предварительного наращивания многослойной напряженной сверхрешетки GeSi–Si.

В результате сообщается о получении островков Ge с Рис. 8. Радиальные распределения нормализованной плотоднородностью их распределения как по высоте, так и ности островков как функции нормализованного расстояния по площади лучше 10% с одновременным существенным от произвольно выбранной частицы для микрофотографий пространственным упорядочением (рис. 7, b). (рис. 7, a и b соответственно).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1288 О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров...

пересыщения на двумерное зародышеобразование был ”этаже”. Регулируя толщину заращивающего слоя, можобнаружен нами ранее при гомоэпитаксии кремния и но отфильтровывать влияние слабых островков. Такие германия. На основе этого эффекта был обоснован и исследования были проведены как теоретически, так и реализован метод МЛЭ с синхронизацией зародыше- экспериментально и можно привести несколько идентичобразования [54]. Позже был предложен и теоретиче- ных примеров для системы III–V [14] и Ge–Si [13,60].

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |



© 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.