11.2.3 Самоорганизация при эпитаксиальном росте.

12.2.3.1. Наногофрированные структуры.

М етод молекулярно-лучевой эпитаксии открывает новые возмож-ности создания квантово-размерных структур, туннельно связанных струк-тур.

Рассмотрим процесс создания туннельно связанных периодических 3D-наноструктур, которые могут рассматриваться как латеральные молекулы из квантовых точек. Основой процесса является использование напряженных пленок, выращенных с помощью молекулярной эпитаксии, а также процессы самоорганизации, происходящие при отсоединении от подложки сжатых пленок.

Упрощенную последовательность формирования выпуклой InAs плен-ки, освобожденной от связи с InP-подложкой в локальной области длиной L, схематично иллюстрирует рис. 11.2.11.

Исходная сжатая пленка при ее освобождении упруго релаксирует, увеличивая свою длину, и выпучивается с амплитудой А, которая зависит от длины и несоответствия постоянных решеток Δа/а :

, (11.2.1)

где Δа/а = 5%.

Размеры слоя InAs превышают размеры подложки InP вследствие большего размера постоянной решетки. При создании гетеросттуры InAs/AlAs/InP формируется сжатый слой InAs.

При селективном травлении такой сэндвич-структуры происходит выпучивание, или гофрировка слоя InAs в результате упругой релаксации. При этом слой InAs частично освобождается от подложки.

М етодом самоорганизации при эпитаксиальном росте с последующим травлением жертвенных слоев созданы периодически гофрированные нано-структуры на основе сверхтонких напряженных полупроводниковых пленок и гетеропленок (InAs, InGaAs/GaAs, SiGe/Si). Для достижения прецизионнос-ти вводятся ограничения на амплитуду гофрировок.

Для этого на этапе молекулярной эпитаксии в структуру дополнитель-но водятся расположенные выше и ниже на заданном расстоянии от напря-женного слоя ненапряженные слои, которые и ограничивают период и амплитуду (рис. 11.2.12).

Поскольку молекулярная эпитаксия позволяет задавать толщину эпи-таксиальных слоев, а следовательно, и расстояние между слоями, с ато-марной точностью, то получаемые вышеописанным способом гофрировки будут иметь прецизионные амплитуду и период.

Гофрированная пленка — это периодически расположенные локально изогнутые области. При изгибе внешние слои пленки растягиваются, внут-ренние сжимаются, что существенно изменяет ширину запрещенной зоны в данных областях. Оценить возникающую деформацию ε и изменение шири-ны запрещенной зоны ΔЕ можно, исходя из простых геометрических сообра-жений. Деформация изогнутой пленки с радиусом изгиба R равна разности длин внешней и внутренней окружностей

. (11.2.2)

При этом в тонких пленках деформация может достигать 10%, такая гигантская деформация существенно изменяет ширину запрещенной зоны в месте изгиба, создавая квантовую яму. Действительно, изменения ширины запрещенной зоны ΔЕ (в простейшем случае) связаны с деформацией ε и величиной деформационного потенциала D соотношением ΔЕ = εD. Оценка ΔЕ в ультратонких пленках дает величину до ≈ 1 эВ, т. е. имеющиеся в гофрированных структурах упругие деформации вызывают сдвиги краев зон и приводят к появлению системы потенциальных ям.

Как показали расчеты, при периодах гофрировки ниже 100 нм электронные состояния локализованы в отдельных ямах. При уменьшении периода система может рассматриваться как система взаимодействующих квантовых точек. Энергетическое положение уровней изменяется при изменении толщины и периода гофрировки.