Исследование зарождения и роста нанокластеров при молекулярно-пучковой эпитаксии в системах SiC/Si, Ge/Si, InAs/GaAs методом компьютерного моделирования

• Автор: Сафонов, Кирилл Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 130 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДОВ РОСТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ
1.1. Развитие исследований роста полупроводниковых наноструктур
1.2. Роль нанокластеров в полупроводниковой технологии
1.3. Современная технология получения нанокластеров
1.4. Современные методы исследования нанокластеров
1.4.1. Экспериментальные методы исследования
1.4.2. Теоретические методы исследования
1.5. Цели работы
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО РОСТА НАНОКЛАСТЕРОВ SIC НА SI
2.1. Физическая модель зарождения и роста плоских нанокластсров
2.2. Моделирование эволюции системы панокласгеров в ходе осаждения углерода
2.3. Определение температурной зависимости плотности нанокластеров
2.4. Определение критерия перехода от двумерного к трехмерному росту и механизма трехмерного
роста нанокластеров
2.5. Резюме
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО РОСТА НАНОКЛАСТЕРОВ GE НА SI И INAS НА GAAS
3.1. Физическая модель зарождения и роста пирамидальных нанокластеров
3.2. Моделирование влияния условий роста на структурные параметры панокласгеров
3.3. Определение критического размера пирамидальных нанокластеров
3.4. Резюме
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Полупроводниковые нанокластеры имеют очень большое значение в современной физике твердого тела, микро- и оптоэлектронной технологии. Процессы зарождения и роста нанокластеров очень часто протекают на начальных стадиях эпитаксиального роста слоя (пленки) на поверхности подложки в различных системах материалов. При этом первые атомные слои выращенной пленки формируются в результате эволюции и последующего срастания системы кластеров на поверхности. Поэтому итоговое состояние кристаллической решетки: ее структура и однородность, присутствие внутренних упругих напряжений и дефектов вблизи интерфейса подложка-пленка во многом определяется структурой и конфигурацией системы нанокластеров, развивающейся на начальных стадиях роста. Методы эпитаксиального роста на поверхности уже в течение достаточно большого времени широко применяются для получения крайне востребованных в электронной технологии полупроводниковых гетероструктур. Промышленность предъявляет жесткие требования к рабочим характеристикам электронных устройств, что, в свою очередь, определяет строгие критерии качества структур, лежащих в их основе. В большой степени это касается дефектов кристаллической решетки (таких, как дислокации, дефекты упаковки и др.), которые могут присутствовать в объеме образца, на его поверхности и внутренних гетерограницах. Такие дефекты оказывают значительное влияние на электронную структуру и свойства полупроводников, существенно ухудшая рабочие параметры системы в целом. Поэтому технологическая проблема выращивания высококачественных, бездефектных гетероструктур при приемлемых материальных и временных затратах сейчас стоит достаточно остро. В этой связи задача изучения ранних стадий эпитаксиального роста, и, в особенности, процессов эволюции нанокласгеров представляется весьма актуальной.

С развитием методов полупроводниковой технологии в последнее время заметен стремительный рост интереса к гетероструктурам с квантовыми точками — полупроводниковыми областями с пространственным ограничением носителей заряда во всех трех направлениях, в роли которых при соответствующем выборе материалов и условий роста выступают нанокластеры. Благодаря эффектам размерного квантования в идеальной квантовой точке энергетический спектр носителей имеет дискретный вид. Такой спектр соответствует спектру отдельного атома, что дает уникальную возможность моделировать эксперименты атомной физики на макроскопических объектах, состоящих из сотен тысяч атомов.
Еще большее значение квантовые точки приобретают благодаря возможности их использования для принципиального улучшения существующих и создания новых типов микро- и оптоэлектронных приборов. Например, использование однородных массивов квантовых точек в активной области лазеров дает значительное увеличение коэффициента усиления и температурной стабильности, снижение пороговой плотности тока, расширение диапазона рабочих частот, улучшение динамических характеристик; в случае оптических детекторов инфракрасного диапазона -повышение чувствительности, снижение величины темнового тока, смягчение требований к поляризации излучения и др. При этом важнейшие рабочие параметры устройств (например, длина волны излучения) напрямую зависят от структурных параметров: размера точек, их концентрации и формы и т.д. Многообещающей выглядит возможность использования массивов квантовых точек для создания оптических усилителей, микросхем памяти и других устройств. Наряду с массивами, перспективными являются различные варианты использования отдельных квантовых точек. Так, в квантовой оптике большой интерес вызывает возможность создания на их основе источников одиночных фотонов. Также активно исследуются возможности применения отдельных точек в качестве элементарных ячеек памяти в квантовых компьютерах.

кластеров по размерам обусловлен, в частности, их неодновременным зарождением: в каждый момент времени на поверхности присутствуют как зрелые кластеры, так и зародыши малого размера. В этой связи целесообразно использовать специальные режимы роста, в которых стимулируется синхронное зарождение кластеров [173].
Понятие вертикального упорядочения [25,64,88,98] включает вертикальную корреляцию, когда растущие нанокластеры располагаются в точности над зарощенными на расстоянии от поверхности нанокластерами предыдущего слоя, и антикорреляцию, когда нанокластеры нового и предыдущего слоя располагаются в «шахматном порядке». Оба этих эффекта являются проявлением упругого взаимодействия кластеров из соседних слоев. Теоретические исследования и расчеты [98,99] показали, что слой кластеров, находящийся достаточно близко под поверхностью, создает на ней неоднородное распределение упругих деформаций решетки, причем величина деформации максимальна на участках поверхности, расположенных над кластерами (на одной вертикальной оси). В результате эти участки, наиболее близкие по параметру решетки к значению для осаждаемого материала, соответствуют локальным минимумам химического потенциала адатомов, и, следовательно, выступают в роли преимущественных центров зародышеобразования. Степень
пространственного упорядочения кластеров растет по мере увеличения количества кластерных слоев, что связано с компенсацией исходных неоднородностей расположения кластеров в первых слоях [99]. Вместе с этим повышается однородность кластеров по размерам, что связано с уравниванием площадей их «зон питания». Кроме того, с ростом числа кластерных слоев под действием накапливающихся в материале внутренних напряжений снижается критическая толщина смачивающего слоя [174], что приводит к относительному увеличению размера и соответствующему изменению формы кластеров в растущем слое при одинаковом для всех слоев количестве осаждаемого материала.