Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 19_Режим островкового роста

Режим островкового роста

В гетероэпитаксиальном росте обычно было принято различать три режима в зависимости от морфологии образующейся пленки:

1.Франка-ван дер Мерве (Frank-van der Merwe) - реализуется послойный (двумерный рост) материала B на подложке A;

2.Вольмера-Вебера (Volmer-Weber) - имеет место островковый (трехмерный) рост B на открытой поверхности подложки A;

3.Странского-Крастанова (Stranski-Krastanow) - первоначально реализуется послойный рост B и A с последующим образованием трехмерных островков B на покрытой подложке.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 1

Странского-Крастанова образование и рост

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 2

В гетероэпитаксиальных системах, согласованных по постоянной решетки, режим роста определяется только соотношением энергий двух поверхностей (подложки γ1 и эпитаксиального слоя γ2) и энергии границы раздела (γ12).

Если

γ2 + γ12 < γ1

сумма поверхностной энергии эпитаксиального слоя и энергии границы раздела меньше, чем энергия поверхности подложки, то осаждаемый материал смачивает подложку, т.е. возникает режим роста Франка - ван дер Мерве.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 3

Если

γ2 + γ12 > γ1

сумма поверхностной энергии эпитаксиального слоя и энергии границы раздела больше, чем энергия поверхности подложки, то осаждаемый материал не смачивает подложку, и имеется тенденция к росту по механизму Вольмера-Вебера.

В гетероэпитаксиальной системе при наличии рассогласования по постоянной решетки между осаждаемым материалом и подложкой может происходить изменение величины γ2 + γ12 по мере увеличения толщины осаждаемого материала вследствие накопления упругой энергии.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 4

Это означает, что может иметь место переход от режима Франка - ван дер Мерве к режиму Вольмера-Вебера, т.е. первоначально имеет место послойный рост, который по достижении некоторой критической толщины осажденного материала переходит к островковому росту. Так возникает рост по механизму Странского-Крастанова. Остаточный двумерный слой носит название смачивающего слоя.

Более толстый слой имеет большую упругую энергию, и возникает тенденция уменьшить упругую энергию путем образования изолированных островков. В этих островках происходит релаксация упругих напряжений на вершинах пирамид и соответственное уменьшение упругой энергии.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 5

Распределение упругого напряжения в островке InAs на подложке GaAs. Существенно напряжены только области у основания островка.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 6

Механизмы роста Вольмера-Вебера и Странски-Крастанова дают принципиальную возможность сформировать массив трехмерных островков в матрице более широкозонного материала. Это массив при определенных условиях, прежде всего достаточно малых размерах островков, может рассматриваться как ансамбль квантовых точек.

Основные преимущества этого подхода к формированию массива КТ заключаются в его относительной простоте, принципиальной возможности избежать загрязнений и повреждений полупроводниковой матрицы, связанных с пост-ростовой обработкой, а также в формировании всей приборной структуры в едином эпитаксиальном процессе.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 7

Возможные ограничения метода:

1.В каких гетеропарах наблюдается? (нам нужны хорошо известные и технологически нетрудные материалы)

2.Не возникают ли дефекты? (например, дислокации)

3.Каковы типичные размеры островков? (эффекты размерного квантования)

4.Чем определяются размеры (минимум энергии или кинетика), каков их разброс в данном эпитаксиальном процессе и воспроизводимость от процесса к процессу?

5.Какова энергия локализации?

6.Можно ли контролировать процесс формирования островков и управлять свойствами (например, длиной волны излучения)?

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 8

1. Исследования показали, что в большинстве полупроводниковых пар имеет место или послойный рост (механизм Франка – ван дер Мерве) или островковый по механизму Странского-Крастанова. Островковый рост без смачивающего слоя (механизм Вольмера-Вебера) недавно был обнаружен при осаждении InAs на Si.

Впервые формирование трехмерных островков наблюдалось при попытке выращивания короткопериодных сверхрешеток InAs (2 МС)/GaAs в работе Goldstein в 1985 г. С этого времени массивы самоорганизующихся островков были синтезированы и исследованы во многих других системах материалов, включая InGaAs/GaAs, InGaAs/AlGaAs, InAlAs/AlGaAs и InP/InGaP на подложках GaAs; InAs/InGaAs, InAs/InAlAs и InAs/InP на InP; GaInP/GaP, InAs/GaP и InP/GaP на GaP; SiGe на Si.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 9

Схематическое изображение массива островков и данные просвечивающей электронной микроскопии.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 19, стр. 10