3. Качественная картина автоэпитаксиального роста кристаллов

Для проведения процесса выращивания кристалла из газовой фазы или жидкой фазы необходимо обеспечить пересыщение пара или жидкого раствора, поскольку лишь в этом случае будет наблюдаться конден­сация атомов на подложку. Чем выше пересыщение, тем больше ско­рость роста кристалла.

Скорость роста определяется не только степенью пересыщения, но и характером поверхности исходной подложки. Чем больше поверх­ностных дефектов и особенно ступенек на поверхности, тем больше скорость роста кристалла. Это вызвано тем, что атом, попадающий на растущую поверхность, мигрирует по ней, и если в течение неко­торого времени не встретит ступеньку и не будет захвачен ею, то снова возвратится в газообразную или жидкую среду. Встретив ступеньку, атом устанавливает прочную связь с двумя или более атомами кристал­ла. К этому атому у ступеньки присоединяются новые атомы, в резуль­тате чего ступенька движется к краю кристалла и затем исчезает, оставляя завершенную кристаллическую грань. Следует иметь в виду, что наиболее вероятными местами захвата конденсированных атомов на поверхности кристалла являются изломы и изгибы на ступеньках.

При рассмотрении процессов роста кристаллов обычно возникает вопрос: почему или благодаря какому механизму атомы при конден­сации находят наиболее устойчивые состояния на поверхности под­ложки, а также почему предпочтение отдается атомам основного ма­териала, а не атомам среды, транспортирующего вещества или загряз­нений, присутствующих в среде. Наиболее правильный ответ на постав­ленный вопрос можно дать, используя так называемый метод проб и ошибок. В процессе конденсации атомы испытывают огромное коли­чество столкновений друг с другом и с подложкой. Так, при темпера­туре металлического расплава около 1000 °С каждый атом сталкивается с другими атомами или с кристаллическим зародышем порядка 10¹⁴ раз в секунду. Известно, что все тепловые процессы стремятся к термодинамическому равновесию, характеризующемуся минимальной свободной энергией системы. Поэтому если атом в результате очередного столкновения не оказался в положении, соответствующим минимуму внутренней энергии тела, то он не задерживается на поверхности зародыша, а возвращается в исходную жидкую или газообразную фазу. При столь большом числе столкновений всегда найдется определенное число «удачных» столкновений, заканчивающихся захватом атома кристаллической фазой, соответствующей минимуму внутренней энергии тела. Такая же картина наблюдается и в случае инородных атомов. Последние при взаимодействии с кристаллической фазой образуют систему частиц с большей потенциальной энергией, чем кристаллическая система из атомов основного материала. Следует отметить, что при большой концентрации инородных атомов в растворе часть этих атомов будет конденсироваться, оставаясь в выращиваемом кристалле в виде примеси.

Скорость роста кристаллов на гранях с высокими индексами Мил­лера, имеющих большую концентрацию ступенек, значительно выше, чем на гранях с низкими индексами. Например, как показано на рис. 1.2 для кубической решетки, плотность ступеней на гранях с индексами (130) и (410) значительно больше, чем на грани (110). Наиболее мед­ленно растущими гранями являются (111), (110), (100).

Быстро растущие грани с высокими индексами и соответственно большим числом ступеней в процессе роста постепенно уменьшаются по площади и в конечном итоге исчезнут. Останутся лишь медленно растущие низкоиндексные плоскости, которые будут огранять крис­талл. Ограненный кристалл обычно имеет форму, подобную форме элементарной ячейки.

Д ля объяснения дальнейшего роста кристалла, ограненного плот­но упакованными низкоиндексными плоскостями, было высказано предположение о зарождении небольших устойчивых двухмерных островков атомов на плоскостях кристалла. Террасы или ступеньки, образованные такими двухмерными зародышами, могут затем дейст­вовать как места для расположения вновь поступающих атомов. Вследствие термической флуктуации на этих ступенях образуется большое число изгибов и изломов, как показано на рис. 1.3, которые ускоряют рост граней. Однако для образования двухмерных зародышей на плотно упакованных гранях кристалла необходимо значительное пересыщение (порядка 50%). В то же время большинство реальных ограненных кристаллов растет при низких пересыщениях (около 1%). Это свидетельствует о том, что на поверхности реальных кристаллов всегда имеются источники ступеней, которые исключают необходимость образования двумерных зародышей для роста кристалла.

Рис.1.2. Двумерная модель кубической решетки

Рис.1.3. Схематическое изображение растущей поверхности с зародышем А и ступени роста с изломом В

Наиболее вероятным источником ступеней и террас являются винтовые дислокации, выходящие на растущую поверхность. В результате постоянной достройки мономолекулярной ступени дислокации эта ступень совершает вращательное движение, образуя винтовую спираль роста (рис.1.4). Возникшая серия ступенек является самосохраняющейся, так как дислокация практически закреплена в точке выхода на поверхность. Таким образом, достаточно существования одной винтовой дислокации, выходящей на поверхность, для того чтобы резко ускорить зарождение большого числа террас и соответственно увеличить скорость роста кристалла.

Рис.1.4. Развитие винтовой спирали (в) в процессе роста террасы (б), образованной выходом винтовой дислокации (а) на поверхность кристалла